технол лек 1. Учебник соответствует учебной программе и предназначен для студентов фармацевтических высших учебных заведений и факультетов
 Скачать 11.39 Mb.
|
|
??????????? 1 2 3 4 5 6 T S Q L 0 которой передается тепло Q 0 , отнятое от охлаждаемой среды, и тепло L K , эквивалентное работе L K , затраченной на сжатие хладоагента. В результате возрастание энтропии более нагретой среды составляет (Q 0 + Согласно энергетическому балансу 0 0 . (Отсюда работа L K , которую необходимо затратить в холодильной установке, работающей по обратному циклу Карно ? = 0 0 0 T T T Q L K . (Тепло Q 0 , отнимаемое хладоагентом от охлаждаемой среды при температуре T 0 < T, определяет холодопроизводительность цикла или холодильной установки. На диаграмме Т (рис. 13.1) холодопроизводительность изображается площадью Площадь 2–3–5–6 эквивалентна количеству тепла, отдаваемому хладоагентом более нагретой среде при температуре Та разность площадей 2–3–5–6 и 1–4–5–6 соответствует величине затраченной работы L K (площадь Таким образом, на примере обратного цикла Карно иллюстрируется энергетический баланс любой холодильной машины + L = Q, (где L – работа реального цикла. Термодинамическая эффективность холодильных циклов выражается отношением холодопроизводительности Q 0 к затраченной работе L, причем это отношение называется холодильным коэффициентом и обозначается ? . Величина ? (с учетом уравнения (13.3)) выразится зависимостью: Рис. 13.1. Энтропийная диаграмма обратного цикла Карно – адиабатическое расширение жидкого хладоагента (конечная температура расширения T 0 ); 4–1 – изотермическое испарение жидкого хладоагента при температуре T 0 с отнятием от охлаждаемой среды теплоты испарения Такой цикл осуществим лишь при условии постоянства энтропии системы. Поэтому если при испарении хладоагента энтропия охлаждаемой среды уменьшится на величину Т, тона такую же величину должна возрасти энтропия более нагретой среды (воды 2 9 6 0 0 0 Q Q Q L Q ? = = ? . (Холодильный коэффициент показывает, какое количество тепла воспринимается хладоагентом от охлаждаемой среды на одну единицу затраченной работы. Из диаграммы (рис. 13.1) видно, что Q 0 = T 0 (S 1 – S 2 ) и Q = T(S 1 – – S 2 ). Подставляя значения Q 0 ив уравнение (13.4) для цикла Карно, получим 0 2 1 0 2 1 2 1 0 0 0 T T T S S T S S T S S T Q Q Q K ? = ? ? ? ? = ? = ? . (Холодильный коэффициент, характеризующий степень использования механической работы на получение искусственного холода, как видно из выражения (13.5), не зависит от свойств хладоагента или схемы действия холодильной установки, а является только функцией температур T 0 и T. При этом степень использования механической работы тем выше, чем меньше разность между температурами холодильного агента при восприятии T и отдаче T 0 тепла. Холодильный коэффициент нельзя рассматривать как КПД холодильной машины. КПД характеризует долю тепла, которое может быть превращено в работу, и поэтому является величиной, заведомо меньшей единицы. В данном случае затрачиваемая работа не превращается в тепло, а служит лишь средством, обеспечивающим перенос (подъем) данного количества тепла с низшего температурного уровня на высший. Поэтому Q 0 обычно больше L, а ? – больше единицы. На основании выражения (13.5) можно показать, что с понижением температуры охлаждения T 0 затрачиваемая работа резко возрастает и соответственно значительно увеличивается стоимость получения холода. Кроме того, с понижением температуры охлаждения будет уменьшаться термодинамический коэффициент полезного действия любого реального цикла, равный отношению холодильного коэффициента ? реального цикла к холодильному коэффициенту цикла Карно. (Уменьшение величины ? объясняется возрастанием необходимых потерь холода в реальном процессе с понижением температуры охлаждения. Для осуществления холодильных циклов применяют различные газы (хладоагенты). При умеренном охлаждении используют газы, имеющие критические температуры выше температуры окружающей среды, а для получения очень низких температур – газы с критической температурой ниже температуры окружающей среды 2 9 Условно различают умеренное (до температур порядка – 100 о С) и глубокое (до температур ниже – 100 о С) охлаждение. Диаграмма состояния реальных газов в координатах приведена на рис. Рис. 13.2. T–S диаграмма для воздуха В нижней части диаграммы имеются линии жидкости и пара, сходящиеся водной точке кр, которая соответствует критической температуре. Область в–T кр –а, лежащая левее кривой, является областью жидкости. Область в–T кр –с под кривой является областью сосуществования пара и жидкости. Область а–T кр –с, размещенная выше и правее кривой, соответствует состоянию газа или перегретого пара. На диаграмме показаны также изобары и изоэнтальпы. При умеренном охлаждении сжатые до соответствующего давления газы конденсируются, отдавая тепло окружающей среде 2 9 При глубоком охлаждении перед конденсацией газы необходимо охлаждать до температур более низких, чем температура окружающей среды. В этом – существенное отличие между процессами умеренного и глубокого охлаждения. В процессах искусственного охлаждения снижение температуры хладоагента, играющего роль переносчика тепла, производится с помощью 1) испарения низкокипящих жидкостей, 2) расширения предварительно сжатых газов. В холодильной технике расширение газов осуществляют следующим образом. При расширении газа в детандере – машине, устроенной подобно поршневому компрессору или турбокомпрессору, Охлаждение при изоэнтропическом расширении Расширение предварительно сжатых газов осуществляется в поршневых или турбинных машинах, устроенных идентично поршневым или турбинным компрессорам. Изменение состояния газов в данном процессе приближается к адиабатическому, и соответственно этому температура расширенного газа в конце процесса может быть найдена, как n n P P T T 1 ? ? ? ? ? ??? ? ??? ? = , (где Т н – начальная температура газа, К; Р н – начальное давление газа, атм; Р к – конечное давление газа, атм – показатель политропы сжатия, близкий к показателю адиабаты. Охлаждение при изоэнтальпическом расширении При дросселировании работа, совершаемая газом, затрачивается на преодоление трения в отверстии дросселирующего устройства и переходит в тепло, в результате чего процесс происходит без изменения энтальпии i (изоэнтальпически). Рис. 13.3. Дросселирующее устройство процесс охлаждения происходит адиабатически с совершением внешней работы. Это – охлаждение при изоэнтропическом (адиабатическом) расширении. При пропускании газа через дросселирующее устройство – шайбу с отверстием (рис. 13.3), вызывающим сужение потока (вентиль и т.п.), расширение газа протекает также адиабатически, но при изо- энтальпическом расширении 2 9 В случае идеального газа при постоянстве энтальпии сохраняется постоянной и температура газа. Дросселирование же реальных газов сопровождается, несмотря на постоянство энтальпии, изменением температуры газа. Объясняется это тем, что энтальпия реальных газов является функцией не только температуры, но и давления газа. Поэтому при дросселировании реальных газов произведения давления на удельный объем до (индексы 1) и после (индексы дросселирования неравны. (Явление изменения температуры реального газа при его дросселировании получило название дроссельного эффекта или эффекта Джоуля–Томсона (по имени ученых, впервые его обнаруживших). Отношение бесконечно малого изменения температуры к вызывающему его бесконечно малому понижению давления газа называется дифференциальным дроссельным эффектом. (В практических расчетах за дифференциальный дроссельный эффект принимают изменение температуры реального газа, обусловленное изменением его давления на одну единицу. Дроссельный эффект считается положительным, если при дросселировании газ охлаждается, и отрицательным, если газ нагревается. Дроссельный эффект может быть равным нулю. Температура газа, при которой дроссельный эффект обращается в нуль, называется инверсионной (t инв ). Отдельные газы, в том числе водород, имеют не одну, а несколько инверсионных температур. Интегральный дроссельный эффект соответствует изменению температуры при понижении давления газа от начального Р до конечного Р 1 const 1 2 ??? P P i dP P T T T j . (Интегральный дроссельный эффект может быть просто определен с помощью энтропийной диаграммы T–S (рис энтропийная диаграмма для воздуха). Например, по температуре Т (Т = 205 К) и давлению Р (Р = = 100 атм) перед дросселированием находят точку 1, а точку находят на пересечении линии i 1 = const (i 1 = 86 ккал/кг) c изобарой, отвечающей конечному давлению Р = 1 атм. Точке соответствует конечная температура газа после дросселирования Т 2 = 150 К. Тогда дроссельный эффект будет равен: ?Т = Т – Т = 55 К 3 0 Дроссельный эффект, выраженный в тепловых единицах, получил название изотермического дроссельного эффекта. Изотермический дроссельный эффект можно также определить по диаграмме T–S (рис. 13.2). Для этого по изобаре Р = const поднимаются из точки 2 в точку 3, лежащую на изотерме Т. В точке 3 энтальпия газа i 3 ? 100 ккал/кг = 4,19•10 5 Дж/кг. Тогда изотермический дроссельный эффект выразится разностью энтальпий в точках 1 и 3, те. составит = i 1 – i 3 = 86 – 100 = – 14 ккал/кг ? – 58,66 Дж/кг и будет иметь отрицательное значение, так как i 3 > i 1 Холодопроизводительность Q 0 , достигаемая при дросселировании, определяется разностью энтальпий газа дои после его изотермического сжатия. Умеренное охлаждение При умеренном охлаждении используются хладоагенты, которые позволяют осуществлять охлаждение до температуры около – 50 о С. Аппараты, обеспечивающие достижение умеренного холода, называются холодильными машинами или холодильными установками. В зависимости от применяемых способов сжатия хладоагента и изменения его состояния в рабочем цикле холодильные машины подразделяются наследующие группы) парокомпрессионные холодильные машины, в которых сжатие хладоагента производится поршневым или турбинным компрессором и сжатый газ конденсируется) газокомпрессионные холодильные машины, в которых сжатие газа осуществляется поршневым или турбинным компрессором, но сжатый газ не сжижается) абсорбционные холодильные машины, в которых хладоагент сжимается так называемым термокомпрессором; 4) пароводяные эжекторные холодильные машины, в которых сжатие хладоагента осуществляется паровым эжектором, а конденсация – непосредственно смешением с водой или в поверхностных конденсаторах) водоиспарительные холодильные машины, в которых охлаждение осуществляется путем испарения из воды или водных растворов минеральных солей в результате пропускания через них воздуха, а иногда – и других газов. 13.3.1.Парокомпрессионные холодильные машины Самыми распространенными хладоагентами, применяемыми в парокомпрессионных холодильных машинах, являются аммиак, двуокись серы, двуокись углерода и фреоны (фторхлорорганические 3 0 соединения, называемые хладонами. О преимуществах и недостатках хладоагентов судят последующим показателям: необходимое рабочее давление, количество холода, производимого м хладоагента, токсичность, корродирующее действие хладоагента и его доступность. На рис. 13.4 представлена зависимость между температурой конденсации и давлением для двуокиси углерода, аммиака, одного из фреонов (ССІ 2 F – фреон) и двуокиси серы. Из представленного графика следует, что при одной и той же температуре наибольшее рабочее давление необходимо для конденсации СО, наименьшее – для конденсации SO 2 . Испарение необходимо проводить даже под вакуумом, что не гарантирует от подсосов воздуха в холодильную систему 10 20 30 40 50 60 70 -50 -30 -10 10 30 50 0 1 2 3 4 0 T, C ?, циркулирующего в системе хладоагента и, следовательно, объем цилиндра компрессора обратно пропорциональны величине q Количество холода q v (ккал/м 3 ), получающегося в результате испарения ожиженного хладоагента с образованием 1 м паров (объемная холодопроиз- водительность), находят из соотношения q v = q 0 ?, (где q 0 – разность между энтальпиями пара на входе в компрессор и хладо- агента после дросселирования, ккал/кг; ? – плотность пара, кг/м 3 Очевидно, что объем Рис. 13.4. Графики зависимости температуры конденсации различных хладоагентов от давления – двуокись углерода 2 – аммиак – фреон 4 – двуокись серы Изменение состояния хладоагента в пароком- прессионной машине отличается от обращенного цикла Карно тем, что вместо адиабатического расширения используется более простой метод – изоэнталь- пическое расширение, производимое пропусканием хладоагента через дросселирующий вентиль. Принципиальная схема парокомпрессионной холодильной машины представлена на рис. Рис. 13.5. Схема парокомпрессионной холодильной машины: а – компрессор б – конденсатор; в – дросселирующий вентиль г – испаритель (состояние хладоагента в точках ч 3 0 Циркулирующий хладоагент засасывается компрессором аи сжимается до рабочего давления. Затем осуществляется конденсация хладоагента при температуре Т в конденсаторе б за счет охлаждения водой, воспринимающей тепло Q = Q 0 + АЗа конденсацией следуют дросселирование в дросселирующем вентиле в и испарение хладоагента в испарителе г. Испарение происходит при температуре Т 0 за счет тепла Q 0 , отнимаемого от охлаждаемого материала. Парокомпрессионные холодильные установки могут работать с влажным ходом или с сухим ходом компрессора (риса б Рис. 13.6. Цикл парокомпрессионной холодильной машины с влажным (аи сухим (б) ходами компрессора При работе с влажным циклом (риса) компрессор всасывает влажный пари сжимает его по адиабате 1–2 до состояния насыщения, далее следуют конденсация пара при постоянной температуре по изотерме 2–3 ? , затем – переохлаждение жидкости, дросселирование – по изоэнтальпе 3–4 и испарение – по изотерме При работе с сухим ходом (рис. 13.6, б) компрессор засасывает сухой пари сжимает его по адиабате 1–2 до рабочего давления. Далее следуют охлаждение перегретого пара до состояния насыщения по изобаре 2–2 ? , конденсация – по изотерме 2 ? –3 ? , переохлаждение, дросселирование – по изоэнтальпе 3–4 и испарение – по изотерме Термодинамический цикл с влажным ходом компрессора более выгоден. Однако при сухом ходе компрессора отсутствуют гидравлические удары и увеличивается коэффициент подачи компрессора. По последним причинам цикл с влажным ходом оказывается менее выгодным, чем цикл с сухими чаще всего парокомпрессионные холодильные машины работают с сухим ходом компрессора. Необходимо отметить, что переохлаждение хладоагента имеет большое значение как фактор, способствующий повышению холодильного коэффициента машины 3 0 Несмотря на то что компрессионные холодильные машины применяются очень широко, должное внимание при организации новых производств необходимо уделять абсорбционным холодильным машинам, преимущества последних становятся очевидными при большой производительности и при необходимости вести охлаждение до минус ч минус 50 о С. 13.3.2. Абсорбционные холодильные машины В этих машинах хладоагентом служит аммиак, который, кроме высоких холодильных свойств, хорошо растворяется в воде. Действие абсорбционных холодильных машин основано на поглощении (абсорбции) паров хладоагента каким-либо абсорбентом при давлении испарения Р и последующем его выделении (при давлении конденсации Р) путем нагревания. Вместо сжатия хладоагента в компрессоре, необходимого для последующей его конденсации водой, для той же цели применяются выделение (десорбция) и отгонка холодильного агента из растворителя под избыточным давлением. Схема абсорбционной холодильной машины приведена на рис. Газообразный аммиак ( ? 99 % NH 3 ), выделившийся из водно- аммиачного раствора в кипятильнике 1, при высоком давлении поступает в конденсатор 2, где конденсируется при высокой температуре Т, отдавая тепло Q охлаждающей воде. Сжиженный) уходит из кипятильника через теплообменники дросселирующий вентиль 8 в абсорбер 5, где вновь концентрируется в результате абсорбции газообразного аммиака. Рис. 13.7. Схема абсорбционной холодильной машины – кипятильник 2 – конденсатор, 8 – дросселирующие вентили – испаритель 5 – абсорбер 6 – насос – теплообменник I – греющий пар – охлаждающая вода аммиак проходит дросселирующий вентиль 3 и испаряется в испарителе 4, воспринимая тепло на низком уровне Т. При выходе из испарителя газообразный аммиак направляется в абсорбер 5 и при охлаждении (отвод теплоты растворения) поглощается водой с образованием высококонцентрированного раствора ( ? 50 % NH 3 ). Полученный раствор нагнетается насосом 6 через теплообменник в кипятильник 1, где в результате нагревания водяным паром (подвод тепла испарителя) большая часть аммиака испаряется ив виде газа поступает в конденсатор 2. Обедненный вод- но-аммиачный раствор ( ? 20 % 3 0 Из сопоставления рис. 13.5 и 13.7 видно, что в абсорбционной холодильной машине роль компрессора выполняет термокомпрессор агрегат, включающий кипятильник, абсорбер и теплообменник. Изменения состояния аммиака в конденсаторе, дросселирующем вентиле и испарителе абсорбционной холодильной машины соответствует изменениям в тех же аппаратах компрессионной холодильной машины. Следовательно, количество циркулирующего газообразного аммиака (в кг/с) можно вычислить по уравнению G г = Q 0 /q 0 . (Материальный баланс для термокомпрессора: G к = га Из этих уравнений определяют как г, (где к – количество водно-аммиачного раствора, поступающего в кипятильник, кг/ч; G а – количество водно-аммиачного раствора, поступающего в абсорбер, кг/ч; x к – концентрация раствора, поступающего в кипятильник мас.; x a – концентрация раствора, поступающего в абсорбер, % мас. Для определения количества тепла к, которое необходимо подвести в кипятильник, пренебрегают потерями тепла в окружающую среду и работой, затрачиваемой насосом, и вводят понятие теплового коэффициента ? : ? = к, (13.15) откуда Q к = Q 0 / ? . (В последнее время широкое распространение получили бромистолитиевые абсорбционные холодильные машины, в которых хладоагентом является вода, а абсорбентом – бромид лития. Эти машины применяются для получения холодной воды, используемой для кондиционирования воздуха и для охлаждения (в технологических процессах. Глубокое охлаждение Глубокое охлаждение применяют главным образом для разделения газовых смесей посредством их сжижения и ректификации. В качестве технологического применения этих процессов может служить разделение воздуха на кислород и азот, разделение коксового газа, газов пиролиза нефти и т.д. 3 0 Для осуществления процессов ректификации необходимо предварительное сжижение газовых смесей, и поэтому сжижение газов может рассматриваться как основное техническое назначение глубокого охлаждения. Сжижение газов может быть совершено различными способами. Главным показателем совершенства процессов сжижения газов служит затрата работы на сжижение, а эталоном сравнения – минимальная работа сжижения. Минимальной работе сжижения соответствует следующее проведение процесса Очевидно, что площади вВАа эквивалентно количество тепла = T (г – ж, (где T – начальная температура газа, S г2 – энтропия газа до изобарического охлаждения; S ж – энтропия сжиженного газа. Количество тепла, эквивалентное площади вСДАа, можно выразить так = i г – i ж, (где i г – начальная энтальпия газа ж – энтальпия сжиженного газа. Таким способом минимальная работа сжижения газа может быть определена следующим образом Q – Q 0 = г – ж) – (i г – i ж. (Минимальная работа сжижения небольшая. Так, для сжижения кг воздуха необходимо затратить 160 ккал (0,19 кВт•ч). Давление, до которого необходимо сжать сжижаемый газ, может быть определено следующим образом. При охлаждении газа отнимается тепло = C P dT = и, следовательно 1 ? 2 ? ln 0 T T C T dT C S S P T T P = = ? ? , (где г – энтропия газа после изобарического охлаждения. Рис. 13.8. Идеальный процесс сжижения газа на T–S-диаграмме (рис. 13.8): изотермическое сжатие АВ и изоэнтропическое расширение ВС. Суммарное количество тепла, которое отнимается от газа в этом процессе, эквивалентно площади (вВАа), а количество тепла, которое отнимается для непосредственного сжижения, равное теплу, отнимаемому при изобарическом охлаждении газа (АД) и изотермической конденсации его (ДС), эквивалентно площади (вСДАа). Разность между этими площадями, т.е. площадь АВСД, выражает минимальную работу сжижения 3 0 При конденсации 1 кг газа отнимается тепло = г – ж, (где ? – теплота испарения газа. Из равенств (13.20) и (13.21) следует однако, как следует из термодинамики газов и, следовательно 0 1 2 ln ln T T T C P P R P ? + = . (Последнее уравнение позволяет рассчитать давление, до которого должен быть сжат газ в период сжижения с минимальной работой. Расчет для сжижения воздуха дает поэтому уравнению величину Р 46000 МПа. Работа машин при давлениях в несколько сотен тысяч атмосфер практически невозможна, поэтому реальные циклы сжижения не соответствуют идеальному циклу, отличаясь от указанного более низким давлением сжатия. Действительные процессы охлаждения при сжижении газов следует подразделить на две группы каскадное охлаждение с использованием промежуточных хладоагентов и непосредственное охлаждение. Каскадное (ступенчатое охлаждение основано на применении соединенных последовательно нескольких парокомпрессионных холодильных машин с разными теплоносителями, отличающимися температурами кипения. Примером установки со ступенчатым охлаждением является установка для конденсации газообразного водорода, схема которой представлена на рис. Рис. 13.9. Схема установки со ступенчатым охлаждением для конденсации водорода: 1 ч6 – рекуперативные теплообменники Установка включает ряд парокомпрессионных холодильных машин, в каждой из которых по замкнутому контуру циркулирует хладоагент. В первом контуре хладоагентом является аммиак, во 3 0 втором – сжижается этилен, конденсирующийся под давлением в аммиачном испарителе 2. Этилен испаряется при температуре К и сжижает сжатый метан, циркулирующий в третьем контуре. В свою очередь, метан, испаряясь при температуре 112 К, сжижает сжатый азот в четвертом контуре, который испаряется при 77 К. Испарением азота под вакуумом можно снизить температуру в испарителе 5 до 63 К. Однако и эта температура выше критической температуры водорода, поэтому сжижение водорода невозможно при простом продолжении каскада. Для сжижения водорода используют дополнительный дроссельный цикл, при этом предварительное охлаждение сжатого до 15 МПа водорода осуществляется в теплообменнике Таким образом, тепло передается с низшего температурного уровня на высший через ряд ступеней, каждая из которых обычная парокомпрессионная холодильная машина. Ступенчатое охлаждение не требует больших энергетических затрат, однако необходимо использование громоздких машин и установок. Поэтому рассмотренный способ глубокого охлаждения применяется лишь в лабораторных условиях и на установках малой производительности. Непосредственное охлаждение газов осуществляется сжижением и может быть произведено различными методами, характеризуемыми термодинамическим циклом, по которому протекает процесс. Основными циклами являются) простой регенеративный – с изоэнтальпическим расширением сжатого газа) регенеративный – с изоэнтальпическим расширением и предварительным охлаждением) регенеративный – с изоэнтропическим расширением сжатого газа) с изоэнтропическим расширением сжатого газа и низким давлением. Как было сказано выше, в основе циклов холодильных аппаратов лежит либо изоэнтальпическое, либо изоэнтропическое расширение хладоагентов. Разберем холодильный цикл, основанный на изоэнтальпийном расширении сжатого газа (риса. Газ давлением Р при температуре T 1 изотермически сжимается компрессором до давления Р (1–2) и проходит через дросселирующий вентиль, где расширяется до первоначального давления Р. При этом температура газа снижается (2–3) при постоянной энтальпии. Охлажденный газ нагревается до начальной температуры отнимая от охлаждаемой среды количество тепла, равное его холодопроизводительности: q 0 = i 1 – i 2 . (13.23) 3 0 8 T T T q i i P P 3 2 1 2 1 3 S 1 2 2 1 1 2 0 q 0 3' 2 1 T T 1 T' 2 2 P P 1 1 i 1 i S T 3 3 3 i' 3 а б Рис.13.10. Диаграмма холодопроизводительности газа при изоэнтальпическом (аи изоэнтропическом (б) расширении сжатого газа В холодильном цикле, основанном на изоэнтропическом расширении газа, который также изотермически (рис. 13.10, б) сжимается компрессором от давления Р до Р (1–2). Затем он расширяется в расширительной машине (детандере) до давления Р 1 теоретически при S = const по линии (2–3) до T 3 , а практически по политропе (2–3 ? ) до температуры T 3 ? . Охлажденный газ нагревается до первоначальной температуры Т (3 ? –1), забирая от охлаждающей среды тепло, равное его холодопроизводительности: q 0 = i 1 – i 3 ?. (Прибавляя и отнимая i 2 в правой части уравнения (получим q 0 = (i 1 – i 2 ) + (i 2 – Из указанного равенства следует, что холодопроизводительность газа в случае изоэнтропического расширения больше, чем в случае изоэнтальпического, на величину i 2 – i 3 ? , те. на работу (в единицах тепла, произведенную детандером. Регенеративный цикл с изоэнтальпическим расширением и предварительным охлаждением. При понижении температуры газа необратимое изменение энтропии при дросселировании уменьшается, а вследствие этого уменьшаются и энергетические затраты. Чтобы снизить температуру газа перед дросселированием, целесообразно ввести в схему дополнительное охлаждение при помощи парокомпрессионной холодильной машины. Схема холодильной машины с предварительным охлаждением и осуществляемый в ней цикл представлены на рис. Исходный газ изотермически сжимается (линия 1–2) при температуре T компрессора а, изобарически охлаждается (линия) обратным газом в предварительном теплообменнике в до температуры T 1 , после чего охлаждается (линия 3–4) в холодильнике г парокомпрессионной холодильной машины (обычно – аммиачном) до температуры T 2 . Затем он охлаждается (линия 4–5) обратным газом в основном теплообменнике д, обратный газ нагревается (линия 7–1), охлаждая газ высокого давления 3 0 Рис. 13.11. Регенеративный цикл с изоэнтальпическим расширением и предварительным охлаждением газа: а – компрессор б холодильник компрессора, обеспечивающий изотермическое сжатие в – предварительный теплообменник г холодильник парокомпрессионной холодильной машины д – основной теплообменнике – сборник жидкости Холодопроизводительность 1 кг газа в этом цикле увеличивается по сравнению с простым циклом на величину холода i 3 – подводимого в аммиачном холодильнике, и составляет теоретически – i 2 ) + (i 3 – а практически – меньше на величину ?q: (i 1 – i 2 ) + (i 3 – i 4 ) – Сжиженная часть газа может быть определена аналогично предыдущему, те. как для простого цикла, однако начатого в основном теплообменнике при температуре T 2 и описанного линиями (4–5–6–7–8): 0 8 4 8 i i i i n ? ? = (или 8 4 8 ? i i q i i n ? ? ? = ? , (где n – доля газа, ожижаемая при дросселировании д – сжиженная доля газа в действительных условиях. Удельный расход энергии на сжижение газа можно найти сложением количества энергии, расходуемой основными аммиачным компрессорами. Энергия, затраченная основным компрессором, по предыдущему составляет (в кВт•ч/кг): ?? ? 1 где из – изотермический КПД компрессора – газовая постоянная. Энергия, затраченная аммиачным компрессором 3 ? ? ? ? = ?? n i i N , 3 1 где ? – холодильный коэффициент парокомпрессионной холодильной аммиачной машины; ? а – общий КПД аммиачного компрессора. Таким образом, суммарный расход энергии сжижения 1 кг газа составит 3 ?? ? 1 2 ? ? ln ? ? ? ? + ? = n i i n P P RT N . (Если в результате разделения газовых смесей желательно получение газообразных компонентов, то применяют другие холодильные циклы, основанные также на изоэнтропическом расширении газа, например цикл Капицы. Регенеративный цикл Капицы с изоэнтропическим расширением газа. Эта установка имеет большую производительность. Установка Капицы имеет низкое избыточное давление (для воздуха – ч атм), применяется турбинная машина, состоящая из компрессора и детандера. Холодильный цикл представлен на рис. 13.12. Исходная газовая смесь сжимается (1–2) турбокомпрессором аи охлаждается (в теплообменнике в 3 5 6 0 7 4 T T 2 1 3 5 4 7 6 0 Рис. 13.12. Регенеративный цикл Капицы с изоэнтропическим расширением газа а – турбокомпрессор б – холодильник компрессора в – теплообменник; г – турбодетандер д – ожижитель е – дросселирующий вентиль ж – сборник сжиженного газа После охлаждения газ делится на два потока, один из которых направляется в ожижитель д, где охлаждается и конденсируется. Затем следует дросселирование (6–7) и сбор конечной жидкости (0) в сборнике сжиженного газа ж. Вторая часть потока охлажденного в теплообменнике газа (большая часть) направляется на расширение (3–4) в турбодетандер г Охлажденный после турбодетандера газ направляется в виде 3 1 1 хладоагента в ожижитель да затем – в теплообменник в для охлаждения сжатого газа (Список литературы. Касаткин Л. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М Химия, 1971. С. 686 – 720. 2. Плановский АН, Николаев ПИ. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М Химия, 1987. С. 187 –209. 3. Розенфельд Л. М, Ткачев А. Г. Холодильные машины и аппараты. М.: Госхимиздат, 1960. 4. Кочетков Н. Д. Холодильная техника. М Машиностроение, 1966. 5. Герш С.Я. Глубокое охлаждение. М Госэнергоиздат, 1957. 6. Будневич С. Ф. Процессы глубокого охлаждения. М Машиностроение. Гельперин НИ, Зеликсон ГМ, Рапопорт Л. Л. Справочник по разделению газовых смесей методом глубокого охлаждения. М.: Госхимиздат, 1963. 3 1 Глава 14. ВЫПАРИВАНИЕ. Общие сведения Выпариванием называется процесс концентрирования жидких растворов нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя при кипении жидкости. Процесс выпаривания в галеново–фармацевтическом производстве широко применяется при получении жидких и сухих экстрактов и является промежуточной операцией при производстве сухих экстрактов. В процессе выпаривания парообразование происходит в объеме выпариваемой жидкости за счет подвода тепловой энергии. Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар, который называется греющим, или первичным. Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным. Процессы выпаривания проводят под вакуумом при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара. При выпаривании под вакуумом можно проводить процесс при более низких температурах, что очень важно для растворов веществ, склонных к разложению. Кроме того, при использовании греющего пара тех же параметров, что и при выпаривании под атмосферным давлением, увеличивается полезная разность температур (движущая сила процесса, что позволяет уменьшить поверхность нагрева в аппарате и сокращает время процесса. Хотя выпаривание под вакуумом требует дополнительного оборудования (вакуум-насос, конденсатор и т.д.) и расход теплоты на испарение несколько возрастает, этот способ широко применяют для концентрирования высококипящих и легко разлагающихся растворов. При выпаривании под атмосферным давлением вторичный парне используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным. При выпаривании под повышенным давлением возможно использование вторичного пара для выпаривания в других корпусах с меньшим давлением и для других теплотехнических целей. В этом случае пар, отбираемый на сторону, называется экстрапаром. Для экономии греющего пара применяют многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса используется в качестве греющего в последующем. При этом давление в последовательно соединенных 3 1 корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить достаточную разность температур между кипящим раствором и греющим паром в каждом корпусе. В многокорпусных установках свежий греющий пар подается только в первый корпус. Все последующие корпусы используют вторичный пар, в результате чего достигается значительная экономия пара. Основные характеристики процесса выпаривания Концентрацией раствора называется масса твердого вещества, растворенного в 1 кг раствора. При выпаривании последнего его концентрация повышается от н дока его масса уменьшается от н кг док кг. Так как растворенное вещество практически нелетучее, разность н – к равна количеству выпаренного растворителя, те н – к = W или G н = к + W. (Из материального баланса по растворенному веществу в исходном и концентрированном растворах следует: G н X н =G к X к . (Тогда количество выпаренного растворителя, которое необходимо, равно = н X н /X к ). (Температура кипения раствора является важным параметром процесса при выпаривании и зависит от химической природы и количества растворенных твердых веществ и растворителя, а также от давления над раствором ??? + ? ?? + ?? + = ? t ??? , (где t кип – температура кипения раствора, град; Т – температура вторичного пара, град – температурная депрессия, град – гидростатическая депрессия, град гидравлическая депрессия, град. Температурная депрессия равна разности между температурами кипения раствора и кипения чистого растворителя при одинаковом давлении t . (Значения ? ? , полученные опытным путем, приводятся в справочной литературе. Опытные значения температурной депрессии обычно приводятся при атмосферном давлении. Величину ? ? при любом давлении можно получить, пользуясь уравнением И.А.Тищенко: ??? 2 2 10 62 , 1 ?? ? = ?? ? r ? , (где атм температурная депрессия при атмосферном давлении, о С; 3 1 Т, r – температура кипения чистого растворителя (К) и его теплота испарения (кДж/кг) приданном давлении. Если экспериментальные данные о величине ? ? для данного раствора отсутствуют, то значения температурной депрессии могут быть приближенно вычислены по правилу Бабо, согласно которому относительное изменение давления пара Р 2 /Р 1 над разбавленным раствором данной концентрации есть величина постоянная, независящая от температуры кипения раствора , те 2 = = ?? ? ?? ? ? ? ? , (где Р – давление насыщенного пара чистого растворителя при той же температуре; Р 2 – давление пара раствора. Зная температуру кипения t 2 раствора при некотором давлении Р 2 , находим давление пара чистого растворителя Р при той же температуре и рассчитываем константу К t ? 2 1 2 ? ?? ? ?? Для заданного давления 2 P ? над раствором определяем давление пара чистого растворителя и по таблицам – соответствующую ему температуру 2 t? , которая и является температурой кипения раствора при заданном давлении. Так как температура чистого растворителя при указанном давлении известна – 1 t ? , то температурная депрессия составит 2 t t ? ? ? = ?? . (Гидростатическая депрессия ?? ? обусловлена повышением температуры кипения раствора, связанного с гидростатическим давлением столба жидкости в кипятильных трубках. Для расчета находим давление Р в среднем поперечном сечении кипятильных труб, равное сумме давлений вторичного пара Р вт.п и гидростатического – ?Р ср столба жидкости на середине высоты Н трубы, (где ? – средняя плотность парожидкости. Допуская, что величина равна половине плотности чистого раствора, получим. (Подавлению Р с помощью таблиц насыщенного пара растворителя определяем t р. Разностью температур t р , соответствующей данному давлению, и вторичного пара Т определяем величину гидростатической депрессии 3 1 5 ? t ? = ? ?? ? . (Гидравлическая депрессия обусловлена гидравлическими сопротивлениями (трения и местными сопротивлениями, которые должен преодолеть вторичный пар при его движении главным образом через сепарационные устройства, брызгоотделитель и паропроводы. Вызванное этим уменьшение давления вторичного пара приводит к некоторому снижению его температуры насыщения. В среднем величина ??? ? может быть принята равной о С. 14.3. Однокорпусные выпарные установки Однокорпусная выпарная установка включает лишь один выпарной аппарат, в который поступает греющий пари исходный раствор, в результате выпаривания получаются концентрированный раствори вторичный пар. Рассмотрим принципиальную схему одиночного непрерывно- действующего выпарного аппарата с внутренней центральной циркуляционной трубой (рис. Материальный баланс аппарата составляется по уравнениям) – (Для вывода уравнения теплового баланса введем обозначения: Д – расход греющего пара, кг/с; Рис. 14.1. Схема устройства одно- корпусного выпарного аппарата – нагревательная камера – сепаратор – кипятильные трубы – циркуляционная труба брызгоотделитель Аппарат состоит из нагревательной камеры 1 и сепаратора 2. Камера и сепаратор могут быть объединены водном аппарате или камера может быть вынесена и соединена с сепаратором трубами. Камера обогревается обычно водяным паром, поступающим в ее межтрубное пространство. Поднимаясь по трубам 3, выпариваемый раствор нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе. Освобожденный от брызги капель в брызгоотделителе 5 вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора. Часть жидкости опускается по циркуляционной трубе 4 под нижнюю трубную решетку греющей камеры. Вследствие разности плотностей раствора в циркуляционной трубе 4 и парожидкостной эмульсии в трубах греющей камеры жидкость циркулирует по замкнутому контуру. Упаренный раствор удаляется через штуцер в середине аппарата 3 1 6 i вт , i г, i н, i к – энтальпии вторичного и греющего паров, исходного и упаренного растворов соответственно, Дж/кг, причем i = С – теплоемкость потока, t – температура потока. Приход тепла: с исходным раствором – н нс греющим паром – Д г Расход тепла: с упаренным раствором – к i к , с вторичным паром – Wi вт , с паровым конденсатом – Д п.к = Д t п.к , теплота концентрирования – Q конц , потери тепла в окружающую среду – Q п Соответственно уравнение теплового баланса имеет вид i G ?i i G + + + + = + (или в более расширенном виде t C G ?i t C G + + + + = + . (Рассматривая исходный раствор как смесь упаренного раствора и упаренного растворителя, можем записать (14.14) или ? ? ? ? ? W? C G C G + = Отсюда ? ? ? ? ? W? C G C G ? = . (Подставляя (14.15) в (14.13), после преобразований получим уравнения для определения количества тепла, подводимого с греющим паром, те. получим тепловую нагрузку Q выпарного аппарата t C G ?t i ? t C G Q + + ? + ? = = ? + = . (Первый член уравнения G н C н (t кн расход тепла в аппарате на испарение исходного раствора до температуры кипения, второй расход тепла на испарение растворителя из раствора. Теплота концентрирования выражает тепловой эффект концентрирования раствора, которая равна разности интегральных теплот растворения исходного и концентрированного растворов, взятой с обратным знаком. Из уравнения (14.16) можно, пренебрегая величинами конц и Q п , оценить теоретический расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (например, воды. Если принять, что исходный раствор поступает в аппарат, предварительно подогретый до температуры кипения, те. t н = t ка конденсат греющего пара отводится из аппарата при температуре конденсации, то t C i t ? i W ? W ? = ? ? = ? ? ? ? ?? ?.? ? , (14.17) 3 1 где r w , r д – скрытая теплота парообразования вторичного и греющего пара соответственно, Дж/кг. Это означает, что на 1 кг выпаренной воды надо затратить 1 кг греющего пара. Практически с учетом потерь тепла удельный расход греющего пара повышается и составляет ч кг/кг воды. Передача тепла от греющего пара к кипящему раствору происходит через поверхность труб греющей камеры. Эту поверхность определяют из основного уравнения теплопередачи, (где Q – тепловая нагрузка, вычисленная по уравнению (14.16), Вт; К – коэффициент теплопередачи, рассчитываемый по общему уравнению (см. гл. 11), Вт/(м 2 •град); ? t пол – движущая сила процесса, которая при выпаривании назвается полезной разностью температур, град. Полезная разность температур ? t пол представляет собой разность температур конденсации Т д греющего пара и кипения t к раствора. (14.19) 14.4. Многокорпусные выпарные установки Выше было указано, что в однокорпусном аппарате на выпаривание 1 кг воды требуется более 1 кг греющего пар. Расход греющего пара значительно снижается, если процесс проводят в многокорпусных выпарных установках. Принцип действия ее сводится к многократному использованию теплоты греющего пара, поступающего в первый корпус установки путем обогрева каждого последующего корпуса вторичным паром из следующего корпуса. Многокорпусная выпарная установка, работающая при прямоточном движении пара и раствора, представлена на рис. Рис. 14.2. Многокорпусная прямоточная вакуум-выпарная установка, 2, 3 – выпарные аппараты 4 – подогреватель исходной смеси – барометрический конденсатор 6 – ловушка 7 – вакуум-насос; 8 – насос – барометрический ящик 10 – центробежный насос 3 1 Исходный раствор, подлежащий выпариванию, подается центробежным насосом 8 в подогреватель раствора 4. В этом аппарате раствор нагревают до температуры кипения и подают в первый аппарат 1 установки. Теплообменной поверхностью подогревателя являются трубы, обогреваемые со стороны межтрубного пространства насыщенным водяным паром. Раствор, находящийся внутри труб, кипит и частично выпаривается. Вторичный пар, поступающий в верхнюю часть аппарата сепарационное пространство, отделяется от брызги поступает в межтрубное пространство аппарата 2 для выпаривания раствора в этом аппарате. Частично выпаренный в аппарате 1 раствор поступает самотеком в аппарат 2. Образовавшийся в межтрубном пространстве аппарата 1 конденсат через конденсатоотводчик удаляется из аппарата. Аналогично процессы выпаривания протекают в аппаратах 2 и 3. По мере прохождения из корпуса в корпус давление и температура пара понижаются и из последнего корпуса пар выходит с низкими параметрами, поэтому его дальнейшее использование нецелесообразно. Из последнего корпуса 3 вторичный пар направляется в барометрический конденсатор 5, где, смешиваясь с водой, конденсируется, и, пройдя барометрическую трубу через барометрический ящик 9, в виде смеси конденсата и воды выбрасывается в канализацию. Поскольку вместе с водой, подаваемой на охлаждение в конденсатор, поступает растворенный вводе атмосферный воздух, выделяющийся из раствора при нагревании, барометрический конденсатор соединяется с вакуум–насосом 7, откачивающим скапливающиеся неконденсирующиеся газы. Выпаренный до заданной концентрации раствор откачивается из последнего корпуса 3 центробежным насосом В этой схеме благодаря уменьшению давления от корпуса к корпусу раствор перемещается самотеком и количество перетекающего раствора регулируется установленными на трубопроводах запорными устройствами. Температуры кипения растворов от корпуса к корпусу понижаются за счет уменьшения давления. При этом раствор, поступающий из каждого предшествующего корпуса, попадая в аппарат с меньшим давлением, оказывается перегретым, в результате чего происходит процесс самоиспарения. Под процессом самоиспарения понимают частичное испарение раствора за счет его перегрева в том случае, когда раствор попадает в аппарат с уменьшенным давлением. Исходный раствор предварительно нагревают в подогревателе 4 до температуры кипения, чтобы выпарной аппарат использовался рационально. При отсутствии этого подогревателя, очевидно, пришлось бы увеличить необходимую поверхность нагрева в аппарате Необходимое условие работы каждого аппарата – наличие полезной разности температур между греющим паром и кипящим 3 1 раствором в данном корпусе. Эта разность создается за счет того, что поступающий в корпус 1 греющий пар имеет относительно высокие параметры ( ? и t), а из последнего корпуса пары уходят в конденсатор с низкими параметрами. Это позволяет создавать разности температур между греющим паром и кипящим раствором в отдельных корпусах. Рассмотренная схема многокорпусной выпарной установки с параллельной подачей пара и раствора в последующие корпуса достаточно удобна в эксплуатации и широко используется. В некоторых случаях применяют противоточную схему движения пара и раствора (рис. 14.3). Как показано на рисунке, греющий пар поступает в корпус 1 и далее вторичный пар каждого корпуса подается в качестве греющего в последующие корпуса. Исходный раствор поступает не в первый корпус, как в прямоточной установке, а в последний и движется противотоком навстречу пару, достигая конечной заданной концентрации в корпусе 1. Такое движение растворов возможно только в том случае, если между корпусами 1 – 2, 2 – 3 установлены насосы, которые подают раствор из аппарата с меньшим давлением в аппараты с большим давлением. Рис. 14.3. Многокорпусная противоточная выпарная установка, 2, 3 – выпарные аппараты 4, 5, 6, 7 – насосы При работе по противоточной схеме пар, греющий первый корпус и имеющий наиболее высокую температуру, нагревает выходящий концентрированный раствор до более высокой температуры, чем в рассмотренной ранее схеме. Это позволяет выпаривать растворы до более высоких концентраций и предотвращать выпадение кристаллов на поверхности нагрева, снижающих коэффициент теплопередачи. Кроме того, по такой схеме выпаривают растворы, вязкость которых резко возрастает с увеличением концентрации, уменьшая их вязкость. Недостаток указанной схемы – наличие насосов, перекачивающих кипящие, как правило, агрессивные жидкости. Это вызывает затруднение при эксплуатации таких установок, а также дополнительный расход энергии на перекачивание 3 2 В некоторых случаях применяется схема соединения корпусов многокорпусной выпарной установки, в которой греющий пар поступает в первый корпуса вторичный пар – из корпуса в корпус. Исходный раствор подается в каждый корпус установки, а упаренный – отбирается из каждого корпуса. На промышленных установках аппараты соединены трубопроводами так, чтобы их можно было собирать в различные схемы. Так, два первых корпуса могут быть включены параллельно, а остальные корпуса последовательно. Применяют и другие варианты соединения аппаратов, что позволяет эксплуатировать аппараты в наиболее благоприятных режимах даже при изменяющихся условиях (концентрация исходного раствора, производительность и т.д.). Материальный баланс для многокорпусной установки составляют на основе материального баланса однокорпусного выпарного аппарата (см. уравнения (14.1) – (Рассмотрим материальный баланс трехкорпусной выпарной прямоточной установки: для первого корпуса 1 ? ? ? G ? G W G G (для второго корпуса 2 ? 1 ? 2 ? ? G ? G ? G W G G G (для третьего корпуса (При совместном решении уравнений (14.20) – (14.22) можно определить концентрации растворов на выходе из каждого корпуса 2 1 ? ? ? 2 1 ? ? ? 1 ? ? ? ? 3 ? 2 ? 1 ? – ? ? ? = = ? ? = = (На основе теплового баланса многокорпусной выпарной установки составляют, пользуясь уравнением (14.16), для однокорпусного выпарного аппарата уравнение тепловых балансов корпусов: первый корпус – 1 ? 1 ???? 1 1 ? 1 ? ? ? ? 1 ) ( Q Q r W t t ? G ?r Q W + + + ? = = , (второй – 2 ? 2 ???? 2 2 1 ? 2 ? 2 ? 2 ? 1 1 2 ) ( Q Q r W t t C G r W Q W W + + + ? = = , (третий – 3 ? 3 ???? 3 3 2 ? 3 ? 3 ? 3 ? 2 2 3 ) ( Q Q r W t t C G r W Q W W + + + ? = = , (где С н , С н2 , С н3 – удельные теплоемкости по корпусам 3 2 1 t н, t к, t к, t к – температура исходного раствора и температуры кипения растворов по корпусам, r W2 , r W3 – удельная теплота парообразования (конденсации) вторичного пара по корпусам; Q конц1 , конц, конц – теплота концентрирования раствора по корпусам; Q п1 , п, п – потери тепла в окружающую среду по корпусам. Потери тепла в окружающую среду по корпусам равны ч от Q 1 , Q 2 , Q 3 соответственно. Выражения тепловых балансов изменяются в соответствии со схемой движения потоков греющего пара и раствора в многокорпусной установке. Из уравнений теплового баланса определяют расходы греющего пара и тепловые нагрузки корпусов. Общая полезная разность температур и ее распределение по корпусам Общая разность температур в многокорпусной выпарной установке определяется разностью между температурами пара, греющего первый корпус Т гр.п , и пара, поступающего в барометрический конденсатор t б.конд : ?.???? ??.? ??? t ? t ? = ? . (Потери общей разности температур в многокорпусной выпарной установке определяются суммой потерь по корпусам. Общая суммарная полезная разность температур для всех корпусов ??t пол определяется как общая разность температур, |