Химическая технология, ч. 1. - Гончаров А.И
Скачать (прямая ссылка):
Умовно відрізняють: помірне охолодження — від кімнатної температури до—100° C і глибоке охолодження — до температур, нижчих за— 100° С. В свою чергу, глибоке охолодження поділяють на: глибоке охолодження від— 100 до — 218° С, кріогенне охолодження від 40 до 272,7° C (0,3 K) та ультранизьке охолодження до 272,99998 (0,00002 К).
Глибоким холодом користуються для зрідження повітря при добуванні N2, O2 та Ar, а також для виділення H2 з коксового газу, C2H4 з газів крекінгу вуглеводнів та ін.
Термодинамічні основи одержання низьких температур. Як відомо з термодинаміки, перенесення тепла з нижчого температурного рівня на вищий супроводиться зменшенням ентропії і тому не може відбуватися самочинно. Для того щоб здійснити такий процес, його необхідно поєднати з іншим процесом, який відбувається із зростанням ентропії, тобто витратою енергії, що компенсує її зменшення в процесі віднімання тепла від середовища з більш низькою температурою.
У холодильних установках процес перенесення тепла від середовища з нижчою температурою до середовища з вищою температурою здійснюється за допомогою робочого тіла, яке називають холодильним агентом, або холодоагентом.
В процесах штучного охолодження зниження температури холодильного агента, який є переносником тепла, відбувається за допомогою випарювання низькокиплячих рідин і розширення різних попередньо стиснутих газів. Гази можна розширити, пропускаючи їх через дросельний вентиль. При цьому розширення газу відбувається ізоентальпійно і без виконання зовнішньої роботи. При розширенні газу з детандері — машині, побудованій подібно до поршневого компресора або турбокомпресора, процес охолодження відбувається адіабатично і з виконанням зовнішньої роботи.
Випаровування низькокиплячих рідин. Для виробництва холоду використовують випаровування різних рідин, які мають низькі температури кипіння (звичайно, нижчі за 0°С). Під час випарову-
вання такі рідини охолоджуються внаслідок зменшення ентальпії до температури кипіння при тиску випаровування. Так, якщо рідкий NH3 випаровується притиску 106 Па, то його температура знижується до — 34° C — температури кипіння NH3 при даному тиску. Якщо NH3 випаровується при підвищених тисках, температура його кипіння підвищується і це можна використати для охолодження.
Дроселювання газів. Робота, яка виконується газом під час дроселювання, витрачається на подолання тертя в отворі дросельного вентиля і переходить в тепло, внаслідок чого процес розширення відбувається без зміни ентальпії (ізоентальпійно).
При розширенні ідеального газу без виконання зовнішньої роботи і обміну з навколишнім середовищем температура газу не змінюється. Згідно з законом Джоуля, енергія ідеального газу залежить тільки від температури і не залежить від об'єму і тиску газу.
При адіабатичному розширенні ідеального газу з виконанням зовнішньої роботи робота відбувається внаслідок зміни внутрішньої енергії, і температура газу знижується. Температуру, до якої охолоджується газ, визначають за формулою
k— і
T3 = T1 * , (115)
де T2 і T1 — кінцева і початкова температура, К; P2 і P1 — кінцевий
і початковий тиск, Па; k = — відношення теплоємності газу
при сталому тиску до теплоємності при сталому об'ємі.
Якщо реальний газ з високою температурою перебуває під дуже малим тиском, то можна знехтувати об'ємом молекул і їх взаємним притяганням. Такий газ підлягає законам Бойля — Маріотта, Гей-Люсака, Дальтона, Авогадро та Джоуля. Реальні ж гази цим законам не підлягають, і відхилення від них тим більше, чим нижча температура і вищий тиск.
З запропонованих рівнянь стану реальних газів найпростішим є рівняння Ван дер Ваальса
(р +-?r) (V-6) = ЯГ, (116)
де — внутрішній тиск реального газу, зумовлений взаємним
притяганням молекул, ат; b — об'єм, що не стискається.
При розширенні реального газу без виконання зовнішньої роботи і теплообміну з навколишнім середовищем виконується робота на подолання сил притягання між молекулами, внаслідок чого температура газу знижується. Температура змінюється також внаслідок впливу сил притягання і власного об'єму молекул. Залежно від параметрів початкового і кінцевого стану газ може охолодитись, нагрітись або зберегти початкову температуру.
Відношення нескінченно малої зміни температури до нескінченно малої зміни тиску, що викликає цю зміну температури, називається
Таблиця 4. Зниження температури (в °С) при дроселюванні повітря (рк — кінцевий надлишковий тнск, Па)
Початкова температура,
Початковий тиск рп • 10—s
Па
50
100
ISO
200
"G
Pk
дг
Pk •
Д(
РК • Ю—
Д(
Pk • W-"5
M
+30
0
10,3
0
20,0
0
27,3
0
34,0
—10
0
14,8
0
28,4
0
40,5
0
50,3
-50
0
21,9
0
43,8
0
61,2
0
72,7
—90
0
34,2
0
69,6
18,3
60,6
26,4
54,3
— 130
0
9,6
34
13,6
35,2
13,8
35,9
12,6
диференційним ефектом розширення
Якщо температура при розширенні газу знижується, то диферен-ційний ефект розширення позитивний, а якщо температура підвищується, то він негативний. Інтегруючи диференційний ефект між початковою температурою при P1 і кінцевою температурою при р2, матимемо значення інтегрального ефекту розширення
