Пары высокотемпературных органических теплоносителей
ЛЕКЦИЯ №15
ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛИ
Проведение многих технологических процессов, осуществляемых в химической промышленности, часто бывает связано с необходимостью подвода или отвода тепловой энергии. Для решения этой задачи применяют различные теплоносители, представляющие собой жидкие или газообразные вещества, отдающие тепловую энергию в теплообменных аппаратах (теплообменниках). Промежуточные теплоносители используются для транспортировки тепловой энергии от еѐ источников (печей, где теплота выделяется при сгорании топлива) к аппаратам, потребляющим тепловую энергию.
ТЕПЛОНОСИТЕЛИ
На Рис 15.1 приведены основные теплоносители, а также их рабочий температурный интервал. Самые высокие температуры имеют газообразные теплоносители (дымовые газы). Второй класс теплоносителей составляют пары жидкостей, которые в процессе теплообмена конденсируются (водяной пар, пары высококипящих органических жидкостей, пары металлов: лития, калия, кадмия и ртути). Третий класс теплоносителей – это жидкие теплоносители: вода (в том числе перегретая и находящаяся под давлением); высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ), представляющие собой органические жидкости с высокими температурами кипения (этиленгликоль, глицерин, нафталин и его производные, дифенил и его производные) и их смеси (например, дифенильная смесь); минеральные масла; ионные теплоносители, представляющие собой расплавы солей (например, нитрит-нитратная смесь); кремнийорганические жидкости; жидкометаллические теплоносители (ртуть, расплавы щелочных и щелочно-земельных металлов, расплавы свинца, висмута, кадмия, сурьмы, олова). Также для нагревания сред возможно применять электрический ток. Аппараты для нагрева электрическим током обладают многочисленными преимуществами: наиболее компактны из всех теплообменников, имеют широкий интервал температур нагрева, им присуща легкость регулировки и контроля. Однако стоимость единицы тепловой энергии, полученной при нагреве электрическим током, в несколько раз выше стоимости единицы тепловой энергии, полученной при сжигании топлива. Поэтому на химических предприятиях, где есть возможность получать тепловую энергию от тепловых станций, нагрев электрическим током не применяют. Используют его лишь на малотоннажных установках, там, где нет подведѐнных линий паропроводов.
|
|
|
Рис.15.1. Рабочие интервалы температур теплоносителей и нагрева электрическим током
Дымовые газы
Основным источником тепловой энергии на химических предприятиях служат печи, где производится сжигание топлива (природного газа, каменного угля, мазута и т.д.) (Рис.15.2).
|
|
|
Рис.15.2. Схема трубчатой печи:
1 – удаление шлака; 2 – воздух; 3 – факел сгорающего топлива;4 – радиационная зона печи; 5 – трубчатка радиационной зоны печи; 6 – дымовые газы; 7 – конвективная зона печи; 8 – трубчатка конвективной зоны печи; 9 – отработанные газы
Продуктом работы печей является тепловая энергия, которая служит для нагревания промежуточного теплоносителя в радиационной зоне печи. Образующиеся дымовые га-
зы (смесь продуктов сгорания топлива с воздухом) либо отдают теплоту в конвективной зоне печи, либо направляются к потребителям.
Из-за трудностей транспортировки дымовых газов (больших тепловых потерь) потребляющие тепловую энергию дымовых газов аппараты размещают рядом с печами.
Достоинства дымовых газов как теплоносителей:
1) Наиболее высокий из всех теплоносителей рабочий интервал температур (для печных и топочных дымовых газов 400÷1 000 °С, для отработанных газов 300÷500 °С).
2) Относительно низкая стоимость, благодаря получению непосредственно сжиганием топлива.
Недостатки дымовых газов как теплоносителей:
1) Малая удельная объѐмная теплоѐмкость (около 1,5 кДж/(м3·К)), что вызывает необходимость пропускания через аппараты больших объѐмов газов.
|
|
|
2) Низкие коэффициенты теплоотдачи от газа к стенке (менее 50 Вт/(м2·К)), что приводит к необходимости создания в аппаратах больших поверхностей теплоотдачи.
3) Неравномерность нагрева и сложность регулирования нагрева из-за значительного изменения температуры дымовых газов в процессе теплообмена.
4) Загрязнение поверхности теплопередачи продуктами сгорания
5) Коррозия стенок аппарата вследствие высоких температур и содержания коррозионно-активных веществ (воды, остатков кислорода, оксидов серы и азота) в дымовых газах.
6) Экологическая опасность (загрязнение атмосферы продуктами сгорания топлива: оксидами азота, серы и фосфора, а также выброс в атмосферу парниковых газов).
Область применения
Дымовые газы, получаемые при сжигании твѐрдого, жидкого или газообразного топлива – основной источник тепловой энергии на химических предприятиях. Другие теплоносители, являющиеся промежуточными теплоносителями (такие как водяной пар, горячая вода, ВОТ и др.), получают тепловую энергию от дымовых газов.
Водяной пар
|
|
|
Паровые котлы для получения насыщенного пара предназначены для снабжения насыщенным водяным паром химического предприятия. Различают дымотрубные котлы, где по трубам движутся дымовые газы, а вода кипит в межтрубном пространстве, и паротрубные котлы, где кипение воды происходит в трубах. Паротрубные котлы используются чаще, поскольку они более удобны в обслуживании. В качестве топлива в паровых котлах используют природный газ или мазут, реже каменный уголь или торф.
Высокие требования при получении пара предъявляются к качеству испаряемой воды. Подаваемая в парогенераторы вода должна быть очищена не только от механических примесей, но и от солей жѐсткости – гидрокарбонатов кальция и магния, которые при нагревании способны выпадать на стенках труб в виде накипи. Образующаяся накипь не только ухудшает теплопередачу в аппарате, но и способна в конечном итоге привести к аварии – разрыву паром забитой накипью трубы. Подготовка воды для дальнейшего получения из неѐ пара – процесс сложный, что существенно сказывается на стоимости получаемого пара.
Достоинства водяного пара как теплоносителей:
1) Высокий коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке (5 000÷15 000 Вт/(м2·К)).
2) Большое количество теплоты, выделяемой при конденсации пара (2 000÷2 300 кДж/кг).
3) Возможность транспортировки на значительные расстояния (при этом пар должен быть перегрет на 10÷20 К).
4) Равномерность обогрева, поскольку температура конденсации пара постоянна по всей длине аппарата.
5) Возможность регулирования температуры пара путѐм изменения давления.
6) Водяной пар нетоксичен, экологически безопасен, негорюч и невзрывоопасен.
Недостатки водяного пара как теплоносителей:
1) Значительное возрастание давления с увеличением температуры, вследствие чего использование пара высоких температур возможно только на оборудовании, рассчитанном на высокие давления, что ограничивает применение водяного пара.
Область применения
Водяной пар является наиболее распространѐнным теплоносителем в химической промышленности. Рабочий интервал температур насыщенного водяного пара ограничен 250 °С, однако на практике насыщенный водяной пар используют при 100÷190 °С, поскольку более высокие температуры пара соответствуют высоким давлениям. Использование пара с давлением свыше 1,2 МПа, как правило, экономически нецелесообразно вследствие усложнения аппаратурного оформления процесса и заметного снижения удельной теплоты парообразования
Различают «острый» и «глухой» нагрев водяным паром. Острый нагрев паром применяют в тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с паровым конденсатом. Этот способ нагрева отличается простотой теплообменных аппаратов, позволяет лучше использовать тепловую энергию пара, одновременно происходит перемешивание жидкости, что также улучшает теплообмен в аппарате.
Рис.15.3. Схема острого нагрева жидкости водяным паром с помощью парового барботера
Острый нагрев водяным паром встречается в химической технологии редко, поскольку смешение нагреваемой жидкости и парового конденсата обычно недопустимо. Значительно чаще нагрев осуществляют через стенку – нагрев глухим паром. При нагреве глухим паром необходимо, чтобы пар полностью сконденсировался в теплообменном аппарате. Для предотвращения непроизводительного расхода пара в результате его ухода с конденсатом используют специальные устройства – конденсатоотводчики, которые препятствуют уходу из аппарата пара, при этом своевременно отводя конденсат. На рис.15.4 приведена схема устройства и вид в разрез поплавкового конденсатоотводчика.
Принцип работы механических конденсатоотводчиков основан на использовании разницы в плотностях пара и конденсата. При поступлении конденсата в корпус конденсатоотводчика поплавок всплывает, поднимая клапан для отвода конденсата. После удаления конденсата поплавок опускается, и клапан закрывает выходное отверстие.
Рис.15.4. Схема устройства (а) и вид в разрезе (б) конденсатоотводчика со сферическим закрытым поплавком:
1 – корпус; 2 – поплавок; 3 – клапан
Пары высокотемпературных органических теплоносителей
Для нагревания выше 190 °С без существенного усложнения оборудования вместо водяного пара могут быть использованы пары высокотемпературных органических жидкостей (ВОТ). В качестве ВОТ могут быть использованы любые термостойкие высококипящие органические жидкости, удовлетворяющие требованиям безопасности, такие как этиленгликоль, глицерин, нафталин и его производные, продукты хлорирования дифенила и полифенолов, а также смеси этих веществ. Широкое распространение получила дифенильная смесь – эвтектическая и азеотропная бинарная смесь, содержащая 26,5 % дифенила и 73,5 % дифенилового эфира, кипящая при атмосферном давлении при 258 °С и разлагающаяся при 400 °С. Таким образом, при 260 °С парами дифенильной смеси можно проводить нагрев при атмосферном давлении, в то время как водяной пар при такой температуре будет иметь давление 4,6 МПа.
Достоинства паров дифенильной смеси как теплоносителя:
1) Возможность нагрева до высоких температур без существенного повышения давления (рабочий интервал температур 260÷380 °С, при этом давление паров не превышает 1 МПа).
2) Низкая горючесть и взрывобезопасность паров (в случае просачивания паров в топочное пространство происходит их воспламенение, но пары горят слабо, образуя шлак, который часто герметизирует имеющуюся щель).
3) Нетоксичность (вдыхание паров не опасно, однако длительное пребывание в атмосфере паров дифенильной смеси вызывает раздражение слизистых оболочек и иногда головные боли).
4) Коррозионно неактивна по отношению к наиболее распространенным конструкционным материалам.
Недостатки паров дифенильной смеси как теплоносителя:
1) Коэффициент теплоотдачи при конденсации паров дифенильной смеси на порядок ниже коэффициента теплоотдачи при конденсации пара (около 1400÷1750 Вт/(м2·К)).
2) Теплота конденсации дифенильной смеси в 4–5 раз меньше, чем для водяного пара, однако вследствие большей плотности паров дифенильной смеси количество теплоты, выделяющееся на единицу объѐма, для паров дифенильной смеси и водяного пара примерно одинаково.
3) Стоимость дифенильной смеси существенно выше стоимости водяного пара.
4) Быстрое разложение дифенильной смеси при нагревании выше 400°С. Если точное регулирование температуры в испарителе невозможно и дифенильная смесь может частично разлагаться, то необходимо предусмотреть в схеме аппарат для удаления продуктов разложения.
Пары металлов
На практике находят применение высокотемпературные теплоносители, не подверженные разложению при высоких температурах – это металлические высокотемпературные теплоносители (МВТ). В парообразном состоянии в качестве теплоносителей могут быть использованы литий, кадмий, калий и ртуть. С их помощью можно обеспечить нагрев выше 400 °С при относительно низких давлениях. Таким образом, пары МВТ, как теплоноситель, составляют конкуренцию дымовым газам, позволяя при этом достичь более равномерного и регулируемого нагрева.
Достоинства паров МВТ как теплоносителей:
1) Возможность нагрева до высоких температур без существенного повышения давления (давление насыщенного пара ртути при 400 °С составляет 0,2 МПа, в то время как пары дифенильной смеси при этой температуре имеют давление около 1 МПа, а водяной пар находится в надкритическом состоянии при давлении более 23 МПа).
2) Термическая стойкость (в отличие от ВОТ пары металлов не подвержены разложению).
3) Равномерный и регулируемый нагрев (в отличие от нагрева топочными газами).
Недостатки паров МВТ как теплоносителей:
1) Высокая токсичность паров металлов (предельно допустимое содержание паров ртути в воздухе производственных помещений 0,01 мг/м3).
2) Более низкий, чем у водяного пара и паров ВОТ, коэффициент теплоотдачи (при конденсации паров ртути коэффициент теплоотдачи 600 Вт/(м2·К)).
3) Застывание некоторых металлов в трубопроводах при охлаждении до комнатной температуры.
Вода
Горячая вода является побочным продуктом работы котлов для получения водяного пара. Также может быть использован конденсат от выпарных установок, теплообменников, подогревателей и других аппаратов, где происходит конденсация водяного пара без охлаждения конденсата. При отсутствии таких источников горячей воды, она может быть получена в специально предназначенных для этого водогрейных котлах. Для получения горячей воды иногда используют теплообменники-бойлеры, обогреваемые водяным паром. Однако, поскольку водяной пар – более предпочтительный теплоноситель, то получение с его помощью горячей воды редко бывает целесообразно.
Поскольку к качеству греющей воды предъявляются высокие требования в плане отсутствия в ней механических примесей и солей жѐсткости, а водоподготовка является дорогостоящим процессом, целесообразно повторное использование отработанной воды. Поэтому при использовании горячей воды в качестве теплоносителей часто применяют циркуляционный способ обогрева. Для этого теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру между печью или другим нагревательным аппаратом и теплообменником, где он отдаѐт полученное в первом аппарате тепло. Такая циркуляция может быть естественной или принудительной. Естественная циркуляция возникает за счѐт разности плотностей нагретого и охлаждѐнного теплоносителей, для этого нужно, чтобы перепад высот между теплообменником и печью был не менее 4–5 м. Скорость естественной циркуляции незначительна – около 0,2 м/с.
Принудительная циркуляция осуществляется с помощью насоса, при этом отпадают ограничения по высоте расположения аппаратов. Однако работа насоса при перекачивании жидкостей при температуре, близкой к температуре кипения, сопряжена с рядом трудностей (прежде всего, с опасностью возникновения кавитации), вследствие чего установки с принудительной циркуляцией менее надѐжны и более дороги при эксплуатации.
Интервал рабочих температур жидкой воды как горячего теплоносителя ограничен температурой еѐ кипения и при атмосферном давлении составляет 50÷95 °С. Однако повышение давления до 0,5 МПа позволяет расширить интервал до 150 °С без серьѐзного усложнения оборудования.
Достоинства воды как горячего теплоносителя:
1) Доступность воды.
2) Высокая теплоѐмкость воды по сравнению с органическими жидкостями (4,19 кДж/(кг·К) у горячей воды, примерно 1,5–2 кДж/(кг·К) у органических жидкостей).
3) Невысокая вязкость воды по сравнению с органическими жидкостями.
4) Высокий коэффициент теплоотдачи (примерно в 5–6 раз выше, чем у органических жидкостей).
5) Нетоксичность, пожаро- и взрывобезопасность, экологическая безопасность.
Недостатки воды как горячего теплоносителя:
1) Ограниченный температурный интервал вследствие резкого повышения давления для перегретой воды. 2) Высокие требования к качеству очистки воды от солей жѐсткости, способных образовывать накипь на стенках аппаратов.
3) Коррозионная активность воды по отношению к обычной стали и чугуну, из которых выполняются большинство трубопроводов и аппаратов.
Минеральные масла
Минеральными маслами называют жидкие смеси высококипящих углеводородов (температура кипения 300÷600 °С), главным образом алкилнафтеновых и алкилароматических, получаемые переработкой нефти. При использовании минеральных масел в качестве горячего теплоносителя часто применяют циркуляционный способ обогрева с естественной или принудительной циркуляцией. Однако образование в минеральных маслах твѐрдых или газообразных продуктов их разложения и окисления требует установки в циркуляционном контуре устройств для удаления этих продуктов: фильтров, сепараторов и т.п.
Достоинства минеральных масел как горячего теплоносителя:
1) Возможность нагрева до высоких температур без повышения давления.
2) Отсутствие коррозионного действия большинства минеральных масел на материал трубопроводов и материалов.
3) Невысокая стоимость и доступность по сравнению с другими высокотемпературными теплоносителями.
4) Нетоксичность.
Недостатки минеральных масел как горячего теплоносителя:
1) Невысокая теплоѐмкость минеральных масел и низкий коэффициент теплоотдачи приводят к низкой производительности теплообменной аппаратуры.
2) Высокая вязкость, ещѐ более возрастающая в ходе длительной эксплуатации из-за окисления и полимеризации.
3) Разложение минеральных масел при перегреве, что ограничивает рабочий интервал температур (не выше 200–300 °С).
4) Постепенное разложение, окисление или полимеризация минеральных масел, что влечѐт необходимость их частой замены, а также установки в циркуляционном контуре дополнительных устройств, удаляющих твѐрдые и газообразные продукты разложения.
5) Загрязнение поверхностей трубопроводов и аппаратов продуктами разложения или полимеризации минеральных масел.
6) Горючесть минеральных масел и взрывоопасность их паров.
Дата добавления: 2020-11-29; просмотров: 465; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!