Способ нагрева и испарения жидких сред
METHOD FOR HEATING AND EVAPORATION OF LIQUID MEDIA

Изобретение относится к области химической технологии и касается технологии нагрева и испарения жидких, в том числе коррозионноактивных, сред.
Коррозионно-активные опасные среды, в частности кислоты, щелочи, их смеси и растворы, широко применяются в промышленности, от добычи полезных ископаемых и их аффинажа до производства металлов и фармацевтических препаратов. В том или ином виде указанные области промышленности включают стадии нагрева и испарения рабочих сред.
Современные химические теплообменные аппараты для коррозионно-активных сред представлены, в основном, кожухотрубчатыми и кожухоблочными теплообменниками, в которых энергия передается от промежуточного теплоносителя. Основным барьером применения данных теплообменных аппаратов для процесса нагрева и испарения коррозионно-активных сред является выбор конструкционных материалов и связанная с этим сложная конструкция аппаратов, влияющая на их ресурс, низкую эффективность и ремонтопригодность. Эксплуатируемое теплообменное оборудования для работы с коррозионно-активными опасными средами характеризуются высокими массогабаритными параметрами, технологические полости должны подвергаться химической защите путем футерования (гуммирования), либо изготавливаться из химически стойких материалов (графиты, карборунд, специальные полимеры).
Применение футерованных металлических элементов, ровно как и использование полимерных конструкционных материалов в современных химических аппаратах приводит к резкому снижению эффективности процессов теплопереноса из-за низкого коэффициента теплопроводности полимеров. Единственным способом повышения производительности указанного оборудования является увеличение площади теплообмена, приводящее к соответствующему росту массогабаритных характеристик и материалоемкости.
Указанные особенности современных химических теплообменных аппаратов, включая сложность изготовления и технического обслуживания, приводит к значительной капиталоемкости аппаратурного оформления и снижению технико-экономических параметров химических производств.
2
2
Известен способ [RU 2601007 C2] испарения фтористоводородной кислоты (далее - ФВК), а также частичного разделения газовой смеси HF-HO при контакте ФВК с углеродным телом, предварительно разогретым до температуры более 1000 К. Разделение смеси HF-HO протекает за счет реакции «водяного газа» с образованием смеси водорода и углекислого газа, что приводит к косвенному обогащению начальной смеси по фтористому водороду. Недостатками данного способа являются: значительные энергозатраты процесса на испарение ФВК, а также на нагрев графита и поддержание требуемой температуры; протекание реакции «водяного газа» ведет к потенциальной пожаровзрывоопасности способа.
Известен способ [JP 5765994 B2] получения водяного пара для приготовления пищи, в котором индукционно нагреваемые металлические стержни жестко скреплены планкой-держателем и погружены в строго определенное количество воды.
Данный способ применяется только для испарения воды. Ввиду применения металлических нагревательных элементов, способ не применим для нагрева и испарения химически чистых коррозионно-активных сред. Жесткое крепление нагреваемых элементов приводит к дополнительным тепловым и механическим напряжениям, что снижает эксплуатационные свойства и надежность данного способа.
Известен способ [RU 2263418 С2] нагрева текучих сред с применением индукционного нагревателя. В данном индукционном нагревателе, содержащем плоский ферромагнитный сердечник со стержнями, на которых намотана первичная обмотка, соединенная с источником переменного тока, и индуктивно связанную с первичной обмоткой через сердечник электропроводящую вторичную обмотку, являющуюся теплообменником для нагрева текучей среды, снабженным патрубками для входа и выхода нагреваемой среды.
Данный способ не применим для работы с коррозионно-активными опасными средами. Применение вторичной обмотки в виде электропроводящего трубчатого элемента, являющегося также корпусом теплообменника, ведет к применению металлических конструкционных материалов, не стойких к воздействию нагретых и кипящих коррозионно-активных опасных сред. Применение металлических конструкционных материалов неизбежно ведет к образованию продуктов взаимодействия с рабочими средами и их загрязнению, что является недопустимым для производства чистых химических соединений. Кроме того, применение вторичной обмотки в виде электропроводящего трубчатого элемента, являющегося также корпусом теплообменника, ведет к снижению эффективности способа за счет потери энергии в окружающую среду помимо нагрева рабочей среды.
Известен способ [SU 1697280 A1] нагрева текучей среды с применением индукционно нагреваемого ферромагнитного элемента, вращающегося на валу электропривода. Способ направлен на механическую принудительную интенсификацию перемешивания и нагрева рабочей среды, принимающей энергию от вращающегося ферромагнитного элемента, нагреваемого генерируемым электромагнитным полем.
Реализация данного способа заключается в следующем. При подаче переменного напряжения на индукционную обмотку, намотанную вокруг металлического корпуса аппарата, возникают электромагнитные пульсирующие поля. Под влиянием электромагнитного поля в ферромагнитном тепловыделяющем элементе, расположенном внутри корпуса, образуются вихревые токи, приводящие к разогреву этого элемента.
Ферромагнитный тепловыделяющий элемент, находясь во вращательном состоянии посредством внешнего привода обеспечивает передачу тепловой энергии к текучей рабочей среде, подаваемой в аппарат.
Указанный способ, как наиболее близкий по технической сущности и протекаемым физическим явлениям, выбран в качестве прототипа заявляемого изобретения.
Индукционный нагреватель текучих сред в способе-прототипе обладает рядом недостатков.
Во-первых, многие технологические процессы включают стадии испарения рабочих сред, однако данный теплообменник и способ интенсификации теплопередачи позволяет только нагревать, но не испарять текучие среды, что значительно ограничивает область применения способа.
Во-вторых, ввиду уменьшения ферромагнитных свойств материалов при нагреве [Н.П. Иванов, В.В. Жилинский. Химия сплавов. - URL: https.7/www.belstu.by/Portals/0/userflles/70/Химия%20сплавов//Himiya-splavov.pdf, 2012. - 116 с. ], а также отсутствия неметаллических ферромагнитных материалов, отвечающим требованиям высокой коррозионно-стойкости и отсутствия загрязнения рабочей среды продуктами коррозии, применение ферромагнитных металлических нагреваемых элементов, а также металлических конструкционных материалов, является неприемлемым для работы с коррозионно-активными химически чистыми средами.
В-третьих, согласно теории распространения электромагнитных полей [А.Н. Матвеев. Электричество и магнетизм. - М.: Высшая школа, 1983. - 463 с.] в скин-слое выделяется основная (более 80%) тепловая энергия при воздействии электромагнитного поля. Вследствие отсутствия учета скин-слоя нагреваемого элемента и применения ферромагнитного материала, магнитовосприимчивость которого уменьшается при нагреве, способ направлен на интенсификацию теплопередачи, необходимость в которой отсутствует при заявляемом способе.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются создание технологии нагрева и испарения жидких, в том числе коррозионно-активных, сред, а также увеличение ресурса эксплуатации конструкционных элементов оборудования, ремонтопригодности аппаратов и обеспечение химической чистоты рабочей среды.
Данные задачи решаются за счет осуществления процесса нагрева и испарения жидких, в том числе коррозионно-активных, сред, который реализуется за счет использования внешнего электромагнитного поля и индуктивно связанного диамагнитного неметаллического сердечника, восприимчивого к полю и погруженного в рабочую среду.
Внешнее электромагнитное поле индуцирует вихревые токи в сердечнике. За счет возникающих вихревых токов в сердечнике возникают омические потери и выделяется тепловая энергия. Индукционно нагреваемый сердечник передает тепловую энергию рабочей среде, в которую он погружен, вследствие чего последняя нагревается и испаряется.
Погружение индуктивно связанного диамагнитного неметаллического сердечника, восприимчивого к внешнему электромагнитному полю, непосредственно в рабочую среду, согласно настоящему заявляемому способу, способствует повышению эффективности нагрева и испарения рабочей среды.
Одновременное сочетание оптимально рассчитанных между собой индуктивно связанного диамагнитного неметаллического сердечника, с учетом толщины скин-слоя, и устройства генерации внешнего электромагнитного поля обеспечивает равномерное тепловыделение по всему объему сердечника. При этом обеспечивается достижение температуры индуктивно связанного сердечника близкой к температуре кипения рабочей среды (при использовании заявляемого способа в режиме испарения). Реализация заявляемого способа исключает достижение кризиса кипения и переход от пузырькового к пленочному режиму кипения, характеризуемого уменьшением теплоотдачи от сердечника к рабочей среде и возникновением локальных перегревов с последующим разрушением сердечника и конструкционных элементов.
Отличиями заявленного способа являются:
во-первых, данный способ обеспечивает реализацию нагрева и испарения жидких, в том числе коррозионно-активных, сред;
во-вторых, рабочая среда размещается в емкости изготовленной из материала, стойкого к рабочей среде при рабочих параметрах и прозрачного для внешнего электромагнитного поля. В результате данного подхода рабочая среда не реагирует с конструкционными материалами, обеспечивается нагрев и испарение жидких, в том числе коррозионно-активных, рабочих сред с сохранением их химической чистоты;
в-третьих, в качестве сердечника применяется диамагнитный неметаллический материал, не обладающий эффектом ослабления магнитовосприимчивости при нагреве в условиях настоящего способа, а также обеспечивающий требуемую химическую чистоту рабочей среды;
в-четвертых, способ передачи энергии внешнего электромагнитного поля к сердечнику, выполненному из диамагнитного неметаллического материала, восприимчивому к данному полю и погруженному в рабочую среду, обеспечивает снижение потерь энергии в окружающую среду помимо нагрева рабочей среды, при этом достигается температура нагреваемого сердечника близкая к температуре рабочей среды. Указанное отличие позволяет снизить тепловые и механические напряжения конструкционных элементов, а также повысить эффективность заявляемого способа нагрева и испарения жидких сред.
Подробное описание заявляемого способа приведено на примере нагрева и испарения ФВК.
Безводный фтористый водород (далее - БФВ) применяется для производства элементарного фтора, фторопластов, фреонов, неорганических соединений фтора. ФВК находит широкое применение для получения многочисленных неорганических фторидов. Наиболее важным является применение ФВК и БФВ для производства титана, фторида алюминия, криолита, тетрафторида и гексафторида урана, без которых невозможно существование современного авиастроения, алюминиевой промышленности и атомной энергетики. Кроме того, ФВК применяется при вскрытии концентратов и руд редко-земельных элементов [Зайцев В.А., Новиков А.А., Родин В.И. Производство фтористых соединений при переработке фосфатного сырья. - М.: Химия, 1982. - 248 с.], при добыче нефти и ее переработке.
Особенностями работы с ФВК являются ее чрезвычайно высокая коррозионно-активность и токсичность, что, соответственно, сопровождается сложностью подбора конструкционных материалов стойких к ФВК при рабочих параметрах. Жидкий фтористый водород энергично взаимодействует не только основными, но и со многими кислотными окислами, кислородными кислотами и их солями, образуя комплексные кислоты или их соли [Рысс И.Г. Химия фтора и его неорганических соединений. - М.: Госхимиздат, 1956. - 718 с.]. Применение стекол, традиционных металлических, включая монель-металл и другие никелево-медные сплавы, а также композитных конструкционных материалов не представляется возможным для реализации технологических процессов с применением ФВК.
В рамках примера описания заявляемого способа, исходя из физико-химических свойств ФВК, используется емкость, изготовленная из фторопласта, первичная обмотка представлена медной катушкой, обвитой вокруг емкости, вторичная обмотка представлена графитовым блоком (индуктивно связанный диамагнитный неметаллический сердечник). Для исключения колебаний сердечника и перегрева емкости, предусмотрены элементы для установки, центрирования и фиксации графита. В качестве источника внешнего электромагнитного поля может использоваться установка индукционного нагрева, включающая трансформаторно-согласующее устройство и частотный преобразователь.
В рамках апробации заявляемого способа нагрева и испарения жидких, в том числе коррозионно-активных, сред, подтверждена возможность стабильного испарения фтористоводородной кислоты, являющейся одним из наиболее коррозионно-активных соединений, применяемых в современной промышленности.
Обеспечена передача энергии от внешнего электромагнитного поля через фторопластовый корпус к индуктивно связанному графитовому сердечнику, погруженному в ФВК, с последующим ее нагревом и испарением.
Достигнутый КПД заявляемого способа на примере испарения ФВК составил 71%, что значительно превосходит показатели современных устройств для испарения коррозионно-активных опасных сред.
Подтверждено отсутствие влияния на химическую чистоту рабочей среды при реализации заявляемого способа.
Изобретение не ограничивается приведенным примером. Возможны и другие варианты использования заявляемого способа в пределах объема предложенной формулы изобретения.
Заявляемый способ расширяет технологические возможности химической промышленности, обеспечивает эффективный и безопасный нагрев и испарение жидких, в том числе коррозионно-активных, сред без влияния на их химическую чистоту.