Проект теплообменного аппарата для конденсации паров метилового спирта и воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: Проект теплообменного аппарата для конденсации паров метилового спирта и воды



Физико-химические основы процесса конденсации метилового спирта и воды. Виды конденсации. Как проходит процесс метилового спирта и воды

Конденсация (от позднелат. condensatio - уплотнение, сгущение) - переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твердое при критических параметрах; фазовый переход первого рода. Конденсация - экзотермический процесс, при котором выделяется теплота фазового перехода - теплота конденсация. Конденсированная фаза может образовываться в объеме пара или на поверхности твердого тела и жидкости, имеющих более низкую температуру, чем температура насыщения пара при данном давлении. Конденсация происходит при изотермическом сжатии, адиабатическом расширении и охлаждении пара или одновременном понижении его давления и температуры, которое приводит к тому, что конденсированная фаза становится термодинамически более устойчивой, чем газообразная. Если при этом давление и температура выше, чем в тройной точке для данного вещества, образуется жидкость (сжижение), если ниже - вещество переходит в твердое состояние, минуя жидкое (десублимация).

Конденсация широко применяется в хим. технологии для разделения смесей посредством конденсации фракционной, при сушке и очистке веществ и др., в энергетике, например в конденсаторах паровых турбин, в холодильной технике для конденсация рабочего тела, в опреснительных установках и др. При конденсации паров в узких порах адсорбентов последние могут поглощать значительное количество веществ из газовой фазы. Следствие конденсации водяного пара в атмосфере - дождь, снег, роса, иней.

Конденсация в жидком состоянии. В случае конденсации в объеме пара или парогазовой смеси (гомогенная конденсация) конденсированная фаза образуется в виде мелких капель жидкости (тумана) или мелких кристаллов. Для этого необходимо наличие центров конденсации, которыми могут служить очень мелкие капельки жидкости (зародыши), образующиеся в результате флуктуации плотности газовой фазы, пылинки и частицы, несущие электрические заряд (ионы). При отсутствии центров конденсация пар может в течение длительного времени находиться в так называемом метастабильном (пересыщенном) состоянии. Устойчивая гомогенная конденсация начинается при так называемом критическом пресыщении П_кp=p_к/p_н где р_к - равновесное давление, соответствующее критическому диаметру зародышей, р_н - давление насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости (напр., для водяного пара в воздухе. очищенном от твердых частиц или ионов. П_кр=5-8). Образование тумана наблюдается как в природе, так и в технологических аппаратах, например при охлаждении парогазовой смеси вследствие лучеиспускания, смешении влажных газов.

Конденсация на поверхности твердого тела насыщенного или перегретого пара происходит при температуре поверхности, которая меньше, чем температура насыщения пара при его равновесном давлении над ней. Наблюдается во многих промышленных аппаратах, которые служат для конденсация целевых продуктов, подогрева различных сред, разделения паровых и парогазовых смесей, охлаждения влажных газов и т.д. При сжижении пара на поверхности твердого тела, хорошо смачивающейся конденсатом, образуется сплошная пленка жидкости (пленочная конденсация); на поверхности, не смачивающейся конденсатом или смачивающейся частично, - отдельные капли (капельная конденсация); на поверхности с неоднородными свойствами (напр., на полированной металлической с окисленными загрязненными участками) - зоны, покрытые пленкой конденсата и каплями (смешанная конденсация).

При пленочной конденсации чистых паров неметаллов коэффициент теплоотдачи определяется в основном термическим сопротивлением пленки конденсата, которое зависит от режима ее течения. Последний в случае практически неподвижного пара определяется числом Рейнольдса пленки:



Rе_пл=wd/v_к,

где w, d - соотв. средняя по сечению скорость и толщина пленки конденсата, v_к - кинематич. вязкость конденсата. Для конденсация на вертикальной пластине или трубе при Rе_пл менее 5-8 течение пленки чисто ламинарное, при превышении этих значений Rе_пл - ламинарно-волновое, при Re_пл>>350-400 - турбулентное. На вертикальных поверхностях значительные высоты могут наблюдаться области с разл. режимами течения пленки конденсата. При ламинарном течении увеличение Re_пл с возрастанием толщины пленки приводит к уменьшению коэф. теплоотдачи, при турбулентном течении - к его увеличению. Если пар перегрет, конденсация сопровождается конвективной теплоотдачей от пара к конденсату, температура поверхности которого практически равна температуре насыщения при давлении пара. Для веществ с большой теплотой конденсация (напр., вода, спирты) теплота перегрева обычно незначительна по сравнению с теплотой конденсация, и ею можно пренебречь.

В случае пленочной конденсации движущегося пара касательное напряжение на поверхности раздела фаз, обусловленное межфазным трением и переносом импульса частицами сконденсировавшегося пара, которые присоединяются к пленке конденсата, вызывает при нисходящем потоке пара увеличение скорости и уменьшение толщины пленки, в результате чего коэф. теплоотдачи увеличивается. При более высоких скоростях парового потока воздействие его на пленку конденсата может приводить не только к изменению ее скорости и толщины, но и к возмущению течения (образование волн, турбулизация), интенсифицирующему теплоперенос в пленке. Если поток пара направлен вверх, движение ламинарной пленки конденсата тормозится, толщина ее увеличивается и коэф. теплоотдачи уменьшается по мере возрастания скорости пара до тех пор, пока действие межфазного трения не вызовет т. наз. обращенное (направленное вверх) течение пленки конденсата.

При конденсации движущегося пара внутри трубы (канала) режимы течения и характер взаимодействия паровой и жидкой фаз могут значительно изменяться в результате изменения по мере образования конденсата скорости пара, касательного напряжения трения на межфазной поверхности и Re_пл. При больших скоростях пара (когда действие силы тяжести на пленку конденсата пренебрежимо мало и течение ее определяется в осн. силой трения) местные и средние по длине трубы коэф. теплоотдачи не зависят от пространств. ориентации трубы. Если силы тяжести и трения соизмеримы, условия конденсация определяются углом наклона трубы и взаимным направлением движения фаз. В случае конденсация внутри горизонтальной трубы и малой скорости пара кольцевая пленка конденсата образуется только на верх, части внутренней поверхности трубы. На ниж. части возникает "ручей", в зоне которого в результате относительно большой толщины слоя жидкости теплоотдача значительно менее интенсивна, чем на остальном участке поверхности.

В случае конденсации на пучке горизонтальных труб расход стекающего конденсата увеличивается сверху вниз вследствие натекания конденсата с вышележащих труб на нижележащие, а расход пара по пути его движения снижается. В пучке с постоянным или относительно немного уменьшающимся по высоте живым сечением между трубами скорость нисходящего потока пара постепенно снижается, а конденсат натекает с верх, труб на нижние. Вначале это приводит к уменьшению местных коэффициента теплоотдачи (осредненных по периметру труб) при увеличении отсчитываемого сверху номера горизонтального ряда труб. Однако, начиная с некоторого ряда, в результате натекания конденсата течение пленки возмущается и ее термическое сопротивление снижается. Благодаря этому коэффициенты теплоотдачи могут стабилизироваться, а при возрастающем воздействии возмущения течения пленки на ниж. трубках - увеличиваться с возрастанием номера ряда.

Интенсификация теплоотдачи при пленочной конденсации может достигаться профилированием ее поверхности (напр., применением т, наз. мелковолнистой поверхности), которое способствует уменьшению средней толщины пленки конденсата, созданием на поверхности искусств, шероховатости, приводящей к турбулизации пленки, воздействием на нее при диэлектрической жидкой фазе (напр., при конденсация хладонов) электростатическим полем, отсосом конденсата через пористую поверхность и др. При конденсации паров жидких металлов теплопроводность жидкой фазы весьма высока. Поэтому доля термич. сопротивления пленки конденсата в суммарном сопротивлении передаче тепла незначительна, и определяющим оказывается межфазное термич. сопротивление, обусловленное молекулярно-кинетич. эффектами на границе раздела фаз. Иногда пленочная конденсация на поверхности сопровождается гомогенная конденсация в прилегающем к поверхности раздела фаз слое пара. Если образование тумана при этом нежелательно (напр., в производстве H₂SO₄ нитрозным способом или при улавливании летучих растворителей), процесс проводят при максимальном пересыщении пара ниже П_кр.

При капельной конденсация первичные мелкие капли, образовавшиеся на сухой вертикальной или наклонной поверхности, растут в результате продолжения процесса, слияния близко расположенных и касающихся друг друга капель и подтягивания к ним возникающей между каплями и быстро разрывающейся тонкой пленки конденсата. Капли, достигшие "отрывного" диаметра, стекают вниз, объединяясь (коалесцируя) с нижележащими мелкими каплями, после чего на освободившейся поверхности опять образуются мелкие капли, и цикл повторяется. Условия, определяющие самопроизвольное возникновение капельной конденсация, наблюдаются редко. Обычно же для осуществления капельной конденсация на твердую поверхность наносят тонкий слой лиофобизатора - вещества, обладающего низким поверхностным натяжением и несмачиваемого конденсатом (напр., жиры, воски). В случае капельной конденсация коэффициент теплоотдачи намного выше (в 5-10 раз и более), чем при пленочной. Однако поддержание в условиях эксплуатации промышленных аппаратов устойчивой капельной конденсация затруднительно. Поэтому конденсац. устройства хим. промышленности, как правило, работают в режиме пленочной конденсация

Конденсация пара на поверхности жидкости того же вещества происходит в технол. аппаратах на поверхности подаваемых в объем пара диспергированных (напр., с помощью распылит, форсунок) струй или стекающих по насадке тонких пленок жидкости. Диспергирование или распределение жидкости на тонкие пленки позволяет сильно развить поверхность контакта фаз. В ряде случаев конденсация наблюдается при поступлении пара в объем жидкости в виде струй или пузырьков (барботаж), а также при образовании паровых пузырьков в объеме жидкости, например при кавитации.

Конденсация пара из смеси его с неконденсирующимися газами (или неконденсирующимися при данной температуре парами) на поверхности твердого тела или жидкости менее интенсивна по сравнению с конденсация чистого пара. Поскольку при конденсация из парогазовой смеси температура и парциальное давление (концентрация) пара в ее осн. массе выше, чем на твердой поверхности, в прилегающем к последней слое смеси (при движении смеси - в пограничном слое) происходит совместный тепло- и массообмен. Если пар неподвижен, даже незначит. содержание в нем газа приводит к резкому снижению интенсивности конденсация По мере увеличения скорости (числа Рейнольдса Re_см) парогазовой смеси влияние газа на интенсивность процесса постепенно ослабляется.

При конденсации паров из многокомпонентных смесей (паровых или парогазовых) в газовой фазе также происходят взаимосвязанные тепло- и массоперенос. При этом эффективный коэф. теплопроводности смеси и эффективные коэф. диффузии ее отдельных компонентов определяются природой и концентрациями др. компонентов. В случае гомог. смеси конденсатов на поверхности твердого тела происходит только пленочная конденсация, в случае гетерогенной - смешанная. Напр., при конденсация бинарной смеси водяного пара и орг. вещества на твердой поверхности образуется жидкая пленка этого вещества, покрывающаяся каплями влаги.

Десублимация. В данном процессе конденсированная (твердая) фаза не может стекать с поверхности твердого тела и толщина ее слоя непрерывно возрастает. Поэтому процесс нестационарный и скорость его постепенно снижается. При проведении конденсация в глубоком вакууме (средняя длина своб. пробега молекул соизмерима с характерным размером аппарата), например, при разделении паровых или очистке парогазовых смесей необходимо учитывать изменения механизма и закономерностей тепло- и массопереноса. Это приводит к изменению условий конденсация чистых паров и паров, содержащих примеси неконденсирующихся газов.

Виды конденсации

Соотношения для разных видов конденсации выведены на основе опытных данных, а также статистической физики и термодинамики.

Конденсация насыщенных паров

При наличии жидкой фазы вещества конденсация происходит при сколь угодно малых пересыщениях и очень быстро. В этом случае возникает подвижное равновесие между испаряющейся жидкостью и конденсирующимися парами. Уравнение Клапейрона -- Клаузиуса определяет параметры этого равновесия -- в частности, выделение тепла при конденсации и охлаждение при испарении.

Конденсация перенасыщенного пара

Наличие перенасыщенного пара возможно в следующих случаях:

· отсутствие жидкой или твёрдой фазы того же вещества.

· отсутствие ядер конденсации -- взвешенных в атмосфере твёрдых частиц или капелек жидкости, а также ионов (наиболее активные ядра конденсации).

· конденсация в атмосфере другого газа -- в этом случае скорость конденсации ограничена скоростью диффузии паров из газа к поверхности жидкости.

Прибор ядерной физики -- камера Вильсона -- основана на явлении конденсации на ионах.

При отсутствии ядер конденсации пересыщение может достигать 800--1000 и более процентов. В этом случае конденсация начинается во флуктуациях плотности пара (точках случайного уплотнения вещества).

Конденсация ненасыщенного пара

Конденсация ненасыщенного пара возможна в присутствии порошкообразных или твёрдых пористых тел. Кривая (в данном случае вогнутая) поверхность изменяет равновесное давление и инициирует капиллярную конденсацию.

Конденсация в твёрдую фазу

Конденсация, минуя жидкую фазу, происходит через образование мелких кристалликов (десублимация). Это возможно в случае давления паров ниже давления в тройной точке при пониженной температуре.

Теплообменные процессы

Теплообменники - аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим.

Теплоносители - вещества, участвующие в процессе передачи тепла.

Нагревающие агенты - теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда, и отдающие тепло.

Охлаждающие агенты - теплоносители, имеющие более низкую температуру, чем среда, от которой они воспринимают тепло.

По способу охлаждения различают конденсаторы:

1. Конденсаторы смешивания. В них пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой и получаемый конденсат смешивается с последней. Конденсацию проводят тогда, когда конденсируемые пары не представляю ценностей. Для улучшения теплообмена между водой и паром поверхность соприкосновения между ними увеличивают путем распределения воды в паровом пространстве в виде капель, струек. В зависимости от способа отвода воды, конденсата и неконденсирующихся газов конденсаторы делятся на: а) Сухие (барометрические) - вода и конденсат удаляются совместно самотеком, а газы откачиваются отдельно посредство сухого вакуум- насоса. б) Мокрые - вода, конденсат и газы откачиваются одним и тем же мокро-воздушным вакуум- насосом

2. Поверхностные конденсаторы. В них тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на внешних или внутренних поверхностях труб, омываемых с другой стороны водой или воздухом. Получаемый конденсат и охлаждающий агент отводятся из конденсатора раздельно, и конденсат, если он представляет ценность, может быть использован. Поверхностные конденсаторы зачастую применяют в тех случаях, когда снижение и охлаждение конечного продукта, получаемого, например в виде перегретого пара, являются завершающей операцией производственного процесса.

Поверхностные конденсаторы более металлоемки, чем конденсаторы смешения, а следовательно, более дороги и требуют больших расходов охлаждающего агента. Это объясняется тем, что стенка, разделяющая участвующие в теплообмене среды, оказывает добавочное термическое сопротивление. Это вызывает необходимость повышения средней разности температур.

В качестве поверхностных конденсаторов могут применяться трубчатые или оросительные холодильники - конденсаторы.

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников.

1. Поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена - глухую стенку.

2. Теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

3. Регенеративные теплообменники, в которых нагрев жидкости сред происходит за счет их соприкосновения с ранее нагретыми твердыми телами - насадкой, заполняющей аппарат, периодически нагреваемой другим теплоносителем. Их используют крайне редко.

В химической технологии теплообменники применяются изготовленные из различных металлов, а так же и неметаллов. Выбор их диктуется в основном его коррозионной стойкостью и теплопроводностью, причем конструкция существенно зависит от свойств выбранного материала.

Конструкция теплообменников должна отличаться простотой, удобством монтажа и ремонта. Конструкция теплообменника должна обеспечить возможно меньше загрязнение поверхности теплообмена и быть легко доступной для осмотра и чистки.

Трубчатые теплообменники

Кожухотрубчатые теплообменники. Эти теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. Кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции, который состоит из корпуса, или кожуха 1, и приваренных к нему трубных решеток 2. В трубных решетках закреплен пучок труб 3.

К трубным решеткам крепятся (на прокладках и болтах) крышки 4.

В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая II -- в межтрубном пространстве.

Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, -- в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или охлаждении.

Кроме того, при указанных направлениях движения сред достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата. В противном случае, например при подаче более холодной (нагреваемой) среды свержу теплообменника, более нагретая часть жидкости, как более легкая, может скапливаться в верхней части аппарата, образуя «застойные» зоны.

Трубы в решетках обычно равномерно размещают по периметрам правильных шестиугольников, т. е. по вершинам равносторонних треугольников, реже применяют размещение труб по концентрическим окружностям.

В отдельных случаях, когда необходимо обеспечить удобную очистку наружной поверхности труб, их размещают по периметрам прямоугольников. Все указанные способы размещения труб преследуют одну цель -- обеспечить, возможно, более компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата. В большинстве случаев наибольшая компактность достигается при размещении трубок по периметрам правильных шестиугольников.

Трубы закрепляют в решетках чаще всего развальцовкой, причем особенно прочное соединение (необходимое в случае работы аппарата при повышенных давлениях) достигается при устройстве в трубных решетках отверстий с кольцевыми канавками, которые заполняются металлом трубы в процессе ее развальцовки. Кроме того, используют закрепление труб сваркой, если материал трубы не поддается вытяжке и допустимо жесткое соединение труб с трубной решеткой, а также пайкой применяемой для соединения главным образом медных и латунных труб. Изредка используют соединение труб с решеткой посредством сальников допускающих свободное продольное перемещение труб и возможность их быстрой замены. Такое соединение позволяет значительно уменьшить температурную деформацию труб, но является сложным, дорогим и недостаточно надежным.

Теплообменник - одноподовый. При сравнительно небольших расходах жидкости скорость ее движение в трубах таких теплообменников низка, и следовательно, коэффициенты теплоотдачи невелики. Для увеличения последних при данной поверхности теплообмена можно уменьшить диаметр труб, соответственно увеличив их высоту (длину). Однако теплообменники небольшого диаметра и высоты неудобны для монтажа, требуют высоких помещений и повышенного расхода металла на изготовление деталей, не участвующих непосредственно в теплообмене (кожух аппарата). Поэтому более рационально увеличивать скорость теплообмена путем применения многоходовых теплообменников.

В многоходовом теплообменнике корпус, трубные решетки, укрепленные в них трубы и крышки идентичны.

С помощью поперечных перегородок 5, установленных в крышках теплообменника, трубы разделены на секции, или ходы, по которым последовательно движется жидкость, протекающая в трубном пространстве теплообменника. Обычно разбивку на ходы производят таким образом, чтобы во всех секциях находилось примерно одинаковое число труб.

Вследствие меньшей площади суммарного поперечного сечения труб, размещенных в одной секции, по сравнению с поперечным сечением всего пучка труб, скорость жидкости в трубном пространстве многоходового теплообменника возрастает (по отношению к скорости в одноходовом теплообменнике) в число раз, равное числу ходов. Так, в четырехходовом теплообменнике скорость в трубах при прочих равных условиях в четыре раза больше, чем в одноходовом. Для увеличения скорости и удлинения пути движения среды в межтрубном пространстве служат сегментные перегородки . В горизонтальных теплообменниках эти перегородки являются одновременно промежуточными опорами для пучка труб.

Повышение интенсивности теплообмена в многоходовых теплообменниках сопровождается возрастанием гидравлического сопротивления и усложнением конструкции теплообменника. Это диктует выбор экономически целесообразной скорости, определяемой числом ходов теплообменника, которое обычно не превышает 5--6. Многоходовые теплообменники работают по принципу смешанного тока, что, как известно, приводит к некоторому снижению движущей силы теплопередачи по сравнению с чисто противоточным движением участвующих в теплообмене сред.

В одноходовых и особенно в многоходовых теплообменниках теплообмен может ухудшаться вследствие выделения растворенных в жидкости (или паре) воздуха и других неконденсирующихся газов. Для их периодического удаления в верхней части кожуха теплообменников устанавливают продувочные краники.

Одноходовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными или горизонтальными. Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. Горизонтальные теплообменники изготавливаются обычно многоходовыми и работают при больших скоростях участвующих в теплообмене сред для того, чтобы свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и плотностей, а также устранить образование застойных зон.

Если средняя разность температур труб и кожуха в теплообменниках жесткой конструкции, т. е. с неподвижными, приваренными к корпусу трубными решетками, становится значительной (приблизительно равной или большей 50 °С), то трубы и кожух удлиняются неодинаково.

Это вызывает значительные напряжения в трубных решетках, может нарушить плотность соединения труб с решетками, привести к разрушению сварных швов, недопустимому смешению обменивающихся теплом сред. Поэтому при разностях температур труб и кожуха, больших 50 °С, или при значительной длине труб применяют кожухо-трубчатые теплообменники нежесткой конструкции, допускающей некоторое перемещение труб относительно кожуха аппарата.

Для уменьшения температурных деформаций, обусловленных большой разностью температур труб и кожуха, значительной длиной труб, а также различием материала труб и кожуха, используют кожухо-трубчатые теплообменники с линзовым компенсатором, у которых на корпусе имеется линзовый компенсатор, подвергающийся упругой деформации.. Такая конструкция отличается простотой, но применима при небольших избыточных давлениях в межтрубном пространстве, обычно не превышающих 6* 10⁵ н/м² (6 am).

При необходимости обеспечения больших перемещений труб и кожуха используют теплообменник с плавающей головкой. Нижняя трубная решетка 2 является подвижной, что позволяет всему пучку труб свободно перемещаться независимо от корпуса аппарата. Этим предотвращаются опасная температурная деформация труб и нарушение плотности их соединения с трубными решетками. Однако компенсация температурных удлинений достигается в данном случае за счет усложнения и утяжеления конструкции теплообменника.

В кожухо-трубчатом теплообменнике с U-oобразными трубам и в сами трубы 3 выполняют функцию компенсирующих устройств. При этом упрощается и облегчается конструкция аппарата, имеющего лишь одну неподвижную трубную решетку. Наружная поверхность труб может быть легко очищена при выемке всей трубчатки из корпуса аппарата. Кроме того, в теплообменниках такой конструкции, являющихся двух- или многоходовыми, достигается довольно интенсивный теплообмен. Недостатки теплообменников с U-образными трубами: трудность очистки внутренней поверхности труб, сложность размещения большого числа труб в трубной решетке.

Стальные кожухотрубчатые теплообменники стандартизованы по ГОСТ 9929-67.

В химический промышленности применяются также теплообменники с двойными трубами. С одной стороны аппарата размещены две трубные решетки, причем в решетке закреплен пучок труб меньшего диаметра, открытых с обоих концов, а в решетке-- трубы большего диаметра с закрытыми левыми концами, установленные концентрически относительно труб . Среда движется по кольцевым пространствам между трубами 2 и 4 и выводится из межтрубного пространства теплообменника по трубам 2. Другая среда II движется сверху вниз по межтрубному пространству корпуса теплообменника, омывая трубы 4 снаружи. В теплообменниках такой конструкции трубы могут удлиняться под действием температуры независимого корпуса теплообменника.

Элементные теплообменники

конденсация теплообмен метиловый спирт

Для повышения скорости движения среды в межтрубном пространстве без применения перегородок, затрудняющих очистку аппарата, используют элементные теплообменники. Каждый элемент такого теплообменника представляет собой простейший кожухотрубчатый теплообменник. Нагреваемая и охлаждаемая среды последовательно проходят через отдельные элементы, состоящие из пучка труб в кожухе небольшого диаметра. Теплообменник, состоящий из таких элементов (ходов), допускает значительные избыточные давления в межтрубном пространстве; его можно рассматривать как модификацию многоходового кожухотрубчатого теплообменника.

В элементных теплообменниках взаимное движение сред приближается к эффективной схеме чистого противотока. Однако вследствие разделения общей поверхности теплообмена на отдельные элементы конструкция становится: более громоздкой и стоимость теплообменника возрастает.

Двухтрубчатые теплообменники

Теплообменники этой конструкции, называемые также теплообменниками типа «труба в трубе», состоят из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов, образованных двумя концентрически расположенными трубами. Один теплоноситель движется по внутренним трубам 1, а другой -- по кольцевому зазору между внутренними 1 и наружными 2 трубами. Внутренние трубы (обычно диаметром 57-108 мм) соединяются калачами 3, а наружные трубы, имеющие диаметр 76-159 мм, -- патрубками 4.

Благодаря небольшим поперечным сечениям трубного и межтрубного пространства в двухтрубчатых теплообменниках даже при небольших расходах достигаются довольно высокие скорости жидкости, равные обычно 1-1,5 м/ceк. Это позволяет получать более высокие коэффициенты теплопередачи и достигать более высоких тепловых нагрузок на единицу массы аппарата, чем в кожухотрубчатых теплообменниках. Кроме того, с увеличением скоростей теплоносителей уменьшается возможность отложения загрязнений на поверхности теплообмена.

Вместе с тем эти теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые, и требуют большего расхода металла на единицу поверхности теплообмена, которая в аппаратах такого типа образуется только внутренними трубами.

Двухтрубчатые теплообменники могут эффективно работать при небольших расходах теплоносителей, а также при высоких давлениях.

Если требуется большая поверхность теплообмена, то эти аппараты выполняют из нескольких параллельных секций.



Змеевиковые теплообменники

Погружные теплообменники. В погружном змеевиковом теплообменнике. капельная жидкость, газ или пар движутся по спиральному змеевику 1_У выполненному из труб диаметром 15-75 мм, который погружен в жидкость, находящуюся в корпусе 2 аппарата. Вследствие большого объема корпуса, в котором находится змеевик, скорость жидкости в корпусе незначительна, что обусловливает низкие значения коэффициента теплоотдачи снаружи змеевика. Для его увеличения повышают скорость жидкости .в корпусе путем установки в нем внутреннего стакана 3, но при этом значительно уменьшается полезно используемый объем корпуса аппарата. Вместе с тем в некоторых случаях большой объем жидкости, заполняющей корпус, имеет и положительное значение, так как обеспечивает более устойчивую работу теплообменника при колебаниях режима. Трубы змеевика крепятся на конструкции 4.

В теплообменниках этого типа змеевики часто выполняются также из прямых труб, соединенных калачами. При больших расходах среды, движущейся по змеевику из прямых труб, ее сначала направляют в общий коллектор, из которого она поступает в параллельные секции труб и удаляется также через общий коллектор. При таком параллельном включении. секций снижается скорость и уменьшается длина пути потока, что приводит к снижению гидравлического сопротивления аппарата.

Теплоотдача в межтрубном пространстве погружных теплообменников малоинтенсивна, так как тепло передается практически путем свободной конвекции. Поэтому теплообменники такого типа работают при низких тепловых нагрузках. Несмотря на это погружные теплообменники находят довольно широкое применение вследствие простоты устройства, дешевизны, доступности для очистки и ремонта, а также удобства работы при высоких давлениях и в химически активных средах. Они применяются при поверхностях нагрева до 10-15 м².

Если в качестве нагревающего агента в погружном теплообменнике используется насыщенный водяной пар, то отношение длины змеевика к его диаметру не должно превышать определенного предела; например, при давлениях пара 2* 10^5-5* 10⁵ н/м² (2-5 am) это отношение, не должно быть больше 200-275.

В противном случае скопление парового конденсата в нижней части змеевика вызовет значительное снижение интенсивности теплообмена при значительном увеличении гидравлического сопротивления.

Оросительные теплообменники. Такой теплообменник представляет собой змеевики 1 из размещенных друг над другом прямых труб, которые соединены между собой калачами 2. Трубы обычно расположены в виде параллельных вертикальных секций с общими коллекторами для подачи и отвода охлаждаемой среды. Сверху змеевики орошаются водой, равномерно распределяемой в виде капель и струек при помощи желоба 3 с зубчатыми краями. Отработанная вода отводится из поддона 4, установленного под змеевиками.

Оросительные теплообменники применяются главным образом в качестве холодильников и конденсаторов, причем около половины тепла отводится при испарении охлаждающей воды. В результате расход воды резко снижается по сравнению с ее расходом в холодильниках других типов. Относительно малый расход воды - важное достоинство оросительных теплообменников, которые, помимо этого, отличаются также простотой конструкции и легкостью очистки наружной поверхности труб.

Несмотря на то, что коэффициенты теплопередачи в оросительных теплообменниках, работающих по принципу перекрестного тока, несколько выше, чем у погружных, их существенными недостатками являются: громоздкость, неравномерность смачивания наружной поверхности труб, нижние концы которых при уменьшении расхода орошающей воды очень плохо смачиваются и практически не участвуют в теплообмене. Кроме того, к недостаткам этих теплообменников относятся: коррозия труб кислородом воздуха, наличие капель и брызг, попадающих в окружающее пространство.

В связи с испарением воды, которое усиливается при недостаточном орошении, теплообменники этого типа чаще всего устанавливают на открытом воздухе; их ограждают деревянными решетками (жалюзи), главным образом для того, чтобы свести к минимуму унос брызг воды.

Оросительные теплообменники работают при небольших тепловых нагрузках и коэффициенты теплопередачи в них невысоки. Их часто изготовляют из химически стойких материалов.

Пластинчатые теплообменники

В пластинчатом теплообменнике поверхность теплообмена образуется гофрированными параллельными пластинами 1, 2 с помощью которых создается система узких каналов шириной 3--6 мм с волнистыми стенками. Жидкости, между которыми происходит теплообмен, движутся в каналах между смежными пластинами, омывая противоположные боковые стороны каждой пластины.

Пластина имеет на передней поверхности три прокладки. Большая прокладка 1 ограничивает канал для движения жидкости I между пластинами, а также отверстия 2 и 3 для входа жидкости I в канал и выхода из него; две малые кольцевые прокладки 4 уплотняют отверстия 5 и 6, через которые поступает и удаляется жидкость II, движущаяся противотоком. Движение жидкости I показано схематично пунктирной линией, а жидкости II - сплошной линией. Жидкость I поступает через штуцер 3, движется по нечетным каналам (считая справа налево) и удаляется через штуцер 4. Жидкость II подается через штуцер 5, движется по четным каналам и удаляется через штуцер 6.

Пакет пластин зажимается между неподвижной плитой 7 и подвижной плитой 8 посредством винтового зажима 9.

Вследствие значительных скоростей, с которыми движутся жидкости между пластинами, достигаются высокие коэффициенты теплопередачи, вплоть до 3800 вт/м² [3000 ккал1(м² * ч *град)] и более при малом гидравлическом сопротивлении.

Пластинчатые теплообменники легко разбираются и очищаются от загрязнений. К их недостаткам относятся: невозможность работы при высоких давлениях и трудность выбора эластичных химически стойких материалов для прокладок.

Оребренные теплообменники

К числу компактных и эффективных теплообменников, созданных за последнее время, относятся разные конструкции теплообменных аппаратов с оребренньщи поверхностями. Применение оребрения со стороны

теплоносителя, отличающегося низкими значениями коэффициентов теплоотдачи позволяет значительно повысить тепловые нагрузки аппаратов.

Помимо трубчатых теплообменников с трубами, имеющими поперечные ребра прямоугольного или трапециевидного сечения , разработаны конструкции с продольными, плавниковыми, проволочными, игольчатыми непрерывными спиральными ребрами и др.

Трубы с поперечными рёбрами различной формы широко используются, в частности, в аппаратах для нагрева воздуха - калориферах, а также в аппаратах воздушного охлаждения. При нагреве воздуха обычно применяют насыщенный водяной пар, поступающий в коллектор 1 и далее в пучок оребренных труб 2. Конденсат отводится из коллектора 3.

Иногда используются продольные ребра, которые для турбулизации пограничного слоя (что особенно важно при ламинарном течении теплоносителя) на определенном расстоянии надрезаются.

Конструкции оребренных теплообменников разнообразны. Теплообменники такого типа используются, например, в низкотемпературных установках для разделения воздуха.

Спиральные теплообменники

В спиральном теплообменнике поверхность теплообмена образуется двумя металлическими листами 1 и 2, свернутыми по спирали. Внутренние концы листов приварены к глухой перегородке 3, а их наружные концы сварены друг с другом. С торцов спирали закрыты установленными на прокладках плоскими крышками 4 и 5. Таким образом, внутри аппарата образуются два изолированных один от другого спиральных канала (шириной 2--8 мм), по которым, обычно противотоком, движутся теплоносители. Теплоноситель I поступает через нижний штуцер и удаляется через боковой штуцер в правой крышке теплообменника, а теплоноситель II входит в верхний штуцер и удаляется через боковой штуцер в левой крышке.

Имеются также конструкции спиральных теплообменников перекрестного тока, применяемые главным образом для нагрева и охлаждения газов и конденсации паров.

Спиральные теплообменники весьма компактны, работают при высоких скоростях теплоносителей (для жидкостей 1--2 м/сек) и обладают при равных скоростях сред меньшим гидравлическим сопротивлением, чем трубчатые теплообменники различных типов. Вместе с тем эти аппараты сложны в изготовлении и работают при ограниченных избыточных давлениях, не превышающих 10* 10⁵ н/м² (10 am), так как намотка спиралей затрудняется с увеличением толщины листов; кроме того, возникают трудности при создании плотного соединения между спиралями и крышками. Спиральные теплообменники стандартизированы по ГОСТ 12067--6..



Теплообменные устройства реакционных аппаратов

Для обогрева и охлаждения реакционных и других аппаратов разнообразных конструкций применяют различные устройства, в которых поверхность теплообмена образуется стенками самого аппарата.

К числу устройств, использующих в качестве теплообменного элемента стенки аппарата, относятся рубашки. К фланцу корпуса аппарата 1 крепится на прокладке и болтах рубашка 2. В некоторых случаях рубашку приваривают к стенкам аппарата, но при этом затрудняются ее очистка и ремонт. В пространстве между рубашкой и внешней поверхностью стенок аппарата движется теплоноситель. а - обогрев аппарата через рубашку паром, который, при диаметре аппарата более 1 м, вводят, для повышения равномерности обогрева, с двух сторон через штуцера 3, а конденсат удаляется через штуцер 4.

Поверхность теплообмена рубашек ограничена площадью стенок и днища аппарата и обычно не превышает 10 м². Давление теплоносителя в рубашке равно не более 6--10 am, поскольку при больших давлениях чрезмерно утолщаются стенки аппарата и рубашки.

Варианты исполнения змеевиков: а - из разрезанных по образующей (половинок) труб; б - из угловой стали; в -- из труб, - приваренных многослойным швом;, г --из труб, залитых в стенки аппаратов.

Для давлений вплоть до 73,6.- 10^б н/м² (75 am) применимы рубашки с анкерными связями. Эти рубашки имеют выштампованные в шахматном порядке круглые отверстия, и по внутренней кромке отверстий стенка рубашки 2 приварена к наружной стенке аппарата. Рубашки такой конструкции обладают не только повышенной механической прочностью, но и обеспечивают более высокие скорости движения теплоносителя в полостях между анкерными связями, а следовательно, и большие коэффициенты теплоотдачи.

Нагревание или охлаждение при повышенных давлениях теплоносителя (до 58,4-10⁵ и/ж² или 60 am) может быть осуществлено также с помощью змеевиков, приваренных к наружной стенке аппарата и изготовленных из полуцилиндров -- разрезанных по образующей труб или угловой стали.

Для более высоких давлений, достигающих 246*10⁵ н/м² (250 ат)_г например в системах обогрева перегретой водой, к наружной стенке аппарата многослойным швом приваривают змеевики. Эти устройства вытесняют применявшиеся ранее для такого же диапазона давлений стальные змеевики, залитые в чугунные стенки аппарата при его отливке.

При заливке змеевиков получают относительно низкие коэффициенты теплопередачи, так как вследствие различия коэффициентов объемного расширения стали и чугуна возможно образование местных воздушных зазоров между змеевиком и стенкой аппарата, что приводит к возрастанию термического сопротивления. Кроме того, изготовление такой системы сложно, а ремонт змеевиков практически невозможен.

Теплообменники других типов

Блочные теплообменники. Для процессов теплообмена, протекающих в химически агрессивных средах, в ряде случаев используют теплообменники из неметаллических материалов. Обычно такие материалы (стекло, керамика, тефлон и др.) обладают более низкой, чем у металлов, теплопроводностью. Исключение составляет графит, который для устранения пористости предварительно пропитывают феноло-формальдёгидными смолами. Пропитанный графит является химически стойким материалом в весьма агрессивных средах (например, в горячей соляной, разбавленной серной, фосфорной кислоте и др.) и отличается высокими коэффициентами теплопроводности, равными 92--116 вт/(м * град), или 70--90 ккал/ (м*град).

Типичными теплообменными аппаратами из графита являются блочные теплообменники (рис; VII1-27), состоящие из отдельных графитовых блоков 1, имеющих сквозные вертикальные каналы 2 круглого сечения, и перпендикулярные им каналы 3. Теплоноситель I движется по вертикальным каналам, а теплоноситель II -- ПО горизонтальным каналам 3, проходя последовательно все блоки. Горизонтальные каналы различных блоков сообщаются друг с другом через блоки преточные камеры 4. Графитовые блоки уплотняются между собой прокладками из резины или тефлона и стягиваются торцовыми крышками 5 на болтах. Кроме прямоугольных блоков применяют также цилиндрические блоки, в которых горизонтальные каналы располагаются радиально.

Рабочее давление в блочных теплообменниках не превышает 2,9 * 10⁵ н/м² (3 am).

Шнековые теплообменники. При тепловой обработке высоковязких жидкостей и сыпучих материалов, обладающих низкой теплопроводностью, теплоотдача может быть интенсифицирована путем непрерывного обновления поверхности материала, соприкасающегося со стенками аппарата. Это достигается при механическом перемешивании и одновременном перемещении материала с помощью шнеков. Материал поступает у одного конца корпуса 1 с рубашкой 2 и перемешивается вращающимися навстречу друг другу шнеками 3 и 4, которые транспортируют его к противоположному, разгрузочному концу корпуса. Иногда для увеличения поверхности теплообмена шнеки изготавливают полыми и в них через полые валы, снабженные сальниками 5, теплоноситель подается в полые витки шнеков.

Сравнительная характеристика теплообменных аппаратов

Конструкция теплообменника должна удовлетворять ряду требований, зависящих от конкретных условий протекания процесса теплообмена (тепловая нагрузка аппарата, температура и давление, при которых осуществляется процесс, агрегатное состояние и физико-химические свойства теплоносителей, их химическая агрессивность, условия теплоотдачи, возможность загрязнения рабочих поверхностей аппарата и др.). При выборе теплообменника необходимо учитывать также простоту устройства и компактность аппарата, расход металла на единицу переданного тепла и другие технико-экономические показатели. Обычно ни одна из конструкций не удовлетворяет полностью всем требованиям и приходится ограничиваться выбором наиболее подходящей конструкции.

В одноходовых кожухотрубчатых теплообменниках суммарное поперечное сечение труб относительно велико, что позволяет получать достаточно высокие скорости в трубах только при больших объемных расходах движущейся в них среды. Поэтому такие аппараты рационально использовать, когда скорость процесса определяется величиной коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве, а также в процессе испарения жидкостей.

Многоходовые (по трубному пространству) кожухотрубчатые теплообменники применяются главным образом в качестве паровых подогреватель ей жидкостей и конденсаторов. Именно в этих случаях взаимное направление движения теплоносителей в многоходовых теплообменниках (смешанный ток) не приводит к снижению средней движущей силы сравнительно с противотоком, по принципу которого работают одноходовые теплообменники. Многоходовые теплообменники целесообразно использовать также для процессов теплообмена в системах жидкость -- жидкость и газ -- газ при больших тепловых нагрузках. Если же требуемая поверхность теплообмена невелика, то для указанных систем более пригодны элементные теплообменники. Особое значение имеют трубчатые теплообменники нежесткой конструкции (в том числе многоходовые) в тех случаях, когда разность температур теплоносителей значительна и необходима компенсация неодинакового теплового расширения труб и корпуса аппарата. Однако эти аппараты дороже теплообменников жесткой конструкции.

Теплообменники с двойными трубами применяются в основном в контактно-каталитических и реакционных процессах, протекающих при высоких температурах, когда необходимо надежно обеспечить свободное удлинение всех труб, не считаясь с удорожанием аппарата и более трудным его монтажом. Змеевиковые теплообменники (погружные, оросительные, змеевики, приваренные к наружным стенкам аппаратов) наиболее эффективно используют для охлаждения и нагрева сильно агрессивных сред, когда необходимо применение химически стойких материалов, из которых затруднительно или невозможно изготовить трубчатые теплообменники; Кроме того, эти аппараты пригодны для процессов теплообмена, протекающих под высоким давлением. Однако аппараты таких конструкций работают лишь при умеренных тепловых нагрузках.

Как указывалось, основными преимуществами спиральных и пластинчатых теплообменников являются компактность и высокая интенсивность теплообмена. Вместе с тем их применение ограничено небольшими разностями давлений и температур обоих теплоносителей. Спиральные теплообменники используются для нагрева и охлаждения жидкостей, газов и паро-газовых смесей. Область применения пластинчатых теплообменников -- процессы теплообмена между жидкостями.

Важным фактором, влияющим на выбор типа теплообменника, является стоимость его изготовления, а также эксплуатационные расходы, складывающиеся из стоимости амортизации аппарата и стоимости энергии, затрачиваемой на преодоление гидравлических сопротивлений.

Теплообменные аппараты всех типов должны работать при оптимальном тепловом режиме, соответствующем сочетанию заданной производительности и других показателей, определяемых технологическими условиями, с минимальным расходом тепла.



Конденсаторы смешения

В химических производствах обычно не требуется получать чистый конденсат водяного пара для его последующего использования. Поэтому широко распространены конденсаторы смешения, более простые по устройству и соответственно более дешевые, чем кожухотрубчатые теплообменники, применяемые в качестве поверхностных конденсаторов.

Одной из самых распространенных конструкций конденсаторов смешения является сухой полочный барометрический конденсатор, работающий при противоточном движении охлаждающей воды и пара. В цилиндрический*корпус 1 с сегментными полками 2 снизу через штуцер 3 поступает пар. Вода подается через штуцер 4 (расположенный на высоте 12-16 м над уровнем земли) и каскадно перетекает по полкам, имеющим невысокие борта: При соприкосновении с водой пар конденсируется.

Смесь конденсата и воды сливается самотеком через штуцер 5 в барометрическую трубу 6 высотой примерно 10 м и далее -- в барометрический ящик 7. Барометрические трубы и ящики играют роль гидравлического затвора, препятствующего прониканию наружного воздуха в аппарат. Из барометрического ящика вода удаляется в канализацию через переливной штуцер.

Вместе с паром и охлаждающей водой в конденсатор попадает некоторое количество воздуха; кроме того, воздух подсасывается через неплотности фланцевых соединений. Остаточное давление в конденсаторе наиболее часто должно поддерживаться в пределах 0,1-0,2 am. Присутствие неконденсируемых газов может вызвать значительное снижение разрежения в конденсаторе: Поэтому неконденсируемые газы отсасывают через штуцер 8 и отделяют от увлеченных брызг воды в брызгоуловителе-ловушке. Отсюда вода также стекает в вертикальную барометрическую трубу и барометрический ящик.

В барометрических конденсаторах иногда вместо сегментных полок применяются полки, представляющие собой чередующиеся круглые диски и кольца, а также ситчатые сегментные полки. Через отверстия последних вода стекает каплями, вследствие чего увеличивается поверхность ее соприкосновения с паром, но отверстия ситчатых тарелок могут легко засоряться.

Для установок умеренной производительности применяют прямоточные конденсаторы, расположенные на низком уровне. Вследствие этого вода чаще всего засасывается в аппарат под действием имеющегося в нем разрежения и впрыскивается в корпус 1 через сопло 2. Пары поступают в конденсатор сверху. Охлаждающая вода и конденсат удаляются центробежным насосом.3, а воздух отсасывается воздушным насосом 4.

Такие конденсаторы значительно компактнее противоточных барометрических. Однако основной недостаток противоточных аппаратов (большая высота) компенсируется меньшим расходом Охлаждающей воды, а также меньшим объемом отсасываемого воздуха. Последнее обусловлено более низкой температурой воздуха в этих аппаратах по сравнению с прямоточными конденсаторами. Кроме того, достоинством противоточных барометрических конденсаторов является наиболее простой и дешевый способ отвода удаляемой в канализацию воды.

Конденсаторы смешения широко применяются для создания разрежения в установках, работающих под вакуумом, в том числе в вакуум-фильтрах, вакуум-сушилках, выпарных аппаратах и др.

Материальный расчет. Расчет теплообменных аппаратов

При проектировании теплообменников их тепловой расчет сводится к определению необходимой поверхности теплообмена F при известных расходах, начальной и конечной температурах теплоносителей.

Для действующих теплообменных аппаратов выполняют поверочные тепловые расчеты, в которых возможная производительность аппарата сопоставляется с фактической и определяются условия, соответствующие оптимальному режиму работы теплообменника. Ниже рассмотрена общая методика технологических расчетов при проектировании теплообменников.

...