Lektsia_4_Teplovye_i_massoobmennye_prots essy (Лекции)

ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯТЕХНОЛОГИЯЛекция 4. Тепловые имассообменные процессы.План лекции• Тепловые процессы:- Нагревание- Охлаждение- Конденсация- Выпаривание• Массообменные процессы:- Абсорбция- Ректификация- Экстракция- Адсорбция- Сушка- Растворение- КристаллизацияЛитератураДытнерский Ю.И. Процессы и аппаратыхимической технологииКасаткин А.Г. Основные процессы иаппараты химической технологииТепловые процессыТепловые процессы - технологические процессы, скорость протекания которых определяетсяскоростью подвода или отвода тепла.1.

Нагревание — повышение температуры перерабатываемых материалов путем подвода к ним тепла.2. Охлаждение — понижение температуры перерабатываемых материалов путем отвода от них тепла.3. Конденсация — сжижение паров какого-либо вещества путем отвода от них тепла.4. Испарение — перевод в парообразное состояние какой-либо жидкости путем подвода к ней тепла.4.1.

Выпаривание — концентрирование при кипении растворов твердых нелетучих веществпутем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров.Среда с более высокой температурой, отдающая при теплообмене тепло, называетсятеплоносителем, среда с более низкой температурой, воспринимающая при теплообменетепло, называется холодильным агентом (хладагентом).Теплоносители/хладагентыТемпература, °СДавление, атм.Азот, кислород, воздухот -210до 200Этан, этилен, фреоныот -150 до -70до 40Вода0 - 100100 - 37411 - 225Насыщенный водяной пар0 - 2501 - 40Топочные газы420 - 10001Твердые теплоносителидо 15001Тепловые процессы.

Нагревание1. Нагревание водяным паромПрименяется насыщенный водяной пар при давлениях до 10-12 атм, поэтому нагревание ограничено температурой до190° С. Большее давление требует сложной и дорогостоящей аппаратуры. В процессе нагревания насыщенный парконденсируется, выделяя при этом тепло, равное теплоте испарения жидкости.Достоинства:- большое количество тепла, выделяющегося при конденсации (~2 МДж на 1 кг конденсирующегося пара);- высокий коэффициент теплоотдачи от пара к стенке (5 - 18 кВт/(м2°С));- равномерность обогрева (конденсация пара происходит при постоянной температуре).Нагревание «острым» паромПар периодически вводится непосредственно внагреваемую жидкость; конденсируясь, он отдает жидкоститепло, а конденсат смешивается с этой жидкостьюНагревание «глухим» паромЖидкость непрерывно нагревается паром черезразделяющую их стенку в аппаратах с рубашками, созмеевиками и т.д. Пар конденсируется и выводится изнагревательного аппарата в виде конденсата.ПарПарРасход пара:Расход пара: 2 − 1 + п = − в 2 2 − 1 + п= − в вm - масса нагреваемой жидкости, кг; G – расход нагреваемой жидкости, кг/ч;D - расход греющего пара, кг (или кг/ч); С - теплоемкость жидкости, кДж/кг°С;Cв - теплоемкость конденсата, кДж/кг°С; Н - энтальпия греющего пара, кДж/кг;T1 и T2 - температура жидкости до и после нагревания, °С; Tв – температура конденсата;Qn - потери тепла, кДж/ч; τ - продолжительность нагрева, ч.КонденсатТепловые процессы.

Нагревание2. Нагревание топочными газамиСамый старый способ нагрева в химической промышленности. Температуры – 180 - 1000°С. Газы образуются присжигании твердого, жидкого или газообразного топлива в топках или печах различной конструкцииОсобенности:- значительные перепады температур, высокие тепловые нагрузки;- низкий коэффициент теплоотдачи от топочных газов к стенке (15 - 35 Вт/(м2°С));- неравномерность обогрева, огнеопасность, трудность регулирования.Расход топлива:=B – расход топлива, кг/ч; G – расход нагреваемого продукта, кг/ч;С - теплоемкость нагреваемого продукта, кДж/кг°С; T1 и T2 - температурапродукта до и после нагревания, °С; Q1 - потери тепла с уходящими газами,кДж/ч; Q2 — потери тепла неполноты сгорания топлива, кДж/ч; Qп — потеритепла в окружающую среду, кДж/ч; Hт — энтальпия топлива, кДж/кг; — Hв энтальпия воздуха, кДж/кг; ΔкH - теплота сгорания топлива, кДж/кг.

2 − 1 + 1 + 2 + пт + в + ∆ Трубчатая печь для нагреванияжидких продуктовПечь с рециркуляциейтопочных газовВ дымоходНагретыйпродуктПечь для реакционныхкотлов и автоклавовВ дымоходКотелНагреваемыйпродуктТопливоТопливо+ воздухВоздухТопливо+ воздухВ дымоходТепловые процессы. Нагревание3. Нагревание промежуточным теплоносителемПри нагревании некоторых материалов недопустим даже кратковременный ихперегрев.

В этих случаях для обогрева применяют промежуточныетеплоносители, которые сначала нагреваются топочными газами, а затемпередают воспринятое тепло нагреваемому материалу.В качестве промежуточных теплоносителей применяют минеральные масла,перегретую воду, высокотемпературные органические теплоносители,расплавленные смеси солей и др.4. Нагревание электрическим токомПри нагревании электрическим током можно легко и очень точно регулировать процесс при равномерномобогреве.Электрическая печьсопротивленияЭлектрическаяиндукционная печьДуговая печьТепловые процессы. Охлаждение1.

Охлаждение водой и воздухом.Осуществляется в различных теплообменниках, при этом охлаждающая и охлаждаемаясреды либо разделены стенкой (если контакт между этими средами по каким-либопричинам недопустим), либо непосредственно контактируют между собой.Горячий парили жидкостьРасход охлаждающей воды: н − к=в 2 − 12. Охлаждение льдом.ХладагентКожухотрубчатый теплообменникОхлажденный парили жидкостьПроводят в тех случаях, когда необходимо достигнуть близкой к нулю температуры охлаждаемой жидкости.Часто при охлаждении лед вносится непосредственно в охлаждаемую жидкость.

При этом он нагреваетсяжидкостью до 0°С, а затем плавится, отнимая теплоту плавления у охлаждаемой жидкости. Такой методохлаждения применяется для жидкостей, которые не взаимодействуют с водой и для которых допускаетсяразбавление.Тепловые процессы. КонденсацияКонденсация – процесс ожижения паров различных веществ путем отвода от них тепла.Поверхностный конденсаторГорячий пар1. Поверхностная конденсация.Конденсирующиеся пары и охлаждающий агент разделеныстенкой и конденсация паров происходит на внутреннейХладагентили внешней поверхности холодной стенкиКонденсатГорячий парХладагент2. Конденсация смешением.Если конденсации подвергаются пары жидкостей, нерастворимых вводе, или пар, являющийся неиспользуемым отходом того или иногопроцесса, охлаждение и конденсацию этих паров можно проводитьпутем непосредственного смешения с водой.КонденсатКонденсатор смешенияТепловые процессы.

ВыпариваниеВыпаривание - процесс концентрирования растворов, заключающийся в частичном удалениирастворителя путем его испарения при кипении1. Простое выпаривание.Осуществляется на установках небольшой производительности, когдаэкономия тепла не имеет особого значения и может проводиться какпериодически, так и непрерывно.Исходный раствор помещается в выпарной аппарат, где нагревается дотемпературы кипения и выпаривается. Образовавшийся вторичный парпоступает в конденсатор.

Конденсат выводится из системы, упаренныйраствор перекачивается в сборник готового продукта.2. Многократное выпаривание - процесс, при котором в качестве греющего используютвторичный пар и, следовательно, достигается значительная экономия тепла.Сущность многократного выпаривания состоит втом, что процесс выпаривания проводится внескольких соединенных последовательноаппаратах, давление в которых поддерживаюттак, чтобы вторичный пар предыдущегоаппарата мог быть использован как греющийпар в последующем аппарате.Массообменные процессыМассообменные процессы - технологические процессы, скорость протекания которыхопределяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую.1.

Абсорбция — избирательное поглощение газов или паров жидкими поглотителями абсорбентами.2. Ректификация — разделение жидкой смеси на чистые или обогащенныесоставляющие в результате противоточного взаимодействия потоков пара и жидкости.3. Экстракция — извлечение растворенного в одной жидкости вещества другойжидкостью.4. Адсорбция — избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкостяхвеществ твердым поглотителем — адсорбентом, способным поглощать одно илинесколько веществ из их смеси.5. Сушка — удаление влаги из твердых влажных материалов путем испарения.6. Растворение — процесс перехода вещества в раствор с поверхности частиц.7.

Кристаллизация — выделение твердой фазы из растворов, расплавов или паров.Массообменные процессы. АбсорбцияАбсорбция- поглощение газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкимипоглотителями, называемыми абсорбентами.Основывается на растворимости газов в жидкостях. Процесс является избирательным и обратимым, чтопозволяет проводить после абсорбции десорбцию — выделение компонентов из жидкости ирегенерировать абсорбент.Поглощение газа может происходить либо за счет его растворения в абсорбенте (физическая абсорбция),либо в результате его химического взаимодействия с абсорбентом (хемосорбция).Абсорбируемые компоненты газовой смеси называют абсорбтивом, а неабсорбируемые — инертом.Применение абсорбции:- получение целевых продуктов (абсорбция HCl водой в производстве соляной кислоты, S03 — впроизводстве серной кислоты, окисление азота — в производстве азотной кислоты и др.);- выделение ценных компонентов газовых смесей (ацетилена из газов крекинга или пиролиза метана,бензола и аммиака из газов коксовых печей и др.);- удаление вредных примесей из газовых смесей (СО и С02 из азотоводородной смеси при синтезе NH3,серосодержащих соединений в производствах NH3 и СН3ОН и др.);- удаление вредных примесей из газовых смесей, диктуемое необходимостью обезвреживанияокружающей среды путем очистки выбросов;- улавливание ценных веществ (например, фенола при переработке фенолформальдегидных смол и др.).Принципиальные схемы абсорбцииПрямоточная схемаПротивоточная схемаПотоки газа и абсорбента движутся параллельно друг другу.Газ с большей концентрацией вещества приводится в контакт сжидкостью, имеющей меньшую концентрацию вещества, а газ сменьшей концентрацией взаимодействует на выходе изаппарата с жидкостью, имеющей большую концентрациюГазАбсорбентCВ одном конце аппарата приводятся в контакт газ ижидкость, имеющие большие концентрациивещества, а в противоположном конце – меньшиеГазАбсорбентCCГCГCАCАГазАбсорбентLГазАбсорбентLСхемы с рециркуляцией предусматривают многократный возврат либо жидкости, либо газаМногоступенчатые схемы с рециркуляцией могут включать прямой ток, противоток, рециркуляцию жидкостии рециркуляцию газа.Изменение рабочих концентраций, приводящее к уменьшению расхода абсорбента, требуетувеличения габаритов аппарата, и наоборот.Массообменные процессы.