Тепловые процессы
Тепловыми называются процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода тепла. В тепловых процессах принимают участие минимум две среды с различными температурами, причем теплота передается самопроизвольно (без затраты работы) от среды с более высокой температурой T1 к среде с более низкой температурой Т2, т.е. если соблюдается неравенство Т1>Т2.
При этом среда с температурой Т1 называется теплоносителем, а среда с температурой Т2 – хладагентом. Для тепловых процессов, используемых в химическом производстве, эти температуры колеблются в весьма широких пределах – от близких к 0К до тысяч градусов.
Основная характеристика теплового процесса – количество передаваемого тепла, по которому рассчитывается теплопередающая поверхность аппарата. Для установившегося процесса количество передаваемого тепла в единицу времени определяется по формуле:
Q = KDT*F, (10.4)
К – коэффициент теплопередачи, Т – средняя разность температур между средами,
F – поверхность теплообмена.
Движущей силой тепловых процессов является градиент температуры
DТ = Т1 – Т2. (10.5)
К тепловым процессам относятся: нагревание, охлаждение, конденсация, испарение и выпаривание, теплообмен.
1. Нагревание – процесс повышения температуры перерабатываемых материалов путем подвода к ним тепла. Нагревание применяется в химической технологии для ускорения массообменных и химических процессов. По природе применяемого для нагревания теплоносителя различают:
– нагревание острым водяным паром через барботер или глухим водяным паром через змеевик или рубашку;
– нагревание топочными газами через стенку аппарата ил непосредственным контактом;
– нагревание предварительно нагретыми промежуточными теплоносителями водой: минеральными маслами, расплавами солей;
– нагревание электрическим током в электрических печах различного типа (индукционных, дуговых, сопротивления);
– нагревание твердым зернистым теплоносителем, в т.ч., катализатором в потоке газа.
Схема нагрева зернистым теплоносителемтеплоноситель
 |
топочные
газы
 |
нагретый
| |
газ
холодный компонент транспортирующий
1 – топка, 2 – аппарата для нагрева зернистого материала, 3 – аппарат для нагрева газа, 4 – загрузочное устройство, 5 – сепаратор зернистого материала
2.Охлаждение – процесс понижения температуры перерабатываемых материалов путем отвода от них тепла. В качестве хладоагентов для охлаждения применяются: вода, воздух, холодильные агенты. Аппараты для охлаждения подразделяются на:
– аппараты косвенного контакта охлаждаемого материала с хладоносителем через стенку (холодильники) и
– аппараты непосредственного контакта охлаждаемого материала с хладоагентом (холодильные башни или скрубберы).
Выбор конструкции аппарата определяется природой охлаждаемого материала и хладоагента.
3.Конденсация – процесс сжижения паров вещества путем отвода от них тепла. По принципу контакта хладоагента с конденсируемым паром различают следующие виды конденсации:
– поверхностная конденсация, при которой сжижение паров происходит на поверхности охлаждаемой водой стенки аппарата, и
– конденсация смешением, при которой охлаждение и сжижение паров происходит при непосредственном контакте их с охлаждающей водой. Аппараты первого типа называются поверхностными конденсаторами, аппараты второго типа – конденсаторами смешения и барометрическими конденсаторами. Конденсация смешением применяется в тех случаях, когда испаренная жидкость не смешивается с водой.
4 .Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления из них летучего растворителя в виде пере. Выпаривание представляет собой разновидность теплового процесса испарения. Условием протекания процесса выпаривания является равенство давления пара над раствором давлению пара в рабочем объеме выпарного аппарата.
При соблюдении этого условия температура вторичного пара, образующегося над кипящим растворителем, теоретически равна температуре насыщенного пара растворителя. Выпаривание может производиться под давлением или в вакууме, что позволяет снизить температуру процесса. Выпаривание может проводиться в двух вариантах: многократное выпаривание и выпаривание с тепловым насосом.
Многократным выпариванием называется процесс выпаривание с использованием в качестве греющего пара вторичного пара. Для этого выпаривание проводится в вакууме или с применением греющего пара высокого давления.
Число корпусов установки определяется экономическими соображениями, в частности, затратами на производство пара и на обслуживание и зависит от начальной и конечной концентрации упариваемого раствора.
Процесс выпаривания с тепловым насосом основан на том, что вторичный пар нагревается до температуры греющего пара путем сжатия его в турбокомпрессоре или инжекторе и затем вновь используется для испарения растворителя в том же выпарном аппарате.
Схема многократного выпаривания.
Ргр2
 |  |
Раствор
раствор
ргр1
ргр2
конденсат конденсат
1 – первый выпарной аппарат, 2 – второй выпарной аппарат, ргр1 – давление греющего пара первого аппарата (свежего пара), р ат1 –давление вторичного пара из первого аппарата, равное ргр2 – давлению греющего пара второго аппарата, р ат2 – давление вторичного пара из второго аппарата.
Схема выпаривания с тепловым насосом.
 |
упариваемая жидкость
 |
| |
пар пар
 |
упаренная жидкость
1 – выпарной аппарат, 2 – устройство для нагрева вторичного пара.