Нагревание высокотемпературными теплоносителями

В процессах химической технологии часто осуществляется обогрев высокотемпературными теплоносителями. Рассматриваемые ниже тепло­носители обычно получают тепло от топочных газов или электрического тока, передают его нагреваемому материалу и являются, таким образом, как и водяной пар, промежуточными теплоносителями. Они обеспечива­ют равномерность обогрева и безопасные условия работы.

Нагревание перегретой водой.В качестве нагревательного агента пере­гретая вода используется при давлениях, достигающих критического [22,1 Мн/м² (225 апг)], которому соответствует температура 374 °С. По­этому с помощью перегретой воды возможно нагревание материалов до температур, не превышающих приблизительно 350 °С. Однако обогрев перегретой водой связан с применением высоких давлений, что значительно усложняет и удорожает нагревательную установку и повышает стои­мость ее эксплуатации. Поэтому в настоящее время он вытесняется более экономичными способами нагрева другими высокотемпературными теп­лоносителями.

Для нагрева перегретой водой и другими жидкими теплоносителями используют установки с естественной и принудительной циркуляцией.

В установке с естественной циркуляцией (рис. VII1-5, а) жидкость заполняет нагревательную систему, состоящую из змеевика /, обогре­ваемого в печи топочными газами, и теплоиспользующего аппарата 2, соединенных подъемным трубопроводом 3 и опускным трубопроводом 4. Нагретая в змеевике / жидкость поднимается по трубопроводу 3, отдает тепло среде, нагреваемой в аппарате 2, и сама охлаждается. При этом ее плотность возрастает и жидкость возвращается в печь по трубопроводу 4 для последующего нагревания в змеевике /. Таким образом, движение жидкости в замкнутом циркуляционном контуре происходит под действием разности плотностей нагретой и охладившейся жидкости.

Для того чтобы свести к минимуму коррозию труб и устранить выделе­ние неконденсирующихся газов, ухудшающих теплообмен, всю нагрева­тельную систему заполняют дистиллированной водой, не допуская попа­дания в систему воздуха при ее заполнении и разогреве.

Расчет установок с естественной циркуляцией жидкого нагревающего агента ведут исходя из равенства движущего напора в контуре и гидрав­лического сопротивления контура

а также равенства количества тепла Q, отданного нагревающим агентом в единицу времени и воспринятого в теплообменном аппарате:

С помощью этих уравнений и используя уравнение для определения гидравлического сопротивления контура, можно рассчитать диаметр d трубопровода и расход Q любого жидкого нагревающего агента при естественной циркуляции.

Из правой части первого уравнения видно, что движущий напор возрастает с увеличением Н и разности плотностей нагретой и охладив­шейся жидкостей. Поэтому при обогреве с естественной циркуляцией теплоиспользующие аппараты располагают не менее чем на 4—5 м выше печи или другого нагревательного устройства. Таким образом, общая высота нагревательной установки должна быть весьма значительной. Однако даже в этих условиях скорость жидкости при естественной цирку­ляции мала и поэтому тепловая производительность установок с естест­венной циркуляцией невелика.

В установке с принудительной циркуляцией (рис. VIП-5, б) движение горячей жидкости между печью 1 и теплоиспользующим аппаратом 2 осуществляется при помощи циркуляционного насоса 5. Применение принудительной циркуляции позволяет значитель­но увеличить скорость циркуляции (до 2—2,5 м/сек и более) и соответственно повысить интенсивность теплообмена. При обогреве с принудитель­ной циркуляцией отпадает необходимость в подъеме теплообменного ап­парата над печью. Кроме того, одна печь может обслуживать одновременно несколько аппаратов. Однако использование насоса удорожает стои­мость установки и ее эксплуатации.

Рис.VIII-5. Принципиальные схемы установок с естественной (а) и принуди­тельной (б) циркуляцией жидкого промежуточного теплоносителя:

1 — печь со змеевиком; 2 — теплоиспользующий аппарат; 3 — подъемный трубопровод;

4 — опускной трубопровод; 5 — циркуляционный насос.

Более прост и экономичен, чем обогрев перегретой водой, обогрев теплоносителями, позволяющими получать высокие температуры без давления в системе или при умеренных давлениях. К числу таких тепло­носителей относятся минеральные масла и некоторые другие органические жидкости.

Нагревание минеральными маслами. Минеральные масла являются одним из старейших промежуточных теплоносителей, используемых для равномерного нагревания различных продуктов. В качестве нагреваю­щих агентов применяют масла, отличающиеся наиболее высокой темпера­турой вспышки — до 310 °С (цилиндровое, компрессорное, цилинд­ровое тяжелое). Поэтому верхний предел нагревания маслами ограничен температурами 250—300 °С.

Нагрев с помощью минеральных масел производят либо помещая теплоиспользующий аппарат с рубашкой, заполненной маслом, в печь, в которой тепло передается маслу топочными газами, либо устанавливая электронагреватели внутри масляной рубашки.

В тех случаях, когда нагревание теплоносителя в рубашке исключает­ся (по причине огне- и взрывоопасности производства), нагрев масла осу­ществляют вне теплоиспользующего аппарата в установках с естествен­ной и принудительной циркуляцией.

Эти установки отличаются некоторыми особенностями по сравнению со схемами на рис. VIII-5. Так, вследствие значительного увеличения объема масла при его нагревании за теплообменником (и выше его) устанавливают расширительный сосуд, емкости для холодного вязкого масла снабжают паровым обогревом и подводят к ним инертный газ для создания «подуш­ки», предохраняющей масло от окисления при соприкосновении с возду­хом, и т. д. Указанные особенности характерны для большинства нагрева­тельных установок, где используются органические теплоносители (см. ниже).

Масла являются наиболее дешевым органическим высокотемператур­ным теплоносителем. Однако им присущи существенные недостатки. Помимо относительно невысоких предельных температур применения, ми­неральные масла обладают низкими коэффициентами теплоотдачи, ко­торые снижаются еще больше при термическом разложении и окислении масел. Их окисление и загрязнение поверхности теплообмена продуктами разложения усиливается в случае работы масел при температурах, близ­ких к их температуре вспышки, и приводит к значительному ухудшению теплопередачи. Поэтому для получения достаточных тепловых нагрузок разность температур между маслом и нагреваемым продуктом должна быть не ниже 15—20 град. Вследствие указанных недостатков минеральные масла вытесняются более эффективными высокотемпературными теплоно­сителями.

Нагревание высококипящими органическими жидкостями и их парами. К группе высокотемпературных органических теплоносителей (сокра­щенно ВОТ) относятся индивидуальные органические вещества: глицерин, этиленгликоль, нафталин и его замещенные, а также некоторые произ­водные ароматических углеводородов (дифенил, дифениловый эфир, дифенилметан, дитолилметан и др.), продукты хлорирования дифенила и полифенолов (арохлоры) и многокомпонентные ВОТ, например дифенильная смесь, представляющая эвтектическую смесь дифенила и дифенилового эфира.

Наибольшее промышленное применение получила дифенильная смесь, состоящая из 26,5% дифенила и 73,5% дифенилового эфира (этот теплоноситель известен также под названиями Даутерм А, динил и др.). Дифенильная смесь обладает большей термической стой­костью и более низкой температурой плавления ( + 12,3 °С), чем состав­ляющие ее компоненты. Дифенильную смесь можно транспортировать по хорошо изолированным трубопроводам, не опасаясь ее кристаллизации. Температура кипения дифенильной смеси при атмосферном давлении рав­на 258 °С. Поэтому в жидком виде она используется для нагрева до тем­ператур не более приблизительно 250 °С (при р = 1 ат). Предельная температура применения жидкой смеси составляет 280 °С при повышении избыточного давления в системе до 0,81 бар (0,8 ат).

Основным достоинством дифенильной смеси как теплоносителя яв­ляется возможность получения высоких температур без применения высо­ких давлений. Давление ее насыщенных паров равно лишь ¹/₃₀—¹/₆₀ давления насыщенных паров воды в пределах температур от 200 до 400 °С. Так, например, при 300 °С давление насыщения водяного пара состав­ляет 89,8 бар (87,6 ат), а дифенильной смеси — только 2,45 бар (2.4 ат). По этой причине становится возможным для нагрева дифенильной смесью до высоких температур использовать вместо змеевиков более простые теплообменные устройства — рубашки.

Недостатком дифенильной смеси, как и других органических теплоно­сителей, является малая теплота парообразования. Однако у дифенильной смеси этот недостаток в значительной мере компенсируется большей, чем у воды, плотностью паров, в результате чего при испарении или кон­денсации смеси количество тепла, выделяющееся на единицу объема пара, оказывается близким к соответствующей величине для воды.

В парообразном состоянии дифенильная смесь применяется для на­грева до температур, не превышающих 380 °С (при кратковременном нагреве— приблизительно до 400 °С). При более высоких температурах происходит заметное разложение дифенильной смеси. Она горюча, но практически взрывобезопасна и оказывает лишь слабое токсическое воз­действие на человеческий организм.

Рассмотрим принципиальные схемы нагрева жидкой и парообразной дифенильной смесью, которые в общих чертах типичны для всех ВОТ. При обогреве жидкой дифенильной смесью с принудительной циркуля­цией (рис. УП1-6) смесь специальным центробежным насосом 1 через котел 2 с электрообогревом подается на обогрев теплоиспользующего аппарата 3. Вследствие того что объем смеси при ее нагреве увеличивает­ся, за аппаратом 3 установлен расширительный сосуд 4. После того как смесь отдала тепло и охладилась, насосом 1 она снова засасывается в

Рис. VIII-6. Схема нагрева жидкой дифенильной смесью с прину­дительной циркуляцией:

1 — специальный центробежный насос; 2 — котел с электрообогревом; 3 — теплоиспользующий аппарат; 4 — расширительный сосуд; 5 — приемная ем­кость; 6 — фильтр.

котел. Предварительный подогрев смеси при заполнении системы и ее подпитке (для компенсации потерь теплоносителя, которые в циркуля­ционной замкнутой системе невелики) производится в емкости 5, в кото­рую смесь поступает через фильтр 6.

Над поверхностью жидкости в сосуде 4 и емкости 5 находится инертный газ (азот), подаваемый для того, чтобы по возможности устранить окисле­ние смеси при соприкосновении ее с воздухом. Кроме того, подача азота в камеры электронагревателей котла 2 обеспечивает взрывобезопасные условия его работы. Вся система также периодически продувается азотом.

При нагреве парами дифенильной смеси (рис. VIII-7) пары из котла 1 с электрообогревом поступают в рубашки теплоиспользующих аппара­тов 2, где и конденсируются. Конденсат через конденсатоотводчики 3 возвращается на испарение самотеком в котел 1. Для очистки дифенильной смеси от продуктов осмоления часть паров из котла 1 поступает в меж­трубное пространство теплообменника-регенератора 4, в трубное прост­ранство которого насосом (на рисунке не показан) подается жидкий теп­лоноситель из емкости 5. В трубках ВОТ кипит, от него отделяются смо­листые примеси, и пары чистого теплоносителя направляются в конден­сатор 6, откуда конденсат стекает в емкость 7. Продукты осмоления соби­раются в нижней части регенератора 4 и периодически из него удаляются. В емкость 7, снабженную паровым обогревом, подается азот. При пуске установки, а также для восполнения потерь жидкий теплоноситель из емкости 7 насосом 8 подается в котел с электрообогревом (парогенератор) 1. Для предотвращения повышения давления в котле сверх заданного на паровой линии установлена взрывная мембрана 9. В отличие от схемы с принудительной циркуляцией (см. рис. VIII-6) в данном случае тепло-использующие аппараты размещаются значительно выше котла-пароге­нератора для обеспечения интенсивной циркуляции теплоносителя. Кроме того, в связи с более высокой температурой теплоносителя и соот­ветственно — более интенсивными окислением и смолообразованием в схеме, как было показано, предусмотрены дополнительные устройства для очистки ВОТ. При паровом обогреве по схеме, представленной на рис. VIII-7, отпадает необходимость в специальном и сложном в эксплуа­тации циркуляционном насосе, который требуется при обогреве жидкой смесью. Вследствие значительной текучести дифенильной смеси и неко­торых других ВОТ все нагревательные установки снабжаются специаль­ной герметичной арматурой.

Рис. VIII-7. Схема обогрева парами ВОТ:

1 — котел с электрообогревом; 2 — теплоиспользующие аппараты; 3 — конденсатоотводчики; 4 — теплообменник-регенератор, 5— приемная емкость, 6 — конденсатор; 7 -- емкость для очищенного ВОТ; 8 — насос; 9 — взрывная

мембрана.

Регулирование температуры нагрева парами дифенильной смеси возможно не только путем изменения мощности котлов-парогенераторов, но и дросселированием пара на входе его в теплоиспользующий аппарат, а также путем изменения уровня конденсата в рубашках теплоиспользующих аппаратов.

Кроме ВОТ, упомянутых выше, для нагревания до высоких температур (T≥ 300 °С) применяют кремнийорганические жидкости, представляющие собой главным образом ароматические эфиры ортокремневой кислоты, например орто-крезилоксисилан Эти теплоносители весьма термически стойки, имеют низкую тем­пературу плавления, высокую температуру кипения при атмосферном давлении, но легко гидролизуются при воздействии влаги.

Нагревание расплавленными солями. В химической технологии часто необходимо нагревать продукты до температур, превышающих предель­но допустимые температуры для ВОТ. В таких случаях для равномерно­го обогрева используют неорганические жидкие теплоносители — рас­плавленные соли и жидкие металлы.

Из различных неорганических солей и их сплавов, применяемых для нагревания до высоких температур, наибольшее практическое значение имеет нитрит-нитратная смесь — тройная эвтектическая смесь, содержащая (по массе) 40% азотистокислого натрия, 7% азотнокислого натрия и 53% азотнокислого калия (температура плавления сме­си 142,3 °С). Эта смесь применяется для нагрева при атмосферном давле­нии до температур 500—540 °С. Смесь практически не вызывает корро­зии углеродистых сталей при температурах не выше приблизительно 450 °С. Для изготовления аппаратуры и трубопроводов, работающих при более высоких температурах, используют хромистые и хромоникелевые стали. Кроме того, трубопроводы снабжают паровым обогревом (с помощью паровых труб, проложенных рядом с солевой линией и заклю­ченных с ней в общий короб тепловой изоляции).

Смесь применяют практически только при обогреве с принудительной циркуляцией, которая осуществляется посредством специальных насосов пропеллерного типа (вертикальных) или бессальниковых центробежных насосов. Коэффициенты теплоотдачи от смеси ниже, чем от перегретой во­ды, но при принудительной циркуляции достигается достаточно интенсив­ный теплообмен.

Нитрит-нитратная смесь является сильным окисляющим агентом. Поэтому по соображениям взрывобезопасности не допустим ее контакт при высоких температурах с веществами органического происхождения, а также со стружкой и опилками черных и некоторых цветных металлов (алюминий, магний).

Нагревание ртутью и жидкими металлами. Для нагрева до температур 400—800 °С и выше в качестве высокотемпературных теплоносителей мо­гут быть эффективно использованы ртуть, а также натрий, калий, свинец и другие легкоплавкие металлы и их сплавы. Эти теплоносители отли­чаются большой плотностью, термической стойкостью, хорошей тепло­проводностью и высокими коэффициентами теплоотдачи. Однако жидкие металлы и их сплавы характеризуются очень малыми значениями крите­рия Прандтля (Рr < 0,07). В связи с этим коэффициенты теплоотдачи от жидких металлов следует рассчитывать по специальным формулам*. Большинство металлических теплоносителей огне- и взрывобезопасны и практически не действуют на малоуглеродистые и легированные стали. Исключение составляют калий и натрий, которые отличаются чрезвычай­но высокой химической активностью, требуют применения нержавеющих сталей и воспламеняются со скоростью взрыва.

Легкоплавкие металлы, кроме ртути, натрия, калия и их сплавов, ис­пользуются главным образом в качестве промежуточных теплоносителей для нагревательных бань. Однако иногда они находят применение в нагре­вательных установках с естественной и особенно с принудительной цир­куляцией.

Ртуть является единственным металлическим теплоносителем, исполь­зуемым в парообразном состоянии, причем давление паров ртути очень низкое (приблизительно 2 ат при 400 °С). В промышленности имеются ртутно-паровые нагревательные установки, работающие при естествен­ной циркуляции теплоносителя и отличающиеся высоким к. п. д.

Однако пары металлических теплоносителей крайне ядовиты. Так, например, концентрация паров ртути в воздухе производственных поме­щений не должна превышать 0,01 мг/м³ воздуха. Поэтому нагревательные установки с применением металлических теплоносителей должны быть абсолютно герметичны и снабжены мощной приточно-вытяжной вентиля­цией. Этот и некоторые другие недостатки (плохая смачиваемость метал­лов, высокая стоимость и пр.) ограничивают возможности промышлен­ного использования теплоносителей этой группы в процессах химической технологии.