Физико-химические основы процесса конденсации метилового спирта и воды. Виды конденсации. Прохождение процесса метилового спирта и в

незначит. содержание в нем газа приводит к резкому снижению интенсивности конденсация По мере увеличения скорости (числа Рейнольдса Re_см) парогазовой смеси влияние газа на интенсивность процесса постепенно ослабляется.

При конденсации  паров из многокомпонентных смесей (паровых или парогазовых) в газовой  фазе также происходят взаимосвязанные  тепло- и массоперенос. При этом эффективный коэф. теплопроводности смеси и эффективные коэф. диффузии ее отдельных компонентов определяются природой и концентрациями др. компонентов. В случае гомог. смеси конденсатов на поверхности твердого тела происходит только пленочная конденсация, в случае гетерогенной - смешанная. Напр., при конденсация бинарной смеси водяного пара и орг. вещества на твердой поверхности образуется жидкая пленка этого вещества, покрывающаяся каплями влаги.

Десублимация. В данном процессе конденсированная (твердая) фаза не может стекать с поверхности твердого тела и толщина ее слоя непрерывно возрастает. Поэтому процесс нестационарный и скорость его постепенно снижается. При проведении конденсация в глубоком вакууме (средняя длина своб. пробега молекул соизмерима с характерным размером аппарата), например, при разделении паровых или очистке парогазовых смесей необходимо учитывать изменения механизма и закономерностей тепло- и массопереноса. Это приводит к изменению условий конденсация чистых паров и паров, содержащих примеси неконденсирующихся газов.

ВИДЫ КОНДЕНСАЦИИ

Соотношения для разных видов конденсации  выведены на основе опытных данных, а также статистической физики и термодинамики.

КОНДЕНСАЦИЯ НАСЫЩЕНЫХ  ПАРОВ

При наличии  жидкой фазы вещества конденсация происходит при сколь угодно малых пересыщениях и очень быстро. В этом случае возникает подвижное равновесие между испаряющейся жидкостью и конденсирующимися парами. Уравнение Клапейрона — Клаузиуса определяет параметры этого равновесия — в частности, выделение тепла при конденсации и охлаждение при испарении.

Конденсация перенасыщенного пара

Наличие перенасыщенного  пара возможно в следующих случаях:

• отсутствие жидкой или твёрдой фазы того же вещества.
• отсутствие ядер конденсации — взвешенных в атмосфере твёрдых частиц или капелек жидкости, а также ионов (наиболее активные ядра конденсации).
• конденсация в атмосфере другого газа — в этом случае скорость конденсации ограничена скоростью диффузии паров из газа к поверхности жидкости.

Прибор  ядерной физики — камера Вильсона — основана на явлении конденсации на ионах.

При отсутствии ядер конденсации пересыщение может достигать 800—1000 и более процентов. В этом случае конденсация начинается во флуктуациях плотности пара (точках случайного уплотнения вещества).

Конденсация ненасыщенного пара

Конденсация ненасыщенного пара возможна в присутствии  порошкообразных или твёрдых  пористых тел. Кривая (в данном случае вогнутая) поверхность изменяет равновесное  давление и инициирует капиллярную конденсацию.

КОНДЕНСАЦИЯ ТРЁРДОЙ ФАЗЫ

Конденсация, минуя жидкую фазу, происходит через  образование мелких кристалликов (десублимация). Это возможно в случае давления паров ниже давления в тройной точке при пониженной температуре.

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Теплообменники  – аппараты, предназначенные для  передачи тепла от одних веществ к другим.

Теплоносители – вещества, участвующие в процессе передачи тепла.

Нагревающие агенты – теплоносители, имеющие  более высокую температуру, чем  нагреваемая среда, и отдающие тепло.

Охлаждающие агенты – теплоносители, имеющие  более низкую температуру, чем среда, от которой они воспринимают тепло.

По способу  охлаждения различают конденсаторы:

1. Конденсаторы смешивания. В них пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой и получаемый конденсат смешивается с последней. Конденсацию проводят тогда, когда конденсируемые пары не представляю ценностей. Для улучшения теплообмена между водой и паром поверхность соприкосновения между ними увеличивают путем распределения воды в паровом пространстве в виде капель, струек. В зависимости от способа отвода воды, конденсата и неконденсирующихся газов конденсаторы делятся на: а) Сухие (барометрические) – вода и конденсат удаляются совместно самотеком, а газы откачиваются отдельно посредство сухого вакуум- насоса. б) Мокрые – вода, конденсат и газы откачиваются одним и тем же мокро- воздушным вакуум- насосом
2. Поверхностные конденсаторы. В них тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на внешних или внутренних поверхностях труб, омываемых с другой

стороны водой или воздухом. Получаемый конденсат и охлаждающий агент  отводятся из конденсатора раздельно, и конденсат, если он представляет ценность, может быть использован. Поверхностные  конденсаторы зачастую применяют в  тех случаях, когда снижение и  охлаждение конечного продукта, получаемого, например в виде перегретого пара, являются завершающей операцией производственного процесса.

Поверхностные конденсаторы более металлоемки, чем  конденсаторы смешения, а следовательно, более дороги и требуют больших расходов охлаждающего агента. Это объясняется тем, что стенка, разделяющая участвующие в теплообмене среды, оказывает добавочное термическое сопротивление. Это вызывает необходимость повышения средней разности температур.

В качестве поверхностных конденсаторов могут  применяться  трубчатые или оросительные холодильники – конденсаторы.

В зависимости  от способа передачи тепла различают  две основные группы теплообменников.

1. Поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена – глухую стенку.
2. Теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.
3. Регенеративные теплообменники, в которых нагрев жидкости сред происходит за счет их соприкосновения с ранее нагретыми твердыми телами – насадкой, заполняющей аппарат, периодически нагреваемой другим теплоносителем. Их используют крайне редко.

В химической технологии теплообменники применяются  изготовленные из различных металлов, а так же и неметаллов. Выбор  их диктуется в основном его коррозионной стойкостью и теплопроводностью, причем конструкция существенно зависит  от свойств выбранного материала.

Конструкция теплообменников должна отличаться простотой, удобством монтажа и  ремонта. Конструкция теплообменника должна обеспечить возможно меньше загрязнение поверхности теплообмена и быть легко доступной для осмотра и чистки.

ТРУБЧАТЫЕ ТЕПЛЛОБМЕННЫЕ  АППАРТЫ

Кожухотрубчатые теплообменники. Эти теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. Кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции, который состоит из корпуса, или кожуха 1, и приваренных к нему трубных решеток 2. В трубных решетках закреплен пучок труб 3.

К трубным  решеткам крепятся (на прокладках и  болтах) крышки 4.

В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая II — в межтрубном пространстве.

 

Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, — в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или охлаждении

Кроме того, при указанных направлениях движения сред достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата. В противном случае, например при подаче более холодной (нагреваемой) среды свержу теплообменника, более нагретая часть жидкости, как более легкая, может скапливаться в верхней части аппарата, образуя «застойные» зоны.

Трубы в решетках обычно равномерно размещают по периметрам правильных шестиугольников, т. е. по вершинам равносторонних треугольников , реже применяют размещение труб по концентрическим окружностям.

В отдельных случаях, когда необходимо обеспечить удобную очистку наружной поверхности труб, их размещают по периметрам прямоугольников. Все указанные способы размещения труб преследуют одну цель — обеспечить, возможно, более

компактное  размещение необходимой поверхности  теплообмена внутри аппарата. В большинстве случаев наибольшая компактность достигается при размещении трубок по периметрам правильных шестиугольников.

Трубы закрепляют в решетках чаще всего развальцовкой, причем особенно прочное соединение (необходимое в случае работы аппарата при повышенных давлениях) достигается при устройстве в трубных решетках отверстий с кольцевыми канавками, которые заполняются металлом трубы в процессе ее развальцовки. Кроме того, используют закрепление труб сваркой, если материал трубы не поддается вытяжке и допустимо жесткое соединение труб с трубной решеткой, а также пайкой применяемой для соединения главным образом медных и латунных труб. Изредка используют соединение труб с решеткой посредством сальников допускающих свободное продольное перемещение труб и возможность их быстрой замены. Такое соединение позволяет значительно уменьшить температурную деформацию труб, но является сложным, дорогим и недостаточно надежным.

Теплообменник- одноподовый. При сравнительно небольших расходах жидкости скорость ее движение в трубах таких теплообменников низка, и следовательно, коэффициенты теплоотдачи невелики. Для увеличения последних при данной поверхности теплообмена можно уменьшить диаметр труб, соответственно увеличив их высоту (длину). Однако теплообменники небольшого диаметра и высоты неудобны для монтажа, требуют высоких помещений и повышенного расхода металла на изготовление деталей, не участвующих непосредственно в теплообмене (кожух аппарата). Поэтому более рационально увеличивать скорость теплообмена путем применения многоходовых теплообменников.

В многоходовом теплообменнике корпус , трубные решетки , укрепленные в них трубы и крышки идентичны.С помощью поперечных перегородок 5, установленных в крышках теплообменника, трубы разделены на секции, или ходы, по которым последовательно движется жидкость, протекающая в трубном пространстве теплообменника. Обычно разбивку на ходы производят таким образом, чтобы во всех секциях находилось примерно одинаковое число труб.Вследствие меньшей площади суммарного поперечного сечения труб, размещенных в одной секции, по сравнению с поперечным сечением всего пучка труб, скорость жидкости в трубном пространстве многоходового теплообменника возрастает (по отношению к скорости в одноходовом теплообменнике) в число раз, равное числу ходов.

 Так, в четырехходовом теплообменнике скорость в трубах при прочих равных условиях в четыре раза больше, чем в одноходовом. Для увеличения скорости и удлинения пути движения среды в межтрубном пространстве служат сегментные перегородки . В горизонтальных теплообменниках эти перегородки являются одновременно промежуточными опорами для пучка труб.

Повышение интенсивности  теплообмена в многоходовых теплообменниках сопровождается возрастанием гидравлического сопротивления и усложнением конструкции теплообменника. Это диктует выбор экономически целесообразной скорости, определяемой числом ходов теплообменника, которое обычно не превышает 5—6. Многоходовые теплообменники работают по принципу смешанного тока, что, как известно, приводит к некоторому снижению движущей силы теплопередачи по сравнению с чисто противоточным движением участвующих в теплообмене сред.

В одноходовых  и особенно в многоходовых теплообменниках  теплообмен может ухудшаться вследствие выделения растворенных в жидкости (или паре) воздуха и других неконденсирующихся газов. Для их периодического удаления в верхней части кожуха теплообменников устанавливают продувочные краники.

Одноходовые и многоходовые теплообменники могут  быть вертикальными или горизонтальными. Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. Горизонтальные теплообменники изготавливаются обычно многоходовыми и работают при больших скоростях участвующих в теплообмене сред для того, чтобы свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и плотностей, а также устранить образование застойных зон.

Если средняя  разность температур труб и кожуха в теплообменниках жесткой конструкции, т. е. с неподвижными, приваренными к  корпусу трубными решетками, становится значительной (приблизительно равной или большей 50 °С), то трубы и кожух  удлиняются неодинаково.

Это вызывает значительные напряжения в трубных  решетках, может нарушить плотность соединения труб с решетками, привести к разрушению сварных швов, недопустимому смешению обменивающихся теплом сред. Поэтому при разностях температур труб и кожуха, больших 50 °С, или при значительной длине труб применяют кожухотрубчатые теплообменники нежесткой конструкции, допускающей некоторое перемещение труб относительно кожуха аппарата.

Для уменьшения температурных деформаций, обусловленных  большой разностью температур труб и кожуха, значительной длиной труб, а также различием материала труб и кожуха, используют кожухотрубчатые теплообменники с линзовым компенсатором, у которых на корпусе имеется линзовый компенсатор, подвергающийся упругой деформации.. Такая конструкция отличается простотой, но применима при небольших избыточных давлениях в межтрубном пространстве, обычно не превышающих 6* 10⁵ н/м² (6 am).