АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Охлаждение до обыкновенных температур

Охлаждение естественным путем вследствие отдачи тепла в окру­жающую среду. Наиболее просто жидкости и газы могут охлаждаться, отдавая тепло через стенки аппаратов или трубопроводов в окружаю­щую среду. Продолжительность такого охлаждения зависит от тепло­проводности стенок аппарата и температуры охлаждаемой жидкости и может быть вычислена обычным путем из уравнения теплопередачи

Час.

KF Д;ср.

Охлаждение путем самоиспарения. При естественном охлаждении нагретых жидкостей в открытых резервуарах одновременно с отдачей тепла через стенки происходит охлаждение вследствие испарения жидкости с поверхности. Количество тепла, которое отдаст жидкость при испарении, может быть определено по формуле

Q = D (X — с/ср.) ккал/час (2—179)

Где D—количество испарившейся жидкости в кгс/час;

X—теплосодержание образующихся паров в ккал/кгс; с—средняя теплоемкость жидкости в ккал/кгс-°С; /ср.—средняя температура охлаждаемой жидкости в °С.

Количество жидкости, испаряющейся в единицу времени, по прибли­женному закону Дальтона определяется из выражения

D = KXF (рж — с?Р'ж) кгс/час (2 -180)

Где /\Л—- коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств жидкости и скорости движения окружающего воздуха; F—величина поверхности испарения в м'2;

Рж—упругость паров жидкости при данной температуре в мм рт. ст.; ср—степень насыщения воздуха парами; рж—упругость паров жидкости при температуре окружающего

Воздуха в мм рт. ст. Для воды и водных растворов числовые значения Кг могут быть найдены по формуле (3—364).

Для средних условий можно принять температуру окружающего воздуха равной 20° и степень его насыщения влагой <р=0,7; тогда по таблицам для насыщенного водяного пара

Р'ж - 17,5 мм рт. ст.

Следовательно

Ор'^ — 0,7-17,5 12,3 мм рт. ст.

Охлаждение путем непосредственного внесения льда и воды. Если необходимо быстро понизить температуру жидкости до температуры ниже комнатной, например до 0°С, то этого можно достигнуть непосред­ственным введением в охлаждаемую жидкость льда или холодной воды.

Введенный в охлаждаемую жидкость лед нагревается до темпера­туры плавления и затем при постоянной температуре 0°С плавится, отнимая тепло от охлаждаемой жидкости и понижая ее температуру.

Так как вода, получающаяся изо льда, смешивается с охлаждае­мой жидкостью, то такой метод охлаждения может быть применен только в тех случаях, когда охлаждаемая жидкость не взаимодействует химически с водой и разведение ее допустимо.

Лед обычно имеет температуру от —1 до —2°, поэтому, прини­мая теплоемкость льда приближенно равной 0,5 ккал1кгс-°С, а скрытую теплоту плавления около 79,4 ккалікгс, можно считать, что 1 кгс льда воспринимает тепла

(80 -f- TK) Ккал

Где tK—конечная температура охлаждаемой жидкости. Обозначим:

G—вес охлаждаемой жидкости в кгс; с—ее теплоемкость в ккалікгс-°С; /н—начальная температура жидкости.

Тогда количество льда, потребное на охлаждение, определяют по формуле

Кгс <2-181)

Если конечная температура жидкости в результате охлаждения должна быть выше температуры холодной воды и допустимо введение воды в охлаждаемую жидкость, то охлаждение проводят путем непо­средственного смешивания жидкости с водой.

Количество воды, потребной на охлаждение, может быть опреде­лено из выражения

Де/ __ GjCJ — £1к)

(2—182)

Где Gl—количество охлаждаемой жидкости в кгс, с1—ее теплоемкость в ккал /кгс °С; /1н—ее начальная температура;

TlK—конечная температура смеси охлаждаемой жидкости с водой; t.2H—'начальная температура воды.

Охлаждение в поверхностных холодильниках. Охлаждение жидко­стей и газов наиболее часто проводят в поверхностных холодильниках, где теплообмен между охлаждаемой жидкостью (или газом) и охлаждаю­щей средой протекает не при их непосредственном соприкосновении, а путем передачи тепла через металлические стенки. В качестве охлаждаю­щих агентов чаще всего используют воду и воздух.

Применяя воду, можно обычно достичь более сильного охлаждения. Если температура охлаждения должна быть ниже 15—30°, то исполь­зуют низкотемпературные охлаждающие агенты, например холодильные рассолы.

Поверхностные холодильники по своему устройству не отличаются от описанных выше подогревателей; их изготовляют с рубашками и змее­виками, а также в виде трубчатых и спиральных аппаратов.

При охлаждении с помощью рубашек (рис. 275) или змеевиков (рис. 276) охлаждающую воду подводят снизу и отводят сверху, так как при нагревании воды удельный вес ее уменьшается и более лагре - тые^-частиды движутся снизу вверх.

Расчет поверхности охлаждения и коэффициента теплопередачи ведут по общим уравнениям (см. главу VII).

Если вода протекает в межтрубном пространстве змеевикового холодильника, то для повышения ее скорости, а следовательно, и коэф­фициента теплопередачи уменьшают свободное сечение холодильника (см. рис. 276) путем установки внутри корпуса / цилиндрического ста­кана 2. Стакан принимают такого диаметра, чтобы в промежутке между
стенками холодильника и стаканом мог разместиться змеевик 3 и оста­вался небольшой зазор для протекания воды.

Иногда для увеличения скорости жидкости в межтрубном про­странстве холодильника устанавливают перегородки.

В некоторых случаях жидкости охлаждают в ороситель н'ьГ х холодильниках; одна из жидкостей, участвующих в теплообмене, проте­кает внутри пучка труб, другая же орошает их снаружи, свободно стекая по наружной поверхности труб (рис. 277).

Оросительный холодильник имеет обычно несколько секций' из труб 1, установленных одна над другой и соединенных калачами 2. Над трубами размещается желоб 3 (с зубчаты­ми краями), служащий для распределения орошающей жидкости, а внизу—поддон 5 для сбора этой жидкости. На каждую трубу надевается козырек 4 с зубчатыми краями для равномерного слива жидкости на распо­ложенную ниже трубу.

Одна из жидкостей поступает через коллектор снизу, проходит по трубам и уда­ляется из верхнего коллектора. Орошаю­щая жидкость подается в верхний желоб и из него струйками непрерывно стекает по трубам сверху вниз, собираясь в нижнем поддоне.

Оросительные холодильники отличают­ся простотой устройства; они доступны для осмотра и очистки труб. Расход воды в оросительных холодильниках меньше, чем в погружных теплообменниках, но подача воды должна быть равномерной для того, чтобы все ряды труб были смочены. При недостаточном орошении холодильников вода интенсивно испаряется; поэтому оросительные холодильники часто устанавливают на открытом воздухе.

В качестве кислотных холодильников и конденсаторов применяют вертикальн о-о росительные теплообменники (рис. 278).

В них жидкость стекает тонкой пленкой по внутренней поверхности стенок труб, благодаря чему повышается коэффициент теплоотдачи от жидкости к стенке.

Величину коэффициента теплоотдачи при стекании воды пленкой по наружной поверхности горизонтальных труб можно ориентировочно определить по формуле

А == 40£/0,4*і~0,6 (2—183)

Где U—плотность орошения или количество воды, приходящееся на 1 пог. м верхней трубы в единицу времени.

Вода, орошающая каждую трубу, растекается по обе ее стороны; поэтому плотность орошения в холодильнике определяют по формуле

(J

U = Кгс! м-час (2—184)

Где G—расход воды в кгс! час\

K—число верхних труб, равное числу секций теплообменника;

I—длина трубы в м.

В оросительных холодильниках плотность орошения обычно не пре - в ышает 1500 кгс! м ■ час.

Расход охлаждающей воды. Для определения расхода воды за­даются ее конечной температурой /2К. Эту температуру принимают обыч­но на 5—35° ниже температуры охлаждаемой среды (со стороны выхода воды из холодильника). Оптимальное значение /2К может быть найдено только сравнительными расчетами, так как с увеличением конеч­ной температуры t.2K воды возрастает поверхность теплообмена, а с умень­шением этой температуры увеличивается расход воды.

Для того чтобы предотвратить выделение растворенных в воде еолей и, следовательно, образование накипи, конечную температуру воды сле­дует принимать не выше 40—50°.