Введение к работе
Актуальность темы В настоящее время значительное внимание уделяется разработке тех видов техники и технологии, которые обеспечивают существенную экономию сырьевых, энергетических и трудовых ресурсов. Потребление электроэнергии в химической промышленности с каждым годом возрастает и составляет несколько миллиардов кВт-часов в год. Невозможно представить современную химическую промышленность без производств получения фосфора, карбида кальция, кремния, а также установок для разделения смесей методом ректификации и упаривания растворов. Тепловые процессы в данных производствах относятся к наиболее энергоемким видам потребителей. Доля энергии на термообработку, от всех затрат, в наиболее распространенных процессах составляет около 30 %, а в некоторых -достигает 45 % и более.
Одним из главных мероприятий по совершенствованию технологических процессов является интенсификация нагрева. При снижении времени нагрева снижаются тепловые потери и, следовательно, повышается КПД. В связи с этим, важное значение приобретает развитие и совершенствование технологий и установок с прямым электрическим нагревом. Замена топливного нагрева на электронагрев, лишь на 1 % в масштабе страны, может дать экономию энергоресурсов около 1 млн. кВт-часов в год, т.е. электронагрев является энергосберегающей технологией.
Поиск режимов, позволяющих интенсифицировать технологический процесс, а также разработка установок имеющих высокий КПД, является актуальной задачей. Прямой электронагрев обладает в 5-10 раз большей скоростью нагрева и в 2-3 раза большей удельной мощностью, чем во всех других случаях при передаче тепла через поверхность. Данная работа посвящена дальнейшему исследованию закономерностей прямого электронагрева и его применению в процессах химической технологии. Это особенно актуально в связи с высокими требованиями, предъявляемыми к энерготехнологиям, ужесточившимися в последние годы.
Работа выполнялась в соответствии с координационным планом НИР, утвержденным приказом Минвуза № 738 от 26.01.1987 г., по программе «Исследование, моделирование, оптимизация и разработка аппаратуры для процессов растворения и выпаривания».
РОС НЛииОМЛ.чіН'Мі БИБЛИОТЕКА СПетс-рбург -—-1
оэ гсоКоктЪ ^
Цель работы - разработка технологических схем, оборудования и методик расчета процессов с прямым электронагревом растворов.
Задачи исследований
-
Исследование электрических и энергетических характеристик камер прямого электронагрева растворов с большим и малым удельным электрическим сопротивлением и их сравнение с греющими камерами других типов: с нагревом тепловым излучением и камер обогреваемых жидкостью через теплопередающую стенку.
-
Исследование характеристик электродных греющих камер и разработка методик их расчета. Проверка полученных результатов на лабораторных установках.
-
Исследование влияния процессов электрохимического окисления металлов на работу электродной группы и выбор наиболее устойчивых материалов для электродов.
-
Разработка и испытание электроконвектора с греющей камерой прямого электронагрева и сравнение параметров его работы, при замене греющей камеры на камеру косвенного электронагрева.
-
Разработка процесса прямого электронагрева отработанных сернокислотных растворов в кубе ректификационной колонны для их регенерации и получения чистой серной кислоты.
-
Изучение процесса прямого электронагрева жидкого экстракта валерианы, для получения густого экстракта, как продукта промышленной технологии.
Научная новизна
1. Установлен эффект интенсификации тепловых и массообменных процессов в аппаратах с прямым электрическим нагревом, работающих на переменном токе промышленной частоты, в широком диапазоне удельных сопротивлений растворов - от десятков ом-метров до сотен тысяч ом-метров.
2. Предложена эмпирическая расчетная формула, отражающая взаимосвязь электрического сопротивления электродной греющей камеры коаксиального типа и её геометрических параметров. Формула достоверна в диапазоне от 30 Омм до 15 10 Омм удельных электрических сопротивлений растворов, на ее" основе разработана методика расчета электродных греющих камер с коаксиальным расположением электродов.
-
Установлено, что в растворах серной кислоты монокристаллический кремний, как материал для электродов, имеет минимальную скорость коррозии, которая не превышает Г1 (У3 миллиметров в год.
-
Обнаружено положительное воздействие переменного электрического тока на выход валепотриатов из экстракта валерианы при его выпаривании в аппарате с прямым электронагревом.
Практическая ценность 1. Впервые изучена электропроводность экстрактов валерианы в зависимости от температуры. Проведенные исследования позволили создать технологию выпаривания экстракта валерианы в аппарате с прямым электрическим нагревом.
-
Изучена коррозионная стойкость и состав продуктов коррозии конструкционных и электродных материалов в различных средах в условиях наложенного переменного электрического тока и даны рекомендации по применению материалов. В частности, для прямого электронагрева растворов серной кислоты рекомендованы кремниевые электроды, а для растворов с рН близким к семи - никелевые.
-
Для уменьшения габаритов куба ректификационной колонны, при нагреве растворов с высокой электропроводностью, предложено выполнять его с перегородками - лабиринтного типа- Это позволяет выдержать расчетное межэлектродное расстояние и допустимую плотность тока на электродах.
-
Разработаны и изготовлены лабораторные установки, позволяющие применять принцип прямого электронагрева для исследования процессов нагревания, выпаривания и ректификации растворов различного состава.
-
Разработана конструкторско-технологическая документация на электроконвектор электродного типа мощностью 700 Вт, снабженный устройством «фаза-ноль», показывающим правильность подключения фазного провода.
Апробапия работы. Основные результаты работы докладывались на XV Всесоюзной конференции "Химическая технология неорганических веществ", Казань, 1991; Выставке-конференции "Электроэнергетика в социальном развитии села", Москва, 1993; Региональной научно-практической конференции молодых ученых, Томск, 1994; Научно-практической конференции, посвященной 100-летию ТПУ, Томск, 1996; II Областной конференции "Молодежь и наука: проблемы и перспективы", Томск, 1998; II Всероссийской научной конференции "Химия и химическая
технология на рубеже тысячелетий", Томск, 2002; IX Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность", Томск, 2003.
Автор защищает 1. Обобщенные экспериментальные результаты по исследованию интенсифицирующего воздействия прямого электрического нагрева на процессы нагревания и выпаривания электропроводных растворов в широком диапазоне изменения их удельных сопротивлений.
-
Экспериментальные данные по исследованию характеристик и методику расчета электродных греющих камер коаксиального типа.
-
Исследования и выбор конструкционных и электродных материалов для различных сред в условиях наложенного переменного электрического тока промышленной частоты 50 Гц.
-
Аппаратурно-технологическое оформление процессов с прямым электронагревом растворов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, перечня использованной литературы из 105 наименований и приложения. Работа содержит 150 страниц, 41 рисунок и 22 таблицы.
