I печь со змеевиком; 2 — теплоиспользующнй аппарат; 3 подъемный трубопровод; 4 — опускной трубопровод; 5 — циркуляционный насос.
С помощью уравнений (VIII,4) и (VIII,5), используя уравнение (II, 102а) для определения гидравлического сопротивления контура, можно рассчитать диаметр й трубопровода и расход С любого жидкого нагревающего агента при естественной циркуляции.
Из правой части уравнения (VIII,4) видно, что движущий напор возрастает с увеличением И и разности плотностей нагретой и охладившейся жидкостей. Поэтому при обогреве с естественной циркуляцией тепло- использующие аппараты располагают не менее чем на 4—5 м выше печи или другого нагревательного устройства. Таким образом, общая высота нагревательной установки должна быть весьма значительной. Однако даже в этих условиях скорость жидкости при естественной циркуляции мала и поэтому тепловая производительность установок с естественной циркуляцией невелика.
В установке с принудительной циркуляцией (рис. УШ-5, б) движение горячей жидкости между печью I и теплоиспользующим аппаратом 2 осуществляется при помощи циркуляционного насоса 5. Применение принудительной циркуляции позволяет значительно увеличить скорость циркуляции (до 2—2,5 м/сек и более) и соответственно повысить интенсивность теплообмена. При обогреве с принудительной циркуляцией отпадает необходимость в подъеме теплообменного аппарата над печью. Кроме того, одна печь может обслуживать одновременно несколько аппаратов. Однако использование насоса удорожает стоимость установки и ее эксплуатации.
Более прост и экономичен, чем обогрев перегретой водой, обогрев теплоносителями, позволяющими получать высокие температуры без давления в системе или при умеренных давлениях. К числу таких теплоносителей относятся минеральные масла и некоторые другие органические жидкости.
6. Нагревание газообразными высокотемпературными теплоносителями 317 Нагревание минеральными маслами.: Минеральные масла являются одним из старейших промежуточных теплоносителей, используемых для равномерного нагревания различных продуктов. В качестве нагревающих агентов применйют масла, отличающиеся наиболее высокой температурой вспышки — до 310 °С (цилиндровое, компрессорное, цилиндровое тяжелое). Поэтому верхний предел нагревания маслами ограничен температурами 250—300 °С. Нагрев с помощью минеральных масел производят либо помещая теплоиспользующий аппарат с рубашкой, заполненной маслом, в печь, в которой тепло передается маслу топочными газами, либо устанавливая электронагреватели внутри масляной рубашки. В тех случаях, когда нагревание теплоносителя в рубашке исключается (по причине огне- и взрывоопасности производства), нагрев масла осуществляют вне теплоиспользующёго аппарата в установках с естественной и принудительной циркуляцией. Эти установки отличаются некоторыми особенностями по сравнению со схемами на рис. УШ-5. Так, вследствие значительного увеличения объема масла при его нагревании за теплообменником (и выше него) устанавливают расширительный сосуд, емкости для холодного вязкого масла снабжают паровым обогревом и подводят к ним инертный газ для создания «подушки», предохраняющей масло от окисления при соприкосновении с воздухом, и т. д. Указанные особенности характерны для большинства нагревательных установок, где используются органические теплоносители (см. ниже). Масла являются наиболее дешевым органическим высокотемпературным теплоносителем. Однако им присущи существенные недостатки. Помимо относительно невысоких предельных температур применения, минеральные масла обладают низкими коэффициентами теплоотдачи, которые снижаются еще больше при термическом разложении и окислении масел. Их окисление и загрязнение поверхности теплообмена продуктами разложения усиливается в случае работы масел при температурах, близких к их температуре вспышки, и приводит к значительному ухудшению теплопередачи. Поэтому для получения достаточных тепловых нагрузок разность температур между маслом и нагреваемым продуктом должна быть не ниже 15—20 град. Вследствие указанных недостатков минеральные масла вытесняются более эффективными высокотемпературными; теплоносителями. Нагревание высококипящими органическими жидкостями и их парами. К группе высокотемпературных органических теплоносителей (сокращенно ВОТ) относятся индивидуальные органические вещества: глицерин, этиленгликоль, нафталин и его замещенные, а также некоторые производные ароматических углеводородов (дифенил, дифениловый эфир, дифенил- метан, дитолилметан и др.), продукты хлорирования дифенила и полифенолов (арохлоры) и многокомпонентные ВОТ, например дифенильная смесь, представляющая эвтектическую смесь дифенила и дифенилового эфира. Подробно свойства ВОТ и их применение описываются в специаль- ной литературе *. Наибольшее промышленное применение получила дифенильная смесь, состоящая из 26,5% дифенила и 73,5% дифенилового эфира (этот теплоноситель известен также под названиями Даутерм А, динил и др.). Дифенильная смесь обладает большей термической стойкостью и более низкой температурой плавления (+12,3 °С), чем оставляющие ее компоненты. Дифенильную смесь можно транспортировать по хорошо изолированным трубопроводам, не опасаясь ее кристаллизации. Темпе * См., например: Чечеткин А. В. Высокотемпературные теплоносители. М., «Энергия», 1971. См. с. 496
318 Гл. VIII. Нагревание, охлаждение и конденсация ратура кипения дифенильной смеси при атмосферном давлении равна 258 °С.' Поэтому в жидком виде она используется для нагрева до темпе- ратур не более приблизительно 250 °С (при р = 1 ат). Предельная темпе- ратура применения жидкой смеси составляет 280 °С при повышении избы- точного давления в системе до 0,81 бар (0,8 ат). Основным достоинством дифенильной смеси как теплоносителя яв- ляется возможность получения высоких температур без применения высо- ких давлений. Давление ее насыщенных паров равно лишь г/30—1/в0 давления насыщенных паров воды в пределах температур от 200 до 400 °С. Так, например, при 300 РС давление насыщения водяного пара состав- ляет 89,8 бар (87,6 ат), а дифенильной смеси — только 2,45 бар (2,4 ат). По этой причине становится, возможным для нагрева дифенильной смесью до высоких температур исполь- зовать вместо змеевика более простые теплообменные устрой- ства — рубашки. Недостатком дифенильной смеси, как и других органи- ческих теплоносителей, являет- ся малая теплота парообразо- вания. Однако у дифенильной смеси этот недостаток в значи- тельной мере компенсируется большей, чем у воды, плотно- стью паров, в результате чего при испарении или конденса- ции смеси количество тепла, выделяющееся на единицу объе- ма пара, оказывается близким к соответствующей величине для воды. В парообразном состоянии дифенильная смесь применяется не превышающих 380 РС (при кратковремен- до 400 °С). При более высоких темпера- Рис. \ПП-6. Схема нагрева жидкой дифенильной смесью с принудительной циркуляцией: У — специальный центробежный насос; 2 — котел с электрообогревом; 3 — теплойспользующий аппарат; 4 *- расширительный сосуд; 5 приемная емкость; 6 ч— фильтр. для нагрева до температур ном нагреве—приблизительно турах происходит заметное разложение дифенильной смеси. Она горюча, но практически взрывобезопасна и оказывает лишь слабое токсическое воздействие на человеческий организм. Рассмотрим принципиальные схемы нагрева жидкой и парообразной дифенильной смесью, которые в общих чертах типичны для всех ВОТ. При обогреве жидкой смесью с принудительной циркуляцией (рис. УШ-6) смесь специальным центробежным насосом 1 через котел 2 с электрообогревом подается на обогрев теплоиспользующего аппарата 3. Вследствие того что объем смеси при ее нагреве увеличивается, за аппаратом 3 установлен расширительный сосуд 4. После того как смесь отдала тепло и охладилась, насосом 1 она снова засасывается в котел. Предварительный подогрев смеси при заполнении системы и ее подпитке (для компенсации потерь теплоносителя, которые в циркуляционной замкнутой системе невелики) производится в емкость 5, в которую смесь поступает через фильтр 6. Над поверхностью жидкости в сосуде 4 и емкости 5 находится инертный газ (азот), подаваемый для того, чтобы по возможности устранить окисление смеси при соприкосновении ее с воздухом. Кроме того, подача азота в камеры электронагревателей котла 2 обеспечивает взрывобезопасные условия его работы. Вся система также периодически продувается азотом. При нагреве парами дифенильной смеси (рис. УШ-7) пары из котла 1 с электрообогревом поступают в рубашки теплоиспользующих аппаратов 2, где и конденсируются. Конденсат через конденсатоотводчики 3 возвра-
6. Нагревание газообразными высокотемпературными теплоносителями 319 щается на испарение самотеком в котел 1. Для очистки дифенильной смеси от продуктов осмолення часть паров из котла 1 поступает в межтрубное пространство теплообменника-регенератора 4, в трубное пространство которого насосом (на рисунке не показан) подается жидкий теплоноситель из емкости 5. В трубках ВОТ кипит, от него отделяются смолистые примеси, и пары чистого теплоносителя направляются в конденсатор 6, откуда конденсат стекает в емкость 7. Продукты осмолення собираются в нижней части регенератора 4 и периодически из него удаляются. В емкость 7, снабженную паровым обогревом, подается, азот. При пуске установки, а также для восполнения потерь жидкий теплоноситель из емкости 7 насосом 8 подается в котел с электрообогревом (парогенератор) 1. Для Рис. У1П-7. Схема обогрева парами ВОТ: ■ } — котел с электрообогревом; 2 — теплоиспользующие аппараты; 3 — конденсатоотводчики: 4 — теплообменник-регенератор; 5 — приемная емкость; 6 — конденсатор; 7 — емкость для очищенного ВОТ; 8 — насос; 9 —; взрывная мембрана. предотвращения повышения давления в котле сверх заданного на паро- вой линии установлена взрывная мембрана 9. В отличие от схемы с принудительной циркуляцией (см. рис. УШ-6) в данном случае теплоиспользующие аппараты размещаются значительно выше котла-парогенератора для обеспечения интенсивной циркуляции теплоносителя. Кроме того, в связи с более высокой температурой теплоносителя и соответственно — более интенсивными окислением и смолообразованием в схеме, как было показано, предусмотрены дополнительные устройства для очистки ВОТ. При паровом обогреве по схеме, представленной на рис. VIП-7, отпадает необходимость в специальном и сложном в эксплуатации циркуляционном насосе, который требуется при обогреве жидкой смесью. Вследствие значительной текучести дифенильной смеси и некоторых других ВОТ все нагревательные установки снабжаются специальной герметичной арматурой. Регулирование температуры нагрева парами дифенильной смеси возможно не только путем изменения мощности котлов-парогенераторов, но и дросселированием па-ра на входе его в теплоиспользующий аппарат, а также путем изменения уровня конденсата в рубашках теплоиспользующих аппаратов. Кроме ВОТ, упомянутых выше, для нагревания до высоких температур (г 300 °С) применяют кремнийорганические жидкости, представляющие собой главным образом ароматические эфиры ортокремневой кислоты, например"ортокрезилоксисилан. Эти теплоносители весьма термически стойки, имеют низкую температуру плавления, высокую температуру кипения при атмосферном давлении, но легко гидролизуются при воздействии влаги.]
320 Гл. VIII. Нагревание, охлаждение и конденсация Нагревание расплавленными солями. В химической технологии часто необходимо нагревать продукты до температур, превышающих предельно допустимые температуры для ВОТ. В таких случаях для равномерного обогрева используют неорганические жидкие теплоносители — расплавленные соли и жидкие металлы. Из различных неорганических солей и их сплавов, применяемых для нагревания до высоких температур,- наибольшее практическое значение имеет н и т р и т-н итратная смесь — тройная эвтектическая смесь, содержащая (по массе) 40% азотистокислого натрия, 7% азотнокислого натрия и 53% азотнокислого калия (температура плавления смеси 142,3 °С). Эта смесь применяется для нагрева при атмосферном давлении до температур 500—540 °С. Смесь практически не вызывает коррозии углеродистых сталей при температурах не выше приблизительно 450 °С. Для изготовления аппаратуры и трубопроводов, работающих при более высоких температурах, используют хромистые и хромоникелевые стали. Кроме того, трубопроводы снабжают паровым обогревом (с помощью паровых труб, проложенных рядом с солевой линией и заключенных с ней в общий короб тепловой изоляции). Смесь применяют практически только при обогреве с принудительной циркуляцией, которая осуществляется посредством специальных насосов пропеллерного типа (вертикальных) или бессальниковых центробежных насосов. Коэффициенты теплоотдачи от смеси ниже, чем от перегретой воды, но при принудительной циркуляции достигается достаточно интенсивный теплообмен. Нитрит-нитратная смесь является сильным окисляющим агентом. Поэтому по соображениям взрывобезопасности не допустим ее контакт при высоких температурах с веществами органического происхождения, а также со стружкой и опилками черных и некоторых цветных металлов (алюминий, магний). Нагревание ртутью и жидкими металлами. Для нагрева до температур 400—800 °С и выше в качестве высокотемпературных теплоносителей могут быть эффективно использованы ртуть, а также натрий, калий, свинец и другие легкоплавкие металлы и их сплавы. Эти теплоносители отличаются большой плотностью, термической стойкостью, хорошей теплопроводностью и высокими коэффициентами теплоотдачи. Однако жидкие металлы и их сплавы характеризуются очень малыми значениями критерия Прандтля (Рг ^ 0,07). В связи с этим коэффициенты теплоотдачи от жидких металлов следует рассчитывать по специальным формулам *. Большинство металлических теплоносителей огне- и взрывобезопасны и практически не действуют на малоуглеродистые и легированные стали. Исключение составляют калий и натрий, которые отличаются чрезвычайно высокой химической активностью, требуют применения нержавеющих сталей и воспламеняются со скоростью взрыва. Легкоплавкие металлы, кроме ртути, натрия, калия и их сплавов, используются главным образом в качестве промежуточных теплоносителей для нагревательных бань. Однако иногда они находят применение в нагревательных установках с естественной и особенно с принудительной циркуляцией. Ртуть является единственным металлическим теплоносителем, используемым в парообразном состоянии, причем давление паров ртути очень низкое (приблизительно 2 ат при 400 °С). В промышленности имеются ртутно-паровые нагревательные установки, работающие при естественной циркуляции теплоносителя и отличающиеся высоким к. п. д. Однако пары металлических теплоносителей крайне ядовиты. Так, например, конденсация паров ртути в воздухе производственных помеще * См., например: Чечет кин А. В. Высокотемпературные теплоносители. М., «Энергия», 1971. См. с. 496.
7. Нагревание электрическим током 321 ний не должна превышать 0,01 мг/м3 воздуха. Поэтому нагревательные установки с применением металлических теплоносителей должны быть абсолютно герметичны и снабжены мощной приточно-вытяжной венти- ляцией. Этот и некоторые другие недостатки (плохая смачиваемость метал- лов, высокая стоимость и пр.) ограничивают возможности промышлен- ного использования теплоносителей этой группы в процессах химической технологии. Нагревание газообразными высокотемпературными теплоносителями в слое неподвижной и движущейся твердой насадки Для нагревания технологических газов до высоких температур иногда используют газообразные теплоносители — топочные газы и т. д., периодически нагревающие слой насадки, состоящей из небольшие твердых тел или зерен. Она служит промежуточным твер- дым теплоносителем, от которого технологические газы получают тепло н нагреваются до заданной температуры. Насадка изготавливается из алюмосиликатов, кварца, шамота и других термостой- ких неметаллических материалов. Нагрев газами в слое неподвижной насад- ки, вызывающей турбулизацию потока газа и повыше- ние интенсивности теплообмена, осуществляется, в част- ности, в регенеративных теплообменниках. В последнее время успешно используется нагре- вание в слое движущейся насадки. Зернистые материалы, размер частиц которых колеблется от 0,05 до 8 В нагревательных установках с циркулирующим зернистым теплоносителем последний движется либо сплошным потоком (в виде так называемой падающей насадки, рис. VI П-8), либо перемещается, находясь в псевдоожиженном состоянии, т. е. работает в режиме псевдоожнжения. В установке с падающей насадкой (см. рис. VII1-8) топочные газы подаются в верхнюю камеру меру В камере Нагревательная установка с псевдоожнженным ;слоем твердого теплоносителя также состоит из теплообменных камер, ио несколько другого устройства. Топочные газы направляются по газоходу под распределительную решетку верхней камеры с такой скоростью, чтобы привести в псевдоожиженное состояние холодный зернистый материал, который поступает сверху. Нагретый материал отводится в нижнюю камеру, где псевдоожижается потоком нагреваемого (технологического) газа, поднимающегося сквозь отверстия распределительной решетки. Здесь происходит интенсивное нагревание технологического газа, воспринимающего тепло от зернистого промежуточного теплоносителя. В остальном схема установки совпадает с изображенной на рис. У1И-8.
мм, обладают очень большой удельной поверхно- стью, что позволяет получать весьма значительные по- верхности теплообмена в малом рабочем объеме аппа- рата и интенсифицировать различные процессы тепло- и массообмена. Такой способ нагрева часто называют иагревом с помощью запыленных газовых и паро-газовых потоков.I через газоход н движутся вверх навстречу сплошному по- току холодных частиц твердого промежуточного тепло- носителя (падающей насадки), поступающих из бун- кера 2. В результате интенсивного теплообмена твер- дые частицы нагреваются до температуры, близкой (на 5—10 °С ниже) температуре топочных газов. На- гретый твердый теплоноситель через герметический затвор 3 и бункер 4 подается в нижнюю ка-5, где отдает свое тепло движущемуся противотоком технологическому газу.5 также происходит весьма интенсивный теплообмен между твердым нагретым теплоносителем и технологическим газом, который отделяется от унесенных твердых частиц в циклоне 6 и направляется на дальнейшую переработку. Отработанные топочные газы очищаются от пыли в циклоне 7 и удаляются в атмосферу. Охлажденные частицы теплоносителя, а также мельчайшие его частицы, отделенные в циклонах 6 и 7 с. помощью газо- дувки 8, поступают по пневмотранспортному трубопроводу снова в бункер 2,