АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

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 па{Ш, расплавленные неорганические солІПі 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:

Vl) температура нагрева и возможность ее регулирования;

^2) упругость пара и термическая устойчивость теплоносителя;

МЗ) токсичность и химическая активность теплоносителя;

ЧІ4) безопасность нагревания;

\)5) стоимость и доступность теплоносителя.

Применяемые теплоносители и методы обогрева имеют специфи­ческие преимущества и недостатки. Поэтому в каждом отдельном случае необходимо выбирать метод нагревания, исходя из условий производ­ственного процесса и сравнительной стоимости обогрева. Краткая харак- * теристика различных способов нагревания приводится ниже.

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 350°С потребовалось бы поднять давление пара до 180 am; максимальнаїГ^теїйпература насыщенного водяного пара равна 374° (кри­тическая температура). Поэтому нагревание водяным паром ведут обычно до температур не более 180°. У

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 должка 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.

Нагревание специальными теплоносителя­ми. С развитием химической технологии увеличивается число процессов, проводимых при температурах 500—600° и более. Для получения темпе­ратур выше 180° наиболее рационально использовать ПереГретую воду или пары высококипящих жидкостей, обладающих низкой упРугостью, и пары термически стойких жидкостей, отличающихся выТОкой тепло - емкостью. Применяют так называемые органические теплоносители— дифенил и дифениловый эфир, эвтектическую смесь дифенила и дифени - лового 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. Применение специальных теплоносителей для нагре­вания требует устройства специфических нагревательных систем; некото­рые из них будут описаны ниже.

Нагревание электриисским током. При помощи электрического тока можно достичь весьма высоких температур нагрева; например, в электропечах для сжигания атмосферного азота температура равна 3200°.

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 1000° и выше.

Вместе с тем обогрев дымовыми газами имеет и существенные недостатки. Коэффициент полезного действия печей сбычно 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 воспламеняюшихся 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).

Во многих процессах нагревания возникает необходимость снижать температуру газов. Для этого газы после выхода из топки смешивают с холодным воздухом, но это приводит к повышенному содержанию кислорода в газах и окислению металла аппаратуры.

Усовершенствование техники нагревания дымовыми газами позво­лило в известной 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 (дымосос) 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 —500° применяются различные промежуточные теплоносители.

Нагревание отходящими газами и жидко­стями дает возможность использовать остающееся в них тепло, ибо в ряде процессов отходят газы и жидкости с высокой температурой. Исполь­зование отбросного тепла компенсирует расходы по сооружению устройств для его использования.