Источники тепла и методы нагревания. Нагревающие агенты
Источники тепла и методы нагревания. Нагревающие агенты - раздел Философия, Химическая технология, часть 1 Нагревание Является Одним Из Наиболее Распространенных Процессов Химической ...
Нагревание является одним из наиболее распространенных процессов химической технологии. Нагревание необходимо для ускорения многих химических реакций, а также для выпаривания, перегонки, сушки и других процессов.
Тепловая энергия для проведения технологических процессов может быть получена различными способами и от разных источников.
Прямыми источниками тепла являются:
1) Дымовые газы;
2) Электрический ток.
В качестве промежуточных теплоносителей, воспринимающих тепло от указанных источников тепла и передающих его нагреваемому веществу, применяют:
1) Водяной пар или горячую воду;
2) Минеральные масла;
3) Специальные теплоносители: перегретую воду, высококипящие жидкости и их пары, расплавленные неорганические соли и их смеси, некоторые углеводороды и металлы (в жидком состоянии).
Кроме того, для нагревания может быть использовано тепло отходящих газов и жидкостей, обладающих относительно высокой температурой.
Важнейшими условиями, от которых зависит выбор теплоносителя, являются:
1) Температура нагрева и возможность ее регулирования;
2) Упругость пара и термическая устойчивость теплоносителя;
3) Токсичность и химическая активность теплоносителя;
4) Безопасность нагревания;
5) Стоимость и доступность теплоносителя.
Нагревание насыщенным водяным паром широко применяется в химической технологии. При таком нагревании можно точно регулировать температуру нагрева путем изменения давления пара. Вследствие хорошей теплоотдачи от насыщенного пара аппараты могут иметь значительно меньшие поверхности нагрева, чем при нагревании, например, дымовыми газами. Паровые нагревательные устройства при использовании тепла конденсата работают при очень высоком К.П.Д. Однако, применяя в качестве теплоносителя водяной пар, трудно получить высокую температуру нагрева, так как для этого требуется резко увеличить давление пара. Так, например, для достижения температуры 3500С потребовалось бы поднять давление пара до 180 атм. Максимальная температура насыщенного водяного пара равна 3740 (критическая температура). Поэтому нагревание водяным паром ведут обычно до температур не более 1800.
Наиболее простым способом передачи тепла является нагревание «острым» паром, который вводят непосредственно в нагреваемую жидкость. Этот пар конденсируется и отдает тепло нагреваемой жидкости, а образующийся конденсат смешивается с жидкостью. Обычно «острый» пар применяют только для нагревания воды и водных растворов.
Если свойства обогреваемого материала или условия проведения процесса не позволяют вести нагревание «острым» паром, применяют устройства для нагрева через стенки, разделяющие пар и нагреваемую жидкость, т. е. ведут нагревание «глухим» паром. Такой нагрев ведется через двойные днища или рубашки, змеевики, трубчатые и спиральные теплообменники и др. Обычно поступающий в теплообменник пар отдает всю скрытую теплоту парообразования стенкам аппарата и истекает в виде конденсата.
Нагревание горячей водой применяют значительно реже, чем водяным паром, хотя по своим теплотехническим свойствам вода почти не отличается от пара. Ограниченное использование воды объясняется тем, что для нагрева необходимы пар или дымовые газы, причем горячая вода должна иметь более высокую начальную температуру, чем пар, так как она охлаждается в процессе нагревания, а пар отдает скрытую теплоту конденсации при постоянной температуре. Применяют главным образом отработанную горячую воду или паровой конденсат. Используется для нагрева веществ до 1000.
Нагревание специальными теплоносителями. С развитием химической технологии увеличивается число процессов, проводимых при температурах 500-6000 и более. Для получения температур выше 1800 наиболее рационально использовать перегретую воду или пары высококипящих жидкостей, обладающих низкой упругостью, и пары термически стойких жидкостей, отличающихся высокой теплоемкостью. Применяют органические теплоносители - дифенил и дифениловый эфир, эвтектическую смесь дифенила и дифенилового эфира и др., а также ртуть, смеси солей, расплавленные металлы. Эти вещества предварительно нагревают или испаряют при помощи дымовых газов или электрического тока, после чего нагретые вещества (жидкости или пары) отдают тепло нагреваемому материалу через стенки аппаратов.
Смесь дифенила и дифенилового эфира в технике имеет название «Даутерм А». Дифенил и дифениловый эфир в определённом соотношении дают эвтектическую смесь с низкой температурой плавления (12,4 0С), поэтому эту смесь можно транспортировать по трубам, не опасаясь кристаллизации. Температура кипения смеси при атмосферном давлении равна 258 0С. Поэтому в жидком виде дифенильная смесь используется для нагрева до температур не более 250 0С.
Примером использования в качестве нагревающих агентов расплавов солей является нитрит-нитратная смесь, содержащая 40% нитрита натрия, 7% нитрата натрия и 53% нитрата калия. Температура плавления смеси 142,3 0С. Эта смесь применяется для нагрева при атмосферном давлении до температур 500 – 540 0С.
Недостатки нитрит-нитратной смеси:
1. При температурах ≥450 0С смесь вызывает коррозию стали.
2. Частный коэффициент теплоотдачи смеси ниже, чем от перегретой воды;
3. Смесь является сильным окислителем, поэтому недопустим её непосредственный контакт с органическими веществами, стружкой и опилками металлов.
Нагревание электрическим током. При помощи электрического тока можно достичь весьма высоких температур нагрева; например, в электропечах для сжигания атмосферного азота температура равна 32000.
Электрические нагревательные устройства работают при более высоком К.П.Д., чем устройства для нагрева другими теплоносителями. При нагревании электрическим током используется до 95% электрической энергии, вводимой в нагревательный аппарат. Однако нагревание электрическим током мало распространено вследствие сравнительно высокой стоимости и дефицитности электроэнергии, а также сложности аппаратуры.
Нагревание дымовыми газами наиболее распространено; при этом можно достигнуть температуры 10000 и выше.
Вместе с тем обогрев дымовыми газами имеет и существенные недостатки. Коэффициент полезного действия печей обычно не превышает 30%, так как значительная часть тепла уходит в атмосферу с отходящими газами, которые имеют высокую температуру (вследствие того, что поверхности теплообмена обогреваемых аппаратов обычно невелики).
При обогреве дымовыми газами нельзя быстро регулировать температуру нагрева, а коэффициенты теплоотдачи очень низки. Но так как газы имеют высокую температуру удается достичь значительных разностей температур теплоносителя и нагреваемого продукта, что отчасти компенсирует малую величину коэффициентов теплоотдачи. Вследствие высоких температур и трудности их регулирования возможны перегревы нагреваемых продуктов, пригорание их и возникновение нежелательных побочных процессов. Нагревание дымовыми газами легколетучих и легко воспламеняющихся материалов опасно.
Следует указать также на значительный объемный расход дымовых газов (из-за низкой теплоемкости) и сложность их транспортирования (из-за больших объемов и высокой температуры).
Усовершенствование техники нагревания дымовыми газами позволило в определенной мере преодолеть недостатки этого способа нагревания. В современных нагревательных системах осуществляют рециркуляцию дымовых газов, т. е. разбавляют их не воздухом, а самими охлажденными дымовыми газами, уже прошедшими через теплообменный аппарат. Рециркуляцию проводят, используя вентилятор или эжектор. Возвращая на разбавление то или другое количество дымовых газов, можно довольно точно регулировать температуру нагрева. Кроме того, при рециркуляции через теплообменный аппарат проходит больше газов и соответственно меньше снижается их температура, что повышает равномерность нагревания.
В связи с недостатками, свойственными непосредственному обогреву дымовыми газами, все шире для обогрева до температуры ~ 5000 применяются различные промежуточные теплоносители.
Краткие сведения по истории развития химической технологии
История химической технологии неотделима от истории химической промышленности. Возникновение в Европе мануфактур и промыслов по получению основных химических продуктов следует отнести к 15 веку, ко
Виды и ресурсы сырья
Сырьем называются природные материалы, используемые в производстве промышленной продукции.
В химическом производстве на различных стадиях переработки можно выделить следующие мате
Гидростатика. Понятие давления
Гидростатика изучает жидкости в абсолютном и относительном покое. Кардинальная проблема этого раздела, лежащая в основе ряда конкретных задач – определение давления в произвольной точке технологиче
Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера
На жидкость, находящуюся в покое, действуют сила тяжести и сила гидростатического давления. Соотношение между силами, действующими на жидкость, которая находится в состоянии покоя, определяющее усл
Основное уравнение гидростатики
Для получения закона распределения давления во всём объёме покоящейся жидкости необходимо эту систему уравнений проинтегрировать.
После интегрирования уравнений (1) и (2) выясняется, что з
Приборы для измерения давления
В технике для измерения давления применяют манометры, вакуумметры, пьезометры. Простейшим прибором является пьезометр – открытая, обычно стеклянная трубка (рисунок 5а). Чтобы избежать влияни
Основные характеристики движения жидкости
Рассмотрим движение жидкости по трубе постоянного сечения.
Количество жидкости, протекающее через всё поперечное сечение трубопровода или аппарата в единицу времени, называется
Дифференциальные уравнения движения Эйлера
Выведем дифференциальные уравнения движения Эйлера для установившегося во времени потока идеальной жидкости,
Движение жидкости является установившимся или стационарным, если скорость части
Уравнение Бернулли для идеальных жидкостей
Для вывода уравнения Бернулли необходимо преобразовать и проинтегрировать дифференциальные уравнения движения Эйлера, чтобы перейти от элементарного объёма ко всему объёму жидкости.
Сначал
Уравнение Бернулли для реальных жидкостей
При движении реальной жидкости её гидродинамический напор Н (или сумма потенциальной и кинетической энергии потока) не остаётся постоянным, так как частицы жидкости встречают сопротивление, вызванн
Дифференциальное уравнение неразрывности потока
Рассмотрим жидкость, текущую без пустот и разрывов и при отсутствии источников массы. Выделим в объёме жидкости элементарный параллепипед объёмом dV = dxdydz, рёбра которого ориентированы па
Режимы движения жидкости
Рядом исследователей (Хеганом в 1869 г., Менделеевым в 1880 г., Рейнольдсом в 1883 г.) было замечено, что существует два принципиально разных режима движения жидкости. Наиболее полно этот вопрос бы
Распределение скоростей по сечению потока
В случае ламинарного движения вязкой жидкости в прямой трубе круглого сечения всю жидкость можно мысленно разбить на ряд кольцевых слоёв, соосных с трубой. Вследствие действия между слоями сил трен
С переменным перепадом давления
Принцип действия приборов с переменным перепадом давления основан на том, что на пути движения жидкости или газа ставят преграду с отверстием.
&nb
Приборами с постоянным перепадом
Действие этих приборов основано на уравновешивании силы тяжести поплавка силой, развиваемой давлением восходящего потока жидкости или газа. При этом удельный вес поп
Определение неоднородных систем
Неоднородными, или гетерогенными, называют системы, состоящие по меньшей мере из двух фаз. При этом одна из фаз является дисперсионной (сплошной) средой, а другая
Скорость осаждения. Закон Стокса
Рассмотрим осаждение твёрдой шарообразной частицы в неподвижной среде под действием силы тяжести G.
G = mg.
Если отсутствует сопротивление среды, то скорость осажден
Центрифугирование
Проводя процесс разделения гетерогенных систем под действием центробежных сил, можно существенно интенсифицировать его по сравнению с отстаиванием благодаря увеличению движущей силы.
Для с
Фильтрация
- это процесс разделения суспензий, пылей или туманов путём пропускания их через пористую перегородку (фильтр), способную задерживать взвешенные в дисперсионной среде частицы. В кач
Псевдоожижение
Псевдоожижение – процесс приведения твёрдого зернистого материала в состояние, при котором его свойства приближаются к свойствам жидкости. Псевдоожиженные системы способны прин
Основы теплопередачи
Большинство процессов химической технологии протекает в заданном направлении только при определённой температуре, которая достигается путём подвода или отвода тепловой энергии (теплоты). Процессы,
Виды распространения тепла
Перенос теплоты является сложным процессом, по этом при изучении тепловых процессов его расчленяют на более простые явления. Различают три вида переноса теплоты: теплопроводность, тепловое излучени
Тепловые балансы
Тепловой поток Q обычно определяют из теплового баланса. При этом в общем случае (без учёта потери теплоты в окружающую среду)
Q = Q1 = Q2, или Q = G
Основное уравнение теплопередачи
Для расчёта теплообменных аппаратов широко используют кинетическое уравнение, которое выражает связь между тепловым потоком Q и поверхностью F теплопередачи, называемого основным у
Различные способы переноса тепла
Теплопроводность. Величину теплового потока Q, возникающего в теле вследствие теплопроводности при некоторой разности температур в отдельных точках, определяют
Теплоотдача
Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителей в трубах и каналах. Обычно в теплообменных аппаратах один из теплоносителей движется по трубам, с помощью которых чащ
Теплопередача
В основе приближенных расчетов процессов теплообмена лежит уравнение переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку при условии постоянных и изменяющихся вдоль п
Теплообменные аппараты
Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются аппараты для передачи тепла от более нагретого теплоносителя к другому менее нагретому. Теплообменники как самостоятельные агре
Виды массообменных процессов
Наибольшее распространение получили следующие процессы:
Абсорбция– избирательное поглощение газов или паров из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями (абсорб
Способы выражения составов фаз
При изучении массообменных процессов приходится иметь дело со смесью различных компонентов, находящихся в жидкой или паровой фазе. Свойства такой смеси зависит от её состава, т.е. относительного со
Правило фаз Гиббса
При взаимодействии фаз системы происходит обмен веществом и энергией; такой массо- и теплообмен идет через поверхность раздела фаз, стремясь достигнуть состояния равновесия, при котором скорость пе
Фазовое равновесие, линия равновесия
Рассмотрим процесс массопередачи, в котором аммиак, представляющий собой распределяемый компонент, поглощается из его смеси с воздухом чистой водой.
Обозначим: Фх – жидка
Материальный баланс. Рабочая линия
Рабочие концентрации распределяемого вещества не равны равновесным, и в действующих аппаратах никогда не достигают равновесных значений. Зависимость между рабочими концентрациями распределяемого в
И направление переноса вещества из фазы в фазу
В общем случае: движущей силой массообменных процессов является отклонение данной системы от состояния равновесия.
Со стороны газовой фазы: движущей силой процесса является разность между
Фазовые диаграммы
Если система состоит из двух компонентов (К=2) и между ними не происходит химического взаимодействия, то при наличии жидкой и паровой фаз число фаз Ф=2. Согласно прави
Разновидности простой перегонки
Обычно процесс простой перегонки проводят периодически, хотя в принципе этот процесс можно организовать и непрерывным.
При периодической перегонке жидкость постепенно испаряется, и образую
Сущность ректификации
Ректификацией называют процесс переноса компонентов между кипящей жидкой и насыщенной конденсирующейся паровой фазами при противотоке этих фаз.
Или другими словами, ре
Аппаратурное оформление процессов ректификации
Ректификация, как и другие процессы массопередачи, протекает на поверхности раздела фаз, поэтому аппараты для ректификации должны обеспечивать развитую поверхность контакта между паровой и жидкой ф
Анализ работы ректификационных колонн и их расчёт
Известно 2 основных метода анализа работы и расчёта ректификационных колонн: графоаналитический (графический) и аналитический. Графический метод проще и нагляднее, поэтому проведём анализ с его пом
Построение рабочих линий на диаграмме у—х
Для построения рабочих линий откладывают на оси абсцисс диаграммы (см. рис. ) заданные составы жидкостей хW, хF и хP. Учитывая принятые допущения о ра
Минимальнре и действительное (рабочее) флегмовое число
При заданном составе дистиллята хр величина отрезка В (см. рис. Х1-17), отсекаемого рабочей линией укрепляющей части колонны на оси ординат, зависит только от флегмового числа
Графический метод определения числа теоретических тарелок
Одной из основных целей расчета колонны является определение числа тарелок, необходимых для разделения данной смеси, состава а на ректификат и остаток заданных качеств (ур и х
Периодическая ректификация бинарных смесей
В малотоннажных производствах используются ректификационные установки периодического действия. Исходную смесь загружают в куб 1, снабжённый нагревательным устройством. Смесь подогревается до
Химико-технологический процесс
Химико-технологический процесс (ХТП) – это тсочетание связанных друг с другом и проводимых в определённой последовательности химических, физико-химичесикх, физических и механических операций
Основные показатели ХТП
Основные показатели ХТП с разных сторон характеризуют полноту использования возможностей осуществления конкретной химической реакции.
Степень превращения (х) – это доля исходного ре
Равновесие в технологических процессах
Химические реакции делятся на обратимые и необратимые. Необратимые процессы протекают лишь в одном направлении. Например, реакция СО2 + Са(ОН)2®СаСО3 + Н2
Пути увеличения скорости реакции
1. Для простых реакций увеличение концентрации исходных веществ практически всегда приводит к увеличению скорости. Если частные порядки по компонентам А и В отличаются (а>b), то наибольшее влиян
Основные требования к промышленным реакторам
1. Максимальная производительность и интенсивность работы.
2. Высокий выход и наибольшая селективность процесса. Они обеспечиваются оптимальными параметрами режима: температурой, давлением
Технологические схемы
Производство химических продуктов складывается из целого ряда химических и физических процессов, которые могут происходить одновременно (параллельно) в одних и тех же аппаратах или последовательно.
Высокоэффективных химико-технологических процессов.
Научно-технический прогресс в области химической технологии должен полностью изменить ее лицо как самостоятельной области науки и как сферы материального производства. Многие химические производ
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Новости и инфо для студентов