Некоммерческое акционерное общество

Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра промышленной теплоэнергетики

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ТЕРМОВЛАЖНОСТНЫЕ ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ

Конспект лекций для бакалавров специальности

5В071700 – «Теплоэнергетика»

Алматы 2011

СОСТАВИТЕЛЬ: С.К. Абильдинова. Низкотемпературные термовлажностные процессы и установки. Конспект лекций для бакалавров специальности 5В071700 – «Теплоэнергетика». - Алматы: АЭУС, 2011. – 73 с.

Конспект лекций предназначены для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению 5В071700 – «Теплоэнергетика» по специализации «Промышленная теплоэнергетика» очной формы обучения.

Конспект лекций охватывает все разделы теоретического курса, предусмотренной рабочей программой дисциплины. Рассмотрены основные виды промышленных термовлажностных и низкотемпературных процессов, аппаратов и установок; физическая сущность процессов, теплоносители и их характеристики; виды установок; методики расчета теплотехнологических установок.

Илл.30, табл.4, библиогр.- 14 назв.

Рецензент: доцент кафедры «Теплоэнергетические установки», Туманов М.Е.

Печатается по основному плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2011 г.

1 Лекция. Перегонка и ректификация

План лекционного занятия: введение. Современное состояние и краткий обзор развития промышленных термовлажностных и низкотемпературных установок. Цель и задачи курса. Теплоносители для низкотемпературных и термовлажностных установок.

Введение

Высокие темпы энергопотребления в последнее время привели к необходимости создания высокоэффективных устройств для выработки, передачи и преобразования различных видов энергии. Значительной частью этих устройств являются промышленные тепло - и массообменные установки.

В их развитие огромный вклад вносили и продолжают вносить отечественные ученые. Основы промышленных установок были заложены еще в 19 веке трудами Д.И. Менделеева, В.В. Морковникова, Н.В. Булыгина.

В 20 столетии эти традиции были продолжены достижениями советских и российских ученых: И.А. Тищенко, А.В.Лыкова, С.С. Кутателадзе, А.Н. Плановского, В.В. Кафарова, И.И. Гельперина и многих других [2].

Конспект лекции представляет основные категории тепломассобменных устройств, применяемых в низкотемпературной технике: ректификационные и дистилляционные установки, холодильные, сушильные, выпарные установки. Рассматриваются их основные конструкции, методы расчета, описываются процессы, протекающие во время работы аппаратов.

Материал конспекта лекций соответствует программе подготовки бакалавров по направлению 5В071700 - «Теплоэнергетика». Конспект лекций ориентирован главным образом на изучение бакалаврами специализации «Промышленная теплоэнергетика» дисциплины «Низкотемпературные термовлажностные процессы и установки».

Цели преподавания дисциплины: формирование у студентов знания принципов работы, конструктивного исполнения и методологии расчета современного тепломассообменного оборудования, составляющего основу низкотемпературного теплоиспользующего оборудования; развитие практических навыков решения конкретных задач расчета и проектирования теплотехнологического оборудования, грамотного выбора рациональных технологических схем распространенных в промышленности энергоемких теплотехнологий; обеспечение возможности изучения основ специальной подготовки [1].

Задачи изучения дисциплины: ознакомление с многообразием тепло- и массообменных процессов, аппаратов и установок в крупнотоннажных теплотехнологических производствах энергоемких отраслей промышленности. Студент должен знать виды, назначение и принципы работы многообразных тепло- и массообменных аппаратов и установок в крупнотоннажных теплотехнологических производствах современных энергоемких отраслей промышленности; конструктивные особенности тепломассообменных аппаратов, а также общие закономерности физических и химических процессов в них; современные инженерные методы расчета тепломассообменных процессов, аппаратов и установок; основные направления выбора энергосберегающих принципов и схем организации тепломассообменных процессов, аппаратов и установок при их проектировании или энергетической модернизации [1].

Студент должен уметь пользоваться стандартами для построения и чтения чертежей и схем тепломассообменных аппаратов и установок; применять средства вычислительной техники и численные методы для расчета тепломассообменных процессов и установок; использовать современные инженерные методы расчета тепломассообменных процессов, аппаратов и установок с применением пакетов прикладных программ для моделирования, расчета, автоматизированного проектирования и обоснованного выбора типоразмеров тепло- и массообменных аппаратов; работать со справочной и нормативной литературой для подбора основного и вспомогательного оборудования; использовать различные диаграммы для расчета и анализа термовлажностных и низкотемпературных процессов.

Низкотемпературные и термовлажностные установки используются практически на каждом предприятии в большинстве технологических процессов. К низкотемпературным и термовлажностным установкам относятся сушильные, выпарные, сорбционные, ректификационные и холодильные установки.

Для получения низкотемпературных и термовлажностных процессов применяются различные теплообменные аппараты.

Теплообменные аппараты - это устройства предназначенные для передачи тепла от одних тел к другим. Именно в теплообменных аппаратах происходят различные тепловые процессы: изменение температуры, испарение, кипение, конденсация, расплавление, затвердевание, а также сложные комбинированные процессы [2]. Количество тел, участвующих в этих процессах могут быть – больше двух, тепло может передаваться от одного тела к нескольким другим телам или наоборот от нескольких тел к одному. Эти тела, отдающие или воспринимающие тепло, принято называть теплоносителями.

1.1 Теплоносители для низкотемпературных и термовлажностных установок

В качестве теплоносителя в низкотемпературных и термовлажностных установках могут использоваться различные газообразные и жидкие вещества, твердые тела. Наиболее широкое применение находят: водяной пар, горячая вода, продукты горения топлива, масла, различные растворы солей, жидкие расплавленные металлы и взвешенные в газовом потоке твердые частицы 0⁰С [3]. Каждый теплоноситель обладает достоинствами и недостатками, определяющими области и границы их применения.

Водяной пар.

Является одним из основных и наиболее часто применяемых теплоносителей. С помощью водяного пара химическая или ядерная энергия топлива превращается в механическую работу, выполняемую паровым двигателем. Конденсация водяного пара сопровождается большим уменьшением его энтальпии; благодаря этому для передачи сравнительно больших количеств тепла требуются небольшие весовые количества пара.

Водяному пару присущи следующие достоинства:

- возможность транспортировки на большие расстояния;

- высокий коэффициент теплоотдачи при конденсации теплоносителя;

- выделение скрытой теплоты парообразования при конденсации,

позволяющей уменьшить расход теплоносителя;

- конденсация при постоянной температуре, что позволяет осуществить стационарный (по температуре) технологический режим.

К недостаткам водяного пара как теплоносителя следует отнести необходимость поддержания постоянного давления.

Техническая вода.

Является также одним из основных и наиболее часто применяемых теплоносителей. Имеет высокий коэффициент теплоотдачи и применяется в основном для низкотемпературных процессов. Например в низко-температурных системах отопления, где температура теплоносителя на входе не превышает 70 °С. Области применения горячей воды как теплоносителя лимитируются ее давлением, т.е ограничиваются ее температурой кипения, зависящей от давления. Горячую воду, как теплоноситель, можно транспортировать по трубопроводам на значительные расстояния (на несколько километров). Понижение температуры воды в хорошо изолированных трубопроводах составляет не более 1⁰ С на 1 км.

Вода как холодильный агент находит основное применение в установках абсорбционного и инжекционного типа.

Продукты горения топлива.

Позволяют осуществлять нагрев технологического материала до любой температуры при малом давлении газов. Дымовые газы могут применяться в теплообменниках для нагрева, выпарки и термической обработки газообразных, жидких и твердых веществ.

К недостаткам этого теплоносителя относятся: относительно низкий коэффициент теплоотдачи, определяющий большие поверхности теплообмена(громоздкость аппарата); сложность регулирования рабочего процесса в теплообменном аппарате; пожарная опасность и сравнительно быстрый износ поверхностей теплообмена от золы и при чистке аппарата, а также невозможность транспортировки на большие расстояния из-за значительных расходов электроэнергии, громоздкость каналов и связанные с ним большие тепловые потери. Поэтому дымовые газы в качестве теплоносителя следует использовать на месте получения.

Влажный воздух.

Влажный воздух или газ (содержащий определенное количество влаги) может применяться как теплоноситель в системах вентиляции, кондиционирования и сушильных установках.

Хладагенты.

Наряду с высокотемпературными теплоносителями имеются низкотемпературные теплоносители и холодильные агенты, которые кипят при температурах ниже 0⁰С. Холодильные агенты – это вещества, имеющие при давлении 1 бар низкую температуру кипения t_s. Эта температура называемая обычно нормальной температурой, составляет у холодильных агентов от + 80⁰С до - 130⁰С [4]. В большинстве случаев хладагенты используются в качестве рабочего тела в теплонасосных установках, в установках кондиционирования и в установках умеренного холода. О преимуществах и недостатках каждого хладагента можно узнать в разделе холодильные установки настоящего конспекта.

Минеральные масла и расплавы.

В настоящее время в промышленности для высокотемпературного обогрева, кроме дымовых газов, применяют минеральные масла, органические соединения, расплавленные металлы и соли [3].

Характеристики этих теплоносителей даны в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Характеристика некоторых высокотемпературных теплоносителей.

Название теплоносителя	Химическая формула	Температура,⁰ С
Название теплоносителя	Химическая формула	отвердевания	кипения
Минеральные масла	-	0 - 15	215
Нафталин	С₁₀Н₈	80,2	218
Дифенил	С₁₂Н₁₀	69,5	255
Дифениловый эфир	(С₆ Н₅) О₂	27	259
Дифенильная смесь	26,5% дифенила и 73,5% дифенилового эфира	12,3	258
Глицерин	С₃ Н₅ (ОН)₃	- 17,9	290
Кремнеорганические соединения (тетракрезилоксисилан)	(СН₃ С₆ Н₄ О)₄	-(30 - 40)	440
Натрий	Na	97,8	883

Если высокотемпературные теплоносители использовать при температурах ниже точки кипения, то при заполненном ими объеме теплообменного аппарата, избыточное давление может отсутствовать.

Основные требования, предъявляемые к высокотемпературным теплоносителям: высокая температура кипения при атмосферном давлении; высокая интенсивность теплообмена; низкая температура отвердевания; малая активность корродирующего действия на металлы; нетоксичность; невоспламеняемость; взрывобезопасность; термическая стойкость и дешевизна.

2 Лекция. Перегонка и ректификация

План лекционного занятия: назначение перегонных и ректификацион-ных установок. Основные термины процесса дистилляции. Лабораторная установка для простой дистилляции. Дистилляция водяным паром.

2.1 Назначение перегонных и ректификационных установок

Процессы дистилляции ректификации иначе называют перегонкой.

В результате термической перегонки происходит разделение жидкой смеси на составные части, в котором из кипящей смеси выделяются пары, содержащие те же компоненты, но в другой пропорции [3]. Обычно в парах процент содержания легкокипящих компонентов, имеющих более низкую температуру кипения при данном давлении, больше, чем в самой жидкости.

Перегонка широко применяется в различных отраслях промышленности для получения разнообразных продуктов в практически чистом виде. Основными отраслями промышленности, которые используют

процессы ректификации и дистилляции, являются химическая и нефтехимическая, фармацевтическая, пищевая и ряд других. Подобным образом получают, например, в чистом или концентрированном виде следующие продукты: этиловый спирт, бензол, уксусную кислоту, газы при термическом или каталитическом крекинге, продукты переработки нефти – хлоропрен, нитротолуол, аммиак, анилин и многие другие.

Дистилляция - разделение многокомпонентных жидких смесей на отличающиеся по составу фракции путем частичного испарения смеси и полной конденсации образующихся паров. Полученный таким образом конденсат обогащен низкокипящими компонентами, остаток жидкой смеси - высококипящими. Полученный конденсат по своему составу отличается от

начальной смеси. Это объясняется тем, что при одной и той же температуре компоненты, составляющие смесь, имеют различную летучесть («фугитивность»). Различают низкокипящие (легколетучие) компоненты, в дальнейшем – НКК, и высококипящие (труднолетучие) компоненты, в дальнейшем – ВКК. НКК имеете наибольшее давление паров при данной температуре по сравнению с давлением паров любого другого компонента смеси и, соответственно, наименьшую температуру кипения при одинаковом для всех компонентов давлении. Не испарившаяся в результате перегонки жидкость, обогащенная ВКК, называется остаток, а жидкость, полученная в результате конденсации вторичного пара с повышенным содержанием НКК, - дистиллят или ректификат [2].

Дистилляция позволяет получить более чистый, рафинированный и концентрированный продукт. При дистилляции исходная смесь частично испаряется и полученный вторичный пар полностью конденсируется.

В результате в остатке повышается содержание ВКК, а в дистилляте – НКК. Но при этом и тот и другой компонент присутствует в обеих жидкостях. Поэтому с помощью дистилляции нельзя выделить составляющие компоненты в чистом виде.

Чистые компоненты возможно получить в результате ректификации – процесса разделения смесей путем испарения за счет возвращения в аппарат части получаемого продукта для осуществления многократного тепломассо-обмена между противоточно движущимися парами и жидкостью.

При ректификации и дистилляции могут разделяться как многоком-понентные, так и бинарные (состоящие из двух компонентов) смеси. Процессы при разделении многокомпонентных и бинарных смесей принципиально ничем не отличаются. В программе изучения дисциплины будут рассматриваться разделение только бинарных смесей, далее - БС.

2.2 Основные термины процесса дистилляции

В области водоподготовки установки дистилляционного типа предназначены для переработки промышленных сточных вод, с получением чистой обессоленной воды (дистиллята) и концентрата и для получения обессоленной воды из природной воды. Такого рода установки могут использоваться в системах водоподготовки на предприятиях энергетики, металлургии, химии, перерабатывающей промышленности и других [4].

При изучении процесса дистилляции важно знать следующие термины.

Дистилляция (в переводе от латинского distillatio - стекание каплями) (перегонка): разделение жидких смесей на отличающиеся по составу фракции.

Дистиллированная вода: вода, очищенная перегонкой от растворенных в ней веществ.

Бидистиллированная вода: особо чистая вода, очищенная двойной перегонкой от растворенных в ней веществ.

Дистиллят: конденсат паров, обогащенных летучими компонентами.

Дистиллятор: прибор для испарения жидкости с последующей ее конденсацией (перегонки).

Дистилляторы применяются для очистки жидкостей, для изменения концентрации раствора и для разделения многокомпонентных смесей.

Дистилляция воды: процесс выпаривания и конденсации, используемый для получения воды высокой степени чистоты.

2.3 Лабораторная установка для простой дистилляции. Дистилляция водяным паром

Дистилляционная установка состоит из испарителя 1, снабженного теплообменным устройством для подвода к раствору необходимого количества теплоты; дефлегматора 2 для частичной конденсации пара, выходящего из испарителя (при фракционной дистилляции); конденсатора 3 для сжижения отбираемого пара; холодильника 4; сборников дистиллята 5 и кубового остатка 6 (см.рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Схема дистилляционной установки

В зависимости от условий процесса различают простую и молекулярную дистилляции.

При дистилляции в токе водяного пара образуется паровая смесь, которая затем конденсируется и охлаждается. Конденсат разделяется в сепараторе на отогнанный компонент и воду. Целевой продукт выделяется из конденсата тем легче и полнее, чем меньше его растворимость в воде. Если она значительна, приходится отгонять из воды целевой продукт и подвергать его осушке (применяют и другие способы, например, высаливание) [5].

Эти затруднения отпадают при использовании инертного газа. Однако усложняется выделение отгоняемого вещества из образующейся парогазовой смеси вследствие необходимости охлаждения ее до низкой температуры, а нагревание и охлаждение газа требуют применения теплообменных аппаратов с большой площадью поверхности из-за низких коэффициентов теплоотдачи от стенки к газу и от газа к стенке. Поэтому данный метод применяется, когда дистилляция под вакуумом затруднительна или невозможна и проводится в емкостных аппаратах, снабженных барботажными устройствами для равномерного распределения пара или газа в объеме жидкости.

Лабораторную установку для простой дистилляции применяют для очистки жидких веществ от нелетучих примесей. Ее действие основано на том, что жидкость нагревают до температуры кипения и пар ее отводят по газоотводной трубке в другой сосуд. Охлаждаясь, пар конденсируется, а нелетучие примеси остаются в перегонной колбе. Прибор для перегонки показан на рисунке 2.2.

1 - перегонная колба; 2 - термометр; 3 - холодильник (конденсатор); 4- аллонж; 5 - сборник дистиллята.

Рисунок 2.2 - Лабораторная установка для простой дистилляции

3 Лекция. Перегонка и ректификация

План лекционного занятия: физико-химические и термодинамические основы процессов разделения смесей. Применение закона Дальтона для расчета разделения бинарных смесей со взаимно нерастворимыми компонентами.

3.1 Физико-химические и термодинамические основы процессов разделения смесей

В зависимости от степени взаимной растворимости бинарные смеси можно разделить на три класса:

- смеси с практически взаимно нерастворимыми компонентами;

- смеси с частично растворимыми компонентами;

- смеси с компонентами, полностью растворимыми один в другом.

3.1.1 Смеси с взаимно нерастворимыми компонентами.

Следует заметить, что полностью взаимно нерастворимых жидкостей нет, обычно все жидкости хотя бы в незначительных количествах, но растворяются друг в друге. Но в ряде случаев эта растворимость настолько мала, что ей можно пренебречь. Примером практически нерастворимых могут служить ртуть и вода или вода и бензол. Для определения суммарного давления паров при кипячении смеси из взаимно нерастворимых компонентов применим закон Дальтона, т.е. полное давление паров равно сумме парциальных давлений паров каждого компонента при температуре кипящей смеси.

Рассмотрим смесь воды и бензола. Вода при барометрическом давлении (1,013·105 Па) кипит при 100 0С, бензол – при 80,4 0С. На рисунке 3.1 представлены зависимости температур кипения воды (линия А) и бензола (линия Б) от внешнего давления. Полное давление в пространстве над кипящей жидкостью согласно закону Дальтона находим обычным графическим суммированием ординат (линия В). Пересечение кривой В с горизонталью, соответствующей атмосферному давлению, показывает, что смесь кипит при температуре около 70 ⁰С, а так же что парциальное давление паров воды в паровой смеси равно 0,3·10⁵ Па, а паров бензола 0,71·10⁵ Па. Таким образом, смесь из двух взаимно нерастворимых жидкостей закипает при температуре более низкой, чем температура кипения НКК [2].

Пользуясь этим свойством, в технике применяют дистилляцию некоторых смесей с водяным паром. Такой способ особенно пригоден для разделения смесей из термолабильных (термически нестойких) компонентов. При дистилляции с водяным паром многокомпонентная смесь, подлежащая разделению, смешивается с водой, кипятится, и вторичные пары конденсируются. В результате конденсации получается смесь одного из компонентов и воды. В большинстве случаев дистиллят легко разделяется механическим способом вследствие разности плотностей (отстаивание, центрифугирование).

Температура кипения смеси с взаимно нерастворимыми компонентами постоянна и не зависит от содержания компонентов в жидкой смеси. В момент окончания выкипания НКК происходит резкий температурный скачок до температуры кипения оставшегося компонента. Содержание компонента в паровой фазе остается постоянным и тоже не зависит от соотношения в жидкой фазе до того момента, пока один из компонентов не выкипит полностью.

Рисунок 3.1 - График давления и температуры для смеси бензол-вода

3.1.2 Смеси с частично растворимыми компонентами.

Частично растворимыми называются системы из двух или нескольких жидкостей, взаимно растворяющихся в пределах некоторых интервалов концентраций, как правило, зависящих от температуры. Вне этих пределов компоненты образуют несмешивающиеся слои.

Наиболее распространены системы, в которых наблюдается увеличение взаимной растворимости компонентов при повышении температуры. Примером таких компонентов являются фенол и вода. При 20⁰С вода растворяет до 8,4 % по весу фенола, а при 50 ⁰С растворимость увеличивается до 12,1 %. Вода, в свою очередь, растворяется в феноле при

20 ⁰С до 27,7 %, а при нагревании до 50 ⁰С растворимость возрастает до 37,2 %. Для подобных смесей содержание летучего компонента в парах вычисляется в две стадии.

В пределах нерастворимости – расчет ведется по закону Дальтона (см. предыдущий пункт), в пределах растворимости же – по закону Рауля как

для взаимно растворимых компонентов (см. следующий пункт).

3.1.3 Смеси с взаимно растворимыми компонентами.

Смеси с полностью растворимыми друг в друге компонентами подразделяются на: идеальные; нормальные; неидеальные.

Для идеальных растворов характерно то, что сила взаимодействия между всеми молекулами (одноименными и разноименными) равна. При этом парциальное давление паров компонента зависит только от количества молекул, достигающих в единицу времени поверхности раздела фаз со скоро-

стью, необходимой для преодоления сил межмолекулярного взаимодействия. Из этого следует, что при заданной температуре давление паров какого-либо компонента зависит исключительно от его содержания в жидкой фазе.

Эта зависимость описывается законом Рауля: парциальное давление пара компонента в пространстве над кипящей смесью при любой постоянной температуре равно произведению молекулярной доли (молекулярной концентрации) данного компонента в жидкой фазе на давление его паров над чистым компонентом при той же температуре. Для компонента А бинарной смеси закон Рауля имеет вид [2]:

. (3.1)

Молекулярной (молярной) долей компонента в бинарной смеси (компонент А + компонент В) называется отношение количества молей этого компонента к общему количеству молей смеси. Общее количество молей смеси можно найти по правилу аддитивности. Следовательно, молекулярная доля компонента А может быть определена (при известной массовой доли – концентрации) как

(3.2)

где - массовая доля (концентрация) компонента А, %;

, - молекулярные (молярные) массы соответственно компонентов

А и В.

Аналогично можно получить соотношение для определения , причем

. (3.3)

Исходя из вышесказанного, можно дать другое определение идеальной смеси: это смесь, подчиняющаяся закону Рауля.

В нормальных растворах наблюдается частичное отклонение от закона Рауля и в них не происходит образования азеотропной смеси.

В неидеальных растворах наряду со значительным отклонением от закона Рауля наблюдается образование смесей с постоянной температурой кипения (состояние азеотропы).

Если обозначить свойства НКК индексом «А», а ВКК – индексом «В», то можно записать закон Рауля для ВКК:

. (3.4)

Суммарное давление паров

(3.5)

Если обозначить через молекулярную долю компонента А в паровой фазе, то в соответствии с законом Рауля эта величина равна отношению парциального давления паров компонента А к суммарному давлению паров

(3.6)

Уравнение (3.6) может быть выражено в следующем виде

(3.7)

Поскольку А является более летучим компонентом, то верно выражение следовательно . (3.8)

Или (3.9)

Из уравнения (3.9) следует что , или , т.е. для НКК его содержание в паровой фазе больше чем в жидкой.

Важной характеристикой для определения равновесных соотношений в системах является относительная летучесть (фугитивность), которая характеризуется коэффициентом относительной летучести [2]

(3.10)

С учетом этого (3.11)

или (3.12)

В уравнении (3.12) величина A выражает отношение количества НКК к количеству ВКК в паре, а величина отношение количества НКК к количеству ВКК в жидкости. Из уравнения следует, что относительное содержание НКК в паре в α раз больше его содержания в жидкости.

Чем выше по абсолютному значению α, тем сильнее различие составов паровой и жидкой фаз.

4 Лекция. Перегонка и ректификация

План лекционного занятия: диаграммы состояния взаимно растворимых идеальных смесей. Диаграмма давления паров, фазовая диаграмма и диаграмма равновесия для идеальной бинарной смеси.

4.1 Диаграммы состояния взаимно растворимых идеальных смесей

На рисунке 4.1 графически представлен закон Рауля для бинарной смеси. По оси ординат отложены давления паров, по оси абсцисс – состав смеси в молекулярных долях или моль- процентах. Начало координат соответствует содержанию в смеси 100 моль-процентов компонента В (чистый ВКК). Конечная точка оси абсцисс – чистый НКК (компонент А) [2].

Из формул (3.1), (3.4) следует, что парциальные давления паров обоих компонентов изображаются прямыми линиями. Суммарное давление также изображается прямой, проведенной через конечные точки А и В.

Таким образом, при смешении двух жидкостей, химически не действующих друг на друга и дающих однородный раствор , подчиняющийся закону Рауля, суммарное давление паров при изменении состава раствора изменяется монотонно по прямолинейному закону от величины давления до величины давления пара другого компонента при тех же условиях пара одного компонента , кипящего в чистом виде при той же температуре, Следует заметить, что диаграмма давлений строится для определенного внешнего давления. Повышение этого давления приводит к перемещению суммарной линии давления вниз вдоль оси ординат, повышение – аналогичное перемещение вверх. Перенос вещества между фазами обусловлен наличием разности концентраций компонентов, отсутствием равновесия в контактирующих фазах. В результате контакта между ними возникает массообмен, концентрация (состав) изменяется. По достижении состояния равновесия массовые скорости перехода компонентов из одной фазы в другую выравниваются.

Для технических расчетов наиболее важной является диаграмма так как обычно процессы перегонки в промышленных аппаратах протекают при , т.е. в изобарных условиях. На этой диаграмме (см. рисунок 4.2) по оси абсцисс отложены отвечающие различным температурам составы жидкой и паровой фаз. Зависимость между температурой кипения жидкой смеси и ее составом изображается нижней кривой, называемой линией кипения (линия кипящей жидкости). Состав получающихся паров в зависимости от температуры кипения изображается верхней линией. Эту кривую называют линией сухого пара. Так как она является и началом его конденсации, то ее называют линией конденсации. Из диаграммы ясно, что содержание НКК в парах больше чем в жидкости. Точки, где линии сходятся, соответствуют температурам кипения чистых компонентов [2].

Рисунок 4.1 – Диаграмма давления паров для идеальной смеси

Рисунок 4.2 – Фазовая диаграмма идеальной бинарной смеси

Для большинства растворов фазовая диаграмма строится по опытным данным. Однако построение линии конденсации и кипения может быть проведено на основании закона Рауля. Для этого необходимо знать зависимость температур кипения чистых компонентов от давления. В этом случае для любой промежуточной температуры могут быть найдены парциальные давления паров обоих компонентов. Из уравнения (3.5) следует

(4.1)

Определив x для разных температур, можно построить кривую кипения. Из уравнения (3.7)

(4.2)

Под следует понимать внешнее давление над кипящей смесью. Любая точка, лежащая ниже линии кипения, характеризует систему, состоящую только из жидкой фазы. Аналогично, любая точка, лежащая выше линии конденсации, т.е. пары в этой точке являются перегретыми, и система состоит только из паровой фазы. Точки, находящиеся между кривыми кипения и конденсации, характеризуют системы, температуры которых выше температуры кипения жидкости данного состава и ниже температуры конденсации паров этого же состава. Таким образом, эти точки соответствуют смеси паровой и жидкой фазы. Диаграмма равновесия для бинарной смеси (см. рисунок 4.1) показывает зависимость состава пара от состава жидкой смеси.

Обычно состав паровой фазы характеризуется содержанием в ней НКК, поэтому по оси абсцисс откладывается содержание НКК в жидкости X, а по оси ординат – в парах Y. Эти величины выражаются либо в моль - процентах, либо в весовых единицах.

Линия равновесия может быть построена по линиям кипения и конденсации фазовой диаграммы. Эту же диаграмму можно построить, используя уравнения (3.13), (3.14).

Согласно этим уравнениям для НКК всегда выполняется условие , поэтому линия равновесия всегда располагается над вспомогатель -ной диагональю. Отсюда следует, что для растворов, подчиняющихся закону Рауля, азеотропной точки не существует.

Рисунок 4.3 – Диаграмма равновесия идеальной смеси

И фазовая диаграмма, и диаграмма равновесия строятся для определен-ного постоянного давления. В его качестве принимается барометрическое давление в атмосферных аппаратах, либо давление внутри аппарата при работе под вакуумом и при избыточном давлении. Поскольку температура кипения зависит от давления, то и положение линий на диаграммах тоже зависит от давления. Снижение давления вызывает понижение температуры кипения. На фазовой диаграмме это отображается следующим образом: крайние точки линий кипения и конденсации смещаются вниз вдоль оси ординат; сами же линии расходятся друг от друга. На диаграмме равновесия происходит больший изгиб линии равновесия вследствие увеличения различия в составах паровой и жидкой фаз. При повышении давления наблюдаются противоположные явления.

Этим обстоятельством пользуются при разделении смесей с близкими температурами кипения.

5 Лекция. Перегонка и ректификация

План лекционного занятия: основные процессы в дистилляционных установках и их изображение в фазовой диаграмме. Однократная дистилляция. Многократная дистилляция с дефлегмацией. Ректификационные установки. Процессы в ректификационных установках и их диаграммы.

5.1 Основные процессы в дистилляционных установках и их изображение в фазовой диаграмме

5.1.1 Однократная дистилляция

На рисунке 5.1 представлена схема простейшей одноступенчатой дистилляционной установки.

В состав установки входит сам дистиллятор (перегонный аппарат) и конденсатор вторичных паров. Исходная смесь параметрами, соответ-ствующими точке 1 на фазовой диаграмме, загружается в дистиллятор и нагревается до состояния кипения (вертикальная линия из точки 1 до пересечения с линией кипения). В результате кипения образуется вторичный

пар (точка 2), который подается в конденсатор. Пары полностью конденсируются (процесс конденсации протекает при постоянном составе и понижающейся температуре). На выходе из конденсатора – жидкость (точка 3). В результате однократной дистилляции получилась жидкость с повышенным содержанием НКК.

Рисунок 5.1 - Схема одноступенчатой дистилляционной установки и

изображение процесса на фазовой диаграмме

Изображение процесса на фазовой диаграмме (ломаная 1-2-3) будет неизменным только для установки непрерывного действия. Для дистилляционной установки периодического действия ломаная 1-2-3 соответствует начальному процессу разделения. С течением времени содержание НКК в установке уменьшается [2].

Повышение количества ВКК в жидкости приводит к повышению температуры кипения температуры, температура вторичного пара так же растет. Этот процесс показан на рисунке 5.2 . Постепенно содержание НКК в парах уменьшается настолько что в некоторый момент становится равным его первоначальному содержанию у кипящей жидкости (точка С'''). В этом случае дальнейшая дистилляция становится нецелесообразной.

Рисунок 5.2 – Изменение состава исходной смеси в установках периодического действия

5.1.2 Многократная дистилляция с дефлегмацией.

При многократной дистилляции сконденсировавшиеся пары предыдущей ступени являются исходной смесью для последующей ступени.

На рисунке 5.3 представлена схема двухступенчатой дистилляционной установки непрерывного действия.

Для обеспечения непрерывности процесса исходная смесь (точка 1) доводится до температуры кипения в подогревателе исходной смеси и подается в первую ступень (точка 2). Из этой же ступени ведется непрерывный отбор остатка. Образовавшиеся в результате кипячения пары

(точка 3) полностью конденсируются в конденсаторе первой ступени и подаются во вторую ступень. Процесс кипения повторяется, но уже при более низкой температуре. Из второй ступени вторичный пар (точка 5) поступает в конденсатор-дефлегматор. В нем происходит частичная конденсация, в результате которой получается влажный пар (точка 6). В этом состоянии пар представляет собой механическую смесь капельной жидкости, обогащенной ВКК и пара с повышенным содержанием НКК. Доля пара соответствует отрезку 6-8, жидкости – 6-7. В сепараторе происходит разделение и пар направляется в конденсатор (точка 8), где превращается в дистиллят (точка 9) и далее в бак готового продукта.

Процесс неполной конденсации (дефлегмация) с последующей сепарацией позволяет получить более высокую концентрацию НКК, но при этом получается меньшее количество дистиллята [2].

Рисунок 5.3 – Двухступенчатая дистилляционная установка

5.2 Ректификационные установки. Процессы в ректификационных установках и их диаграммы

Использование дистилляционных установок с большим количеством ступеней и дефлегматорами является технически сложной задачей и, зачастую, не оправдывающей своих затрат. Поэтому в практике перегонки большее распространение получили ректификационные установки (РУ).

В них реализуется принцип многократного тепло и массообмена между паром и жидкостью за счет возврата части жидкости в РУ.

На рисунке 5.4 представлена упрощенная схема РУ. Нижняя часть РУ называется куб. В нем находится устройство для кипячения жидкости (трубный пучок, термонагревательные элементы, рубашка нагрева и др.). Соответственно жидкость в кубе называется кубовой остаток. Верхняя часто колонны выполнена в виде набора так называемых царг. Царга – это фрагмент обечайки с контактным устройством – тарелкой. На данном рисунке тарелок 3. На каждой тарелке располагается определенное количество контактирующих элементов (в данном случае – колпачков). Для создания определенного уровня жидкости на каждой тарелке имеется переливное устройство [3].

О конструкции контактных устройств РУ будет рассказано дальше.

Вторичные пары с верхней тарелки выводится из колонны и подается в дефлегматор. После частичной конденсации и сепарации жидкость, обогащенная ВКК, возвращается колонну на верхнюю тарелку. Эта жидкость называется флегма. Пары дистиллята после сепаратора полностью конденси-

руются и собираются в бак готового продукта.

Процессы в РУ могут быть описаны системой уравнений гидродинамики, тепло и массообмена, материального баланса и фазового равновесия. Вследствие сложности и нелинейности этой системы применяется упрощенная модель работы колонны.

В кубе за счет подвода тепла происходит кипячение бинарной смеси (точка 1). Образовавшиеся пары (точка 2) поднимаются вверх по колонне. На самой нижней тарелке происходит контакт паров и жидкости, находящейся на тарелке (точка 5). Согласно принятой модели, контактирующие пар и

жидкость имеют одинаковый состав, но разные температуры. Разность температур является движущей силой процесса тепло и массообмена на тарелке. В состоянии равновесия температуры пара и жидкости становятся равными, но при этом происходит перераспределение состава контактирующих фаз. В результате охлаждения пара из него частично конденсируется ВКК, а при нагреве жидкости из нее выделяются пары НКК. Таким образом, в результате контакта на нижней тарелке образуются пар (точка 4), который поднимается вверх к следующей тарелке, и жидкость (точка 3), сливающаяся через переливное устройство в куб. На следующей тарелке процессы проходят аналогичным образом. Таким образом ректификация представляет собой процессы тепло и массообмена при непосредственном смешении жидкой фазы (флегмы) с паровой фазой

при их многократной частичной конденсации и сепарации.

Рисунок 5.4 - Принципиальная схема ректификационной колонны и процесс ректификации

6 Лекция. Перегонка и ректификация

План лекционного занятия: классификация и схемы ректификационных установок. Конструкции ректификационных колонн. Методы расчета ректификационных колонн. Графический метод.

6.1 Классификация и схемы ректификационных установок

Ректификационные установки по непрерывности действия делятся на периодически действующие и непрерывные. В установках периодического действия исходная смесь заливается в куб, после отгонки некоторого количества НКК кубовой остаток сливается, и процесс повторяется заново. Показанная на рисунке 5.4 установка является устройством периодического действия. В промышленности подобные РУ используются редко по целому ряду негативных обстоятельств [2,5]:

- значительный расход тепла в связи с постоянным повышением температуры кипения жидкости в кубе и большими тепловыми потерями с кубовым остатком и дистиллятом;

- необходимость увеличения расхода флегмы с течением времени в связи с постоянным обеднением паровой фазы низкокипящим компонентом;

- сложность автоматизации работы установки в как следствие нестационарных процессов в дефлегматоре и кубе.

Экономически оправданным использование РУ периодического действия является при небольших масштабах производства и при необходи-мости полного разделения смеси. Схема установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси показана на рисунке 6.1. Принцип работы

ничем не отличается от установки периодического действия. Для обеспечения непрерывности процесса происходит подача исходной смеси с определенным расходом, так же как и постоянный отбор дистиллята. Для снижения тепловых потерь производится предварительный подогрев исходной смеси за счет тепла кубового остатка, затем смесь доводится до температуры кипения за счет тепла греющего пара.

В общем случае ввод исходной смеси в колонну осуществляется в среднюю часть на тарелку, называемую питательной тарелкой или тарелкой ввода.

Часть колонны ниже тарелки ввода называется исчерпывающая часть, выше тарелки ввода – укрепляющая. В зависимости от назначения колонны она может быть полной, т.е. иметь и исчерпывающую и укрепляющую части, либо неполной, когда одна из частей отсутствует. В этом случае ввод исходной смеси производится под нижнюю тарелку для укрепляющей части, либо на самую верхнюю тарелку для исчерпывающей части.

Основной отличительной особенностью РУ является то, что для проведения ректификации они должны быть снабжены соответствующей теплообменной аппаратурой (кипятильником, подогревателями, дефлегматором, конденсатором).

Для обеспечения образования восходящего по колонне пара используют различные по конструкции кипятильники. Они могут быть встраиваемыми и выносными. Выносные кипятильники (вертикальные и горизонтальные) на практике получили большее применение в связи с более легким ремонтом

и обслуживанием. Они обычно располагаются ниже колонны для улучшения естественной циркуляции кубовой жидкости.

Дефлегматоры обычно устанавливают выше верхней точки колонны, чтобы флегма самотеком поступала в колонну. При значительной высоте колонны дефлегматор располагают внизу, для подачи же флегмы приходится использовать специальный насос. Существуют конструкции РУ, в которых дефлегматор встроен в верхнюю часть колонны, на выходе же из колонны пары в количестве, равном количеству дистиллята.

В зависимости от температуры кипения разделяемых смесей РУ бывают:

- работающие при атмосферном давлении – для смесей с температурой кипения от 30 до 200 ℃;

- работающие под избыточным давлением – для смесей с температура-ми кипения при атмосферном давлении ниже 30℃;

- работающие в условиях вакуума – для смесей с температурами кипения при атмосферном давлении выше 200 ℃.

Использование вакуума позволяет вести разделение высококипящих смесей с использованием пара невысоких параметров.

исходной смеси производится под нижнюю тарелку для укрепляющей части, либо на самую верхнюю тарелку для исчерпывающей части.

В большинстве случаев нагрев и испарение смеси в РУ ведется «глухим» водяным паром, т.е. без непосредственного контакта пара и жидкости. Обогрев «острым» паром (с непосредственным контактом) ведется только в установках для перегонки высококипящих компонентов в смеси с водяным паром. Применение дымовых газов, различных высокотемператур-ных теплоносителей, электрических нагревателей не нашло применения вследствие сложности эксплуатации.

Рисунок 6.1 – Ректификационная установка непрерывного действия

6.2 Конструкции ректификационных колонн

На практике ректификация проводится в колонных аппаратах барботажного (см. рисунок 6.1) или насадочного (см. рисунок 6.2) типа, принцип работы которых заключается в постоянном тепло- и массообмене между поднимающимся в колонне паром и стекающей жидкостью – флегмой [6].
Рассмотрим механизм взаимодействия флегмы и пара на колпачковой тарелке. Пар, образовавшийся в испарителе колонны, поступает на первую тарелку и проходит через паровые патрубки колпачков. Колпачки погружены на некоторый уровень в жидкую фазу. В результате этого паровая фаза проходит через прорези колпачков и барботирует в виде пузырьков в жидкой фазе, обеспечивая тем самым поверхность контакта между паровой и жидкой фазами и протекание на этой поверхности тепло- массообменных процессов.

Поскольку пар имеет более высокую температуру чем жидкость, то при взаимодействии с жидкой фазой пар охлаждается и из него частично конденсируется легколетучий компонент, который присоединяется к жидкой фазе. Таким образом, она обогащается труднолетучим, а в паре повышается содержание легколетучего компонента.

а) колонна с тарелками; б) две соседние тарелки; в) капсульный колпачок;

г) формы капсульных колпачков;

1 - тарелка; 2 - паровые патрубки; 3 - колпачки; 4 - переточные перегородки с порогами; 5 - гидравлические затворы; 6 - корпус колонны.

Рисунок 6.2 - Устройство колонны и колпачковых тарелок

Теплота конденсации паровой фазы передается флегме и нагревает ее до температуры кипения, флегма вскипает и из нее частично испаряется легколетучий компонент. В результате этого паровая фаза будет обогащена легколетучим компонентом, а жидкая фаза труднолетучим компонентом.

Капсульные колпачки или колпачки с круглым сечением в большинстве случаев применяются в колоннах небольших диаметров при диаметрально противоложном расположении приточных и сливных трубок.

Аналогичные тепло - массообменные процессы протекают непрерывно на элементах поверхности насадочной колонны.

Рисунок 6.3 - Насадочная ректификационная колонна с кипятильником

Насадочные колонны получили широкое распространение в химической промышленности благодаря простоте их устройства, дешевизне изготовления и малому гидравлическому сопротивлению при пленочном режиме работы (см. рисунок 6.2). Они представляют собой цилиндрические аппараты, заполненные инертными материалами в виде кусков определенного размера или насадочными телами, имеющими форму, например, колец, шаров для увеличения поверхности фазового контакта и интенсификации перемешивания жидкой и паровой фаз. Насадки загружают в аппараты навалом на опорные решетки (нерегулярные насадки), укладывают в определенном порядке или монтируют в жесткую структуру (регулярные насадки). Изготавливают насадки из дерева, металла, стекла, керамики, пластмасс. Элементы нерегулярных насадок выполняют в виде колец, спиралей, роликов, шаров, седел и т.д. Наиболее распространены кольца Рашига, размеры которых обычно составляют 50 мм. Для повышения смачиваемости насадки и пропускной способности аппарата стенки колец иногда снабжают продольными или поперечными канавками или прорезями.

В насадочных массообменных аппаратах жидкость тонкой пленкой покрывает насадку и стекает по ней, при этом поверхность контакта с газообразной фазой определяется поверхностью насадки, свойствами жидкости и гидродинамическим режимом.

Недостатком работы насадочной колонны является неравномерность распределения пара и жидкости по поперечному сечению, что приводит к - неодинаковой эффективности различных ее частей и низкой эффективности работы всей колонны в целом. Значительное увеличение эффективности аппарата достигается применением насадки, частично погруженной в жидкость: газ при этом в виде пузырьков барботируется через слой жидкости.

7 Лекция. Перегонка и ректификация

План лекционного занятия: методы расчета ректификационных колонн. Графический метод. Материальный баланс ректификационной колонны. Уравнения рабочих линий. Состав исходных данных.

7.1 Методы расчета ректификационных колонн

В результате расчета РУ определяют ее геометрические размеры и расходы теплоносителей для кипятильника, подогревателей, дефлегматора и конденсаторов. Поскольку геометрические размеры напрямую связаны с количеством тарелок колонны (ступеней контакта), то основной задачей является определение их числа. Известны два способа определения количества тарелок: графоаналитический (графический) и аналитические.

Графический метод получил наибольшее распространение в связи с простотой и наглядностью, которые достигаются за счет определенного количества допущений (например, о постоянстве некоторых физических свойств и потоков системы) [2].

7.1.1 Графический метод.

В результате графического метода определяется количество т.н. «теоретических тарелок». Под теоретической тарелкой понимается такая ступень контакта между паром и жидкостью, на которой их состав изменяется от рабочего до равновесного.

Обозначим - содержание НКК в жидкости на тарелках с номерами m и n соответственно для нижней (исчерпывающей) и верхней (укрепляющей) части колонны. Нумерацию тарелок будем вести сверху вниз для каждой из частей. Примем - содержание НКК в паре, поднимающегося с i -той тарелки.

Материальный баланс ректификационной колонны. Для ректификаци-онной установки на рисунке 7.1 уравнение материального баланса в форме массовых расходов записывается следующим образом:

(7.1)

где - соответственно расходы исходной смеси, кубового остатка и дистиллята, кг/с;

Разделив обе части уравнения (5.1) на молекулярную массу дистиллята , получим

(7.2)

Обозначим количество молей исходной смеси, приходящейся на 1 моль дистиллята или относительный расход исходной смеси;

количество молей кубового остатка, выпускаемого из колонны, приходящейся на 1 моль дистиллята или относительный расход кубового остатка;

относительный расход дистиллята.

Для упрощения расчетов примем .

Кроме этих трех потоков, в самой колонне есть еще два потока: жидкость (флегма), возвращаемая на верхнюю тарелку и стекающая вниз по колонне, и пар, поднимающийся из куба вверх по колонне. Аналогично

количество молей пара, поднимающегося из куба, приходящегося на 1 моль дистиллята;

количество молей флегмы, возвращаемой в колонну, приходящейся на 1 моль дистиллята или флегмовое число (относительный расход флегмы).

С учетом принятых обозначений уравнение материального баланса в безразмерной форме для всей колонны

, (7.3)

и для НКК

. (7.4)

Уравнения рабочих линий. На рисунке 7.1 изображена схема РУ с использованием принятых обозначений [2].

Согласно схеме, для самой верхней тарелки без учета потерь вещества уравнение материального баланса будет выглядеть

. (7.5)

Принимая во внимание допущение , и учитывая что , запишем уравнение (5.4) в виде

(7.6)

Отсюда (7.7)

Для любой n -й тарелки (7.8)

Обозначив и

получим (7.9)

Уравнение (7.9) является уравнением прямой линии. Его называют уравнением концентрации для верхней (укрепляющей) части колонны. В нем A - тангенс угла наклона α рабочей линии к оси абсцисс, а B- отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси ординат (см. рисунок 7.2).

Аналогично для нижней части колонны составляется уравнение материального баланса первой по ходу движения пара по колонне тарелки:

(7.10)

Обозначив и ,

получим (7.11)

Это уравнение прямой с тангенсом угла наклона к оси абсцисс равным, отсекающей на оси ординат отрезок . Точкой пересечения линий верхней и нижней части колонн будет - обязательная точка для обеих линий, поскольку она соответствует положению места ввода исходной

смеси.

Рисунок 7.1 – К уравнениям рабочих линии ректификационной колонны

Состав исходных данных. В качестве исходных данных для расчета РУ принимаются: - содержание НКК в исходной смеси, дистилляте, кубовом остатке соответственно;

- относительные расходы исходной смеси, дистиллята и кубового остатка соответственно;

- флегмовое число (относительный расход флегмы).

Графическое определение теоретического числа тарелок для разделения бинарной смеси производят на диаграмме равновесия (см.рисунок 7.2 ).

Вначале строится линия равновесия для выбранной пары компонентов. Затем на оси абсцисс откладываются точки соответствующие составу исходной смеси, дистиллята и кубового остатка. Из этих точек проводятся вертикальные прямые. На пересечении вертикальных линий из точек и со вспомогательной диагональю определяется положение точек 1 и 3.

Для определения положения рабочей линии верхней части колонны определяется величина (уравнение (7.9) и откладывается по оси ординат. Соединяется вершина отложенного отрезка и точка 1. На пересечении полученной линии и вертикали из точки определяется точка 2. Через точки 2 и 3 проводится прямая. Ломаная линия 1-2-3 – это рабочая линия

для всей колоны в целом (отрезок 1-2 – для укрепляющей части, а 2-3 – для исчерпывающей) [2].

Рисунок 7.2 – Определение количества теоретических тарелок

Определение количества теоретических тарелок производится путем последовательного построения горизонтальных и вертикальных участков в промежутке между рабочими линиями и линией равновесия. Началом служит точка 1, окончание – пересечение горизонтальной линии с вертикальной

прямой из точки . Число полученных ступеней соответствует числу теоретически необходимых тарелок ректификационной колонны. Каждый горизонтальный участок соответствует изменению состава жидкости на тарелке, каждый вертикальный участок – изменению состава пара над тарелкой.

Одним из способов перехода от количества теоретических тарелок к действительному их числу является использование коэффициента полезного действия тарелки :

(7.12)

В результате исследований промышленных РУ было установлены основные факторы, влияющие на кпд тарелки:

- площадь поверхности контакта между жидкостью и

паром на тарелке;

- относительная скорость движения жидкости и пара;

- расстояние между тарелками;

- давление в колонне;

- физико-химические свойства разделяемой смеси и компонентов.

По многочисленным экспериментальным данным кпд тарелки изменяется в диапазоне = 0,2 - 0,9. Точное значение возможно оценить только для конкретных условий разделения смеси.

8 Лекция. Методы получения низких температур

План лекционного занятия: общая характеристика и классификация холодильных и установок по температурным уровням. Схемы трансформации тепла в холодильных и теплонасосных установках. Хладагенты и хладоносители.

8.1 Общая характеристика и классификация холодильных и установок по температурным уровням

Холодильная установка представляет собой комплекс машин и аппаратов, используемых для получения и стабилизации в охлаждаемых объектах температур ниже, чем в окружающей среде. Установка состоит из одной или нескольких холодильных машин, оборудования для отвода тепла в окружающую среду, системы распределения и использования холода [6].

По принципу действия холодильные установки подразделяются на компрессионные холодильные машины, требующие для производства холода затраты механической работы (от парового или электрического привода) и абсорбционные и пароэжекторные установки, требующие для производства холода затраты тепла [3].

Основным назначением холодильных машин является выработка искусственного холода или отвод тепла от охлаждаемого объекта. При помощи холодильных установок можно понижать температуру различных объектов или в ограниченных объемах поддерживать более низкую температуру по сравнению с окружающей средой. Роль холодильных машин в промышленности и народном хозяйстве в настоящее время весьма значительна.

Холодильные установки стали неотъемлемым оборудованием пищевых и торговых предприятий и являются мощным средством для интенсификации процессов в различных отраслях техники. Одними из основных потребителей искусственного холода являются нефтяная, газовая и химическая промышленности. При этом потребность в холоде настолько велика, что расход энергии на выработку холода в некоторых случаях начинает высказываться на энергетическом балансе районов расположения промышленных объектов [7].

В химической промышленности искусственный холод необходим при производстве пластмасс и искусственных волокон, на транспорте – в системах кондиционирования воздуха.

В газовой промышленности широко применяют холод при подготовке к транспортировке газа и в процессе переработки газов нефтяного и газоконденсатного месторождения. Обработка газа перед транспортированием методом низкотемпературной сепарации и снижение температуры точки росы газа ниже минимальной температуры в газопроводе

Позволяют исключить образование в нем жидкости. Основное холодильное оборудование в этом случае – центробежные агрегаты, работающие на пропане, реже - на аммиаке.

Машиностроение и металлургия также являются потребителями искусственного холода. При низкотемпературной обработке сталей требуется искусственное охлаждение до температур -30⁰С…-120⁰С. В верхнем интервале температур обычно используют парокомпрессионные машины двухступенчатого сжатия до -60⁰С и каскадные машины до -80⁰С, работающие на холодильные камеры и шкафы. В нижнем интервале температур до -120⁰С находят широкое применение охлаждение с помощью жидкого азота.

Восстановление размеров изношенных измерительных инструментов (калибров, скоб) путем перевода остаточного аустенита в мартенсит при

принудительном охлаждении позволяет удлинить срок их эксплуатации.

Гибка труб с замороженной в них водой вместо обычно практикуемой (заполнение песком, канифолью и др.) дает хорошие результаты по овальности, радиусу загиба и чистоте внутренней поверхностей труб.

В системах воздухоснабжения машиностроительных заводов для осушки сжатого воздуха применяется его охлаждение в специальных холодильных установках.

В заключение можно упомянуть такие сферы применения искусственного холода, как строительство, опреснение соленой воды, производство сухого и водного льда, искусственные ледяные катки и медицина.

Вследствие особенностей технологии в этих отраслях используемому холодильному оборудованию предъявляется ряд требований. Холодильные машины должны иметь большую холодопроизводительность; высокую степень надежности и достаточно большой ресурс работы; допускать применение дешевых холодильных агентов (основные и побочные продукты на данном комплексе); обеспечить использование энергетических ресурсов, которыми располагает данное производство; быть максимально автоматизированным.

Наиболее полно перечисленным требованиям отвечают парокомпрессионные холодильные машины с центробежными и винтовыми компрессорами, а также абсорбционные холодильные машины, которые используют в качестве источников энергии теплоту технологических процессов, вторичные энергетические ресурсы или обратную воду теплоэлектроцентралей.

Установки для получения низких температур можно разделить на три группы:

- установки для умеренного охлаждения (до -180⁰С);

- установки для выработки глубокого холода ( до -270⁰С и выше);

- установки для достижения сверхнизких температур (ниже -270⁰С).

Установки для получения глубокого холода получили применение в экспериментальной технике, а также для разделения газовых смесей и широко используются для сжижения газов, т.к. газы имеют низкую нормальную температуру конденсации. Например:

Таблица 8.1

	СН₄	О₂	N₂	H₂	He
,K	111	90	77	20	4
⁰C	-162	-183	-196	-253	-269

Сжиженные газы легко транспортабельны. Многие газы, получаемые при низкотемпературном разделении требуются в огромных количествах:

– кислородного дутья, - для получения химических удобрении, - для пластмасс, - как высококалорийное топливо, - как теплоноситель.

Получение необходимо для некоторых аппаратов и приборов, используемых при изучении сверхпроводимости, сверхтекучести и т.д.

Современная техника и наука позволяет получать температуру, отличную от абсолютного нуля на тысячные доли градусов.

Резюмируя области применения искусственного холода можно выделить следующее. Вся область искусственного холода может быть разбита на шесть температурных зон [7]:

I – системы кондиционирования: от 20 до 0⁰С;

II – холодильные установки: от 0⁰С до (-127)⁰С;

III – криогенные установки разделения воздуха и получения жидких

газов , : от (-127)⁰С до (-200)⁰С;

IV – установки получения жидких , : от (-200)⁰С до (-260)⁰С;

V – установки получения жидкого от (-260)⁰С до (-270)⁰С;

VI – экспериментальные установки низких температур (менее -270⁰С).

8.2 Схемы трансформации тепла в холодильных и теплонасосных установках

Холодильные машины иначе называются трансформаторами тепла.

Из сказанного выше следует, что они предназначены для переноса тепла от

тел с более низкой температурой (теплоотдатчики) к телам с более высокой температурой (теплоприемник). Для осуществления этих процессов согласно II закону термодинамики необходимо затратить механическую, электрическую или химически связанную энергию.

В зависимости от температурного уровня процесса по отношению к

температуре окружающей среды трансформаторы тепла делятся на:

- холодильные установки (при );

- теплонасосные установки (при ).

Принципиальная схема трансформации тепла представлена на рисунке 8.1. В холодильных установках охлаждаемое тело А отдает тепло хладоагенту (жидкости с низкой температурой кипения) при .

Затем за счет внешней механической работы l происходит повышение температуры хладоагента до . Нагретый хладоагент передает тепло
в окружающую среду (телу Б).

В тепловом насосе тело А с температурой окружающей среды отдает тепло телу Б с более высоким температурным уровнем , т.е. передает телу Б тепло окружающей среды [7].

Рисунок 8.1 – Схемы трансформации тепла в холодильных (а) и

теплонасосных (б) установках

9 Лекция. Методы получения низких температур

План лекционного занятия: хладагенты и хладоносители. Эксплуатационные характеристики хладагентов. Теплофизические свойства хладагентов. Физико-химические свойства хладагентов. Хладагенты современных ПКХМ.

9.1 Хладагенты и хладоносители

Холодильный агент (хладагент) - это рабочее вещество, с помощью которого в парокомпрессионной холодильной машине, кондиционере, совершается обратный круговой процесс, или цикл [8,9].

Хладагент кипит при низкой температуре в испарителе , отводя теплоту от охлаждаемой среды и отдает ее в конденсаторе охлаждающей среды (воде или воздуху) при температуре конденсации , превращаясь из парообразного состояния в жидкое.

В качестве хладагентов используют вещества, обладающие особыми термодинамическими, физико-химическими и физиологическими свойствами, которые должны обеспечивать безопасную и экономичную эксплуатацию холодильной машины.

Термодинамические свойства характеризуют хладагент с точки зрения энергетической эффективности его использования, то есть обеспечения минимального расхода энергии на единицу холодопроизводительности.

Величиной, представляющей отношение полученной холодопроизводительности к затраченной мощности , является холодильный коэффициент

. (9.1)

Обычно эту величину используют в холодильной технике как характеристику энергетической эффективности холодильной машины. Наиболее важным свойством хладагента, влияющим на холодопроизводительность и холодильный коэффициент, является удельная теплота парообразования r, кДж/кг. Ее высокое значение r сочетается с низким удельным объемом всасываемого компрессором пара v, м3/кг, то при малом расходе энергии будет требоваться также меньшая объемная производительность компрессора.

9.2 Эксплуатационные характеристики хладагентов

Важнейшими эксплуатационными характеристиками являются давление и соответствующая ему температура насыщения при кипении и конденсации хладагента. Для них приняты следующие обозначения:

и - давление и температура кипения, , - давление и температура конденсации.

При эксплуатации холодильной машины желательно, чтобы было выше атмосферного. В этом случае исключается возможность попадания в систему машины воздуха из окружающей среды. От величины давления зависит толщина стенок конденсаторов, ресиверов и др., а следовательно - и металлоемкость машины.

Важно также и отношение этих величин , которое называют иногда «степень сжатия». Более правильно его называть «степень повышения давления». Желательно, чтобы эта величина была малой, так как с ее увеличением растет расход энергии, падает холодопроизводительность машины и ухудшаются объемные и энергетические характеристики компрессора.

Крайне желательна низкая (адиабатная) температура конца сжатия пара в компрессоре. От ее значения зависит нагрев компрессора, надежность работы нагнетательных клапанов и возможный срок работы без ремонта. Во многом ее значение определяет конструкцию компрессора: необходимость устройства охлаждающей рубашки, использование встроенного электродвигателя [ 9,10].

Температура замерзания хладагента - это тот нижний предел, который ограничивает возможность использования данного хладагента.

Критические температура и давление указывают верхний предел области, в которой хладагент может быть в жидком состоянии.

Выше критических параметров хладагент находится в газообразном состоянии, когда невозможны процессы кипения и конденсации.

9.3 Теплофизические свойства хладагентов

Теплофизические свойства хладагентов также очень важны для конструирования и правильной эксплуатации холодильных машин.

Плотность хладагента р, кг/м3, влияет на затраты энергии при его циркуляции в трубопроводах и на преодоление сопротивления в клапанах.

Величина коэффициента теплопроводности хладагента λ, Вт/м °С, влияет на теплоотдачу хладагента при его конденсации и кипении в аппаратах.

Динамическая вязкость μ Па∙с, также влияет на затрату энергии в клапанах компрессора. Важна также и величина теплоемкости жидкости, влияющая на интенсивность теплообмена в аппаратах.

9.4 Физико-химические свойства хладагентов

К основным физико-химическим свойствам хладагентов относят их электропроводность, растворимость в воде и масле, а также взаимодействие с конструкционными материалами.

Аммиак хорошо растворяется в воде и практически нерастворим в масле, проводит электрический ток.

Фреоны - наоборот: хорошо растворимы в масле, но нерастворимы в воде и не проводят электрический ток.

Исключительную значимость для безопасной эксплуатации холодильных установок имеют токсичность и пожаро-взрывоопасность хладагентов. Эти свойства называют физиологическими.

Токсичность - это относительное свойство, которое проявляется, если создается опасная степень концентрации хладагента в воздухе. Все хладагенты токсичны: при достаточно высокой концентрации в помещении они вытесняют воздух и вызывают удушье. Оценивают токсичность коэффициентом токсической опасности [10]:

, (9.2)

где - плотность паров хладагента при 20 °С, а ПДК - предельно допуст-имая концентрация хладагента в воздухе, мг/м3.

Значения ПДК и Кmо для ряда наиболее часто используемых хладагентов приведены ниже в таблице.

Таблица 9.1 - Значения ПДК и

Хладагент	ПДК, мг/м3	Кmo x 10-3
1	2	3
R11 - фреон 11	1000	15
R12 – фреон 12	300	9
1	2	3
R22 – фреон 22	3000	10
R502 - фреон 502 азеотропная смесь	3000	20
R717- аммиак	20	300

9.5 Хладагенты современных ПКХМ

Наибольшее распространение в современных паровых компрессионных холодильных установках получили фреоны. Фторированные хладагенты - это группа соединений, называемых гомогенизированными углеводородами. Они создаются путем замещения одного или большего числа атомов водорода атомами хлора, фтора или брома.

Фреоны – это хлор-фтор содержащие углеводороды синтезируемые искусственно. Их обозначают Ф-12, Ф-22 или R12, R22.

Фреон – 12 (хладон) применяют в малых холодильных установках: транспортных, торговых, домашних. Фреон–22 применяют в установках быстрого замораживания. Например, в домашних морозильных камерах и промышленных установках.

В верхних слоях атмосферы формируется озоновый слой, который поглощает жесткое ультрофиолетовое излучение солнца, чем защищает флору и фауну Земли от поражения. Фреоны содержащие фтор и хлор, обладают каталическим действием и активно разрушают этот слой. Поэтому Монреальским протоколом 1987 года предусмотрено последовательное запрещение фреонов, начиная с наиболее распространенного R 12. В качестве заменителя рекомендуется не содержащий фтор и хлор новый агент R 134а. Однако при замене R 12 на R 143а необходима замена компрессорного масла на новое масло с тщательной промывкой масляной системы, что снижает темпы перехода на R 134а. Поэтому временно разрешается переводить холодильные установки с R12 на временные агенты R 407С, С10М1 и другие. Они представляют смесь существующих фреонов, но без более летучего R 12.

Аммиак - R717, один из «старых» хладагентов, широко используемый до настоящего времени. Это объясняется его большой удельной теплотой парообразования r и малыми удельными энергозатратами в холодильных машинах. Он сравнительно дешев, имеет высокую теплопроводность жидкости, что способствует лучшей теплоотдаче в процессах кипения и конденсации. Умеренные давления Р0 и Рк позволяют использовать малометаллоемкое холодильное оборудование [9]. Резкий неприятный запах позволяет легко находить места его утечки из системы. Человек чувствует аммиак даже при незначительной его концентрации в воздухе - 0,035 мг/л.

Аммиак применяют в стационарных промышленных холодильных установках. Этилен и пропан применяют в научных установках и низкотемпературных производственных установках. Чистый безводный аммиак не вызывает коррозии металлов, однако в присутствии влаги он воздействует на цветные металлы (медь, латунь), которые не используют в аммиачных холодильных установках.

Аммиак практически не растворим в масле и неограниченно растворяется в воде, проводит электрический ток.

Перечисленные свойства объясняют широкое применение аммиака для холодильных установок большой производительности. Однако он высокотоксичен, пожаро- и взрывоопасен при концентрации от 15 до 28%.

Если холодильная установка обслуживает ряд потребителей холода, ее испаритель не может непосредственно охлаждать все объекты и материалы потребителей. В этом случае применяют рассольное охлаждение, при котором незамерзающий рассол служит промежуточным носителем холода

или хладоносителем, непрерывно циркулируя между испарителем и охлаждаемым объектом [6].

В качестве рассолов применяют водные растворы хлористого натрия NaCl (поваренной соли) и хлористого кальция CaCl₂, которые имеют низкие температуры замерзания и дешевы. В качестве хладоносителей применяются также водный раствор диэтиленглюколя, а в низкотемпературных установках – фреон-30, который не корродирует металл, но является гоючим и имеет небольшую теплоемкость.

10 Лекция. Методы получения низких температур

План лекционного занятия: парокомпрессионные холодильные установки. Схема идеальной паровой поршневой холодильной установки и ее цикл на диаграмме. Схема действительной одноступенчатой и двухступенчатой паровой поршневой холодильной установки и ее цикл на диаграмме.

10.1 Парокомпрессионные холодильные установки. Схема идеальной паровой поршневой холодильной установки и ее цикл на диаграмме

Самыми распространенными и достигшими в конструктивном отношении высокой степени совершенства и экономичности являются поршневые компрессионные холодильные машины.

Паровые компрессионные холодильные машины. В паровых холодильных машинах в качестве рабочего тела (хладоагента) используются жидкости с низкими температурами кипения. Работа идеальной компрессионной паровой холодильной машины (см.рисунок 6.2) теоретически осуществляется по обратному циклу Карно заключается в следующем [3].

От потребителей холода в испаритель IV поступает отепленный хладоноситель. В качестве хладоносителей выступают водные растворы солей, вода или другие вещества, имеющие очень низкую температуру замерзания при атмосферном давлении. В испарителе в результате теплообмена хладоносителя с рабочим веществом холодильной установки (в дальнейшем именуется «хладагент»), хладоноситель охлаждается и при помощи насоса V поступает к потребителям холода. Хладагент в свою очередь в результате теплообмена нагревается, доводится до состояния кипения и насыщенные пары хладагента подвергаются сжатию в поршневом компрессоре I, находящегося на одном валу с расширительным цилиндром-детандером III. В процессе сжатия температура и давление паров хладагента повышаются. Сжатый пар хладагента затем поступает в конденсатор, где конденсируется при постоянной температуре. Далее конденсат отводится в детандер, где в результате внезапного расширения при адиабатических условиях его температура понижается и поступает в испаритель, где круговой процесс возобновляется снова.

Таким образом, идеальный холодильный цикл состоит из четырех процессов: адиабатного сжатия паров хладагента, изотермического процесса конденсации паров в конденсаторе, адиабатного расширения жидкого хладагента в детандере и изотермического процесса испарения хладагента.

Тепловой баланс идеальной компрессионной установки согласно рисунку 6.2. можно представить в виде [3]

(10.1.)

или

где – тепло, подведенное к испарителю, кДж/кг;

– тепло, отведенное из конденсатора, кДж/кг;

– работа сжатия паров хладагента в компрессоре, кДж/кг; – работа расширения паров хладагента в детандере, кДж/кг; – энтальпии соответствующих точек на диаграмме.

В качестве показателя энергетической эффективности идеальной компрессионной установки, работающей при температуре , служит холодильный коэффициент , представляющий собой отношение холодопроизводительности или количества тепла , подведенного к испарителю от тела, имеющего температуру , к количеству затраченной на работу компрессора энергии в тепловых единицах L [3]:

(10.2.)

Для идеальной компрессионной установки из уравнения (6.1.) можно видеть, что

Подставив это значение в уравнение (6.2.), получим выражение для холодильного коэффициента идеальной установки через различные величины

(10.3.)

I – компрессор; II – конденсатор; III – расширительный цилиндр-детандер; IV- испаритель; V- насос; VI- потребители холода.

Рисунок 10.1 – Схема идеальной паровой поршневой компрессионной

холодильной установки и ее цикл на диаграмме

Для идеального цикла холодильный коэффициент не зависит от применяемого хладоагента и положения точек 1 и 2 на изотермах и и имеет тем больше значение , чем меньше разность температур и отношение . В таблице 6.1 приведена зависимость от отношения .

Таблица 10.1 - Зависимость холодильного коэффициента идеальной паровой компрессионной холодильной установки от отношения

Если принять = (- температура охлаждающей воды в конденсаторе) и затем числитель и знаменатель уравнения (6.3) поделить на , то можно получить уравнение, удобное для сравнения с уравнением абсорбционных холодильных установок:

(10.4)

10.2 Схема действительной одноступенчатой парокомпрессионной холодильной установки, реализующей влажный и сухой циклы и изображение циклов на диаграмме

Осуществить в холодильной установке подвод и отвод тепла по изотермам удается в том случае, если в качестве хладагента используется влажный пар какой-либо легкокипящей жидкости (жидкость, температура кипения которой при атмосферном давлении ≤0°С) [6].

Схема холодильной установки, осуществляющей цикл с влажным паром, представлена на рисунке 10.2.

В холодильных установках, использующих в качестве хладагентов влажные пары легкокипящих жидкостей, как правило, детандеры не применяются и вместо процесса расширения с отдачей внешней работы используется процесс расширения без отдачи внешней работы, т. е. процесс дросселирования [11,12]. Процесс дросселирования влажного пара всегда происходит с понижением температуры.

1- Дроссельный вентиль; 2- испаритель; 3- турбокомпрессор;

4-конденсатор.

Рисунок 10.2 – Схема действительной одноступенчатой паро-компрессионной холодильной установки, реализующей влажный цикл

Жидкость при давлении р₁ и температуре Т₁ (точка 1) направляется в дроссельный (редукционный) вентиль 1 (см. рисунок 7.2), где она дросселируется до давления р₂. из редукционного вентиля выходит пар при температуре Т₂ и с малой степенью сухости [13].

Рисунок 10.3 – Изображение действительного влажного цикла на диаграмме

Необратимый процесс дросселирования в редукционном вентиле изображен на рисунке 7.3 линией 1-2 по выходе из редукционного вентиля влажный пар направляется в помещенный в охлаждаемом объеме испаритель 2 (см. рисунок 7.2), где за счет тепла, отбираемого от охлаждаемых тел, содержащаяся во влажном паре жидкость испаряется; степень сухости влажного пара при этом возрастает. Изобарно-изотермический процесс подвода тепла к хладагенту в испарителе от охлаждаемого объема изображается на линией 2-3. Давление р₂ выбирается таким образом, чтобы соответствующая этому давлению температура насыщения была несколько ниже температуры насыщения охлаждаемого объема. Из испарителя пар высокой степени сухости направляется в компрессор, где он адиабатно сжимается от давления р₂ до давления р₁. в процессе адиабатного сжатия (линия 3-4, см. рисунок 7.3) степень сухости папа возрастает, так что из компрессора выходит сухой насыщенный пар. Затем пар направляется в конденсатор 4 и цикл замыкается.

Такого вида установка называется парокомпрессионной, так как в ней сжатие влажного пара происходит при помощи компрессора. Рассмотренный цикл отличается от цикла Карно только тем, что охлаждение хладагента от Т₁ до Т₂, вместо обратимой адиабаты расширения в детандере (1-А на рисунке 7.3), происходит по необратимой адиабате расширения в дроссельном вентиле 1-2. процесс дросселирования приводит к уменьшению холодопроизводительности цикла по сравнению с обратным циклом Карно. В самом деле, из рисунка 7.3 видно, что количество тепла q₂, отбираемого от холодного источника в цикле парокомпрессионной холодильной установки, изображается площадью а-2-3-b-а, тогда как количество тепла q₂ в обратном цикле Карно изображается большей площадью с-А-3-b-с.

11Лекция. Методы получения низких температур

План лекционного занятия: абсорбционные холодильные установки. Устройство и принцип работы абсорбционных холодильных машин.

11.1 Абсорбционные холодильные установки. Основные понятия о цикле абсорбционной холодильной установки

Еще одной разновидностью холодильных циклов, в которых используется хладагент в виде влажного пара, является цикл абсорбционной холодильной установки. От других циклов паровых холодильных установок он отличается способом сжатия пара, выходящего из испарителя.

В рассмотренной установке используется явление абсорбции (поглощение вещества всем объемом поглощающего тела) пара жидким раствором. В отличие от чистых веществ растворы обладают способностью абсорбировать (поглощать) пар раствора одного состава жидким раствором другого состава даже в том случае, когда температура жидкости выше температуры пара. Именно это свойство раствора и используется в абсорбционных холодильных установках.

Рабочим веществом в абсорбционных холодильных машинах служат растворы двух компонентов (бинарные растворы) с различными температурами кипения при одинаковом давлении. Компонент, кипящий при более низкой температуре, выполняет функцию хладагента; второй служит абсорбентом (поглотителем).

Наибольшее применение получили водоаммиачные абсорбционные установки, в которых аммиак является хладагентом, а вода – поглотителем абсорбентом. Аммиак активно абсорбируется водой. При температуре 0⁰С в единице объема воды растворяется 1148 объемов парообразного аммиака.

Поглощение или абсорбция жидкого аммиака в воде сопровождается значительным выделением тепла (около 800 кДж на 1 кг аммиака). Еще большее количество теплоты выделяется при растворении паров аммиака, так как при этом происходит выделение теплоты парообразования, в среднем равной 1260 кДж/кг [3].

11.2 Устройство и принцип работы абсорбционных холодильных машин

Абсорбционная холодильная машина состоит из генератора пара (кипятильника), конденсатора, испарителя, абсорбера, насоса и ТРВ.

В качестве одного из возможных хладагентов в такой установке используется влажный пар аммиака. Жидкий насыщенный аммиак дросселируясь в редукционном вентиле 1 от давления р₁ до давления р₂, охлаждается от температуры Т₁ до температуры Т₂. затем влажный пар аммиака поступает в испаритель 2, где степень сухости пара увеличивается до х=1 за счет притока тепла q₂ от охлаждаемого объема [8,9].

1 - терморегулирующий вентиль; 2 - испаритель; 3- абсорбер; 4- насос ;

5 - генератор аммиачного пара ( кипятильник); 6 - конденсатор;

7- перепускной вентиль.

Рисунок 11.1- Схема абсорбционной холодильной установки

Сухой насыщенный пар аммиака при температуре Т₂ поступает в абсорбер 3, куда подается также раствор аммиака в воде, имеющий температуру Т₁[14]. Поскольку при одном и том же давлении вода кипит при значительно более высокой температуре, чем аммиак, то легкокипящим компонентом в этом растворе является аммиак. Этот раствор абсорбирует пар аммиака; тепло абсорбции q_абс, выделяющееся при этом, отводится охлаждающей водой. Концентрация аммиака в растворе в процессе увеличивается и, следовательно, из абсорбера выходит обогащенный раствор (при температуре Т₂<Т_II<Т_I и давлении р₂). С помощью насоса 4, повышающего давление этого обогащенного раствора от р₂ до р₁, раствор подается в генератор аммиачного пара 5, где за счет тепла q_пг, подводимого к раствору от внешнего источника, происходит испарение раствора. Выделяющийся при этом пар значительно более богат аммиаком, чем раствор, из которого он получается. Этот аммиачный пар при температуре Т₁ и давлении р₁ поступает затем в конденсатор 6, где он конденсируется и жидкий аммиак в состоянии насыщения направляется в редукционный вентиль 1. А бедный аммиаком раствор, выходящий из парогенератора 5, дросселируется в редукционном вентиле 7 от давления р₁ до давления р₂ и затем поступает в абсорбер 3, где обогащается аммиаком за счет аммиачного пара. При дросселировании температура этого бедного раствора практически не изменяется (Т_I=T_II).

Из приведенной схемы установки видно, что абсорбционный узел установки, состоящий из абсорбера 3, генератора аммиачного пара 5, насоса 4 и редукционного вентиля 7, служит в конечном итоге для сжатия аммиачного пара от давления р₂ на выходе из испарителя до давления р₁ конденсатор. В случае абсорбционной установки насос 4 повышает давление жидкости, причем затрата работы на привод этого насоса пренебрежимо мала по сравнению с затратой работы в компрессоре. Конечно, выигрыш в работе компенсируется затратой тепла в генераторе аммиачного пара 5; это тепло затем отводится охлаждающей водой в абсорбере 3, так что q_абс=q_пг.

11.3 Теоретический цикл в абсорбционной холодильной установке и ее изображение на диаграмме

Коэффициент теплоиспользования абсорбционной холодильной установки определяется отношением [3]

, (11.1)

где – тепло, подведенное к испарителю, кДж/кг;

– тепло, подведенное к генератору, кДж/кг.

С термодинамической точки зрения идеальная абсорбционная холодильная установка (см.рисунок 8.1) может рассматриваться как состоящая из трех резервуаров. В первый резервуар (генератор) поступает тепло (площадь 1-2-3-4-1 на диаграмме, рисунок 8.2) при наивысшей температуре Тг=Т1; во второй резервуар (испаритель) вводится тепло (площадь 4-5-6-7-4 ) при наинизшей температуре Т₀=Т_1;из третьего резервуара (конденсатора и абсорбера) отводится тепло (площадь 1-8-9-7-1) при температуре охлаждающей воды Т_В.

Рисунок 11.3 - Изображение идеального теоретического цикла абсорбционной машины на диаграмме

Тепловой баланс абсорбционной установки записывается как

+ = + , (11.2)

где - тепло, отведенное в конденсаторе, кДж/кг;

– тепло, отведенное в абсорбере кДж/кг.

Учитывая изменение энтропии в процессах, согласно рисунку 8.3

+ = + , (11.3)

и заменяя получим окончательное выражение для теплового коэффициента идеального цикла абсорбционной холодильной установки

. (11.4)

Из этого выражения следует то, что тепловой коэффициент идеальной абсорбционной установки растет с повышением температуры генерации Тг и температуры испарения Т₀ и падает с повышением температуры охлаждения, т.е. температуры абсорбции и конденсации Т_В.

В области температур от 0 до —45°С применяются абсорбционные машины, где рабочим веществом служит водный раствор аммиака (хладагент - аммиак). При температурах охлаждения выше 0°С преимущественно используют абсорбционные машины, работающие на водном растворе бромида лития (хладагент - вода).

Применение абсорбционных машин весьма выгодно на предприятиях, где имеются вторичные энергоресурсы (отработанный пар, горячая вода, отходящие газы промышленных печей и т.д.).

12 Лекция. Методы получения низких температур

План лекционного занятия: пароэжекторные холодильные установки. Устройство и принцип работы пароэжекторных холодильных машин. Изображение процессов работы пароэжекторной холодильной машины на диаграмме

12.1 Пароэжекторные холодильные установки

В пароэжекторных холодильных машинах используется другой способ получения холода без совершения механической работы. Он состоит в эжекции пара из испарителя. В такой установке хладагентом является вода, поэтому температура в холодильной камере не может быть ниже 0° С [3].

Пароэжекторные установки находят применение в промышленности, там, где имеются пар высокого и среднего давления и дешевая вода для охлаждения. Эти установки используются также на судах, поскольку небольшое число движущихся частей упрощает их обслуживание и ремонт.

В пароэжекторных холодильных машинах энергия, затрачиваемая на осуществление холодильного цикла, вводится в виде тепла. Практически в качестве хладагента в пароэжекторных холодильных машинах используют воду, хотя возможно применение и других холодильных агентов.

Пароэжекторные холодильные машины используют обычно для охлаждения воды в различных производствах и установках кондици-нирования воздуха, вакуумного охлаждения пищевых продуктов и т. д.

В пароводяных эжекторных машинах, так же как и в бромисто-литиевых, через испаритель циркулирует охлажденная вода, являющаяся одновременно рабочим телом и хладоносителем. Охлаждение воды происходит путем ее частичного испарения, при этом скрытая теплота парообразования отводится от основной массы воды, поступающей в испаритель через регулирующий вентиль. Из конденсатора в испаритель возвращается конденсат, компенсирующий испарившуюся часть воды.

Отсос паров воды из испарителя пароэжекторных машин происходит за счет кинетической энергии струи пара, расширяющегося в особом аппарате -струйном эжекторе. Поскольку рабочим телом пароэжекторных холодильных машин служит вода, в них можно получить относительно высокие температуры (не ниже 5÷7°С).

Для получения 1000 ккал холода необходимо испарить 1,68 кг воды, однако при глубоком вакууме, который приходится поддерживать в испарителе пароэжекторной машины, удельный объем паров резко возрастает (при +5° С он составляет 147, м3/кг) [15]. Ни один компрессор не мог бы отсосать такие большие объемы пара, поэтому вода, несмотря на прекрасные термодинамические свойства, не применяется в качестве рабочего тела компрессионных холодильных машин.

12.2 Устройство и принцип работы пароэжекторных холодильных машин

Принципиальная схема пароводяной эжекторной холодильной машины дана на рисунке 9.1. Рабочий пар из источника (парового котла) 1 поступает в главный эжектор 2, который увлекает (эжектирует) водяной пар, образовавшийся при кипении воды в испарителе 3. Смесь рабочего пара и увлеченного из испарителя холодного пара сжимается до давления конденсации за счет падения скорости движения паровой смеси в диффузоре. В конденсаторе 5 пар отдает тепло охлаждающей воде и конденсируется. Часть конденсата возвращается насосом 6 в источник получения рабочего пара — котел 1, а часть дросселируется в регулирующем вентиле 4 и направляется в испаритель 3, откуда охлажденная вода подается потребителям.

В термодинамическом отношении пароэжекторные холодильные машины менее совершенны, чем абсорбционные бромистолитиевые или компрессионные. Это объясняется низким к. п. д. эжекторов при сжатии пара. Недостатком этих машин является и то, что эжектор эффективно работает только при полной расчетной нагрузке, когда через него проходит строго определенное количество пара.

1 - паровой котел, 2 - эжектор, 3 - испаритель, 4 - регулирующий вентиль,

5 - конденсатор, 6- насос.

Рисунок 12.1- Принципиальная схема пароводяной эжекторной холодильной машины

Расход рабочего пара давлением 6 ат на 1000 ккал холода составляет

6 кг, расход охлаждающей воды примерно в 4 раза выше, чем у компрессионных, работающих при такой же температуре испарения, поэтому применение пароэжекторных холодильных, машин оправдано при наличии, дешевого пара и достаточного количества воды.

Промышленностью выпускаются серийные водяные пароэжекторные холодильные машины производительностью от 0,3 до 2 млн. ккал/ч [3].

Различные пароэжекторные холодильные машины отличаются, в основном, конденсаторами. Они могут быть поверхностными и смешивающими. В машинах с поверхностными конденсаторами пар отделен от охлаждающей воды трубками, образующими теплопередающую поверхность. Эти машины имеют относительно меньший вес и габариты и их можно устанавливать вблизи от потребителей холода.

В машинах с конденсаторами смешения конденсация происходит за счет прямого контакта пара с охлаждающей водой. Конденсат при этом не сохраняется, что вызывает дополнительные расходы на подготовку котловой воды.

Обратный холодильный цикл пароводяной эжекторной машины протекает в условиях глубокого вакуума. Отношение давлений в эжекторе ограничено, и даже незначительное увеличение давления конденсации вызывает резкий рост расхода пара. Поэтому в рабочих схемах пароэжекторных машин ( см. рисунок 12.2 ) предусмотрены вспомогательные эжекторы 4, отсасывающие паровоздушную смесь в вспомогательные конденсаторы 5.

При использовании конденсаторов смешения их приходится располагать на определенной высоте с тем, чтобы обеспечить самотек в барометрические сборники, в которые стекает вода из конденсатора.

В условиях глубокого вакуума, а также на складах хладагентов для вакуумирования емкостей иногда применяют в качестве компрессоров первой ступени эжекторы.

1- горизонтальный двухсекционный испаритель; 2- главный эжектор; 3- поверхностный конденсатор; 4- эжектор первой ступени; 5 - блок вспомогательных конденсаторов.

Рисунок 12.2 – Пароводяная эжекторная холодильная машина завода «Компрессор» производительностью 1,5 МДж/ч

Недостатком этих машин является их низкая энергетическая эффективность из-за значительных потерь в эжекторе, а также необходимость поддержания глубокого вакуума в испарителе и конденсаторе.

Наиболее широко пароэжекторные машины используются для кондиционирования воздуха на промышленных предприятиях, весьма перспективны они и для кондиционирования воздуха на судах, где особенно при работе главной энергетической установки появляется большое количество вторичных энергоресурсов (выпускных газов, охлаждающей двигатели горячей воды).

12.3 Изображение процессов работы пароэжекторной холодильной машины на диаграмме

Теоретически процесс пароэжекторной установки на диаграмме

изображается следующим образом [3]. Состояние пара, поступающего из парового котла в сопло эжектора, соответствует точке 1. Рабочий пар при давлении расширяется в сопле по адиабате теоретически до точки 2, соответствующей давлению в испарителе. При этом он имеет высокую скорость (до 1000 м/с) и подсасывает холодный пар из испарителя.

Состояние подсасываемого пара на диаграмме соответствует точке 3. В расчетах принимают, что на 1 кг эжектирующего рабочего пара подсасывается ,кг, вторичного эжектируемого пара. При смешении паров из-за удара потоков паров друг о друга теряется часть энергии, но в дальнейшем это не учитывается.

Рисунок 12.3- Изображение теоретического и действительного рабочего цикла пароэжекторной машины на диаграмме

Смесь рабочего и сжимаемого пара после камеры смешения с параметрами 4 поступает в диффузор эжектора, где она расширяется и частично теряет скорость. Вследствие этого давление пара повышается, так как кинетическая энергия пара частично переходит в потенциальную. При этом смесь паров сжимается адиабатно от давления до давления и поступает в конденсатор. Процесс сжатия изображается линией 4-5, процесс конденсации паров – линией 5-6. Часть конденсата (условно 1 кг) возвращается затем в котел. Другая часть ( ,кг) конденсата перепускается через регулирующий вентиль в испаритель. Процесс дросселирования в регулирующем вентиле изображается линией 6-7. Процесс испарения в испарителе изображается линией 7-3.

Действительный процесс работы установки отличается от теоретического и показан на диаграмме пунктирными линиями. Процесс расширения рабочего пара в сопле протекает не по адиабате, а по политропе - 1-2', так как давление в камере всасывания эжектора ниже давления в испарителе . При смешении двух потоков пара из-за удара теряется энергия и точка смеси сдвигается вправо и процесс сжатия идет не по адиабате, а по политропе - 4'-5'. В приемной камере также происходит некоторое дросселирование эжектируемого пара (линия 3-3').

В результате для получения той же холодопроизводительности требуется большая затрата энергии и получается меньшая удельная холодопроизводительность и холодильный коэффициент.

Холодильный коэффициент пароэжекторной установки определяется по формуле

, (9.1)

где – количество пара, эжектируемого из испарителя, кг/с;

- количество рабочего пара, подаваемого к эжектору, кг/с;

– коэффициент инжекции, кг/кг;

– энтальпии пара, эжектируемого из испарителя и рабочего пара;

– энтальпии жидкости в испарителе и конденсата, кДж/кг.

В ряде случаев отношение незначительно отличается от единицы и холодильный коэффициент численно равен коэффициенту инжекции.

13 Лекция. Выпарные, сорбционные и сушильные процессы и установки

План лекционного занятия: выпарные установки. Физико-химические и термодинамические основы процессов выпаривания и кристаллизации. Выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией раствора.

13.1 Выпарные установки

Выпариванием называют процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путём частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости. В процессе выпаривания растворитель удаляется из всего объёма раствора, в то время как при температурах ниже температур кипения испарение происходит только с поверхности жидкости. Во время выпаривания имеет место термический процесс кипения раствора с выделением паров растворителей в практически чистом виде (если не считаться с уносом жидкости); при этом растворимое нелетучее вещество (твердое тело, например соль, или вязкая жидкость, например вазелин) остается в концентрированном виде в аппарате [3].

Получаемые при выпаривании пары удаляются в атмосферу или в конденсирующее устройство.

Концентрированные растворы и твёрдые вещества, получаемые в результате выпаривания, легче и дешевле перерабатывать, хранить и транспортировать.

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

13.2 Физико-химические и термодинамические основы процессов выпаривания и кристаллизации

Превращаться в пар растворитель может при кипении жидкости или при поверхностном испарении ее. В выпарных аппаратах применяется более интенсивный из этих способов превращения растворителя в пар, а именно кипение. впервые выпаривание получило промышленное применение в производстве сахара, а в дальнейшем - в химической промышленности. При концентрировании растворов вода иногда удаляется до 90% первоначального веса.

Предположим, что имеются два открытых сосуда, обогреваемых паром через паровые рубашки. В первом сосуде находится чистая вода, а во втором - 70%-ный раствор селитры NH₄NO₃. Пусть давление греющего пара составляет 3,9210⁵ Па (4 кгс/см²). Вода закипит при температуре 100⁰С; раствор при том же давлении закипит только при температуре 120⁰ С.

Однако образующиеся из этого раствора водяные пары будут иметь температуру ту же, что и в случае кипения чистой воды, т.е. около 100⁰ С.

Понижение температуры образующихся из раствора водяных паров по сравнению с температурой кипения раствора называют физико-химической температурной депрессией. Обозначив ее через , можем написать [3]:

, (13.1)

где - температура кипения раствора,⁰С;

- температура образующихся паров воды,⁰С.

Физико-химическая температурная депрессия различна для разных растворов. Она больше у растворов веществ с малым молекулярным весом. Для раствора одного и того же вещества физико-химическая температурная депрессия увеличивается с повышением его концентрации.

Под концентрацией раствора понимают отношение массы сухого вещества в растворе к общей массе раствора в процентах

, (13.2)

где – массовая концентрация раствора, %;

W - количество растворителя или воды в растворе, кг;

- количество растворенного или сухого вещества в растворе, кг.

При выпарке вес сухого вещества в растворе остается постоянным, а количество растворителя (воды) уменьшается, следовательно, при этом концентрация раствора увеличивается.

Наличие физико-химической температурной депрессии понижает полезную разность температур между первичным и вторичным паром в выпарном аппарате. Например, для рассматриваемого случая кипения в открытом сосуде полезная разность температур для чистой воды

⁰С, (13.3)

где =143,6⁰С – температура конденсирующего греющего пара;

⁰С – температура кипящей воды, равная температуре

вторичного пара.

Это приводит к увеличению поверхности нагрева выпарного аппарата, а также в значительной степени снижается коэффициент теплопередачи.

У выпарного аппарата поверхность вдвое больше поверхности испарителя или парообразователя.

Процесс выпарки характерен не только присутствием физико-химической температурной депрессии, но и также изменением физических констант раствора, связанных с изменением концентрации раствора. С повышением концентрации раствора увеличивается его вязкость, плотность и температурная депрессия и понижается теплоемкость и теплопроводность.

13.3 Классификация выпарных аппаратов и установок

По принципу работы выпарные установки разделяются на периодически и непрерывно действующие. В периодически действующих установках жидкость подается в аппарат, выпаривается до необходимой более высокой концентрации, затем упаренный раствор удаляется из аппарата. Опорожненный аппарат вновь наполняется неконцентрированным раствором. Периодическое выпаривание применяется при небольшой производительности установки или когда сгущенная жидкость не поддается откачке насосом или в тех случаях, когда требуется выпарить весь растворитель. В аппаратах непрерывного действия неконцентрированный (слабый) раствор непрерывно отводится из него. По сравнению с аппаратами периодически действующими аппараты непрерывного действия более экономичны в тепловом отношении, так как в них отсутствуют потери, связанные с расходом тепла на периодический разогрев аппарата [14].

В большинстве случаев аппараты непрерывного действия компонуются в так называемые многокорпусные выпарные установки, в которых упариваемый раствор последовательно проходит через ряд отдельных аппаратов. В каждом последующем аппарате устанавливается большая концентрация раствора, чем в предыдущем. Установки, состоящие из одиночного аппарата, вторичные пары которого не употребляются, именуются однокорпусными выпарными установками. Обширное распространение получили многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких соединенных меж собой аппаратов, дозволяющие применять тепло вторичного пара и повысить экономичность установки.

По давлению внутри аппарата различают выпарные аппараты, работающие при избыточном и атмосферном давлениях и вакууме.

Вакуум применяется в следующих случаях:

а) когда раствор под влиянием высокой температуры разлагается, изменяется цвет, запах (например, сахар, молоко);

б) когда раствор при атмосферном давлении имеет высокую температуру кипения, т.е. обладает большой физико-химической температурной депрессией, и требует высоких параметров греющего пара (например, раствор аммиачной селитры, едкого калия и т.п.);

в) когда греющий теплоноситель имеет низкую температуру и, следовательно, нужно снижать температуру кипения раствора;

г) для увеличения располагаемого температурного перепада в многокорпусной установке.

13.4 Конструкции наиболее распространенных выпарных аппаратов

Широкое применение находят аппараты с паровым обогревом. Из них наибольшее распространение получили вертикальные выпарные аппараты с трубчатой поверхностью нагрева, которые хорошо компонуются и занимают меньшую площадь [3].

Во всех конструкциях для облегчения очистки поверхности нагрева от накипеобразований пар поступает в межтрубное пространство, а раствор подогревается и кипит в трубках.

Выпарные аппараты с паровым обогревом можно разбить на три группы: с естественной циркуляцией раствора, с принудительной циркуляцией раствора и пленочные аппараты.

Аппараты с естественной циркуляцией раствора

Выпарные кожухотрубчатые аппараты с естественной циркуляцией относятся к наиболее распространенным выпарным аппаратам поверхностного типа [15]. Это обусловлено тем, что по сравнению с аппаратами других типов (с той же площадью поверхности теплообмена) они значительно более дешевы в изготовлении, просты в обслуживании, и при этом во многих случаях обеспечивают высокие коэффициенты теплопередачи. Конструктивно такие аппараты состоят из:

– кожухотрубчатой греющей камеры, в межтрубное пространство которой подается теплоноситель (как правило, водяной пар), а в трубах кипит продукт;

– сепаратора, где происходит отделение вторичного пара от жидкого продукта;

– циркуляционной трубы, соединяющей нижнюю часть сепаратора с нижней частью греющей камеры.

Естественная циркуляция выпариваемого продукта в таком аппарате осуществляется за счет разности плотностей парожидкостного потока в теплообменных трубах и жидкости в нижней части сепаратора и циркуляционной трубе, поэтому движущий напор расходуется на преодоление трения, местных сопротивлений и на создание динамического напора потока со скоростью циркуляции [3].

. (13.4)

На рисунке 12.1 а и б показана конструкция выпарного трубчатого аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой в двух исполнениях. У аппаратов этого типа кипение выпариваемого раствора происходит в теплообменных трубах. При работе выпарного аппарата образующаясмя в трубках парожидкостная эмульсия поступает в сепаратор, где происходит сепарация, пар уходит в паропровод вторичного пара, а жидкость поступает в циркуляционную трубу и при выпарке смешивается с раствором, поступающим на выпарку, и вновь поступает в греющие трубки.

Аппарат, представленный на рисунке 13.1 - а применяется для упаривания растворов, не образующих осадков на греющих поверхностях.

У выпарного трубчатого аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой типа б, представленного на рисунке 13.1 - б, зона кипения вынесена из греющей камеры в специальную трубу вскипания, соединяющую верхнюю часть греющей камеры с серединой сепаратора.

а) с вынесенной греющей камерой;

б) с вынесенными греющей камерой и зоной кипения.

Рисунок 13.1 - Выпарные аппараты с естественной циркуляцией

Зона кипения состоит из одной опускной (циркуляционной) трубы.

Аппараты этих конструкций обеспечивают достаточно легкий доступ к теплообменным трубам для их предочистки механическим способом при остановке. Вследствие этого аппараты с вынесенной греющей камерой пригодны для выпаривания растворов, образующих на греющей поверхности осадок, удаляемый механическим способом. Осадок более интенсивно образуется при кипении, чем при течении жидкости, поэтому аппарат на рисунке 13.1 - б, более предпочтителен, когда образование осадка может быть интенсивным. Эффект применения трубы вскипания достигается не всегда. Так, при выпаривании при давлениях выше атмосферного гидростатическая депрессия, создаваемая столбом парожидкостной смеси в трубе вскипания, незначительна и кипение в теплообменных трубах за счет нее не подавляется. По опытным данным при высоте кипятильных трубок 5 м

и разности температур греющего пара и раствора ⁰С скорость естественной циркуляции достигает 2-3 м/с и кратность циркуляции очень высокая. Кратностью циркуляции называют отношение количества раствора , кг/с, циркулирующего в контуре выпарного аппарата, к паропроизводительности аппарата , кг/с

(12.2)

, (12.3)

В выпарных аппаратах с естественной циркуляцией кратность циркуляции

К общим недостаткам кожухотрубчатых выпарных аппаратов с естественной циркуляцией можно отнести большой объем продукта, находящегося в аппарате, и, следовательно, большое время пребывания продукта в аппарате, а также неустойчивую работу таких аппаратов под вакуумом с небольшими остаточными давлениями.

Аппараты с принудительной циркуляцией раствора

Для выпарки вязких растворов, когда получается малая разность температур греющего пара и раствора (3-4⁰С) применяют аппараты с принудительной циркуляцией раствора. В аппаратах с принудительной циркуляцией устанавливается циркуляционный насос, перекачивающий раствор из сепаратора в греющую камеру.

Выпарные аппараты пленочного типа

Пленочные аппараты применяются для выпарки чистых некристалли-зующихся растворов и растворов, чувствительных к высоким температурам.

Главными особенностями выпарных аппаратов пленочного типа являются практическое отсутствие перепада давления по высоте аппарата и малый объем жидкости в аппарате. Первый фактор способствует отсутствию в аппаратах этого типа гидростатической депрессии, а второй – малому времени пребывания жидкости в аппарате по сравнению со временем пребывания продукта в выпарных аппаратах объемного заполнения. Эти факторы обусловливают область их применения: выпаривание или дистилляция под вакуумом термически нестойких продуктов, теряющих свои потребительские свойства в результате длительного пребывания под воздействием высоких температур.

Наиболее распространенными аппаратами пленочного типа являются пленочные аппараты со свободно стекающей пленкой. Конструкция аппарата этого типа представлена на рисунке 13.2. Здесь изображен кожухотрубчатый пленочный аппарат с нижним расположением сепаратора (с прямоточным течением пленки жидкости и вторичных паров в греющей камере) и оборудо-ванный внешним контуром циркуляции выпариваемого продукта. Это наиболее распространенный вариант конструкции пленочного аппарата со свободно стекающей пленкой.

Рисунок 13.2- Выпарной пленочный аппарат со свободно стекающей пленкой

14 Лекция. Выпарные, сорбционные и сушильные процессы и установки

План лекционного занятия: сушильные установки. Классификация сушильных установок. Физические основы процесса сушки. Классификация сушимых материалов и сушильных агентов.

14.1 Сушильные установки. Классификация сушильных установок

Сушкой называется термический процесс удаления из твердых материалов или растворов содержащейся в них влаги за счет ее испарения или выпаривания. Этим сушка отличается от других методов удаления влаги. Например, для удаления влаги из материалов используют механические способы или химические реагенты, которые поглощают воду.

Изделия или материалы приходится сушить в зависимости от их назначения. Топливо, например, сушат для увеличения теплоты сгорания (улучшения процесса горения), древесину - для увеличения прочности, предохранения от загнивания и плесени, различные изделия - для увеличения долговечности, облегчения обработки и т. п. Ряд материалов подвергается сушке для уменьшения их веса и удешевления перевозки, для изменения физических свойств (например, уменьшения теплопроводности), с целью

консервирования (пищевые продукты) [3].

Сушка материалов может происходить естественным путем (на открытом воздухе) и искусственным путем (в сушилках).

При естественной сушке материал можно высушить только до влажности, близкой к равновесной, соответствующей параметрам окружающего воздуха и в ряде случаев она не отвечает требованиям последующей технологической обработки материалов. Достоинством искусственной сушки материала является ее меньшая продолжительность.

Процесс термической обработки влажных материалов производится

с помощью сушильных установок. Остановимся на классификации сушильных установок. По способу подвода тепла различают следующие типы сушилок:

а) конвективные, когда тепло, необходимое для испарения влаги из материала, передается от воздуха, топочных газов или перегретого

пара сушимому материалу путем непрерывного или периодического соприкосновения, путем конвекции;

б) контактные, или кондукционные, когда тепло, необходимое для испарения влаги из материала, передается ему от горячей поверхности или от жидкости, соприкасающейся с материалом, имеющей обычно температуру выше 100° С;

в) сушка «в поле токов высокой или промышленной частоты» или электромагнитные, когда температура внутри материала повышается и благодаря этому влага из внутренних слоев быстро продвигается к поверхности и испаряется в окружающую среду. Кроме того, применяются комбинированные способы сушки: конвективно-контактная сушка, сушка токами высокой частоты в комбинации с конвективной, терморадиационной и т. п.

В зависимости от давления сушильного агента в рабочем пространстве различают: атмосферные сушилки, в которых высушивание материала происходит при атмосферном и вакуумные сушилки, работающие при давлении в сушильной камере, значительно меньшем атмосферного.

По характеру работы различают сушилки периодического действия с периодической загрузкой и выгрузкой всего высушиваемого материала и

непрерывного действия, в которых загрузка и выгрузка материала идет непрерывно (ленточные, конвейерные сушилки), или же через определенные промежутки времени с одной стороны загружается часть помещаемого в сушилку материала по мере выгрузки такой же части высушиваемого материала с другой стороны сушилки (коридорные сушилки).

В зависимости от применяемого сушильного агента различают

сушилки, использующие воздух, и сушилки на топочных газах. Для материалов, которые при сушке не должны соприкасаться с кислородом воздуха, могут применяться установки с использованием в качестве сушильного агента перегретого пара или других инертных газов.

По движению сушильного агента относительно высушиваемого

материала различают сушилки прямоточные, противоточные, перекрестного тока и реверсивным током.

По принципу циркуляции сушильного агента различают установки с естественной циркуляцией, в которых движение сушильного агента внутри камеры происходит вследствие разности плотностей газа в различных частях камеры, и с искусственной циркуляцией, в которых движение сушильного агента осуществляется при помощи центробежных или осевых вентиляторов или струйных насосов-эжекторов.

По способу нагрева сушильного агента различают сушилки с паровым обогревом, в которых нагревание сушильного агента происходит в поверхностных подогревателях при помощи пара с давлением от 3 до 10 атм, где сушильный агент (воздух) нагревается обычно до 60—145° С. Повышение температуры нагрева и необходимого давления греющего пара еще больше удорожает оборудование сушилок.

По кратности использования сушильного агента в рабочей камере различают сушилки с однократным использованием сушильного агента и с рециркуляцией.

Сушилки, в которых производится полная или частичная замена отработавшего - влажного воздуха сухим называются сушилками с воздухо-обменом. Существуют сушилки, которые работают без воздухообмена, или так называемые с замкнутой циркуляцией сушильного агента. Постоянная влажность воздуха в этих сушилках достигается непрерывной осушкой воздуха при помощи контактного или поверхностного теплообменника -конденсатора. Такие сушилки называются иногда конденсационными.

По конструктивным признакам различают камерные, коридорные, шахтные, ленточные, конвейерные, барабанные, трубчатые и многие другие конструкции сушилок.

14.2 Физические основы процесса сушки. Динамика и кинетика сушки

Механизм сушки влажных материалов определяется в основном формой связи влаги с материалом и режимом сушки или условиями испарения влаги с поверхности материала в окружающую среду. Форму связи влаги с материалом в настоящее время определяют по схеме предложенной акад. П. А. Ребиндером, согласно которой различают:

1) химическую связь влаги с материалом, 2) физико-химическую связь и 3) физико- механическую связь. Химически связанная влага удерживается. наиболее прочно и удаляется при нагревании тел до температур выше 120 -200° С. При сушке обычно удаляется только влага, связанная физико-механически и физико-химически. Удаление химически связанной влаги приводит к изменением молекулярной структуры материала [3].

При длительном пребывании материала в воздухе с постоянными параметрами в течение времени, достаточного для того, чтобы процессы

сорбции закончились полностью, материал приобретает такую влажность, при которой давление водяного пара над материалом будет равно парциальному давлению водяного пара в окружающем воздухе. Эта влажность материала называется равновесной влажностью .

Давление р водяного пара над материалом является функцией его влажности . Поэтому влажность материала меняется в зависомости от влажности воздуха. Кривая зависимости равновесной влажности от влажности воздуха при постоянной температуре называется изотермой сорбции.

Кроме того, равновесная влажность материала является функцией темпера-туры воздуха. Равновесная влажность, соответствующая (или = 100%), называется гигроскопической влажностью . Она является границей между влагой связанной и свободной. При влажности материала,

большей, чем гигроскопическая, давление водяного пара над материалом равно давлению над чистой водой и не зависит от влажности (большей, чем ) и от свойств материала.

На рисунке 14.1 представлена кривая сушки, характерная для мягких режимов сушки и показывающая изменение влажности материала во время сушки. В начальный, сравнительно кратковременный период тепло, воспринятое материалом от сушильного агента, расходуется на подогрев материала; влажность материала за это время обычно уменьшается незначительно. На участке BC скорость сушки постоянна и линия ВС - прямая. Этот период, соответствующий времени , называется первым, или периодом постоянной скорости сушки. После точки С температура материала начинает повышаться, а скорость сушки уменьшается. При достижении материалом равновесной влажности (в точке D) скорость сушки будет равна нулю. Второй период (участок CD), соответствующий времени , является периодом уменьшающейся или падающей скорости сушки.

Средняя интегральная влажность материала, соответствующая точке С, когда на поверхности его достигается значение гигроскопической влажности, называется критической влажностью.

Скорость сушки может быть определена методом графического дифференцирования, как, тангенс угла наклона касательной в любой точке кривой сушки:

. (14.1)

Рисунок 14.1- Кривые убыли влаги и скорости сушки, изменения влажности материала и его температуры при постоянных параметрах сушильного агента

При равновесной влажности угол =0 и скорость сушки равна

нулю. Наибольшая скорость сушки будет в период постоянной скорости:

. (14.2)

Исследование процессов тепло- и массообмена влажных материалов

с внешней средой представляет собой сложную теплофизическую задачу. Для весьма приближенных расчетов и при малых перепадах температур интенсивность испарения воды с влажной поверхности материала может быть подсчитана по формуле (13.3), полученной на основе закона Дальтона:

(, (14.3)

где - скорость воздуха над материалом, м/сек;

– давления насыщенного водяного пара в воздушной пленке

над материалом и в проходящем воздухе, мм рт.ст.

Значение берется по таблицам параметров водяного пара для температуры мокрого термометра; определяется с помощью

диаграммы или расчетом по таблицам.

14.3 Классификация сушильных агентов

Выбор сушильного агента (воздуха или топочных газов) и тепло- носителя для подогрева воздуха в сушилках имеет большое значение, так как стоимость расходуемого тепла значительно сказывается на экономич-ности сушильных установок. Выбор теплоносителя для сушильной установки следует делать с учетом тепловой схемы всего предприятия [12].

Применение водяного пара. Наибольшее применение получила сушка материалов воздухом, который нагревается в паровых подогревателях. Пар необходим также в тех случаях, когда сушка материалов должна вестись во влажном воздухе и когда необходимо производить пропарку материала, что легко осуществить, подавая водяной пар внутрь камер. Однако использование водяного пара усложняет и удорожает оборудование сушилки.

На рисунке 13.2 показана схема возможных вариантов пароснабжения

сушилок. Вариант а - предусматривает снабжение сушилки паром из котельной от котлов высокого давления. Вариант в предусматривает

снабжение паром сушилки из регулируемого отбора турбины 2, что весьма рационально, так как при этом за счет пара, расходуемого в сушилке, вырабатывается электроэнергия. Вариант г предусматривает снабжение сушилки из котельной низкого давления (с котлами, имеющими почти такое же или незначительно превышающее его давление, которое требуют сушилки). Этот вариант в ряде случаев оказывается рациональнее первого варианта, несмотря на то, что к. п. д. котельной низкого давления ниже

к. п.д. котельной высокого давления. Целесообразность такого варианта определяется тем, что котельные низкого давления в большинстве случаев работают на отбросном топливе. Однако этот вариант ни в какой мере не может конкурировать со вторым вариантом. Для сушильных цехов, потребляющих значительное количество пара, в том случае, когда расход

пара на сушилки в течение года относительно равномерен, может быть

рациональным применение турбины с противодавлением, в которой за счет пара, расходуемого в сушилках, вырабатывается электроэнергия (вариант д).

1 — котел высокого давления; 2 — турбина конденсационная с двумя регулируемыми отборами; 3 — паровой котел низкого давления; 4 — турбина с противодавлением; 5- сушилка; 6 - вентилятор; 7-воздухоподогреватель; 8 - дроссельно-увлажнительная установка; 9 - струйный термокомпрессор; 10-конденсатор турбины; 11- конденсатные насосы; 12 - конденсатный бак.

Рисунок 14.2 - Схема вариантов пароснабжения сушилок

Применение топочных газов от специальных топок.

Для сушки материалов, небоящихся загрязнения, во многих случаях целесообразно применять в качестве сушильного агента топочные газы или их смесь с воздухом. Преимуществами сушилок, работающих на смеси топочных газов с воздухом, по сравнению с сушилками, использующих водяной пар, являются следующие: отсутствие паровых котлов; трубопроводов и паровых воздухоподогревателей; меньшая - потребность

в топливе и металле на оборудование сушилки; в ряде случаев меньшая себестоимость сушки. В настоящее время обогрев топочными газами широко применяется в тех случаях, когда сушка должна происходить при

температурах сушильного агента выше 120°С (иногда необходимы температуры до 800—1000° С).

Применение высококипящих теплоносителей и электронагрев.

В терморадиационных сушилках для нагрева излучающих панелей перспективным является применение новых высоко- кипящих веществ, стойких при температурах порядка 400—450° С, в качестве которых, например, с успехом могут быть применены некоторые высокополимеры.

В настоящее время в терморадиационных сушилках применяют электронагрев излучающих панелей. Применение электроэнергии для нагрева воздуха в будущем следует считать мало перспективным.

15 Лекция. Выпарные, сорбционные и сушильные процессы и установки

План лекционного занятия: классификация сушимых материалов Конвективная сушка. Тепловой и материальный баланс конвективной сушильной установки.

15.1 Классификация сушимых материалов

Проектирование установок для термической сушки предполагает знание свойств влажного материала, поскольку они определяют выбор рационального способа подвода теплоты к материалу и конструкцию сушильной установки. Для оценки перспективности способа сушки влажные материалы делятся на шесть основных групп [13].

К первой группе относятся все жидкие материалы – истинные и коллоидные растворы, эмульсии и суспензии.

К второй группе относятся – пастообразные материалы, которые нельзя перекачивать насосом.

К третьей группе – пылевидные, зернистые и кусковые материалы, обладающие сыпучестью во влажном состоянии.

К четвертой группе относятся – тонкие гибкие материалы: ткани, пленка, бумага.

К пятой группе относятся – штучные, массивные по объему материалы и изделия: керамика, стройматериалы, изделия из древесины.

К шестой группе можно отнести разные изделия, подвергающиеся сушке после грунтования, окраски, склеивания и других работ на поверхности материала.

Различие сушимых материалов по физико-химическим и структурно-механическим свойствам, форме, размеру, количеству определяет разнообразие конструкций сушильных установок.

15.2 Конвективная сушка. Расчет конвективной сушилки с однократным использованием горячего воздуха

Целью любой сушки является улучшение качества материала (снижение его объемной массы, повышение прочности) и, в связи с этим, увеличение возможностей его использования. В химической промышленности, где технологические процессы протекают, в основном, в жидкой фазе, конечные продукты имеют вид либо паст, либо зерен, крошки, пыли. Это обусловливает выбор соответствующих методов сушки. Наиболее широко распространены в химической технологии конвективный и контактный методы сушки. При конвективной сушке тепло передается от теплоносителя к поверхности высушиваемого материала. В качестве теплоносителей используют воздух, инертные и дымовые газы [14].

Наиболее широкое распространение получили барабанные сушилки. Эти сушилки отличаются высокой производительностью и относятся к конвективным сушилкам. В качестве сушильного агента в них используют воздух и дымовые газы. В этих аппаратах сушке подвергают соли, топливо, пасты; их используют в производствах соды, удобрений, ядохимикатов. Сушилка представляет собой цилиндрический барабан 1, к которому крепятся бандажи 9, опирающиеся на опорные 3 и опорно-упорные 6 ролики. Вращение барабану передается от электродвигателя через редуктор 4 и зубчатый венец 5, закрытый кожухом 10. Мощность двигателя от 1 до 40 кВт. Частота вращения барабана 1—8 об/мин.

Рисунок 4.1 - Барабанная сушилка

15.3 Тепловой и материальный баланс конвективной сушильной установки

Материальный баланс продукта, подвергающегося сушке.

Материальный баланс имеет целью определение количества (расхода) испаренной влаги и расхода сушильного агента. Материальный баланс составляют для потоков высушиваемого материала и газа. Вводятся следующие обозначения:- количество материала, поступающего в сушилку, кг/ч;- количество высушенного материала,, кг/ч - начальные влажности материала на общую и сухую массу,%;

,- конечные влажности материала на общую и сухую массу,% [3].

Уравнение материального баланса продукта, подвергающегося сушке

. (15.1)

Количества влаги, поступившей в сушилку с сырым материалом и выходящей из сушилки с высушенным материалом, определяются так

Количество испаренной в сушилке влаги

. (15.2)

Количество абсолютно сухого вещества

(15.3)

откуда . Разделив члены уравнения (14.2) на

и подставив значения для влажности на общую массу, получим :

В результате получим основное уравнение материального баланса

=. (15.4)

Аналогично могут быть получены уравнения материального баланса для условий, если будет задана влажность материала на сухую массу:

=. (15.5)

Таким образом, получены уравнения, основанные на законе сохранения масс и учитывающие изменение влажности материала до и после процесса сушки.

Тепловой баланс продукта, подвергающегося сушке.

Тепловой баланс составляется для условий сушки материала в теоретической сушилке. Теоретической сушилкой называют воображаемую сушилку с предварительным подогревом сушильного агента, в которой отсутствуют потери тепла в окружающую среду, на нагревание транспортных устройств и высушиваемого материала, а температура материала на входе и выходе из сушильной камеры равна 0⁰С. На рисунке 15.1 изображена принципиальная схема и процесс теоретической сушилки на диаграмме [3].

1- сушилка; 2 и 3- подогреватели (основной и дополнительный); 4- вентилятор.

Рисунок 15.1- Принципиальная схема и процесс теоретической сушилки на диаграмме

Тепловой баланс теоретической сушилки имеет вид:

, (15.6)

где - энтальпия влажного воздуха, поступающего в подогреватель, ;

- энтальпия влажного воздуха после подогревателя при входе в сушилку, кДж на 1 кг воздуха;

- количество тепла, сообщаемое воздуху в подогревателе,

Прим имеем равенство = показывающее, что в теоретической сушилке процесс сушки идет при постоянной энтальпии влажного воздуха. На диаграмме из рисунка 15.1

Линия АВ соответствует подогреву воздуха в калорифере от температуры

до температуры . Процесс сушки – затрата тепла на испарение влаги и влагообмен между воздухом и высушиваемым материалом – идет по линии

и изображается отрезком ВС.

Расход воздуха в теоретической сушилке определяется по уравнению

, (15.7)

где соответствует отрезку , а - масштаб по оси влагосо-держаний. Расход тепла в калорифере на 1 кг испаренной влаги определяется

на 1 кг влаги.

Разность на диаграмме выражается длиной отрезка АВ (мм),

умноженной на соответствующий масштаб энтальпии, т.е.

В теоретической сушилке имеются следующие расходы тепла:

1)- расход тепла на испарение влаги из материала;

2) – потери тепла с сушильным агентом, входящим в сушилку с температурой и выходящим из нее с температурой .

3) – потери тепла вследствие увеличения энтальпии транзитной влаги, содержащейся в сушильном агенте при входе в сушилку.

С учетом этих расходов тепла уравнение для теплового баланса теоретической сушилки имеет вид:

, кДж на 1 кг влаги. (15.8)

Список литературы

1. Рабочая программа по дисциплине: Низкотемпературные термовлажностные процессы и установки. АУЭС, кафедра ПТЭ, 2011 .

2. Портнов В.В. Ректификационные и дистилляционные установки: учеб. пособие / Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009.- 80 с.

3. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки.

– М.: Энергия, 1972, - 320 с.

4. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - М.: Энергоиздат, 1981.- 300 с.

5. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию., - изд.3-е переработанное и дополненное.- М. Химия, 2001.- 495 с.

6. Блинов Е.И. Энергоснабжение: учебное пособие/ СЗТУ. Санкт-Петербург, 2004, - 118 стр.

7. Сериков Э.А. Теплоэнергетические системы и энергоиспользование в промышленном теплотехнологическом производстве. Учебное пособие. – А.: Издательство, 2006.

8. Лашутина Н.Г. Холодильные машины и установки.-М.,2006.

9. Данилов О.Л., Гаряев А.Б. Шаповалова Г.П., Шувалов С.Ю. Энерго - и ресурсосбережение в теплопередающих и теплоиспользующих установках. - М.: Изд-во МЭИ, 2002.

10. tgsiv.fentu.ru/termod/Лекция.

11. Эл.ссылкаwww.stroitelstvo-new.ru/.../parojezhektornye-m.

12. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник / Под общ. ред. В.А.Григорьева, В.М.Зорина - 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 2003.

13. Бакластов А.М, Горбенко В.А., Данилов О.Л. и др. Промышленные тепломассообменные процессы и установки: Учебник для ВУЗов - М.: Энергоатомиздат, 1986.

14. bse.sci-lib.com/particle020311.html

Содержание

1 Лекция. Перегонка и ректификация 3

2 Лекция. Перегонка и ректификация(продолжение тем) 7

3 Лекция. Перегонка и ректификация (продолжение тем) 10

4 Лекция. Перегонка и ректификация (продолжение тем) 14

5 Лекция. Перегонка и ректификация (продолжение тем) 18

6 Лекция Перегонка и ректификация (продолжение тем) 22

7 Лекция Перегонка и ректификация (продолжение тем) 27

8 Лекция. Методы получения низких температур( продолжение тем) 33

9 Лекция. Методы получения низких температур (продолжение тем) 36

10 Лекция. Методы получения низких температур (продолжение тем) 41

11 Лекция. Методы получения низких температур (продолжение тем) 45

12 Лекция. Методы получения низких температур (продолжение тем) 49

13 Лекция. Выпарные, сорбционные и сушильные процессы и установки 54

14 Лекция. Выпарные, сорбционные и сушильные процессы и установки 60

15 Лекция. Выпарные, сорбционные и сушильные процессы и установки 67

Список литературы 72

Основной план 2011 г., поз _303_