В хімічній промисловості розповсюджені процеси, пов‘язані з конденсацією парів (газів, різних речовин) шляхом відведення від них тепла.

Конденсація може здійснюватись або охолодженням пари (газу) або одночасним охолодженням і стисненням. В подальшому ми розглянемо тільки процеси конденсації парів їх охолодженням водою або холодним повітрям.

Конденсація здійснюється в апаратах, які називаються конденсаторами.

Існує два типи конденсаторів:

1) поверхневі, в яких пара та охолоджуючий агент розділені стінкою і конденсація здійснюється на внутрішній або зовнішній поверхні стінки;

2) конденсатори змішування, в яких пара, що підлягає конденсації безпосередньо контактує з холодильним агентом.

Об‘єм отриманого конденсату є меншим більше ніж у тисячу разів від об‘єму пари, з якої він утворився. Тому в конденсаторі утворюється розрідження, яке зростає із зменшенням температури конденсації, тим нижча, чим більша витрата охолоджуючого агента і нижча його кінцева температура. Конденсатор має бути оснащений вакуум-насосом, оскільки одночасно з процесом конденсації в робочому просторі конденсатора відбувається накопичення повітря та інших не сконденсованих газів, які виділяються з рідини, що призводить до зростання їхнього парціального тиску і зменшення розрідження в апараті. Крім цього, вакуум-насос запобігає коливанням тиску , що обумовлені зміною температури охолоджуючого агента.

Позначимо:

D - кількість пари, що поступає на конденсацію, кг/г; l - тепловміст пари, Дж/кг; t_{n -}-температурa перегрітої пари, °С; t_нас - температура насичення (конденсації), °С; t_p - температура конденсату на виході з апарату, °С; с_р - теплоємність конденсату, Дж/кг·град; r -теплота конденсації пари (теплота випаровування), Дж/кг; W - кількість води, яка поступає на охолодження, кг/год; t_в.п. - початкова температура води, °С; t_в.к. - кінцева температура води, °С; Q_втр. - втрати тепла в оточуюче середовище, Дж/год. Тоді тепловміст пари, яка поступає на конденсацію визначається за формулою:

(2.19)

Тепловий баланс запишемо

(2.20)

З рівняння (1.20) визначають витрату води, яка необхідна для охолодження

(2.21)

Поверхня конденсації, згідно рис. 2.21 ділиться на три зони: зону охолодження перегрітої пари, зону конденсації і зону охолодженого конденсату.

Рис 2.21. До теплового балансу процесу конденсації.

Першій зоні відповідають найгірші умови теплообміну, а другій - найкращі. В зв’язку з цим поверхню необхідно розраховувати для кожної зони окремо. Для цього необхідно знайти кількість тепла, яка передається в кожній зоні, а також проміжних температур води, що подається на охолодження t_в.1 і t_в.2 (рис. 2.21).

Кількість тепла, яка передається через поверхню охолодження в кожній зоні знаходять за рівняннями:

для зони охолодження

(2.22)

для зони конденсації

(2.23)

Для зони охолодження конденсату

(2.24)

З цих рівнянь визначають проміжні температури води:

(2.25)

(2.26)

Конденсацію змішування можна застосовувати в тих випадках, коли необхідно здійснити конденсацію нерозчинених у воді парів рідин або коли пара в подальшому не використовується і є відходом. Ефективність роботи конденсаторів змішування знаходиться у прямій залежності від поверхні фазового контакту охолоджуючої води і пари, тому поверхню фазового контакту здійснюють шляхом розпилювання води, яка поступає на охолодження за допомогою різних пристроїв.

Залежно від методу виводу сумішей з таких конденсаторів, розглядають мокрі і сухі конденсатори змішування.

В мокрих конденсаторах змішування воду, яка подається для охолодження, конденсат і гази, які не конденсуються (повітря), виводять з нижньої частини апарату за допомогою мокро-повітряних насосів.

В сухих конденсаторах змішування води, яка поступає в апарат для охолодження, конденсат виводиться з нижньої частини апарату, а гази які не конденсуються відсмоктуються вакуум-насосом з верхньої частини апарату.

Крім цього конденсатори змішування поділяють на прямотечійні і протитечійні.

В прямотечійних конденсаторах змішування вода і пар рухаються в одному напрямку зверху в низ, в протитечійних - пара і вода рухаються в протилежних напрямках (вода зверху вниз, а пара з низу вверх).

На рис.2.22 показано мокрий прямотечійний конденсатор змішування. В корпусі конденсатора 1 через патрубок 3 подається пара, яка підлягає конденсації. Вода для охолодження подається через сопло 4. Нагріта вода разом з конденсатом і повітрям виводиться через патрубок 5 мокро-повітряного насосу 6.

Рис. 2.22. Вологий прямотечійний конденсатор змішування:

1 – корпус конденсатора; 2 – кришка; 3 – патрубок; 4 – сопло; 5 – патрубок; 6 – волого-повітряний насос.

Витрати води для охолодження визначаються з теплового балансу.

(2.27)

звідки

(2.28)

де W - витрата води, кг/год; D - кількість пари, яку необхідно сконденсувати, кг/год; l - тепловміст пари, яка підлягає конденсації, Дж/кг; t_в.п. і t_в.к. - початкова і кінцева температура води, ⁰С; C_в - теплоємність води, Дж/(кг·град).

На рис. 2.23 показаний протитечійний барометричний конденсатор. Пара на конденсацію поступає через штуцер 5, який розміщений в нижній частині конденсатора. В конденсаторі передбачено ряд перфорованих перегородок 8. Вода для охолодження подається на верхню перегородку (полицю), з якої вона перетікає на розміщені нижче полиці у вигляді тонких струмин через отвори і борти.

Рис. 2.23. Протитечійний барометричний конденсатор:

1 – корпус конденсатора; 2 - осушувач повітря; 3 – барометрична труба; 4 – ємність для відведеної води; 5 – штуцер для подавання пари; 6 – патрубок для відведення несконденсованих газів; 7 – патрубок для відведення конденсату і води; 8 – перфоровані перегородки.

Конденсат і вода виводяться через патрубок 7, який закріплений в нижній частині конденсатора. Несконденсовані гази (повітря) через патрубок 6, розміщений в верхній частині конденсатора виводяться з апарату вакуум-насосом. Для осушування повітря служить уловлювач краплинок води, які можуть попасти у несконденсований газ. Абсолютний тиск в таких конденсаторах становить 0,01-0,02 МПа (0,1-0,2).

Для відведення води з апарату служить барометрична труба 3. Висота труби визначається з умов забезпечення необхідної швидкості потоку і злагодженої роботи апарата.

м (2.29)

де h₃ - висота стовпа води в барометричній трубці, необхідна для зрівноваження різниці тисків в конденсаторі і атмосферного, м; h_g - висота стовпа води в барометричній трубці, який створює необхідний динамічний напір, щоб забезпечити рух рідини в трубці, м; 0,5 м - запасна висота, яка не дає можливості залити вхідний штуцер для пари у разі збільшення атмосферного тиску.

Висоту h₃ знаходять із співвідношення

(2.30)

де В - розрідження в конденсаторі, мм.рт.ст.

Коефіцієнт опору на вході води в барометричну трубу приймають таким, що дорівнює і на виході . Тоді висота h_g визначається зі співвідношення

(2.31)

де - швидкість води в трубі, м/с; l - коефіцієнт тертя під час руху рідини по трубі; d - діаметр барометричної труби, м.

Діаметр барометричної труби визначається за рівнянням

(2.32)

де D - кількість пари, яка підлягає конденсації; W - витрата води, кг/год; ω - швидкість рідини в барометричній трубі, м/с.

Кількість повітря, яке необхідно відсмоктати за допомогою вакум-насоса можна визначити за формулою

(2.33)

де G_п - кількість повітря, яке відсмоктується з конденсатора, кг/год; 29,27 - газова постійна для повітря; t_пов - температура повітря, °С; - парціальний тиск повітря, яке відсмоктується, н/м²; р - загальний тиск в конденсаторі, н/м²; р_п - парціальний тиск пари, що знаходиться у повітрі, яке відсмоктується за температури повітря t_пов.

Маса повітря, яке відсмоктується з конденсатора визначається за емпіричною формулою

(2.34)

де 0,000025 - кількість повітря в кг, яке міститься в одному кг води; 0,01 – кількість повітря в кг, яке проникає в конденсатор через нещільності і припадає на 1 кг пари, що підлягає конденсації.