Н.А. Галактионова
Промышленная экология
Учебное пособие для студентов заочного отделения / Москва: Международный независимый эколого-политологический университет, 2002
Тема 4. Основные технологические процессы
4.5. Тепловые процессы
4.5.2. Нагревание
Нагревание широко
применяется в химической технике для ускорения многих массообменных процессов и
химических превращений. В зависимости от температурных и других
условий проведения процесса применяются разнообразные методы
нагревания. Для каждого конкретного процесса приходится выбирать
наиболее оправданный в технологическом и экономическом отношении метод нагревания.
Наибольшее распространение
в химической технике получили следующие методы нагревания: водяным
паром, топочными газами, промежуточными
теплоносителями, электрическим током.
НАГРЕВАНИЕ ВОДЯНЫМ ПАРОМ
Для нагревания применяется
преимущественно насыщенный водяной пар при абсолютных давлениях до 10—12 ат.
Использование пара большего давления требует сложной и
дорогостоящей аппаратуры, что, как правило, экономически не оправдывается. Соответственно абсолютному давлению 10—12 ат нагревание насыщенным водяным
паром ограничено температурой —180° С. В процессе нагревания
насыщенный пар конденсируется, выделяя при этом тепло, равное теплоте испарения
жидкости.
Довольно широкому распространению
способа нагревания водяным паром способствовали преимущества этого
метода обогрева, а именно:
1) большое количество тепла, выделяющегося при конденсации
единицы водяного пара (539—476 ккал на 1 кг конденсирующегося
пара при абсолютных давлениях соответственно 1—12 ат);
2) равномерность обогрева, так как конденсация пара
происходит при постоянной температуре.
Нагревание «острым» паром. При
нагревании «острым» паром водяной пар вводится непосредственно в нагреваемую
жидкость; конденсируясь, он отдает тепло
нагреваемой жидкости, а конденсат смешивается
с жидкостью.
Для одновременного нагревания и
перемешивания жидкости пар вводится через барботер — трубу с
рядом небольших отверстий. Барботер располагают на дне резервуара в виде спирали (рис.
4.18)
Рис.4.18. Паровой барбатер:
1 – резервуар; 2 – барбатер;
3 – паропровод; 4 – запорный
вентиль
При обогреве «острым» паром
происходит неизбежное разбавление нагреваемой
жидкости конденсатом — водой. Обычно этот способ применяют для нагревания воды и водных
растворов.
Нагревание «глухим» паром. Если
нагреваемая жидкость взаимодействует с водой, контакт
между ними недопустим или нельзя разбавлять нагреваемую
жидкость, применяют нагревание «глухим» паром. В этом случае
жидкость нагревается паром через разделяющую их стенку в аппаратах с рубашками,
со змеевиками и т. д.
Греющий «глухой» пар целиком
конденсируется и выводится из парового пространства нагревательного
аппарата в виде конденсата. Температура конденсата может быть
принята с достаточной точностью равной температуре насыщенного греющего пара.
На рисунке 4.19 схема аппарата с рубашкой для нагревания
глухим паром.
Рис. 4.19. Схема аппарата с рубашкой для нагревания
глухим паром:
1 – нагревательный аппарат (рубашка); 2 – отдувочный вентиль; 3 –
водоотводчик; 4,5 – запорные вентили; 6 – запорный вентиль; 7 – обводная линия.
НАГРЕВАНИЕ ТОПОЧНЫМИ ГАЗАМИ
Нагревание топочными газами — самый старый способ обогрева в химической промышленности. Этим способом
осуществляется нагревание до температур 180—1000° С. Дымовые газы
образуются при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива
(преимущественно при атмосферном давлении) в топках или печах различной
конструкции.
Особенностей нагрева
дымовыми газами являются «жесткие» условия нагревания: значительные перепады
температур. Благодаря большим температурным перепадам при нагревании дымовыми
газами достигаются высокие тепловые
нагрузки. Однако при этом методе нагревания трудно регулировать процесс
и избежать перегрева материалов из-за
неравномерности обогрева; кроме того, при разбавлении дымовых газов большим количеством воздуха происходит
окисление металлов. Следует отметить
огнеопасность обогрева дымовыми газами.
Непосредственное нагревание топочными газами
осуществляется в трубчатых печах, а также в печах для реакционных котлов или автоклавов.
Простейшая трубчатая печь
изображена на рисунке 4.20. Топочные газы образуются в топке 1, куда вводится
топлива (твердое, жидкое, газообразное) и необходимый для горения воздух. Для
понижения температуры газов в топочном пространстве в топочную камеру 2 через
окно 3 вентилятором 4 нагнетается воздух. Топочные газы омывают трубчатый
змеевик 5, расположенный в шахте 6, а затем удаляется через боров 7.
Рис. 4.20. Трубчатая печь:
1 – топка; 2 – топочная камера; 3 – окно; 4 – вентилятор;
5 – змеевик; 6 –
шахта; 7 – боров.
НАГРЕВАНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ
ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ
При нагревании многих материалов для
сохранения качества продуктов или обеспечения безопасной работы
недопустим даже кратковременный их перегрев. В этих случаях для обогрева применяют промежуточные теплоносители, которые сначала нагреваются топочными газами, а затем передают воспринятое тепло
обрабатываемым материалам.
В качестве промежуточных теплоносителей
применяют минеральные масла, перегретую воду, высокотемпературные органические теплоносители,
расплавленные смеси солей и др.
Нагревание топочными газами через
жидкостную баню относится к простейшим способам
нагревания промежуточными теплоносителями. В
этом случае аппарат
снабжают рубашкой, заполненной, например, маслом. Топочные газы омывают
рубашку и передают тепло маслу, а масло через стенки аппарата — обрабатываемым материалам.
Для повышения эффективности нагревания
используют установки с циркулирующим жидким промежуточным теплоносителем.
Принципиальная схема такой установки показана на рис. 4.21 Жидкий теплоноситель
нагревается в змеевике 2 печи 1. В результате уменьшения при нагревании
удельного веса теплоносителя он перемещается по трубопроводу вверх к
обогреваемому аппарату 3. Теплоноситель проходит по змеевику, расположенному
вокруг этого аппарата, и отдает тепло нагреваемому материалу.
Рис. 4.21. Принципиальная схема нагревательной установки с естественной циркуляцией жидкого промежуточного теплоносителя:
1 — печь; 2 — змеевик; 3 —
обогреваемый аппарат
Температура теплоносителя при этом снижается, а
удельный вес увеличивается, в результате чего он стекает по трубопроводу вниз.
Таким образом осуществляется замкнутая циркуляция теплоносителя.
НАГРЕВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ
ТОКОМ
В химической технике довольно широко
применяется нагревание электрическим током в различных электрических
печах. При нагревании электрическим током можно легко и очень
точно регулировать процесс при равномерном обогреве.
По способу превращения электрической
энергии в тепловую различают электрические печи сопротивления
индукционные и дуговые. Электрические печи сопротивления делятся
на печи прямого действия и печи косвенного действия.
В электрических печах
прямого действия нагреваемое тело включается
непосредственно в электрическую цепь и нагревается при прохождении
через него электрического тока. Часто печь прямого действия
представляет собой аппарат, корпус которого является одним из
электродов; другой электрод размещают в аппарате. Между электродами
помещают жидкие или расплавленные нагреваемые материалы.
Электрические печи сопротивления
косвенного действия получили большое
распространение. В них тепло выделяется при прохождении
электрического тока по специальным нагревательным элементам;
выделяющееся тепло передается материалу лучеиспусканием, теплопроводностью
и конвекцией. В таких печах осуществляется нагревание до температур
1000—1100° С. Схема такой печи показана на рис. 4.22.
Рис. 4.22. Электрическая печь сопротивления косвенного
действия:
1 — обогреваемый аппарат;
2 — футеровка печи; 3 — тепловая изоляция; 4 — спиральные нагревательные элементы;
5 — выводные электрошины.
Футеровка печи 2 выполнена
из огнеупорного кирпича. В пазах футеровки уложены спиральные
нагревательные элементы 4, к которым подводится ток
через электрошины 5. Тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через
спиральные нагревательные элементы,
передается обогреваемому аппарату 1 лучеиспусканием и конвекцией.
Тепловая изоляция В уменьшает потери тепла в окружающую среду.
Электрические индукционные печи (рис.
4. 23). Нагревание в этих печах осуществляется индукционными
токами. Обогреваемый аппарат 1 является сердечником соленоида 2, охватывающего
аппарат; по соленоиду пропускается
переменный ток, при этом вокруг соленоида возникает переменное магнитное поле,
которое индуцирует в стенках
обогреваемого аппарата электродвижущую силу. Под действием возникающего вторичного тока нагреваются
стенки аппарата.
Рис. 4.23. Принципиальная схема электрической
индукционной печи:
1 — обогреваемый аппарат; 2 — соленоид.
Соленоид выполняется из медной или алюминиевой
проволоки, имеющей малое омическое сопротивление.
Дуговые печи. В дуговых печах применяется
нагревание электрической дугой до температур 1500 – 1300 оС.
Электрическая дуга возникает в газообразной среде. В дуговых печах при
возникающих больших температурных перепадах невозможны равномерный обогрев и
точное регулирование температуры. Дуговые печи применяются для плавки металлов,
получения карбида кальция и фосфора, для переработки бытовых отходов.
|