Промышленные способы отвода теплоты в химической аппаратуре

Тема: Промышленные способы отвода теплоты в химической аппаратуре

План

• Отвод теплоты. Охлаждение водой и низкотемпературными жидкими хладоагентами
• Охлаждение воздухом
• Холодильные машины
• Водооборотные циклы химических производств

Отвод теплоты. Охлаждение водой и низкотемпературными жидкими хладоагентами

Многие процессы химической технологии протекают в условиях, когда возникает необходимость отвода теплоты, например при охлаждении газов, жидкостей или при конденсации паров. Охлаждение осуществляют с помощью охлаждающих теплоносителей (охлаждающих агентов) в результате протекающего между ними и охлаждаемой средой теплообмена.

Наиболее доступными и распространенными охлаждающими агентами являются вода и воздух. Но наряду с ними используют и другие теплоносители — в частности, низкотемпературные жидкости.

Охлаждение водой и низкотемпературными жидкими хладоагентами.

Охлаждение водой используют для достижения температур охлаждаемой среды на уровне 10−30°С. При этом достигаемая температура охлаждения зависит от начальной температуры воды, которая в зависимости от ее источника может быть прудовой, речной, озерной, артезианской (получаемой из подземных скважин) или же оборотной, прошедшей водооборотный цикл промышленных предприятий. Речная, прудовая и озерная вода в зависимости от времени года имеет температуру 4−25°С, артезианская вода-8−12°С, а оборотная (в летних условиях) — приблизительно 30 °C. С помощью воды можно охлаждать технологические жидкости до 25−30° С.

При проектировании теплообменников для охлаждения начальную температуру охлаждающей воды следует принимать, исходя из наиболее неблагоприятных — летних условий, что обеспечит их надежную работу в течение всего года. Очень важным является вопрос о конечной температуре охлаждающей воды. Чем она окажется выше, тем меньше будут потребности в самой воде. Но это кажущаяся выгода, ибо при более высокой конечной температуре воды происходит заметное выделение растворенных в воде солей, загрязняющих теплообменные поверхности, что приводит к увеличению их термического сопротивления. Кроме того, при более высокой температуре воды существенно возрастают и потери ее в процессе испарения. Поэтому рекомендуется обеспечивать такой режим охлаждения, при котором температура воды, выходящей из теплообменника, будет 40−50°С.

Расход охлаждающей воды G_но (в кг/ч) определяют из уравнения теплового баланса:

GН_н + G_Н2О Н_нв = GН_к + G_Н2О Н_{к в} + Q_п (1), откуда

G_Н2О= [G (Н_{н -} Н_к) — Q_п] / (Н_{к в}-Н_нв)

где G — расход охлаждаемого теплоносителя, кг/ч; Н_н и Н_{к -} начальная и конечная энтальпии охлаждаемого теплоносителя, кДж/кг [Н= сt, где с-теплоемкость, кДж/ (кг · К), t — температура теплоносителя, К]; Н_нв и Н_{к в} — начальная и конечная энтальпии охлаждающей воды, кДж/кг; Q_П — потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.

Охлаждение водой осуществляют главным образом в поверхностных теплообменниках (холодильниках), конструкции которых рассмотрены ниже. Охлаждающая вода в холодильниках обычно движется снизу вверх. При таком направлении движения конвекционные токи, обусловленные изменением плотности теплоносителя за счет изменения температуры, совпадают с направлением движения теплоносителя. Кроме того, воду используют для охлаждения в смесительных теплообменных аппаратах, в которых происходит непосредственное соприкосновение охлаждаемого и охлаждающего теплоносителей.

Достижение более низких температур охлаждения можно обеспечить с помощью низкотемпературных жидких хладоагентов. К их числу относятся жидкий аммиак, фреоны (хладоны), диоксид углерода, холодильные рассолы — водные растворы некоторых солей, например хлоридов натрия, магния или кальция, замерзающих при низких температурах. Эти жидкие хладоагенты циркулируют в специальных холодильных установках, где теплота от охлаждаемой среды отнимается при их испарении. Холодильные же рассолы выполняют роль промежуточных теплоносителей между испарителем холодильной машины (источник холода) и охлаждаемой средой (потребитель холода). В последнее время фреоны вследствие разрушения ими озонного слоя атмосферы заменяют другими хладоагентами.

Охлаждение воздухом

Воздух в качестве охлаждающего агента, как и воду, широко используют в химической технологии. По сравнению с водой воздух более доступен и, несмотря на то, что он обладает значительно меньшими значениями коэффициентов теплоотдачи и объемной теплоемкости (малые теплоемкость, теплопроводность и плотность) (это, в свою очередь, определяет значительно большие потребные поверхности теплообмена и расход теплоносителя), в современной технологии наблюдается тенденция к замене воды как охлаждающего агента воздухом. Помимо этого воздух не загрязняет поверхность теплоотдачи отложениями, не корродирует теплообменную аппаратуру, что положительно сказывается на увеличении срока службы воздушных холодильников.

Наиболее широко воздух в качестве охлаждающего агента используют в смесительных теплообменниках-градирнях, являющихся основным элементом оборудования водооборотного цикла.

Холодильные машины

Для охлаждения до температур ниже 0°С применяют хладоагенты, получаемые в холодильных установках. Методы охлаждения и ассортимент хладоагентов определяются интервалом температур. По этому признаку различают

— умеренное охлаждение (от комнатной температуры до — 100°С)

— глубокое охлаждение (ниже-100°С).

Умеренное охлаждение основано на испарении жидкостей с низкими температурами кипения. При обычных условиях они находятся в газообразном состоянии. К числу наиболее распространенных хладоагентов относятся аммиак и фреоны — фторхлорзамещенные производные метана и этана.

Промежуточные хладоагенты применяются для охлаждения до не очень низких температур (до-40°С) и обеспечивают возможность одновременного охлаждения в нескольких аппаратах. В качестве промежуточных хладоагентов используют водные растворы хлористого кальция или хлористого магния с низкой температурой кристаллизации.

Глубокое охлаждение основано на использовании эффекта Джоуля-Томсона. Он называется иногда дроссельным эффектом. Эффект Джоуля-Томсона заключается в понижении температуры газа при его адиабатическом расширении. В установках глубокого охлаждения рабочим телом чаще всего является воздух.

Холодильными машинами или термокомпрессорами называются машины, непрерывно поддерживающие температуры тел ниже температуры окружающей среды.

Холодильные машины подразделяются на воздушные (газовые), паровые, пароэжекторные, абсорбционные, а также машины, принцип действия которых основан на эффектах Пельтье и Ранка-Хильша.

В воздушной холодильной машине в качестве холодильного агента используется атмосферный воздух. Принцип её действия заключается в следующем. В компрессоре воздух сжимается до определенного значения давления Р, а затем нагнетается в теплообменник (охладитель), где от него отводится часть теплоты, полученной в результате сжатия. Затем сжатый воздух поступает в расширительный цилиндр (или детандер), где расширяется до начального давления. При расширении температура воздуха понижается до — (60−70)°С. Холодный воздух затем направляется во второй теплообменник — охлаждаемое помещение (камеру).

Эти установки не получили широкого распространения ввиду малого холодильного коэффициента и сложности конструкции.

В паровых (парокомпрессорных) холодильных установках рабочим телом являются пары веществ — аммиака, углекислоты, сернистого ангидрида, фреонов (фторпроизводных углеводородов), т. е. низкокипящие жидкости. Благодаря этому рабочий цикл можно расположить в двухфазной области состояния, в которой изобарные процессы подвода и отвода теплоты можно заменить на изотермические и тем самым уменьшить потери, связанные с необратимостью процессов.

Данная холодильная установка работает следующим образом. В компрессоре происходит адиабатное сжатие пара. В конденсаторе холодильный агент вначале охлаждается при постоянном давлении и затем конденсируется с отдачей в окружающую среду теплоты. В дроссельном вентиле происходит процесс дросселирования с превращением жидкости во влажный пар. В испарителе влажный пар принимает теплоту, и содержащаяся в нем жидкость испаряется.

Процесс дросселирования в дроссельном вентиле является существенно необратимым. Если вместо дроссельного вентиля применять детандер (расширительный цилиндр.), то процесс протекает с увеличением количества теплоты, получаемой от охлаждаемых тел. Однако положительной стороной применения дроссельного вентиля является возможность легко регулировать давление пара.

Ввиду простоты конструкции, по сравнению с воздушными, высокой холодопроизводительности и большой надежности работы, эти установки получили самое широкое распространение в технике.

В пароэжекторных и абсорбционных холодильных установках для получения низких температур затрачивается не механическая работа, как в паровых или газовых, а теплота какого-либо рабочего тела с высокой температурой. В пароэжекторной установке для сжатия холодильного агента используется кинетическая энергия струи пара некоторого вещества. Эти установки отличаются невысоким холодильным эффектом и в промышленности применяются редко.

Более широкое распространение получили абсорбционные холодильные машины, в которых для получения низких температур используется как в пароэжекторных энергия в виде теплоты.

Абсорбционные холодильные установки существенно отличаются от всех других простотой конструкции. Для абсорбционной установки подбираются две жидкости, которые полностью растворяются друг в друге и имеют разные температуры кипения. Процесс поглощения всей массы одного тела другим называется абсорбцией. При этом легкокипящая жидкость используется как холодильный агент; а жидкость с более высокой температурой кипения — как абсорбент.

Работа такой установки состоит в следующем. В парогенераторе в результате подвода теплоты холодильный агент выпаривается из абсорбента в виде почти сухого насыщенного пара. Затем он поступает в конденсатор, где полностью конденсируется, отдавая теплоту парообразования охлаждающей воде. В дроссельном вентиле холодильный агент дросселируется, что сопровождается уменьшением давления и температуры и увеличением объема. При дальнейшем поступлении холодильного агента в теплообменник ему передается теплота от охлаждаемых тел. Затем холодильный агент поступает в абсорбер и вновь соединяется с абсорбентом. Полученная смесь вновь направляется насосом в парогенератор.

Термодинамически эти установки менее совершенны, чем паровые, однако они значительно проще по конструкции (ввиду отсутствия компрессора), дешевле, более надежны в работе и поэтому получили достаточно широкое распространение.

Холодильные установки, принцип действия которых основан на использовании эффектов Пельтъе и Ранка-Хилъша, максимально просты по конструкции, так как не имеют движущихся деталей. Однако они пока не получили широкого распространения из-за низких значений холодильного коэффициента.

Водооборотные циклы химических производств

Воду, используемую в процессах охлаждения различных технологических потоков на химических предприятиях, после прохождения через соответствующие теплообменные устройства собирают в сборник-накопитель, а затем подают для охлаждения на градирни (рис.12−10).

Они представляю! собой полые башни, в которых сверху разбрызгивается теплая вода, а снизу вверх движется воздух (за счет естественной тяги или нагнетается вентилятором 5). Расположенная внутри градирни насадка 2 служит для увеличения поверхности контакта между водой и воздухом. Горячая вода в градирне охлаждается как за счет контакта с холодным воздухом, так и в результате так называемого испарительного охлаждения — в процессе испарения части потока воды.

Отходящая с градирен вода может быть вновь использована для охлаждения технологических потоков. Включение больших количеств воды, используемой л ля охлаждения, в водооборотные циклы позволяет значительно снизить потребности в свежей воде.

хладоагент охлаждение вода химический