uzluga.ru
добавить свой файл
1


Промышленные способы подвода и отвода теплоты в химической аппаратуре

  • Классификация промышленных способов подвода и отвода тепла. Требования, предъявляемые к теплоносителям, их сравнительные характеристики и области применения. Определение требуемого расхода теплоносителей


  • Теплоносители играют важную роль в нефтехимической промышленности, и без их участия не возможно протекание большинства физико-химических процессов. 

  • Вещества (среды), передающие теплоту нагреваемой среде, называются теплоносителями.



Классификация теплоносителей:

  • Классификация теплоносителей:

  • - по назначению;

  • Греющий теплоноситель;

  • Охлаждающий теплоноситель;

  • Промежуточный тепло- и хладоноситель;

  • Хладоагент

  • - по агрегатному состоянию;

  • Однофазные;

  • Многофазные.

  • - диапазону рабочих температур.

  • Высокотемпературные промышленные печи в диапазоном от 400 до 20000С;

  • Среднетемпературные 150-7000С;

  • Низкотемпературные (отопление, вентиляция, кондиционирование, теплонасосные, холодильные) -150+1500С;

  • Криогенные (разделение воздуха)ниже -1500С



Дымовые или топочные газы 1500С

  • Дымовые или топочные газы 1500С

  • Капельные жидкости (температура кипения больше 200С)

  • мин.масла, расплавы солей, жидкие металлы;

  • Водяной пар (до 650С), вода (до 375С) и воздух (до 100С);

  • Температура кипения при давлении 0,1МПа не превышает 0С, холодильные агенты – сжиженные газы.



Требования к теплоносителям:

  • Обеспечение высокой интенсивности теплопередачи

  • Высокие значения теплоемкости, теплоты парообразования

  • Низкая вязкость

  • Низкая токсичность, негорючесть, термостойкость, низкое корродирующее действие

  • Температурный интервал нагревания, необходимость его регулировани

  • Низкая стоимость и возможность транспортировки.



Основные проблемы при выборе теплоносителя



Основные проблемы при выборе теплоносителя



Типовые теплоносители

  • Вода и пар являются наиболее безопасными теплоносителями, особенно в процессах с легковоспламеняющимися и взрывоопасными продуктами.

  • Вода со своей способностью накапливать при нагревании и отдавать при остывании большое количество тепла является прекрасным теплоносителем. Она обладает хорошей текучестью и потому легко циркулирует по системе



Нагревание водяным паром



Нагревание водяным паром

  • Достоинства насыщенного водяного пара как теплоносителя:

  • Высокой коэффициент теплоотдачи 5000-15000 Вт/м2. К

  • Большое количество тепла, выделяющегося при конденсации 1 кг пара – 2260 -1990 кДж при Р=0,1 -1,2 МПа

  • Равномерность обогрева, т.к. при конденсации температура пара остается постоянной

  • Возможность регулирования температуры нагревания путем изменения давления пара

  • Возможность транспортировки пара по трубопроводам на большие расстояния

  • Основной недостаток насыщенного пара - значительное возрастание давления с увеличением температуры



Нагревание водяным паром



«Острый» пар

  • При нагревании «острым» паром водяной пар вводится через барботеры в нагреваемую среду и смешивается с ней. Способ

  • применяется, когда допустимо смешение нагреваемой среды с

  • паровым конденсатом.

  • Расход «острого» пара Dп, кг/с определяется из уравнения теплового баланса:



1 – барботер;

  • 1 – барботер;

  • 2 – корпус;

  • 3 - паропровод



При нагревании «глухим» паром нагреваемая жидкость не соприкасается с паром и отделена от него стенкой теплообменного аппарата. Используют, в основном, насыщенный водяной пар с высоким коэффициентом теплоотдачи, имеющий большую скрытую теплоту конденсации. Применение перегретого пара нецелесообразно из-за низкого коэффициента теплопередачи и небольшой величины теплоты перегрева. Температуру стекающего конденсата принимают равной температуре пара. Расход глухого пара определяют по формуле: – удельная энтальпия конденсата, Дж/кг



Для отвода парового конденсата без выпуска пара применяют специальные устройства – конденсатоотводчики, работающие непрерывно или периодически ( с открытым или закрытым поплавком).



Конденсационный горшок с открытым поплавком



Используют для нагрева до 100ºС

  • Используют для нагрева до 100ºС

  • Коэффициенты теплоотдачи при нагревании горячей водой во много раз ниже, чем коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара. Нагревание горячей водой сопровождается снижением ее температуры вдоль теплообменной поверхности, что затрудняет регулирование температуры и ухудшает равномерность обогрева.

  • Использование перегретой воды для нагревания до 350 ºС связано с высоким давлением (до 22 Мпа), что неэкономично.



  • 1. По способу циркуляции теплоносителя - естественной и принудительной.  В системе с естественной циркуляцией теплоносителя движение теплопроводной жидкости возникает под действием гравитационной силы, за счёт разности температур и плотности жидкости нагретой в котле и жидкости остывшей в отопительных приборах и трубопроводах..

  • Для циркуляции горячей воды скоростью 0,2м/с высота расположения теплообменника относительно печи 4 – 5 м.



Системы водяного отопления с естественной циркуляцией (верхняя разводка)



Системы водяного отопления с естественной циркуляцией (нижняя разводка)



Недостатки воды в качестве теплоносителя



Принцип действия и устройство системы отопления с принудительной циркуляцией



Использование топочных газов





Нагревание топочными газами

  • Топочные газы используют для нагревании до 1100°С.

  • Для снижения температуры до 500-800°С их смешивают с воздухом или паром. После этого они направляются в теплообменный аппарат, охлаждаются, отдавая тепло нагреваемым продуктам.

  • Из теплообменника дымовые газы отсасываются дымососом в атмосферу. Непосредственное нагревание топочными газами осуществляется в энергетических котлах, в трубчатых печах, в печах реакционных котлов.

  • .



Нагревание топочными газами

  • Недостатки:

  • неравномерность нагрева, обусловленная охлаждением газа в процессе теплообмена

  • низкие коэффициенты теплоотдачи ( = 35-60 Вт/м2К)

  • инерционность

  • Загрязненность

  • .



Расчет процесса сжигания топлива

  • При расчете обогрева топочными газами определяют

  • теплотворную способность топлива,

  • расход воздуха на сжигание,

  • количество и состав газообразных продуктов сгорания,

  • температуру, развиваемую при сгорании топлива.



Теплотворная способность топлива

  • Определяют расчетным и опытным путем.

  • Для жидкого и твердого топлива ее рассчитывают по формуле Менделеева:

  • Qн=[339С + 1030Н – 109(О – S) – 25,1W] 103 Дж/кг

  • С,Н,О,S ,W – содержание в топливе углерода, водорода, кислорода, серы, влаги, мас.%.

  • Для газообразного топлива:

  • Qн=[127СО + 108Н2 + 360СН4+598С2Н 4+147Н2S] 103 Дж/м3

  • СО,Н2, СН4,, С2Н 4, Н2S – содержание в топливе соответствующих компонентов, об.%



Расход воздуха на сжигание

  • Теоретическим расходом воздуха на сжигание называют количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, т.е. для сгорания содержащегося в топливе углерода,водорода,серы соответственно в СО2,, Н2О, SO2.

  • Теоретический расход воздуха рассчитывают по уравнениям реакций сгорания.

  • Для жидкого и твердого топлива:

  • V0= 0,089С + 0,267Н + 0.033(S-O) м3/кг топлива

    • Для газообразного топлива:
  • Для обеспечения полного сгорания воздух подают в избытке. Коэффициент избытка воздуха зависит от конструкции топки и вида топлива.

  • Часто принимают  = 1,3 (торф, дрова),  = 1,4(уголь),  = 1,2 (мазут).



Объем топочных газов Vтоп= VСО2 +VSO2 +VN2 + VH2O + V0(1- )м3/кг топлива



Методы утилизации отходящего тепла можно классифицировать следующим способом:



Методы утилизации отходящего тепла можно классифицировать следующим способом:



Потенциально возможные варианты применения отходящего тепла:



Потенциально возможные варианты применения отходящего тепла:



Минеральные масла;

  • Минеральные масла;

  • Перегретая вода;

  • Высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ);

  • Расплавленные смеси солей.

  •  



Нагревание высокотемпературными органическими теплоносителями (ВОТ)

  • В качестве высокотемпературных органических теплоносителей используют глицерин, нафталин, этиленгликоль,дифенил, дифениловый эфир, дитолилметан, арохлоры, многокомпонентные ВОТ, минеральные масла, кремнийорганические жидкости и др.



Нагревание высокотемпературными органическими теплоносителями

  • Классический продукт Дифил представляет собой эвтектическую смесь: дифенил-дифинилоксид. Он может быть использован как в жидкой фазе, так и в газовой фазе в диапазоне температур от +13°C до +400 C. Таким образом представляется возможным использование многофункционального оборудования при низком давлении с идеальным распределением тепла и сравнительно простым аппаратным оформлением.

  • Дифил ДТ — это изомерная смесь дитолилового эфира. Превосходная теплопередача по сравнению с теплоносителями на основе минеральных масел, Из-за своей высокой термической устойчивости, он может использоваться при достаточно высоких температурах (до 330°C) по сравнению с аналогами на основе минеральных масел, а нижний температурный предел использования Дифила ДТ ограничен -30°C.

  • Дифил КТ — это органический теплоноситель с низкой вязкостью и хорошими теплообменными свойствами. Он применим для теплопередачи в жидкой фазе в интервале температур от -45° до +350°C. Этот теплоноситель нашел широкое применение в нефтехимической индустрии и обработке резин и пластмасс



Нагревание высокотемпературными органическими теплоносителями

  • Дифенильная смесь ( Даутерм А ): 26,5% дифенила и 73,5% дифенилоксида.

  • Достоинства:

  • получение высоких температур без применения высоких давлений ( tкип= 258°С, r = 220 кДж/кг при р = 0,1 Мпа ; tкип= 380°С, r = 220 кДж/кг при р = 0,8 Мпа )

  • использование для обогрева в жидком (до 250 °С) и парообразном ( до 380 °С ) состояниях. Коэффициент теплоотдачи при конденсации ее паров  равен 1200-1700 Вт/м2К

  • большая термическая стойкость, низкая температура плавления (12°С)

  • практически взрывобезопасна и слаботоксична

  • не вызывает коррозии металлов





Нагревание жидкими металлами

  • Жидкие металлы: литий, натрий, калий, ртуть, свинец, некоторые сплавы.

  • Используют для нагревания до 300 - 800 °С.

  • Эффективным теплоносителем является Рb + Bi.Имеет высокий коэффициент теплоотдачи, в обращении безопасен.

  • Ртуть, свинец и его сплавы используют в химических реакторах для отвода реакционной теплоты.

  • Жидкие металлы, в основном, применяют на атомных электростанциях.



Нагревание расплавами неорганических солей

  • Нитрит-нитратная смесь: 40% нитрита натрия, 7% нитрата натрия, 53% нитрата калия (температура плавления 142 °С.

  • Используют при нагревании до 550 °С.

  • Установки, на которых применяют расплавы солей, должны быть герметичны и защищены инертным газом.

  • Смесь применяют при обогреве с принудительной циркуляцией.

  • Нитрит-нитратная смесь – сильный окисляющий агент, недолжна соприкасаться с воздухом.





Успехов в учёбе