Теоретические основы процесса теплопередачи

Передача тепла от одного тела к другому или между различными точками пространства может быть осуществлена тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводность. Процесс передачи тепла при непосредственном соприкосновении тел или отдельных частей одного тела, имеющих разные температуры, называется теплопроводностью.

Механизм переноса тепла теплопроводностью зависит от агрегатного состояния тела. В жидкостях и твердых телах – диэлектриках – передача тепла осуществляется в результате обмена энергией теплового движения атомов и молекул между соседними частицами. В металлах теплоперенос осуществляется главным образом в результате диффузии свободных электронов. В газах теплопроводность обусловлена как обменом энергией при соударении молекул и атомов, так и их диффузией.

Количество тепла, которое передается теплопроводностью, пропорционально разности температур теплообменивающихся тел. Например, при движении по трубам теплообменника нефть получает тепло от более нагретого потока через стенку трубы в результате теплопроводности.

Конвекция. Перенос тепла из одной точки пространства в другую за счет движения среды из области с одной температурой в область с другой температурой называется конвекцией. При этом суммарный перенос тепла определяется как теплопроводностью среды, так и законами ее движения.

Различают вынужденную и свободную конвекцию. В первом случае перемещение среды обусловлено каким-либо внешним источником, например насосом, вентилятором и т.п.; во втором случае – разностью плотностей холодных и нагретых участков среды.

Вблизи нагретой поверхности плотность среды меньше, что обусловлено более высокой температурой. тогда как в других частях плотность выше. Поэтому у поверхности нагрева наблюдается восходящий поток нагретой среды и нисходящий поток более холодной среды в удалении от нагретой поверхности. Поскольку явление конвекции связано с перемещением частиц среды одной относительно другой, его рассматривают в газах и жидкостях, включая расплавленные металлы.

Примером свободной конвекции является нагревание (охлаждение) жидкостей в резервуарах и емкостях. При принудительном движении жидкостей насосом в тех же случаях имеем принудительную конвекцию.

Теплообмен излучением. Под теплообменом излучением понимают процесс переноса тепла, обусловленный превращением энергии движения молекул тела в лучистую энергию. Количество излучаемой энергии определяется температурой тела, состоянием его поверхности, свойствами тела. Излучаемая нагретым телом энергия передается другим телам. При этом часть лучистой энергии частично

отражается от поверхности тела, ее воспринимающего, частично поглощается телом, а частично проходит сквозь тело. Поглощенная лучистая энергия превращается вновь во внутреннюю энергию, т. е. идет на повышение температуры тела.

Тело, отражающее все падающие на него лучи, называется абсолютно белым, а поглощающее все лучи – абсолютно черным. Прозрачные или диатермические тела полностью пропускают всю лучистую энергию.

Основные законы излучения получены для абсолютно черного тела в условиях теплового равновесия.

В промышленных аппаратах различные способы передачи тепла сопутствуют друг другу. Так, нагрев нефтепродукта в трубчатой печи связан с излучением тепла от нагретых продуктов сгорания к стенке трубы, передачей тепла теплопроводностью через стенку трубы и вынужденной конвекцией внутри трубы.

Основным законом теплопроводности является закон Фурье, который формулируется следующим образом: количество тепла Δ Q, переданное в единицу времени через элемент поверхности Δ F, пропорционально градиенту температуры :

1.3 Назначение конденсатора – холодильника

Конденсаторы предназначены для конденсации паров нефтепродуктов, следовательно, в процессе теплообмена физическое состояние одного из потоков (парового) претерпевает изменение: пар превращается в конденсат. Поэтому условия передачи тепла (температура потока, коэффициент теплопередачи) резко изменяются вдоль поверхности теплообмена.

Отличают следующие характерные участки теплообмена: охлаждение перегретых паров до температуры начала конденсации, собственно конденсацию и охлаждение конденсата. Первый участок характеризуется большим перепадом температур и малым коэффициентом теплопередачи, второй участок – незначительным перепадом температур и максимальным коэффициентом теплопередачи. На третьем участке условия работы такие же, как при обычном теплообмене между двумя жидкими средами.

1.4 Технологическая схема и её описание

Исходная смесь из промежуточной емкости 13 центробежным насосом 12 подается в теплообменник 1, где подогревается до температуры кипения насыщенным водяным паром. Нагретая смесь поступает на разделение в реакционную колонну 2 на тарелку питания (верхнюю тарелку исчерпывающей части колонны), где смешивается с флегмой из укрепляющей зоны.

Стекая вниз по колонне жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 11. В результате этого из жидкости удаляется легколетучий компонент. Пар, обогащенный НК, поднимается вверх по колонне и поступает в дефлегматор 3. Из дефлегматора сконденсировавшийся пар поступает распределительный стакан 4, где конденсат разделяется на два потока: один (флегма) возвращается на орошение колонны, второй (дистиллят) поступает в холодильник дистиллята 5 и далее в промежуточную емкость 7.

Из кубовой части колонны непрерывно отводится кубовый остаток продукт, обогащенный ВК, который охлаждается в теплообменнике 6 и направляется в емкость 9.

Подогреватель исходной смеси и кипятильник обогреваются насыщенным холодным паром, образовавшийся конденсат возвращается на ТЭЦ.

Охлаждающая вода нагревается в холодильниках и дефлегматоре и поступает для охлаждения на градирню. После охлаждения вода возвращается в цикл.

В рассмотренной схеме не учитывается возможность рационального использования теплоты.

Схема автоматизирована. Основными регулируемыми параметрами являются: 1) состав жидкости в верхней и нижней частях колонны; 2) расход и температура исходной смеси; 3) давление в верхней части колонны; 4) температура и уровень жидкости в кубе.

Стабилизация состава жидкости в верхней части колонны осуществляется путем изменения расхода флегмы, в нижней части колонны - расходом греющего пара.

Расход исходной смеси стабилизируется при помощи регулятора расхода.

Диафрагма и исполнительное устройство этого регулятора устанавливаются до теплообменника, так как после нагрева исходной смеси до температуры кипения поток жидкости в теплообменнике содержит паровую фазу, что нарушает работу диафрагмы и исполнительного устройства.

Если исходная смесь поступает в колонну с меньшей температурой чем температура кипения, то ее нужно подогреть парами, идущими из нижней части колонны. Конденсация паров при этом увеличивается, что нарушает весь режим процесса ректификации. Поэтому температура исходной смеси стабилизируют изменением расхода пара, подаваемого в подогреватель 1.

Стабилизация давления в верхней части колонны необходима не только для поддержания заданного состава целевого продукта, но и для обеспечения нормального гидродинамического режима колонны. Давлением стабилизируется путем изменения подачи охлаждающей воды, подаваемой в дефлегматор.

При уменьшении температуры жидкости в кубе при помощи регулятора температуры увеличивается расход пара в кипятильнике. Уровень жидкости в кубе стабилизируется путем изменения расхода кубового остатка.

Схемой предусмотрена стабилизация уровней жидкости в сборниках.

В процессе ректификации контролируются расходы, давления, температуры технологических потоков при помощи контрольно-измерительных приборов (КИП).