Тепловые процессы

Ктепловым относятся процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты: нагревание, охлаждение, испарение, плавление и др. Процессы переноса теплоты часто сопутствуют другим технологическим процессам: химического взаимодействия, разделения смесей и т.д.

По механизму переноса энергии различают три способа распространения теплоты — теплопроводность, конвективный перенос и тепловое излучение.

Теплопроводность — перенос энергии микрочастицами (молекулами, ионами, электронами) за счет их колебаний при тесном соприкосновении.

Процесс протекает по молекулярному механизму и поэтому теплопроводность зависит от внутреннего молекулярного строения рассматриваемого тела и является постоянной величиной.

Конвективный перенос теплоты (конвекция) — процесс переноса теплоты от стенки к движущейся относительно нее жидкости (газу) или от жидкости (газа) к стенке. Таким образом, он обусловлен массовым движением вещества и происходит одновременно путем теплопроводности и конвекции.

В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости, различают вынужденную и естественную конвекцию. При вынужденной конвекции движение обусловлено действием внешней силы — разности давлений, создаваемой насосом, вентилятором или иным источником (в том числе и природного происхождения, например, ветром). При естественной конвекции движение возникает вследствие изменения плотности самой жидкости (газа), обусловленного термическим расширением.

Тепловое излучение — перенос энергии в форме электромагнитных колебаний, поглощаемых телом. Источниками этих колебаний являются заряженные частицы — электроны и ионы, входящие в состав излучающего вещества. При высоких температурах тел тепловое излучение становится преобладающим по сравнению с теплопроводностью и конвективным обменом.

На практике теплота чаще всего передается одновременно двумя (или даже тремя) способами, однако превалирующее значение обычно имеет какой-либо один способ передачи теплоты.

При любом механизме переноса теплоты (теплопроводностью, конвекцией или тепловым излучением) количество передаваемого тепла пропорционально поверхности, разности температур и соответствующему коэффициенту теплоотдачи.

В наиболее распространенном случае теплота передается от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Такой вид теплообмена называется теплопередачей, а участвующие в ней среды — теплоносителями. Процесс теплопередачи состоит из трех стадий: 1) передача теплоты стенке нагретой средой (теплоотдача); 2) перенос теплоты в стенке (теплопроводность); 3) перенос теплоты от нагретой стенки в холодную среду (теплоотдача).

На практике широко применяются следующие разновидности тепловых процессов:

• процессы нагревания и охлаждения;

• процессы выпаривания, испарения, конденсации;

• процессы искусственного охлаждения;

• плавление и кристаллизация.

Нагревание и охлаждение сред проводят в аппаратах, называемых теплообменниками.

Наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменники, представляющие собой пучок параллельных труб, помещенных в общий кожух с герметично подсоединенными к нему по концам трубными досками. Хорошие условия теплопередачи обеспечиваются в теплообменниках типа «труба в трубе», в которых одна жидкость движется по внутренней трубе, а вторая — в противоположном направлении в кольцевом пространстве между внутренней и наружной трубами.

В тех случаях, когда различие физических свойств обменивающихся теплотой сред велико, эффективно применение со стороны газа оребренных теплообменных поверхностей (например, в радиаторах автомобилей, некоторых типах батарей водяного отопления).

Для передачи тепла при нагревании используют вещества, называемые теплоносителями.

Наиболее распространенным теплоносителем является водяной пар. Для нагревания до температур более 180—200 ° С используются высокотемпературные теплоносители: нагретая вода, расплавленные соли, ртуть и жидкие металлы, органические соединения, минеральные масла.

Во многих процессах, протекающих при высоких температурах, используется нагревание топочными газами, получае-

мыми в печах. Таковы, например, процессы обжига и сушки, широко распространенные в производствах строительных материалов, химической и целлюлозно-бумажной промышленности.

Для нагревания в широком диапазоне температур применяется электрический нагрев. Электронагреватели удобны для регулирования, обеспечивают создание хороших санитарно-гигиенических условий, но относительно дороги.

Для охлаждения сред используют вещества, называемые хладагентами.

Наиболее распространенным хладагентом является вода. Однако в связи с быстро возрастающим дефицитом воды во всем мире большое значение приобретает использование в данном качестве воздуха. Теплофизические свойства воздуха неблагоприятны (малые теплоемкость, теплопроводность, плотность), поэтому коэффициенты теплоотдачи к воздуху ниже, чем к воде. Для устранения этого недостатка повышают скорость движения воздуха для увеличения коэффициента теплоотдачи, оребряют трубы со стороны воздуха, увеличивая поверхность теплообмена, а также распыляют в воздух воду, испарение которой понижает температуру воздуха и увеличивает за счет этого движущую силу процесса теплообмена.

Выпаривание — процесс удаления растворителя в виде пара из раствора нелетучего вещества при его кипении. Выпаривание применяется для выделения нелетучих веществ в твердом виде, концентрирования их растворов, а также получения чистого растворителя (последнее осуществляется, например, опреснительными установками).

Чаще всего выпариванию подвергаются водные растворы, а теплоносителем служит водяной пар. Движущей силой процесса является разность температур теплоносителя и кипящего раствора. Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах.

Испарение — процесс удаления жидкой фазы в виде пара из различных сред, главным образом путем их нагрева или создания иных условий для испарения.

Испарение осуществляется при проведении многих процессов. В частности, в методах искусственного охлаждения применяют испарение различных жидкостей, обладающих низкими (обычно — отрицательными) температурами кипения.

Конденсацию пара (газа) осуществляют либо путем охлаждения пара (газа), либо посредством охлаждения и сжатия одновременно. Конденсацию используют при выпаривании, вакуум-сушке для создания разрежения. Пары, подлежащие конденсации, отводят из аппарата, в котором они образуются, в закрытый аппарат, охлаждаемый водой или воздухом и служащий для сбора паров-конденсатов.

Процесс конденсации осуществляется в конденсаторах смешения или поверхностных конденсаторах.

В конденсаторах смешения пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой и полученный конденсат с ней смешивается. Так проводят конденсацию, если конденсируемые пары не представляют ценности.

В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на внутренних или внешних поверхностях труб, омываемых с другой стороны водой или воздухом. Конденсат отводят отдельно от хладагента, и если он представляет ценность, используют.

Процессы искусственного охлаждения применяют при некоторых процессах абсорбции, при кристаллизации, разделении газов, сублимационной сушке, для хранения пищевых продуктов, кондиционирования воздуха. Большое значение приобрели такие процессы в металлургии, электротехнике, электронике, ядерной, ракетной, вакуумной и других отраслях. Так, используя глубокое охлаждение, путем частичного или полного сжижения разделяют газовые смеси для получения многих технологически важных газов (например, азот, кислород и др.).

Искусственное охлаждение всегда связано с переносом тепла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой, что требует затрат энергии. Поэтому введение энергии в систему является необходимым условием получения холода. Оно достигается следующими основными методами:

• испарением низкокилящих жидкостей. При испарении такие жидкости, имеющие обычно отрицательные температуры кипения, охлаждаются до температуры кипения;

• расширением газов дросселированием, путем пропускания их через устройство, вызывающее сужение потока (шайбу с отверстием, вентиль) с последующим его расширением. Энергия, необходимая для расширения газа (для преодоления сил сцепления между молекулами) при дросселировании, когда нет потока тепла извне, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа;

• расширением газа в детандере — машине, устроенной подобно поршневому или турбокомпрессору, — газовом двигателе, который одновременно совершает внешнюю работу (перекачивает жидкости, нагнетает газы). Расширение сжатого газа в детандере происходит без обмена теплом с окружающей средой. При этом совершаемая газом работа производится за счет его внутренней энергии, в результате чего газ охлаждается.

Плавление используется для подготовки полимеров к формованию (прессованию, литью под давлением, экструзии и т.д.), металлов и сплавов к литью различными способами, стеклянной шихты к варке и выполнения многих других технологических процессов.

Наиболее распространенным способом плавления является передача тепла через металлическую стенку, обогреваемую любым способом: теплопроводностью, конвективным переносом или тепловым излучением без удаления расплава. При этом скорость плавления определяется только условиями теплопередачи: коэффициентом теплопроводности стенки, градиентом температур и площадью контакта.

В практике достаточно часто используют плавление электрической, химической и другими видами энергии (индукционный, высокочастотный нагрев и т.д.), сжатием.

Кристаллизация — процесс выделения твердых веществ из насыщенных растворов или расплавов. Это процесс, обратный плавлению. Таким образом, тепловой эффект кристаллизации равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту плавления. Каждому химическому соединению соответствует одна, а чаще несколько кристаллических форм, отличающихся положением и числом осей симметрии (металлы, сплавы металлов). Это явление носит название полиморфизма (аллотропии).

Обычно кристаллизацию осуществляют из водных растворов, понижая растворимость кристаллизуемого вещества за счет изменения температуры раствора или удаления части растворителя. Использование данного способа характерно для производства минеральных удобрений, солей, получения ряда полупродуктов и продуктов из растворов органических веществ (спиртов, эфиров, углеводородов). Такую кристаллизацию называют изотермической, так как испарение из растворов идет при постоянной температуре.

Кристаллизация из расплавов осуществляется путем их охлаждения водой, воздухом. Из кристаллизующихся материалов (металлов, их сплавов, полимерных материалов и композитов на их основе) получают разнообразные изделия методами прессования, литья, экструзии и т.д.

4.2.4. Массообменные процессы

В технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи. Они характеризуются переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую.

Подобно теплопередаче, массопередача — сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, через поверхность (границу) раздела фаз и в пределах другой фазы. Эта граница может быть подвижной (массопередача в системах «газ - жидкость», «пар — жидкость», «жидкость — жидкость») либо неподвижной (массопередача с твердой фазой).

Для массообменных процессов принимают, что количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз, которую по этой причине стремятся сделать максимально развитой, и движущей силе, характеризуемой степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой разностью концентрации диффундирующего вещества, которое перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией.

На практике используются следующие виды процессов массо-передачи: абсорбция, перегонка, адсорбция, сушка, экстракция.

Абсорбция — процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорб-тив) химически не взаимодействует с абсорбентом. Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. Па этом ее свойстве основано выделение поглощенного газа из раствора — десорбция.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде.

В промышленности абсорбцию применяют для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или очистки этих смесей от вредных веществ, примесей: абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты; абсорбция НС1 с получением соляной кислоты; абсорбция NH₃. паров С₆Н₆, H₂S и других компонентов из коксового газа; очистка топочных газов от SO₂; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений, и т.д.

Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопе-редачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз, поэтому такие аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом.

Перегонка жидкостей применяется для разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или более летучих компонентов. Это процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемый однократно или многократно. В ре-

зультате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

Если бы исходная смесь состояла из летучего и нелетучего компонентов, то ее можно было бы разделить на компоненты путем выпаривания. Перегонкой же разделяют смеси, все компоненты которых летучи, т.е. обладают определенным, хотя и разным давлением пара.

Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их летучести.

Различают два вида перегонки: простая перегонка (дистилляция) и ректификация.

Дистилляция — процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Ее обычно используют лишь для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от примесей.

Ректификация — процесс разделения однородных смесей жидкостей путем двухстороннего массо- и теплообмена между жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися относительно друг друга. Разделение обычно осуществляют в колоннах при многократном (на специальных перегородках (тарелках) или непрерывном контакте фаз (в объеме аппарата).

Процессы перегонки широко применяются в химической промышленности, где выделение компонентов в чистом виде имеет важное значение в производствах органического синтеза полимеров, полупроводников и т.д., в спиртовой промышленности, в производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т.д.

Адсорбция — процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом — адсорбентом. Поглощенное вещество называют адсор-батом, или адсорбтивом. Процессы адсорбции избирательны и обычно обратимы. Выделение поглощенных веществ из адсорбента называют десорбцией.

Адсорбция применяется при небольших концентрациях поглощаемого вещества, когда надо достичь почти полного его извлечения.

Процессы адсорбции широко применяются в промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров (например, при очистке аммиака перед контактным окислением, осушке природного газа, выделении и очистке мономеров в производствах синтетического каучука, пластмасс и т.д.).

Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая обусловлена взаимным притяжением молекул адсор-бата и адсорбента. При химической адсорбции, или хемо-сорбции, возникает химическое взаимодействие между молекулами поглощенного вещества и поверхностями молекулярного поглотителя.

В качестве адсорбентов применяют пористые вещества с большой поверхностью нор, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты характеризуются своей поглотительной, или адсорбционной, способностью, определяемой концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента.

В промышленности в качестве поглотителей применяют активированные угли, минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.) и синтетические ионообменные смолы (иониты). Сушкой называют процесс удаления влаги из различных (твердых, вязкопластичных, газообразных) материалов. Предварительное удаление влаги осуществляется обычно более дешевыми механическими способами (отстаиванием, отжимом, фильтрованием, центрифугированием), а более полное обезвоживание — тепловой сушкой.

По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. При этом происходит перемещение тепла и влаги внутри материала и их перенос с поверхности материала в окружающую среду.

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

• конвективная — путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы в смеси с воздухом;

• контактная — путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

• радиационная — путем передачи тепла инфракрасными лучами;

• диэлектрическая — путем нагревания в поле токов высокой частоты. Под действием электрического поля высокой частоты ионы и электроны в материале меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда: дипольные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные молекулы поляризуются за счет смещения их зарядов. Эти процессы, сопровождаемые трением, приводят к выделению тепла и нагреванию высушиваемого материала;

• сублимационная — сушка, при которой влага находится в виде льда и переходит в пар, минуя жидкое состояние, при глубоком вакууме и низких температурах. Процесс удаления влаги из материала протекает в три стадии: 1) снижение давления в сушильной камере, при котором происходят быстрое самозамораживание влаги и сублимация льда за счет тепла, отдаваемого самим материалом; 2) удаление основной части влаги сублимацией; 3) удаление остаточной влаги тепловой сушкой.

При любом методе высушиваемый материал находится в контакте с воздухом, который при конвективной сушке является и сушильным агентом.

Скорость сушки определяется количеством влаги, удаляемой с единицы поверхности высушиваемого материала в единицу времени. Скорость сушки, условия ее проведения и аппаратурное оформление зависят от природы высушиваемого материала, характера связи влаги с материалом, размера и толщины материала, внешних факторов и т.д.

Экстракция — процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии исходной смеси с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и почти не растворяются остальные.

Процессы экстракции в системах «жидкость—жидкость» находят широкое применение в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности. Они используются для выделения в чистом виде различных продуктов органического и нефтехимического синтеза, извлечения и разделения редких и рассеянных элементов, очистки сточных вод и т.д.

Экстракция в системах «жидкость—жидкость» представляет собой массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограничено растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество (или несколько веществ).

Для повышения скорости процесса исходный раствор и эк-страгент приводят в тесный контакт перемешиванием, распылением и т.д. В результате взаимодействия фаз получаются экстракт — раствор извлеченных веществ в экстрагенте и рафи-нат — остаточный исходный раствор, из которого с той или иной степенью полноты удалены экстрагируемые компоненты. Полученные жидкие фазы отделяются друг от друга отстаиванием, центрифугированием или другими гидромеханическими

способами, после чего производят извлечение целевых продуктов из экстракта и регенерацию экстрагента из рафината.

Основное достоинство процесса экстракции в сравнении сдругими процессами разделения жидких смесей (ректификация, выпаривание и др.) — низкая рабочая температура процесса, которая часто является комнатной.