I.3. Теплообмен (нагревание, охлаждение и конденсация)

А б в г

Рисунок 3

Для узкогорлых сосудов используют лопастные (рис. 3,в) или проволочные мешалки, однако их эффективность мала. Очень мощными и удобными в работе являются мешалки, изготовленные из тефлоновой трубки.

Магнитные мешалки (рис. 3,д) часто используют в лабораторных синтезах, особенно при необходимости перемешивания в закрытом сосуде. Якорь из металла, заключенного в стеклянную, полиэтиленовую или тефлоновую оболочку, приводится в движение вращением сильного постоянного магнита. Мешалки такого рода очень удобны, однако их мощность невелика и в вязких реакционных массах они часто останавливаются.

Перемешивание в самом простом случае осуществляется вручную при помощи палочки, однако для продолжительных реакции используют электрические двигатели с мешалками. Частоту вращения при этом обычно регулируют при помощи лабораторных автотрансформаторов.

При всех преимуществах электродвигателей ни обычно не заземлены и поэтому возможно искрение (например, при работе в легковоспламеняющимися жидкостями), в качестве двигателя используют турбинки, приводимые в движение напором воды или газа.

Нагревание и охлаждение относится к операциям, наиболее часто используемым в синтезе. Температура влияет на скорость химической реакции и даже их результатам. Подводом и отводом тепла также достигают изменения агрегатного состояния вещества (плавление, испарение, возгонка, конденсация и проч.).

Теплопередача осуществляется посредством теплопроводности, конвекции и излучением. Принято считать, что теплопроводность представляет собой обмен тепловой энергией между неподвижными частицами, например, в стеклянной стенке колбы или в неподвижном слое газа. Конвекция представляет собой передачу тепла посредством движения и перемешивания потоков жидкостей или газов, а также обмен энергией между потоками и неподвижной поверхностью. Излучением называют передачу тепла лучами с длиной волны в диапазоне 1-300 мкм. Количество тепла (Q), передаваемого по механизму тепло-проводности, зависит от ряда факторов:

Q = l * F * ^{D t /} _d

где l - коэффициент теплопроводности материала;

F - площадь поверхности теплообмена;

Dt - разность температур;

d - толщина слоя (или стенки), через который проводится тепло.

Таким образом, движущей силой теплообмена является разность температур, т.е. эффективность теплопередачи тем выше, чем больше Dt. Из представленного соотношения также очевидно, что количество предаваемого тепла (Q) возрастает с увеличением коэффициента теплопроводности l, зависящего от природы теплопроводящего материала. Так, для воздуха l = 5,8 * 10 ^-5, для воды - 1,4 * 10 ^-3, для стекла - 2,0 * 10 ^-3, для меди - 0,92 кал/с * см * град.

Теплообмен между неподвижной твердой поверхностью и потоками жидкости или газа может осуществляться как естественным движением потоков (естественная конвекция), так и путем механического перемешивания (принудительная конвекция).

Для конвективной теплопередачи справедливо следующее соотношение:

Q = a F Dt

Коэффициент теплопередачи (a) зависит от многих факторов: плотности подвижной фазы, скорости потоков, их теплопроводности и теплоемкости. Так, при естественной конвекции в воде a = 2,0 * 10 ^–2, а при принудительной - 1,5 * 10 ^–1

кал/с * см² * град.

Обычно теплопередача в процессе теплообмена осуществляется обоими способами. Так, даже при очень интенсивном движении жидкости или газа к твердой стенке «прилипает» тонкий неподвижный слой среды (называемой ламинарным), в котором теплопередача осуществляется исключительно за счет теплопроводности. Поскольку же теплопроводность газов и большинства жидкостей очень мала, ламинарный слой создает наибольшее сопротивление теплопередаче между фазами, обменивающимися теплом.

Таким образом, на передачу тепла при нагревании, охлаждении, а также конденсации паров оказывает влияние множество факторов и успешное осуществление этих операций зависит от правильности выбора режима теплообмена, природы теплоносителя, скорости его потоков. Конструкции прибора и проч.

Экономия энергии и материалов, представляющаяся важной в промышленных процессах, не играет большой роли в лабораторных синтезах, где определяющим фактором почитается эффективность (быстрота и точность) достижения необходимой температуры.

Дата добавления: 2017-02-01