АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ОХЛАЖДЕНИЕ ДО НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Многие технологические процессы могут протекать при температурах, более низких, чем те, которые достигают, используя для охлаждения воду и окружающий воздух.

В таких случаях прибегают к холоду, вырабатываемому с по­мощью холодильных машин (установок).

Производство холода заключается в том, что от тел с низкой тем­пературой отнимается тепло и передается телам, обладающим более вы­сокой температурой, обычно воде или окружающему воздуху.

Для отнятия тепла от тел с низкой температурой применяют, как правило, промежуточные рабочие тела—х олодильные агенты. Необходимое понижение температуры холодильного агента достигается проведением различных физических процессов. Из них наиболее широко применяют испарение жидкого холодильного агента при пониженном давлении. Так, например, испарением жидкого аммиака при давлении 0,4119 ата достигается температура —50°, испарением жидкого этана при давлении 0,5354 ата достигается температура —100°, а испарением жидко­го азота—температура до —210° и т. д.

Понижение температуры холодильного агента происходит также при расширении газообразного рабочего тела в расширительной машине (детандере) с производством одновременно внешней работы; этот метод применяют главным образом для сжижения воздуха, водорода и других трудно сжижаемых газов. Для этой же цели используется явление изме­нения температуры газов при их дросселировании (так называемый дрос­сельный эффект).

Согласно второму принципу термодинамики передача тепла от низшего температурного уровня к высшему может происходить только при дополнительной затрате энергии извне. Вводя понятие энтропии, можно этот принцип термодинамики сформулировать так: всякий тепло­вой процесс, протекающий естественным путем (переход тепла от выс­шего температурного уровня к низшему), неизбежно сопровождается увеличением энтропии системы, т. е. возрастанием суммы энтропии всех тел, участвующих в процессе. Так-как при обратном процессе энтропия участвующих в нем тел должна была бы уменьшиться, то для его про­ведения необходимо одновременно осуществить дополнительный процесс, сопровождающийся таким возрастанием энтропии, в результате которого энтропия всей системы остается без изменения или увеличивается.

Во всех промышленных холодильных установках на этот дополни­тельный процесс расходуется механическая или тепловая энергия для сжатия парообразного или газообразного холодильного агента; исклю­чение составляют процессы охлаждения при помощи природного льда и различных охлаждающих смесей, но они не имеют сколько-нибудь широ­кого применения в промышленности.

Техника осуществления холодильного процесса зависит от темпе­ратуры, которая должна быть достигнута. Принято различать умерен­ное охлаждение, охватывающее область температур примерно до —100°, и глубокое охлаждение до —210° и ниже. Однако это деление в значительной мере условно; так, например, способ, харак­терный для техники умеренного охлаждения,—испарение холодильного агента при пониженном давлении,—применяют иногда для глубокого охлаждения, а понижение температуры рабочего тела расширением его в расширительной машине, широко применяемое при глубоком охлажде­нии, используется иногда в технике умеренного охлаждения.

В холодильной технике применяют преимущественно жидкие и лишь редко, в виде исключения, газообразные холодильные агенты.

При использовании жидких холодильных агентов процесс отнятия тепла от охлаждаемого вещества происходит путем испарения хо­лодильного агента, обычно при постоянной температуре его кипения.

В качестве газообразного холодильного агента используется воздух, причем в этом случае процесс отнятия тепла от охлаждаемого тела про­текает с повышением температуры холодильного агента при его нагревании.

Все холодильные машины умеренного охлаждения в зависимости от способа их действия подразделяют на следующие группы:

компрессионные паровые холодильные машины;

компрессионные газовые (воздушные) холодильные машины;

абсорбционные холодильные машины;

пароводяные эжекторные холодильные машины. Коэффициент холодопроизводительности. Получение низких темпе­ратур при помощи холодильной машины основано на осуществлении о б - ратного кругового процесса или так называемого холодиль­ного цикла. Для сравнения и оценки холодильных циклов обычно используют идеальный обратный цикл Карно, представляющий собой замкнутый круговой процесс, состоящий из последовательно следующих друг за другом изотермических и адиабатических процессов.

„Примем обозначения:

Q0—количество тепла, воспринимаемое холодильным агентом от охла­ждаемого тела при низкой температуре, в ккал\ Q—«количество тепла, отдаваемое холодильным агентом охлаждающей

Среде при более высокой температуре, в ккал', TQ—-абсолютная температура, при которой холодильный агент воспри­нимает тепло;

Г—^абсолютная температура, при которой холодильный агент отдает тепло;

Ь—механическая работа, затрачиваемая извне на повышение темпера­туры холодильного агента, в кгс/м\ А—тепловой эквивалент работы, равный 1/427 ккал/кгс-м.

Работу, затраченную извне, можно ^выразить равенством

I4L = Q —Q0

Отношение количества тепла, воспринятого холодильным агентом, т. е. холодопроизводительности Q0, к затраченной работе AL (в тепловых единицах), называется холодильным коэффициентом.

Холодильный коэффициент показывает, какое количество тепла вос - сірин имается холодильным агентом от охлаждаемого тела за счет 1 ккал введ енного извне дополнительного тепла или соответственно работы извне. Для наиболее распространенных компрессионных холодильных машин І тот коэффициент значительно больше единицы.

Холодильный коэффициент обозначают через в. причем

Г= Qo — QQ AL Q-Q0

Цикл Карно характеризуется равенством

Qo _ Т0 Q-Q0 Т-Т0

И, следовательно,

£==Т~Т0 (4—1а)

Уравнение (4—1) показывает, что степень использования механиче­ской работы или подведенного тепла в холодильной машине не зависит от природы и свойств холодильного агента и является лишь функцией абсолютных температур Т0 и Т. При этом степень использования механи­ческой работы будет тем выше, чем меньше разность между температу­рами холодильного агента в момент восприятия и в момент отдачи тепла. Уравнение (4—1а) показывает также, что не следует понижать темпе­ратуру холодильного агента ниже тех пределов, которые заданы усло­виями проведения процесса, так как даже самое незначительное пониже­ние температуры ведет к довольно существенному снижению степени использования механической работы или подведенного тепла и, следо­вательно, к удорожанию процесса охлаждения.

Для иллюстрации сделанных выводов рассмотрим следующий пример.

Пусть для определенного технологического процесса требуется поддерживать температуру холодильного агента —10°С при восприятии им тепла, причем холодиль­ный агент отдает тепло охлаждающей воде с температурой 20°. Холодильный коэффициент в этих условиях теоретически будет выражаться величиной

Г0 — 10 + 273 263

0 ^ 8,76

BI — Т ~Т0 ~~ (20 + 273) — (—10 + 273) — 293 — 263

Допустим теперь, что, игнорируя приведенные выше выводы, для увеличения разности температур при охлаждении, температуру холодильного агента Т0 будем под­держивать равной —15°. Тогда холодильный коэффициент имеет следующее значение:

___________ — 15 + 273________________ 258 _

Є2 — (20 + 273) — (— 15+273) — 293 — 258 ~ 7,4

Таким образом, теоретически затрата механической работы или тепла будет в

8,76

Раза больше, т. е. расход энергии увеличится на 20%.

Теоретическая холодопроизводительность холодильных машин, от­несенная к мощности 1 квт, может быть выражена уравнением

К = 102 • 3600 А = -?f

L 4 Zo AL

К = 860 г ккал/квт-ч

113. Компрессионные паровые холодильные машины

Принцип действия. В производстве холода наиболее широко при­меняют компрессионные паровые холодильные машины с использованием веществ, которые обладают свойством переходить в парообразное со­стояние при температуре значительно ниже нуля и затем, под действием предварительного сжатия и охлаждения водой (или воздухом), снова пре­вращаться в жидкость.

Схема идеальной компрессионной холодильной машины, цикл работы которой приближается к обратному циклу Карно, и энтропийная
диаграмма работы этой машины изображены на рис. 498. Компрессор 1 засасывает пары холодильного агента с температурой Т0 (точка В на диа­грамме), сжимает их до некоторого определенного давления Р (точка С), При котором пары могут быть сжижены охлаждением их водой, и нагне­тает их в конденсатор 2.

Для того чтобы процесс сжижения происходил в конденсаторе 2 при постоянной температуре Т, процесс сжатия осуществляют полностью в области влажного пара, в связи с чем температура паров в конце сжа­тия равна температуре конденсации Т.

Так как процесс конденсации происходит за счет отдачи тепла сжи­жения охлаждающей воде путем теплообмена, то чем выше температура воды, тем выше должна быть температура конденсации, а следовательно, тем больше должно быть давление сжатия.

Рис. 498. Схема (а) и энтропийная диаграмма (б) компрессионной холодильной машины: /—компрессор; 2—Конденсатор; 3—Расширительный вентиль; 4—Испаритель.

Жидкий холодильный агент (точка D) из конденсатора поступает в расширительный цилиндр (на рис. 498 вместо расширительного ци­линдра показан расширительный вентиль 3). Холодильный агент расши­ряется в цилиндре до давления испарения (точка Л) и поступает в ис­паритель 4. В испарителе холодильный агент испаряется, отнимая не­обходимое для испарения тепло от охлаждаемой среды, омывающей трубки испарителя. При этом чем ниже давление испарения, тем ниже температура испарения Т0 и тем, следовательно, ниже та температура, до которой можно охладить охлаждаемое в испарителе вещество.

Образовавшиеся пары холодильного агента, состояние которых характеризуется на диаграмме точкой В, вновь засасываются компрессо­ром, сжимаются в нем, сжижаются в конденсаторе и т. д. с повторением цикла.

Таким образом, работа холодильной машины происходит по замкну­тому циклу, и все описанные процессы протекают непрерывно.

Цикл идеальной холодильной машины. Сжатие паров холодильного агента в цикле идеальной компрессионной машины происходит адиабати­чески, при постоянной энтропии S" =const, т. е. без теплообмена с окру­жающей средой. За счет затраченной работы сжатия AL .энергия холо­дильного агента увеличивается и температура его повышается от Т0 до Т (см. диаграмму на рис. 498).

В конце сжатия пары остаются влажными или становятся в пределе сухими насыщенными. Процесс сжатия изображается адиабатой ВС.

В конденсаторе от сжижаемого холодильного агента отводится тепло конденсации Q. Изобарический процесс конденсации, протекая полностью в области влажного пара, является одновременно и изотермическим и изображается изотермой CD.

Расширение холодильного агента в расширительном цилиндре от давления Р до давления Р0 с понижением температуры от Т до Т0 про­исходит адиабатически при S'=const с производством внешней работы АЬг и изображается адиабатой DA.

Испарение холодильного агента, происходящее при постоянном давлении Р0 и постоянной температуре Т0, изображается изотермой АВ и сопровождается подводом к холодильному агенту тепла испаре­ния Q0.

В точке В цикл замыкается, и все перечисленные процессы повто­ряются снова в той же последовательности.

В конечном результате за полный цикл происходит: 1) восприятие тепла Q0 и совершение работы <AL2; 2) отдача тепла Q и затрата ра­боты ALX, причем по [закону сохранения энергии должно соблюдаться равенство

Или

Q = Q0+

Холодильный коэффициент по предыдущему

Р _ Qo __________ Qo ____ П (Л_ о\

Є- A(LX-LZ) Q —Qo Т-т0 ^ Z;

На диаграмме (рис. 498) холодопроизводительность Q0, отнесенная к? 1 кгс холодильного агента, измеряется площадью ABFE; тепло Q, отдан­ное в конденсаторе,—площадью EFCD, и затрата работы Ah= = A(L — L2)—площадью ABCD.

На Т—5-диаграмме работа и холодильный эффект изображаются в виде площадей, и на ней наглядно отображается принцип холодильного цикла. Однако часто расчеты холодильных циклов ведут с использованием других координат, а именно координат Р—I (давление—теплосодержа­ние), на которых процессы дросселирования, конденсации и испарения изображаются прямыми линиями.

На Р—I—диаграмме (рис. 499) изображен холодильный цикл ком­прессионной машины. Здесь 1—2—адиабатическое сжатие (AL^, 2—3— конденсация, 3—4—расширение в расширительном цилиндре (AL2) и 4—1—испарение.

Основное преимущество этой диаграммы состоит в том, что тепло­вое выражение работы АЬ по адиабате и количество тепла по изобаре изображаются в ней в виде отрезков на прямой линии и могут быть легко измерены, в то время как по Т—S-диаграмме эти величины получаются в виде площадей, измерение которых затруднительно.

Примем обозначения:

/2, г3, /4—теплосодержание (энтальпия) холодильного агента в ккал1кгс\

Т0—абсолютная температура испарения;

Т—абсолютная температура конденсации; 5„ S2,S3, S4—энтропия холодильного агента в ккал/кгс °К, где индексы. при / и S показывают температуру:

при всасывании паров компрессором;

при нагнетании паров компрессором;

перед расширительным цилиндром;

за расширительным цилиндром.

В процессе сжатия холодильного агента энтропия остается неиз­менной и, следовательно, как это видно из диаграммы на рис. 499, II

= S2 = S

Где S"—энтропия паров холодильного агента при входе и выходе из компрессора или при выходе из испарителя при температуре Т0 и при выходе из конденсатора при температуре Т. Расширение холодильного агента в расширительном цилиндре так­же протекает при постоянной энтропии, следовательно,

53 = 54 = S

Где S'—энтропия жидкого холодильного агента на выходе из конденсато­ра при температуре ил и, что то же, на входе в испаритель при температуре Т0.

Рис. 499. Р—I и Т—S-диаграммы компрессионной холодильной машины.

На основании этого количество - тепла, которое отнимает 1 кгс холо­дильного агента от охлаждаемого тела в испарителе, можно определить по уравнению

Q0 = Іх — /4 = Т0 (S1 — S4) - Т0 (S2 — S3) = Т0 (S" — S') Ккалікгс (4—3)

А количество тепла, которое отдает 1 кгс холодильного агента в конден­саторе, определяется из уравнения

Q = /2 _ і3 = Т (S2 — 53) - Т (S" — S') ккал/кгс (4—4)

Работа сжатия пара в компрессоре может быть выражена равенст­вом

ALX = (4]— /г) ккал/кгс а работа расширения в расширительном цилиндре

AL2 — (/3 — /4) ккал/кгс Затрата работы за полный цикл:

Ah = ALX - AL% = (/2 - Іг) - (/3 - /4) = (Т — Г0) (5" - 5') (4-5)

Действительная компрессионная холодильная машина. Схема дей­ствительной компрессионной холодильной машины отличается от идеаль­ной в основном следующим:

вместо расширительного цилиндра, вследствие сложности его конструктивного выполнения и малой эффективности, применяют редук­ционный (регулирующий) вентиль;

сжатие холодильного агента происходит не в области влаж­ного пара, а в области перегретого пара, причем компрессор всасывает сухие насыщенные или несколько перегретые пары холодильного агента;

конденсацию холодильного агента в большинстве случаев допол­няют переохлаждением.

Процесс мятия пара в регулирующем вентиле протекает при по­стоянном теплосодержании и на диаграмме Т—S.(см. рис. 498) изобра­жается линией постоянного теплосодержания (изэнтальпой) DK.

Процесс этот необратим; часть неиспользуемой энергии AL2 расши­ряемого холодильного агента переходит в тепло, производя бесполезное испарение некоторого количества жидкости и уменьшая холодопроизво - дительность машины. На диаграмме (см. рис. 498) уменьшение холодо - производительности измеряется площадью АКМЕ, а фактическая холодо - производительность будет выражаться площадью KBFM.

На Р—/-диаграмме (см. рис. 499, I) процесс мятия пара в регули­рующем вентиле изображается вертикалью 3—5. Фактическая холодо - производительность Q0 на 1 кгс холодильного агента показана отрез­ком 5—1.

Возвращаясь к изображению процесса на Т—5-диаграмме (см. рис. 499, //), отметим, что, как легко доказать (при помощи Р—1/-диа - граммы), площадь 4—4'—с—Ь, изображающая потерю холодопроизводи - тельности АЬг, для большинства холодильных агентов равновелика площади а—4—3.

Таким образом, затрата энергии АЬ в цикле изображается пло­щадью 1—2—3—а и холодильный коэффициент цикла:

Пл. 1 — 4' — с — D

Пл. 1 — 2 — 3 — а

Влажный и сухой процессы. В описанном выше процессе, прибли­жающемся к обратному циклу Карно, в компрессор поступают влажные пары со степенью сухости ^<1, причем эта степень сухости устанавли­вается из тех соображений, чтобы в результате адиабатического сжатия в компрессоре пары оставались влажными или, в пределе, стали сухими насыщенными (х2=1). Это есть так называемый влажный процесс.

Хотя влажный процесс наиболее приближается к циклу Карно и с чисто термодинамической точки зрения кажется более предпочтитель­ным, практически более выгодно применение сухого процесса. При влаж­ном процессе из-за весьма интенсивного теплообмена между стенками цилиндра и влажным паром происходит быстрое испарение холодильного агента и осушение его паров, что вызывает ухудшение наполнения ци­линдра компрессора, уменьшение его объемного к. п. д. и, следовательно, падение холодопроизводительности машины.

В связи с этим на практике применяют так называемый сухой процесс, т. е. компрессор засасывает сухие насыщенные или даже слегка перегретые пары, вследствие чего в конце адиабатического сжатия пары получаются перегретыми. Лишь иногда для снижения конечной темпера­туры сжатия (во избежание разложения аммиака в аммиачных холодиль­ных машинах) допускают засасывание компрессором слегка влажных или специально увлажненных паров.

Кинематическую вязкость газовых смесей можно вычислить при­ближенно по формуле

-F-^ + F2"-- (1—18м)

'СМ. '1 2

Где хг, х2, х3—молярные или объемные доли компонентов в газовой смеси;

VI- V2» V3—кинематическая вязкость компонентов газовой смеси.

Поверхностное натяжение. На поверхности жидкостей в той или иной степени проявляется особенность свойств поверхностного слоя. Молекулы, находящиеся внутри жидкости, вследствие взаимного притя­жения испытывают в среднем одинаковое давление по всем направлениям, молекулы же, находящиеся в поверхностном слое, притягиваются молеку­лами внутренних слоев с большей силой, чем со стороны окружающей среды. Вследствие этого в поверхностном слое возникает давление, направ­ленное по нормали к поверхности. Действие этих сил проявляется в стрем­лении вещества сохранить свою поверхность.

Для вычисления величины сопротивления трения или падения на­пора в трубах некруглого сечения в формулу. (1—72) вместо диаметра трубопровода подставляется эквивалентный диаметр.

Сопротивление трения при турбулентном движении жидкости в тру­бах. При турбулентном движении определить значение функции Х=ср (Tfe) и составить общую формулу для величины коэффициента трения тео­ретически не удается. Поэтому приходится устанавливать значение этой функции опытным путем, применяя теорию подобия.

При обработке опытных данных с помощью метода подобия был вы­веден закон сопротивления для турбулентного движения жидкости в гладких трубах.

Согласно этому закону коэффициент трения

0,3164 0,3164 ..

- - (1—74)

^ Яе0-25

Re

Следовательно, сопротивление трения в гладких трубах при уста­новившемся турбулентном движении жидкости выразится уравнением

Д 0,3164/Тш2 Р — Re*'25 42а

9. Вентили и задвижки. Если вентиль или задвижка открыты полностью, можно по имеющимся экспериментальным данным

* См., например, М. А. Михеев, Основы теплопередачи, стр. 382—384.

Р2

* Влияние некоторых основных факторов на скорость паров в колонне

Было подробно исследовано на смеси этиловый спирт—вода (концентра­ция спирта на тарелке '—50% мол.).

І XflP

(GX 4- 1\

[1] Фугитивность/= -— , где рид.—давление данного газа, определяемое из

Рид.

(

Уравнения для идеальных газов 1рид. =-prl, а р—действительное давление данного реального газа при тех же условиях Т ViV.

[2] А. Н. Плановский, А. Г. Касаткин, К вопросу о расчете та­рельчатых аппаратов, ЖХП, № 2 (1955).

[3] Van Krevelen D. W. Haftijzer P. J., ChEm. Eng. Progr., 44, № 7, 529 (1948).

[4] В. Ф. Тимофеев, Физическая химия, 1923, стр. 138.

[5]2N —

(«2-1) (Gx+\ + W)

[6] Имея в виду, что теплоемкость воды равна единице.