Подробно о конденсации в вакуумных системах
Конденсация в вакуумных системах
Конденсация в вакуумных системах - это процесс, обратный испарению, который представляет собой сближение молекул при их переходе из газообразного состояния в жидкое. Для физиков конденсация - это переход к движению молекулы с меньшей энергией. Поэтому конденсация всегда проходит с выделением энергии. Эта энергия выделяется в виде тепла конденсации, которое необходимо рассеять. На процессах вакуумного испарения и вакуумной конденсации основана работа вакуумно-выпарных установок, которые широко применяются для концентрирования различных растворов, суспензий и эмульсий в перерабатывающей промышленности.
Каждая жидкость имеет давление пара, которое увеличивается с повышением температуры. Когда температура ненасыщенного (перегретого) пара снижается, конденсация начинается при температуре насыщения (температуре точки росы), соответствующей фактическому давлению пара.
Теплота конденсации, равная теплоте испарения, должна отводиться во время конденсации. Удельная теплота конденсации зависит от температуры, например, для воды при температуре 25 °C теплота конденсации примерно на 10% выше, чем при температуре 100 °C. Если пар не насыщен (согласно условию, заданному диаграммой давления пара), но имеет более высокую температуру, т. е. пар перегрет, то необходимо отводить и перегрев. Для проведения процесса конденсации в промышленности используется специальное оборудование, которое называется конденсатором пара.
Типы конденсаторов пара
В принципе, классификацию конденсаторов пара можно упростить до разницы между конденсаторами прямого контакта и поверхностными конденсаторами. Первый тип характеризуется смешиванием теплоносителя с конденсируемым паром; во втором типе поверхности разделяют охлаждающую жидкость и пар.
Часто конденсаторы прямого контакта имеют внутренние конструкции для лучшего распределения охлаждающей жидкости, чтобы ее поверхность была как можно большей. В распылительных конденсаторах для хорошего распределения охлаждающей жидкости используются форсунки.
Конденсаторы прямого контакта чаще всего изготавливаются как противоточные конденсаторы. Однако бывают случаи, когда используют прямоточное течение, например, если инертно-паровую смесь не следует переохлаждать слишком сильно, то компоненты экстрагируемого продукта будут образовывать твердые вещества; здесь принцип прямотока может дать преимущества. Поскольку в прямоточных конденсаторах пары движутся сверху вниз под действием силы тяжести и в том же направлении, что и охлаждающая жидкость, потери давления меньше, и можно реализовать более высокие скорости потока или для работы достаточно меньших поперечных сечений. Однако в прямоточных конденсаторах экстрагируемая смесь контактирует с нагретым теплоносителем, температура на выходе выше, чем у противоточных конденсаторов; следовательно, необходимо добиться большего массового расхода. Иногда для основной конденсации используют прямоточный конденсатор, чтобы сделать габариты как можно меньшими, а после противоточного конденсатора — для переохлаждения выхлопной смеси.
Преимуществами конденсации прямого контакта являются низкая закупочная цена и максимально эффективное использование охлаждающей жидкости. С помощью конденсаторов прямого контакта можно поднять температуру охлаждающей жидкости почти до температуры кипения конденсата без необходимости строить чрезвычайно большой конденсатор. Это связано с тем, что коэффициенты теплопередачи при такой прямой теплопередаче очень высоки. Поэтому необходим меньший расход охлаждающей воды, чем при использовании поверхностных конденсаторов. Кроме того, другими преимуществами являются их нечувствительность к загрязнению, высокая эксплуатационная надежность и простота обслуживания.
Самым большим недостатком конденсатора смешения является тот факт, что конденсат пара смешивается с теплоносителем. Такое смешивание допустимо только в том случае, если конденсат безвреден и подлежит удалению после использования. Для всех остальных применений необходимо использовать поверхностные конденсаторы.
У поверхностных конденсаторов поверхность конденсации обычно образована трубками, по которым теплоноситель (обычно охлаждающая вода) течет со скоростью от 0,4 до 2 м/с. Пар обычно течет вокруг труб, поскольку при такой конструкции можно обеспечить достаточное поперечное сечение для большого объемного потока пара. Это позволяет одновременно достигать как высоких скоростей охлаждающей воды, так и больших поперечных сечений пара.
Если пары приходится конденсировать в вакуумном процессе при давлении ниже тройной точки, то это можно сделать без предварительного повышения давления только в виде твердых веществ. Для десублимации паров используются переключающие конденсаторы. В первый конденсатор всегда будет загружен продукт, а во втором продукт расплавится. Для этой процедуры, естественно, требуется подходящий хладагент, обычно рассол или испаряющийся хладагент процесса охлаждения. Например, во время процесса сублимационной сушки используются такие ледяные конденсаторы, поскольку водяной пар должен удаляться из замороженного продукта при температуре примерно -20 °C и конденсироваться в виде льда при давлении примерно 1 мбар.
Контроль вакуума в конденсаторах пара
В конденсационной установке вакуум зависит от нескольких факторов: массового расхода продуктового пара и его состава (при наличии нескольких компонентов), загрязнения конденсатора, массового расхода и температуры охлаждающей жидкости. Это входные данные, которые могут варьироваться. К фиксированным значениям относятся, например, поверхность теплообмена, конструкция конденсатора и типоразмер вакуумного насоса. Эти вещи невозможно изменить быстро. Если необходим контроль, например, для поддержания постоянного вакуума, следует сначала рассмотреть, какие переменные будут меняться и влиять на вакуум. Затем необходимо подумать о том, как эти параметры можно сохранить постоянными, или, если это невозможно, нужно искать переменные, которые можно изменить, чтобы исключить или сгладить отклонения. В большинстве случаев подходящей переменной является скорость потока охлаждающей жидкости. В общем, на вакуум можно влиять, изменяя условия конденсации. Если возможно, лучшим вариантом будет изменить переменную, которая оказывает наибольшее влияние на условия конденсации.
Подключение конденсаторов пара
Очень распространенной схемой подключения конденсаторов является барометрическая установка, метод, при котором насос для извлечения жидкости из-под вакуума не требуется. Конденсатор устанавливают на такой высоте над уровнем слива жидкости, чтобы разница давлений между вакуумом внутри конденсатора и атмосферным давлением компенсировалась столбом жидкости. Высота этого барометрического участка также должна преодолевать сопротивление потоку. Высота между выпуском конденсата в конденсаторе и уровнем поверхности жидкости в сборном резервуаре может быть рассчитана исходя из необходимой разницы давлений и удельного веса жидкости.
Например, для воды высота 11 м подходит для давления в конденсаторе 100 мбар или менее. Важно, чтобы сливные трубы имели подходящий уклон и не представляли собой комбинацию вертикальных и горизонтальных участков.
Если для барометрической установки недостаточно высоты, необходимо установить насос. Обычно такой насос контролируется по уровню жидкости сверху, чтобы всегда было жидкостное уплотнение, предотвращающее приток воздуха. Альтернативно, обратный клапан должен быть установлен на напорной стороне насоса, но тогда необходимо предвидеть кавитацию, если дренажная труба конденсатора полностью опорожняется насосом. Сборные резервуары также используются для сбора конденсата в вакууме с выгрузкой по мере необходимости. Для непрерывной работы необходимы два или более чередующихся резервуара, а также необходимо учитывать связь с атмосферой и дренаж.
Если необходимо опорожнить несколько конденсаторов с разным давлением, возможна «полубарометрическая» установка с закрытым сборным резервуаром вместо открытого резервуара. В этом резервуаре существует временный вакуум, поэтому используется заданная высота и требуется только один сливной насос.