Источники тепла и методы нагревания

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.