К тепловым относятся процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты: нагревание, охлаждение, испарение, плавление и др. Процессы переноса теплоты часто сопутствуют другим технологическим процессам: химического взаимодействия, разделения смесей и т.д.

По механизму переноса энергии различают три способа распространения теплоты - теплопроводность, конвективный перенос и тепловое излучение.

Теплопроводность - перенос энергии микрочастицами (молекулами, ионами, электронами) за счет их колебаний при тесном соприкосновении.

Процесс протекает по молекулярному механизму и поэтому теплопроводность зависит от внутреннего молекулярного строения рассматриваемого тела и является постоянной величиной.

Конвективный перенос теплоты (конвекция) - процесс переноса теплоты от стенки к движущейся относительно нее жидкости (газу) или от жидкости (газа) к стенке. Таким образом, он обусловлен массовым движением вещества и происходит одновременно путем теплопроводности и конвекции.

В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости, различают вынужденную и естественную конвекцию. При вынужденной конвекции движение обусловлено действием внешней силы - разности давлений, создаваемой насосом, вентилятором или иным источником (в том числе и природного происхождения, например, ветром). При естественной конвекции движение возникает вследствие изменения плотности самой жидкости (газа), обусловленного термическим расширением.

Тепловое излучение - перенос энергии в форме электромагнитных колебаний, поглощаемых телом. Источниками этих колебаний являются заряженные частицы - электроны и ионы, входящие в состав излучающего вещества. При высоких температурах тел тепловое излучение становится преобладающим по сравнению с теплопроводностью и конвективным обменом.

На практике теплота чаще всего передается одновременно двумя (или даже тремя) способами, однако превалирующее значение обычно имеет какой-либо один способ передачи теплоты.

При любом механизме переноса теплоты (теплопроводностью, конвекцией или тепловым излучением) количество передаваемого тепла пропорционально поверхности, разности температур и соответствующему коэффициенту теплоотдачи.

В наиболее распространенном случае теплота передается от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Такой вид теплообмена называется теплопередачей, а участвующие в ней среды - теплоносителями. Процесс теплопередачи состоит из трех стадий: 1) передача теплоты стенке нагретой средой (теплоотдача); 2) перенос теплоты в стенке (теплопроводность); 3) перенос теплоты от нагретой стенки в холодную среду (теплоотдача).

На практике широко применяются следующие разновидности тепловых процессов:

Процессы нагревания и охлаждения;

Процессы выпаривания, испарения, конденсации;

Процессы искусственного охлаждения;

Плавление и кристаллизация.

Нагревание и охлаждение сред проводят в аппаратах, называемых теплообменниками.

Наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменники, представляющие собой пучок параллельных труб, помещенных в общий кожух с герметично подсоединенными к нему по концам трубными досками. Хорошие условия теплопередачи обеспечиваются в теплообменниках типа «труба в трубе», в которых одна жидкость движется по внутренней трубе, а вторая - в противоположном направлении в кольцевом пространстве между внутренней и наружной трубами.

В тех случаях, когда различие физических свойств обменивающихся теплотой сред велико, эффективно применение со стороны газа оребренных теплообменных поверхностей (например, в радиаторах автомобилей, некоторых типах батарей водяного отопления).

Для передачи тепла при нагревании используют вещества, называемые теплоносителями.

Наиболее распространенным теплоносителем является водяной пар. Для нагревания до температур более 180-200 ° С используются высокотемпературные теплоносители: нагретая вода, расплавленные соли, ртуть и жидкие металлы, органические соединения, минеральные масла.

Во многих процессах, протекающих при высоких температурах, используется нагревание топочными газами, получае-

мыми в печах. Таковы, например, процессы обжига и сушки, широко распространенные в производствах строительных материалов, химической и целлюлозно-бумажной промышленности.

Для нагревания в широком диапазоне температур применяется электрический нагрев. Электронагреватели удобны для регулирования, обеспечивают создание хороших санитарно-гигиенических условий, но относительно дороги.

Для охлаждения сред используют вещества, называемые хладагентами.

Наиболее распространенным хладагентом является вода. Однако в связи с быстро возрастающим дефицитом воды во всем мире большое значение приобретает использование в данном качестве воздуха. Теплофизические свойства воздуха неблагоприятны (малые теплоемкость, теплопроводность, плотность), поэтому коэффициенты теплоотдачи к воздуху ниже, чем к воде. Для устранения этого недостатка повышают скорость движения воздуха для увеличения коэффициента теплоотдачи, оребряют трубы со стороны воздуха, увеличивая поверхность теплообмена, а также распыляют в воздух воду, испарение которой понижает температуру воздуха и увеличивает за счет этого движущую силу процесса теплообмена.

Выпаривание - процесс удаления растворителя в виде пара из раствора нелетучего вещества при его кипении. Выпаривание применяется для выделения нелетучих веществ в твердом виде, концентрирования их растворов, а также получения чистого растворителя (последнее осуществляется, например, опреснительными установками).

Чаще всего выпариванию подвергаются водные растворы, а теплоносителем служит водяной пар. Движущей силой процесса является разность температур теплоносителя и кипящего раствора. Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах.

Испарение - процесс удаления жидкой фазы в виде пара из различных сред, главным образом путем их нагрева или создания иных условий для испарения.

Испарение осуществляется при проведении многих процессов. В частности, в методах искусственного охлаждения применяют испарение различных жидкостей, обладающих низкими (обычно - отрицательными) температурами кипения.

Конденсацию пара (газа) осуществляют либо путем охлаждения пара (газа), либо посредством охлаждения и сжатия одновременно. Конденсацию используют при выпаривании, вакуум-сушке для создания разрежения. Пары, подлежащие конденсации, отводят из аппарата, в котором они образуются, в закрытый аппарат, охлаждаемый водой или воздухом и служащий для сбора паров-конденсатов.

Процесс конденсации осуществляется в конденсаторах смешения или поверхностных конденсаторах.

В конденсаторах смешения пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой и полученный конденсат с ней смешивается. Так проводят конденсацию, если конденсируемые пары не представляют ценности.

В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на внутренних или внешних поверхностях труб, омываемых с другой стороны водой или воздухом. Конденсат отводят отдельно от хладагента, и если он представляет ценность, используют.

Процессы искусственного охлаждения применяют при некоторых процессах абсорбции, при кристаллизации, разделении газов, сублимационной сушке, для хранения пищевых продуктов, кондиционирования воздуха. Большое значение приобрели такие процессы в металлургии, электротехнике, электронике, ядерной, ракетной, вакуумной и других отраслях. Так, используя глубокое охлаждение, путем частичного или полного сжижения разделяют газовые смеси для получения многих технологически важных газов (например, азот, кислород и др.).

Искусственное охлаждение всегда связано с переносом тепла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой, что требует затрат энергии. Поэтому введение энергии в систему является необходимым условием получения холода. Оно достигается следующими основными методами:

Испарением низкокилящих жидкостей. При испарении такие жидкости, имеющие обычно отрицательные температуры кипения, охлаждаются до температуры кипения;

Расширением газов дросселированием, путем пропускания их через устройство, вызывающее сужение потока (шайбу с отверстием, вентиль) с последующим его расширением. Энергия, необходимая для расширения газа (для преодоления сил сцепления между молекулами) при дросселировании, когда нет потока тепла извне, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа;

Расширением газа в детандере - машине, устроенной подобно поршневому или турбокомпрессору, - газовом двигателе, который одновременно совершает внешнюю работу (перекачивает жидкости, нагнетает газы). Расширение сжатого газа в детандере происходит без обмена теплом с окружающей средой. При этом совершаемая газом работа производится за счет его внутренней энергии, в результате чего газ охлаждается.

Плавление используется для подготовки полимеров к формованию (прессованию, литью под давлением, экструзии и т.д.), металлов и сплавов к литью различными способами, стеклянной шихты к варке и выполнения многих других технологических процессов.

Наиболее распространенным способом плавления является передача тепла через металлическую стенку, обогреваемую любым способом: теплопроводностью, конвективным переносом или тепловым излучением без удаления расплава. При этом скорость плавления определяется только условиями теплопередачи: коэффициентом теплопроводности стенки, градиентом температур и площадью контакта.

В практике достаточно часто используют плавление электрической, химической и другими видами энергии (индукционный, высокочастотный нагрев и т.д.), сжатием.

Кристаллизация - процесс выделения твердых веществ из насыщенных растворов или расплавов. Это процесс, обратный плавлению. Таким образом, тепловой эффект кристаллизации равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту плавления. Каждому химическому соединению соответствует одна, а чаще несколько кристаллических форм, отличающихся положением и числом осей симметрии (металлы, сплавы металлов). Это явление носит название полиморфизма (аллотропии).

Обычно кристаллизацию осуществляют из водных растворов, понижая растворимость кристаллизуемого вещества за счет изменения температуры раствора или удаления части растворителя. Использование данного способа характерно для производства минеральных удобрений, солей, получения ряда полупродуктов и продуктов из растворов органических веществ (спиртов, эфиров, углеводородов). Такую кристаллизацию называют изотермической, так как испарение из растворов идет при постоянной температуре.

Кристаллизация из расплавов осуществляется путем их охлаждения водой, воздухом. Из кристаллизующихся материалов (металлов, их сплавов, полимерных материалов и композитов на их основе) получают разнообразные изделия методами прессования, литья, экструзии и т.д.

4.2.4. Массообменные процессы

В технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи. Они характеризуются переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую.

Подобно теплопередаче, массопередача - сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, через поверхность (границу) раздела фаз и в пределах другой фазы. Эта граница может быть подвижной (массопередача в системах «газ - жидкость», «пар - жидкость», «жидкость - жидкость») либо неподвижной (массопередача с твердой фазой).

Для массообменных процессов принимают, что количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз, которую по этой причине стремятся сделать максимально развитой, и движущей силе, характеризуемой степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой разностью концентрации диффундирующего вещества, которое перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией.

На практике используются следующие виды процессов массо-передачи: абсорбция, перегонка, адсорбция, сушка, экстракция.

Абсорбция - процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорб-тив) химически не взаимодействует с абсорбентом. Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. Па этом ее свойстве основано выделение поглощенного газа из раствора - десорбция.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде.

В промышленности абсорбцию применяют для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или очистки этих смесей от вредных веществ, примесей: абсорбция SO 3 в производстве серной кислоты; абсорбция НС1 с получением соляной кислоты; абсорбция NH 3 . паров С 6 Н 6 , H 2 S и других компонентов из коксового газа; очистка топочных газов от SO 2 ; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений, и т.д.

Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопе-редачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз, поэтому такие аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом.

Перегонка жидкостей применяется для разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или более летучих компонентов. Это процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемый однократно или многократно. В ре-

зультате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

Если бы исходная смесь состояла из летучего и нелетучего компонентов, то ее можно было бы разделить на компоненты путем выпаривания. Перегонкой же разделяют смеси, все компоненты которых летучи, т.е. обладают определенным, хотя и разным давлением пара.

Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их летучести.

Различают два вида перегонки: простая перегонка (дистилляция) и ректификация.

Дистилляция - процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Ее обычно используют лишь для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от примесей.

Ректификация - процесс разделения однородных смесей жидкостей путем двухстороннего массо- и теплообмена между жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися относительно друг друга. Разделение обычно осуществляют в колоннах при многократном (на специальных перегородках (тарелках) или непрерывном контакте фаз (в объеме аппарата).

Процессы перегонки широко применяются в химической промышленности, где выделение компонентов в чистом виде имеет важное значение в производствах органического синтеза полимеров, полупроводников и т.д., в спиртовой промышленности, в производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т.д.

Адсорбция - процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом - адсорбентом. Поглощенное вещество называют адсор-батом, или адсорбтивом. Процессы адсорбции избирательны и обычно обратимы. Выделение поглощенных веществ из адсорбента называют десорбцией.

Адсорбция применяется при небольших концентрациях поглощаемого вещества, когда надо достичь почти полного его извлечения.

Процессы адсорбции широко применяются в промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров (например, при очистке аммиака перед контактным окислением, осушке природного газа, выделении и очистке мономеров в производствах синтетического каучука, пластмасс и т.д.).

Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая обусловлена взаимным притяжением молекул адсор-бата и адсорбента. При химической адсорбции, или хемо-сорбции, возникает химическое взаимодействие между молекулами поглощенного вещества и поверхностями молекулярного поглотителя.

В качестве адсорбентов применяют пористые вещества с большой поверхностью нор, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты характеризуются своей поглотительной, или адсорбционной, способностью, определяемой концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента.

В промышленности в качестве поглотителей применяют активированные угли, минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.) и синтетические ионообменные смолы (иониты). Сушкой называют процесс удаления влаги из различных (твердых, вязкопластичных, газообразных) материалов. Предварительное удаление влаги осуществляется обычно более дешевыми механическими способами (отстаиванием, отжимом, фильтрованием, центрифугированием), а более полное обезвоживание - тепловой сушкой.

По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. При этом происходит перемещение тепла и влаги внутри материала и их перенос с поверхности материала в окружающую среду.

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

конвективная - путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы в смеси с воздухом;

контактная - путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

радиационная - путем передачи тепла инфракрасными лучами;

диэлектрическая - путем нагревания в поле токов высокой частоты. Под действием электрического поля высокой частоты ионы и электроны в материале меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда: дипольные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные молекулы поляризуются за счет смещения их зарядов. Эти процессы, сопровождаемые трением, приводят к выделению тепла и нагреванию высушиваемого материала;

сублимационная - сушка, при которой влага находится в виде льда и переходит в пар, минуя жидкое состояние, при глубоком вакууме и низких температурах. Процесс удаления влаги из материала протекает в три стадии: 1) снижение давления в сушильной камере, при котором происходят быстрое самозамораживание влаги и сублимация льда за счет тепла, отдаваемого самим материалом; 2) удаление основной части влаги сублимацией; 3) удаление остаточной влаги тепловой сушкой.

При любом методе высушиваемый материал находится в контакте с воздухом, который при конвективной сушке является и сушильным агентом.

Скорость сушки определяется количеством влаги, удаляемой с единицы поверхности высушиваемого материала в единицу времени. Скорость сушки, условия ее проведения и аппаратурное оформление зависят от природы высушиваемого материала, характера связи влаги с материалом, размера и толщины материала, внешних факторов и т.д.

Экстракция - процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии исходной смеси с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и почти не растворяются остальные.

Процессы экстракции в системах «жидкость-жидкость» находят широкое применение в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности. Они используются для выделения в чистом виде различных продуктов органического и нефтехимического синтеза, извлечения и разделения редких и рассеянных элементов, очистки сточных вод и т.д.

Экстракция в системах «жидкость-жидкость» представляет собой массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограничено растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество (или несколько веществ).

Для повышения скорости процесса исходный раствор и эк-страгент приводят в тесный контакт перемешиванием, распылением и т.д. В результате взаимодействия фаз получаются экстракт - раствор извлеченных веществ в экстрагенте и рафи-нат - остаточный исходный раствор, из которого с той или иной степенью полноты удалены экстрагируемые компоненты. Полученные жидкие фазы отделяются друг от друга отстаиванием, центрифугированием или другими гидромеханическими

способами, после чего производят извлечение целевых продуктов из экстракта и регенерацию экстрагента из рафината.

Основное достоинство процесса экстракции в сравнении с другими процессами разделения жидких смесей (ректификация, выпаривание и др.) - низкая рабочая температура процесса, которая часто является комнатной.

РАЗДЕЛ 5 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Понятие тепловых процессов

Тепловыми называются процессы, предназначенные для передачи тепла от одного тела к другому.

Тела, участвующие в тепловом процессе, называются теплоносителями .

Теплоноситель, который отдает тепло и при этом охлаждается, называется горячим . Теплоноситель, который принимает тепло и при этом нагревается, называется холодным .

Движущей силой теплового процесса является разность температур между теплоносителями.

Основы теории передачи тепла

Различают три принципиально отличающиеся способа переноса тепла

Теплопроводность;

Конвекция;

Излучение.

Теплопроводность – перенос тепла, обусловленный тепловым движением микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это может быть движение свободных электронов в металле, движение молекул в капельных жидкостях и газах, колебания ионов в кристаллической решетке твердых тел.

Величину теплового потока , возникающего в теле вследствие теплопроводности при некоторой разности температур в отдельных точках тела, можно определить по уравнению Фурье

, Вт. (5.1)

Закон Фурье читается следующим образом:

количество тепла, передаваемое в единицу времени, путем теплопроводности через поверхность F, прямо пропорционально величине поверхности и градиенту температуры .

В уравнении (5.1) - коэффициент теплопроводности , размерность которого

Коэффициент теплопроводности показывает количество теплоты, проходящей вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при изменении температуры на один градус на единице длины нормали к изотермической поверхности.

Коэффициент теплопроводности характеризует способность тела проводить теплоту и зависит от природы вещества, структуры, температуры и других факторов.

Наибольшее значение имеют металлы, наименьшее – газы. Жидкости занимают промежуточное положение между металлами и газами. В расчетах значение коэффициента теплопроводности определяется при средней температуре тела по справочной литературе.

Конвекция – перенос тепла, обусловленный движением и перемешиванием макроколичеств газа и жидкости.

Различают свободную (или естественную) и вынужденную конвекцию.

Свободная (естественная) конвекция обусловлена движением макроколичеств газа или жидкости вследствие разности плотностей в разных точках потока, имеющих различную температуру.

При вынужденной (принудительной) конвекции движение потока газа или жидкости происходит вследствие затраты энергии извне с помощью газодувки, насоса, мешалки и т.п.

Уравнение Ньютона позволяет количественно описать конвективный теплообмен

В соответствии с законом Ньютона:

количество тепла в единицу времени, передаваемое из ядра потока, имеющего температуру к стенке поверхностью F, имеющую температуру , (или наоборот) прямо пропорционально величине поверхности и разности температур.

В уравнении Ньютона (5.2) коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплоотдачи , а уравнение (5.2) – уравнением теплоотдачи .

Размерность коэффициента теплоотдачи

.

Коэффициент теплоотдачи показывает количество теплоты, отдается от теплоносителя к 1 м поверхности стенки (или от стенки поверхностью 1 м к теплоносителю) в единицу времени при разности температур между теплоносителем и стенкой 1 градус.

Коэффициент теплоотдачи характеризует скорость переноса теплоты в теплоносителе и зависит от многих факторов: гидродинамического режима движения и физических свойств теплоносителя (вязкость, плотность, теплопроводность и т.д.), геометрических параметров каналов (диаметр, длина), состояния поверхности стенок (шероховатая, гладкая).

Коэффициент можно определить экспериментальным путем либо расчетным по обобщенному критериальному уравнению, которое можно получить путем подобного преобразования дифференциального уравнения конвективного теплообмена.

Критериальное уравнение теплоотдачи для неустановившегося процесса имеет вид:

В уравнении (5.3)

Критерий Нуссельта. Характеризует отношение переноса теплоты конвекцией к теплоте, передаваемой теплопроводностью ( - определяющий геометрический размер; для потока, движущегося в трубе - диаметр трубы);

- критерий Рейнольдса;

Критерий Прандтля. Характеризует подобие физических свойств теплоносителей (здесь - удельная теплоемкость теплоносителя, ). Для газов 1; для жидкостей 10…100;

Критерий Фруда (мера отношения сил инерции в потоке к силе тяжести);

Критерий гомохронности (мера отношения пути, пройденного потоком со скоростью за время , к характерному размеру l )

Для установившегося процесса теплообмена ( =0) критериальное уравнение теплоотдачи имеет вид

. (5.4)

При вынужденной теплоотдаче (например, при напорном движении теплоносителя по трубам) влиянием силы тяжести можно пренебречь ( =0). Тогда

. (5.5)

или в виде степенной зависимости

, (5.6)

где - определяются экспериментальным путем.

Так, для вынужденного движения теплоносителя внутри труб уравнение (5.6) имеет вид

- при турбулентном режиме ()

. (5.7)

В случае значительного изменения физических свойств теплоносителей в процессе теплообмена используется уравнение

, (5.8)

где - критерий Прандтля теплоносителя, физические свойства которого определяются при температуре ;

- при переходном режиме ()

- при ламинарном режиме ()

, (5.10)

где - критерий Грасгофа, учитывающий влияние на теплоотдачу свободной конвекции;

Коэффициент объемного расширения, град ;

Разность между температурами стенки и теплоносителя.

Схема расчета коэффициента теплоотдачи

Определяется гидродинамический режим движения теплоносителя (Re);

Выбирается расчетное уравнение для определения критерия Нуссельта (уравнения 5.7-5.10);

Определяется коэффициент теплоотдачипо формуле

Тепловое излучение – процесс распространения электромагнитных колебаний различной длиной волны, обусловленных тепловым движением атомов или молекул излучающего тела.

Основное уравнение теплопередачи

Процесс переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку называется теплопередачей .

Связь между тепловым потоком и поверхностью теплопередачи F можно описать кинетическим уравнением, которое называется основным уравнением теплопередачи и для установившегося теплового процесса имеет вид

, (5.12)

где - тепловой поток (тепловая нагрузка), Вт;

Средняя движущая сила или средняя разность температур между теплоносителями (средний температурный напор);

Коэффициент теплопередачи, характеризующий скорость передачи теплоты.

Коэффициент теплопередачи имеет размерность , и показывает количество теплоты, передаваемой в единицу времени через поверхность 1м от горячего теплоносителя к холодному при разности температур 1 градус.

Для плоской стенки коэффициент теплопередачи можно определить по уравнению

, (5.13)

где - коэффициенты теплоотдачи соответственно со стороны горячего и холодного теплоносителей, ;

Толщина стенки, м,

Коэффициент теплопроводности материала стенки, .

Схема теплопередачи через плоскую стенку приведена на рисунке 5.1.

Выражение (5.13) называют уравнением аддитивности термических сопротивлений; причем частные сопротивления могут сильно различаться.

В теплообменных аппаратах кожухотрубчатого типа применяются трубки, толщина стенок которых составляет 2,0…2,5 мм. Поэтому величину термического сопротивления стенки () можно считать пренебрежимо малой. Тогда и после несложных преобразований можно записать .

Если принять, что значение коэффициента теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя значительно превышает значение коэффициента теплоотдачи со стороны холодного теплоносителя (т.е. ), то из последнего выражения имеем

т.е. коэффициент теплопередачи численно равен меньшему из коэффициентов теплоотдачи. В реальных условиях коэффициент теплопередачи ниже меньшего из коэффициентов теплоотдачи, а именно

Из последнего выражения следует практический вывод: для интенсификации теплового процесса необходимо увеличивать меньший из коэффициентов теплоотдачи (например, путем увеличения скорости теплоносителя).

Движущая сила теплового процесса или температурный напор зависит от направления движения теплоносителей. В непрерывных процессах теплообмена различают следующие схемы относительного движения теплоносителей:

- прямоток , при котором теплоносители движутся в одном направлении (рисунок 5.2.а);

- противоток , при котором теплоносители движутся в противоположных направлениях (рисунок 5.2б);

- перекрестный ток , при котором теплоносители движутся по отношению друг к другу во взаимно перпендикулярном направлении (рисунок 5.2в);

- смешанный ток , при котором один теплоноситель в одном направлении, а другой попеременно как прямотоком (рисунок 5.2г), так и противотоком (рисунок 5.2д).

Рассмотрим расчет средней движущей силы для установившегося процесса теплопередачи, т.е. температура в каждой точке теплопередающей стенки остается постоянной во времени, но изменяется вдоль ее поверхности. Примерное изменение температуры вдоль поверхности стенки при прямоточном (а) и противоточном (б) движении теплоносителей приведено на рисунке 5.3.

Температура на входе и выходе для горячих теплоносителей.

Температура на входе и выходе для холодных теплоносителей.

а-прямоток; б-противоток

Рисунок 5.3 - К расчету средней движущей силы

Из рисунка 5.3 видно, что при противотоке теплоносителей величина температурного напора вдоль поверхности теплообмена более постоянна, поэтому условия нагрева или охлаждения сред более “мягкие”. При этом холодный теплоноситель можно нагреть до более высокой температуры, чем температура горячего теплоносителя на выходе из теплообменного аппарата (), что исключено в случае прямоточной схемы движения. Поэтому (при одинаковых значениях температур) расход холодного теплоносителя снижается на 10…15%. Кроме того, процесс теплообмена протекает более интенсивно.

Поправочный коэффициент, значение которого всегда меньше единицы и определяется в зависимости от соотношения температур теплоносителей и схемы их движения.

К РАЗДЕЛУ «ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ»

Программа раздела

Роль тепловых процессов в химической технологии.

Промышленные способы подвода и отвода тепла. Виды теплоносителей и области их применения. Нагревание водяным паром. Особенности использования насыщенного пара в качестве греющего агента, основные достоинства и области применения. Тепловые балансы при нагревании «острым» и «глухим» паром. Нагревание горячими жидкостями, достоинства и недостатки. Нагревание топочными газами. Нагревание электрическим током. Охлаждающие агенты.

Теплообменные аппараты. Классификация теплообменных аппаратов. Кожухотрубчатые теплообменники: конструкция, сравнительные характеристики. Змеевиковые теплообменники: достоинства и недостатки. Теплообменники с плоской поверхностью: конструкции, достоинства и недостатки. Смесительные теплообменники: конструкции, достоинства и недостатки. Регенеративные теплообменники: конструкции, достоинства и недостатки.

Расчет поверхностных теплообменников . Выбор теплообменных аппаратов. Проектные расчет теплообменников. Проверочный расчет теплообменников. Выбор оптимального режима теплообменных аппаратов.

Выпаривание . Назначение процесса. Классификация выпарных процессов и аппаратов. Однократное выпаривание: принцип действия, достоинства и недостатки. Многократное выпаривание: принцип действия, достоинства и недостатки. Выпаривание с тепловым насосом.

Выпарные аппараты . Классификация выпарных аппаратов. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией: конструкции, достоинства и недостатки. Пленочные выпарные аппараты: конструкции, достоинства и недостатки.

Выбор выпарных аппаратов . Расчет непрерывно действующей выпарной установки. Пути повышения экономичности выпарных установок.

ВАРИАНТЫ РАСЧЕТНОГО ЗАДАНИЯ

Задача 1

Определить необходимую поверхность теплообмена и длину труб кожухотрубчатого теплообменника с числом ходов , для осуществления процесса при массовом расходе А в трубном пространстве . Температура теплоносителя в подогревателе и холодильнике изменяется от до при среднем давлении . В испарителе и конденсаторе температура теплоносителя равна температуре кипения или конденсации при давлении .

В межтрубное пространство подается теплоноситель . Его температура меняется от до , в испарителе и конденсаторе его температура равна температуре конденсации или кипения при давлении .

Общее число труб в теплообменнике , диаметр труб равен 25x2,5 мм, диаметр кожуха . Необходимо также определить гидравлическое сопротивление аппарата, изобразить график изменения температур теплоносителей, схему кожухотрубчатого теплообменника. Исходные данные для решения задачи предоставлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Последняя цифра зачетки	Теплоноситель	Тип теплообменника	Параметры теплоносителя	Предпоследняя цифра зачетки	Расход теплоносителя , кг/с	Характеристика теплообменника
, 0 С	, 0 С	, МПа	, 0 С	, 0 С	, МПа
Число труб,	Число ходов,	Диаметр кожуха , мм
	Вода/дифенил	холодильник			-			-		2,3			2,0
	Вода/водяной пар	испаритель	-	-	1,0	-	-	2,6		4,6			0,8
	Ацетон/вода	нагреватель			-			-					1,3
	Хлорбензол/вода	конденсатор	-	-	0,6			-		7,8			0,6
	Вода/толуол	холодильник			-			-		3,4			1,0
	Метиловый спирт/вода	нагреватель			-			-		6,4			1,4
	Нафталин/водяной пар	испаритель	-	-	0,4	-	-	1,5		5,1			0,4
	Аммиак/вода	конденсатор	-	-	0,27			-		9,3			1,2
	Этиловый спирт/вода	холодильник			-			-		3,7			0,6
	Четыреххлористый углерод/вода	нагреватель			-			-		5,8			1,0

Введение

Любая технология, в том числе и химическая, - это наука о методах переработки сырья в готовую продукцию. Методы переработки должны быть экономически и экологически выгодными и обоснованными.

Химическая технология возникла в конце 18 века и почти до 30-х годов 20 века состояла из описания отдельных химических производств, их основного оборудования, материальных и энергетических балансов. По мере развития химической промышленности и возрастания числа химических производств возникла необходимость изучения и установления общих закономерностей построения оптимальных химико-технологических процессов, их промышленной реализации и рациональной эксплуатации. В химической технологии необходимо четко выделять потоки веществ, с которыми происходит трансформация, сначала от сырья, затем постадийно образующимися промежуточными продуктами до получения конечного целевого продукта.

Основная задача химической технологии -- сочетание в единой технологической системе разнообразных химически превращений с физико-химическими и механическими процессами: измельчением и сортировкой твёрдых материалов, образованием и разделением гетерогенных систем, массообменном и теплообменом, фазовыми превращениями, и т.д.

Механические процессы занимают одно из главных мест на производстве, так как участвуют на каждой его стадии. В данной работе особое место отведено самому распространенному процессу - механическому перемешиванию. В зависимости от условий проведения процесса на производстве применяют емкости и аппараты с перемешивающими устройствами (мешалками) различных конструкций.

Главными целями работы являются подробное изучение основных механических процессов, перемешивающих устройств, их эксплуатация и технологическое назначение.

Механические процессы химической технологии

К механическим относят процессы, основу которых составляет механическое воздействие на продукт, а именно:

Сортирование

Различают два вида разделения продукта: сортирование ни качеству в зависимости от органолептических свойств (цвет, состояние поверхности, консистенция) и разделение по величине на отдельные фракции (сортирование по крупицам и форме).

В первом случае операцию производят путем органолептического осмотра продуктов, во втором -- путем просеивания.

Сортирование путем просеивания применяют для удаления посторонних примесей. При просеивании через отверстия проходят частицы продукта, размеры которых меньше отверстий сит (проход), а на сите в виде отходов остаются частицы с размерами, превышающими размеры отверстий сит.

Для просеивания применяют: металлические сита со штампованными отверстиями; проволочные из круглой металлической проволоки, а также сита из шелковых, капроновых нитей и других материалов.

Сита из шелка обладают высокой гигроскопичностью и имеют сравнительно быструю изнашиваемость. Капроновые малочувствительны к изменению температуры, относительной влажности воздуха и просеиваемых продуктов; прочность капроновых нитей выше шелковых.

Измельчение

Измельчением называют процесс механического деления обрабатываемого продукта на части с целью лучшего его технологического использования. В зависимости от вида сырья и его структурно-механических свойств используют в основном два способа измельчения: дробление и резание. Дроблению подвергают продукты с незначительной влажностью, резанию -- продукты, обладающие высокой влажностью.

Дробление с целью получения крупного, среднего и мелкого измельчения производят на размолочных машинах, тонкое и коллоидное -- на специальных кавитационных и коллоидных мельницах.

В процессе резания осуществляют разделение продукта па части определенной или произвольной формы (куски, пласты, кубики, брусочки и др.), а также приготовление мелкоизмельченных видов продуктов.

Для измельчения твердых продуктов, обладающих высокой механической прочностью применяют ленточные и дисковые пилы, куттеры.

Прессование

Процессы прессования продуктов применяют в основном для разделения их на две фракции: жидкую и плотную. В процессе прессования разрушается структура продукта. Осуществляют прессование с помощью шнековых прессов непрерывного действия (экстракторы различных конструкций).

Перемешивание

Перемешивание способствует интенсификации тепловых биохимических и химических процессов вследствие увеличения поверхностного взаимодействия между частицами смеси. От продолжительности перемешивания смесей зависят их консистенция и физические свойства.

Дозирование и формирование

Производство продукции предприятий и ее отпуск осуществляются в соответствии с ГОСТами или ТУ или внутренними технологическими каратами и сборниками рецептур, с нормами закладки сырья и выхода готовой продукции (масса, объем). В связи с этим существенное значение имеют процессы деления продукта на порции (дозирование) и придания им определенной формы (формование). Процессы дозирования и формования осуществляются вручную или с помощью машин в зависимости от производства.

Лекция 1.

Классификация основных процессов химической технологии может быть проведена на основе различных признаков.

В зависимости от основных законов, определяющих скорость протекания процессов, различают:

1. Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики науки о движении жидкостей и газов. К этим процессам относятся перемещение жидкостей, сжатие и перемещение газов, разделение жидких и газовых неоднородных систем в поле сил тяжести (отстаивание), в поле центробежных сил (центрифугирование), а также под действием разности давлений при движении через пористый слой (фильтрование) и перемешивание жидкостей

2. Тепловые процессы, протекающие со скоростью, определяемой законами теплопередачи науки о способах распространения тепла. Такими процессами являются нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсация паров. К тепловым процессам могут быть отнесены и процессы охлаждения до температур более низких, чем температура окружающей среды (процессы умеренного и глубокого охлаждения). Однако вследствие многих специфических особенностей эти процессы выделены ниже в отдельную группу холодильных процессов.

Скорость тепловых процессов в значительной степени зависит от гидродинамнческнх условий (скоростей, режимов течения), при которых осуществляется перенос тепла между обменивающимися теплом средами.

3. Массообмснные (диффузионные) процессы, характеризующиеся переносом одного или нескольких компонентов исходной смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. Наиболее медленной стадией массообменных процессов является молекулярная диффузия распределяемого вещества. К этой группе процессов, описываемых законами массопередачи, относятся абсорбция, перегонка (ректификация), экстракция из растворов, растворение и экстракция из пористых твердых тел, кристаллизация, адсорбция, сушка, мембранные процессы. Протекание процессов массообмена тесно связано с гидродинамическиими условиями в фазах и на границе их раздела и часто - с сопутствующими массообмену процессами теплообмена.

4. Химические (реакционные) процессы протекают со скоростью, определяемой законами химической кинетики. Однако химическим реакциям обычно сопутствует перенос массы и энергии, и соответственно скорость химических процессов (особенно промышленных) зависит также от гидродинамических условий. Общие закономерности протекании химических процессов и принципы устройства реакторов рассматриваются в специальной литературе".

5. Механические процессы, описываемые законами механики твердых тел. Эти процессы применяются в основном для подготовки исходных твердых материалов и обработки конечных твердых продуктов, а также для транспортирования кусковых и сыпучих материалов, К механическим процессам относится измельчение, транспортирование, сортировка (классификация) и смешение твердых веществ.

Особую группу механических процессов составляют процессы переработки химических продуктов в изделия прессование, литье, экструзия и др. Эти процессы и машины для их проведения специфичны для производств синтетических материалов и рассматриваются в специальных курсах.

По способу организации основные процессы химической технологии делятся на периодические и непрерывные .

Периодические процессы проводятся в аппаратах, в которые через определенные промежутки времени загружаются исходные материалы; после их обработки из этих аппаратов выгружаются конечные продукты. По окончании разгрузки аппарата и его повторной загрузки процесс повторяется снова. Таким образом, периодический процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают в одном месте (в одном аппарате), но в разное время.

Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах. Поступление исходных материалов в аппарат и выгрузка конечных продуктов производится одновременно и непрерывно. Следовательно, непрерывный процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают одновременно, но разобщены в пространстве, т. е. осуществляется в различных частях одного аппарата или же в различных аппаратах, составляющих данную установку.

Известны также комбинированные процессы. К ним относятся непрерывные процессы, отдельные стадии которых проводятся периодически, либо периодические процессы, одна или несколько стадий которых протекают непрерывно.

Основные преимущества непрерывных процессов по сравнению с периодическими следующие: I) нет перерывов в выпуске конечных продуктов, т. е. отсутствуют затраты времени на загрузку аппаратуры исходными материалами и выгрузку из нее продукции; 2) более легкое автоматическое регулирование и возможность более полной механизации; 3) устойчивость режимов проведения и соответственно большая стабильность качества получаемых продуктов; 4) большая компактность оборудования, что сокращает капитальные затраты и эксплуатационные расходы (на ремонты и пр.); 5) более полное использование подводимого (или отводимого) тепла при отсутствии перерывов в работе аппаратов; возможность использования (рекуперации) отходящего тепла.

Благодаря указанным достоинствам непрерывных процессов при их проведении увеличивается производительность аппаратуры, уменьшается потребность в обслуживающем персонале, улучшаются условия труда и повышается качество продукции. По этим причинам в химических производствах осуществляют преимущественно непрерывные процессы.

Периодические процессы сохраняют свое значение в производствах небольшого масштаба (в том числе в опытных), где их применение позволяет достичь большой гибкости в использовании оборудования при меньших капитальных затратах.

Процессы могут быть также классифицированы в зависимости от изменения их параметров (скоростей, температур, концентраций и др.) во времени. По этому признаку процессы делятся на установившиеся (стационарные) и неустановившиеся (нестационарные, или переходные).

В установившихся процессах значения каждого из параметров, характеризующих процесс, постоянны во времени, а в неустановившихся переменны, т. е. являются функциями не только положения каждой точки в пространстве, но и времени.

Непрерывные процессы отличаются от периодических по распределению времени пребывания частиц среды в аппарате. В периодически действующем аппарате все частицы среды находятся одинаковое время, в то время как в непрерывно действующем аппарате времена пребывания их могут значительно различаться. По распределению времен пребывания и связанных с ним изменений во времени других факторов, влияющих на процесс (температур, концентраций н др.), различают две теоретических (предельных) модели аппаратов непрерывного действия: идеального вытеснения и идеального смешения .

В аппаратах идеального вытеснения все частицы движутся в заданном направлении, не перемешиваясь с движущимися впереди и сзади частицами и полностью вытесняя находящиеся впереди частицы потока. Все частицы равномерно распределены по площади поперечного сечения аппарата и действуют при движении подобно твердому поршню. Время пребывания всех частиц в аппарате идеального вытеснения одинаково.

В аппаратах идеального смешении поступающие частицы сразу же полностью перемешиваются с находящимися там частицами, т. е. равномерно распределяются в объеме аппарата. В результате во всех точках объема мгновенно выравниваются значения параметров, характеризующих процесс. Время пребывания частиц в аппарате идеального смешения неодинаково.

Реальные непрерывно действующие аппараты представляют собой аппараты промежуточного типа. В них время пребывания частиц распределяется несколько более равномерно, чем в аппаратах идеального смешения, но никогда не выравнивается, как в аппаратах идеального вытеснения.