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

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 =  * F * ^{ t /} _

где  - коэффициент теплопроводности материала;

F - площадь поверхности теплообмена;

t - разность температур;

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

Таким образом, движущей силой теплообмена является разность температур, т.е. эффективность теплопередачи тем выше, чем больше t. Из представленного соотношения также очевидно, что количество предаваемого тепла (Q) возрастает с увеличением коэффициента теплопроводности , зависящего от природы теплопроводящего материала. Так, для воздуха  = 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 =  F t

Коэффициент теплопередачи () зависит от многих факторов: плотности подвижной фазы, скорости потоков, их теплопроводности и теплоемкости. Так, при естественной конвекции в воде  = 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.