Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Теория основных процессов базируется на законах физики, химии, физической химии, термодинамики, гидравлики и других наук. При анализе ряда процессов используется аналогия между различными процессами переноса движения, теплоты и энергии, которые описываются дифференциальными уравнениями, имеющими одинаковую структуру.

В различных отраслях промышленности (химической, нефтехимической, пищевой, легкой, текстильной и др.) используются одинаковые по физической сущности технологические процессы: нагревание, сушка, перемешивание, фильтрование, ректификация и т. д. В одних отраслях эти процессы являются основными, в других - вспомогательными. Например, процесс ректификации при производстве моторных топлив из нефти, а также при получении жидкого кислорода и азота из жидкого воздуха является основным, при производстве полимерных пленочных материалов и искусственной кожи - вспомогательным, так как используется в установках рекуперации органических растворителей.

При изучении принципов устройства аппаратов и машин для промышленных установок учитываются физико-химические свойства перерабатываемых материалов, гидродинамическая обстановка, достижения в области интенсификации процессов, степень автоматизации процесса, протекающего в аппарате.

В зависимости от преобладания переноса той или иной субстанции выделяют и изучают следующие группы процессов:

- гидромеханические, где основные явления связаны с переносом импульса (количества движения) в жидкостных и газовых потоках, реже - в системах с твердыми телами. К этой группе примыкают механические процессы, базирующиеся в основном на законах механики твердого тела;

- тепловые, где наблюдаются явления, связанные с различными формами переноса теплоты в области умеренных, низких или высоких температур. При этом обычно приходится учитывать и закономерности переноса импульса, поскольку он сопутствует переносу теплоты;

- массообменные (диффузионные), куда относят многочисленные процессы, связанные с переносом вещества. При этом обычно приходится учитывать и закономерности переноса импульса, а довольно часто -- и теплоты. За последние годы массообменные процессы пополнились новой весьма важной группой мембранных процессов.

- химические и биохимические процессы - это процессы, связанные с изменением химического состава и свойств вещества, скорость протекания которых определяется законами химической кинетики.

По способу организации процессы химической технологии делятся на периодические и непрерывные.

Периодические процессы проводятся в аппаратах, в которые через определенные промежутки времени загружаются исходные материалы; и после их соответствующей переработки (например, проведения химической реакции) происходит выгрузка конечного продукта. По окончании разгрузки аппарата и его повторной загрузки процесс повторяется снова. Таким образом, периодический процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают в одном месте (в одном аппарате), но в разное время.

Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах. Поступление исходных материалов в аппарат и выгрузка конечных продуктов производится одновременно и непрерывно. Следовательно, непрерывный процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают одновременно, но разобщены в пространстве, т.е. осуществляются в разных аппаратах или в различных частях одного аппарата.

Известны также комбинированные процессы. К ним относятся непрерывные процессы, отдельные стадии которых проводятся периодически, либо периодические процессы, одна или несколько стадий которых протекает непрерывно.

Теплообменная аппаратура составляет весьма значительную часть технологического оборудования в химической и смежных отраслях промышленности. Удельный вес теплообменного оборудования составляет на предприятиях химической промышленности в среднем 15-18%, в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности - 50% [1]. Это объясняется тем, что почти все основные процессы химической технологии (выпаривание, ректификация, сушка и др.) связаны с необходимостью подвода или отвода теплоты.

Нагревание, охлаждение жидкости или газа, конденсация пара и т.п. могут быть проведены при использовании теплообменных аппаратов разных конструкций. Для их выбора необходимо знать площадь требуемой поверхности теплопередачи, рабочие температуры и давление теплоносителей, склонность к образованию отложений на теплопередающей поверхности, а также коррозионную активность и пожаровзрывоопасные свойства обменивающихся теплотой сред. При нагревании (охлаждении) жидкостей и газов конкурентоспособны не только аппараты различной конструкции (кожухотрубчатые, труба в трубе, пластинчатые, спиральные и пр.), отличающиеся удельной металлоемкостью, компактностью, долей унифицированных узлов и деталей и другими показателями, но и аппараты одного конструктивного типа. Так, конкурентоспособными могут быть кожухотрубчатые аппараты, отличающиеся диаметром кожуха или труб, числом ходов по трубам, так как в них различны коэффициенты теплоотдачи и, теплопередачи, гидравлические сопротивления и связанные с ними расходы энергии на транспортировку теплоносителей.

1. Описание и анализ процесса

Нагревание - это повышение температуры тела. Температура Т есть параметр состояния системы, находящейся в термодинамическом равновесии, а внутренняя энергия U - функция состояния. Это означает, что в данном состоянии система обладает определенными температурой и внутренней энергией, которые не зависят от того, каким образом система приведена в это состояние. Это - экспериментальный факт.

Переход системы из одного состояния в другое происходит в результате теплообмена или совершения механической работы. Поэтому количество теплоты Q, как и работа А над системой (или работа А' системы над внешними телами), связано не с внутренней энергией системы, а с ее приращением. В соответствии с первым законом термодинамики,

ДU = Q + А или Q = ДU + А' (1)

Таким образом, сообщение телу некоторого количества теплоты вовсе необязательно ведет к его нагреванию. Приведем примеры. Веществу, нагретому до температуры плавления, для плавления требуется определенное количество теплоты, хотя температура при плавлении будет оставаться неизменной. При изотермическом расширении температура газа остается одной и той же, хотя к газу подводится тепло. В первом случае тепло идет не на изменение средней кинетической энергии хаотического движения молекул вещества, мерой которого и является температура, а на изменение потенциальной энергии их взаимодействия. Во втором случае все тепло идет на совершение газом работы над внешними телами.

Далее, передача одного и того же количества теплоты двум системам, находящимся в совершенно одинаковых начальных состояниях, может привести к их различному нагреванию. Например, при сообщении идеальному газу в цилиндре под подвижным поршнем некоторого количества теплоты он нагреется меньше, чем тот же газ, но под неподвижным поршнем. Это происходит потому, что при изобарном нагревании передаваемое газу тепло идет не только на увеличение его внутренней энергии, но и на совершение им работы, в то время как при изохорном нагревании - только на увеличение его внутренней энергии.

Нагреть вещество, т.е. повысить его температуру, можно и не сообщая ему количества теплоты, а совершив над ним работу - например, потерев монету о сукно или быстро сжав газ насосом. Наконец, бывает и так, что телу сообщают тепло, а оно охлаждается. Соответствующий пример приведем попозже, а пока заметим, что возможность такого случая следует из первого закона термодинамики. Так, применительно к идеальному газу при А' > Q из соотношения Q = ДU + А' следует, что ДU < 0, т.е. T₂ < T₁ (для идеального газа U прямо пропорционально Т).

Скорость тепловых процессов определяется законами теплопередачи. Такими процессами являются нагревание, охлаждение, конденсация, кипение, выпаривание, а также холодильные процессы. Скоростью теплового процесса называется количество теплоты Qv, передаваемое через единицу площади S в единицу времени ф. Основная кинетическая закономерность заключается в следующем: скорость теплового процесса прямо пропорциональна движущей силе Дt и обратно пропорциональна сопротивлению R. В течение элементарного отрезка времени dф скорость теплового процесса dQv/(S•dф) выражается уравнением

dQv/(S•dф) = Дt /R (2)

Движущей силой тепловых процессов является разность температур между теплоносителями (или теплоносителем и стенкой). Отношение 1/R = k называется коэффициентом скорости теплового процесса (коэффициент теплопередачи, теплоотдачи).

Оба вещества, участвующих в теплопередаче, называют теплоносителями (один, более нагретый - горячим, а другой, менее нагретый - холодным теплоносителем).

Необходимым условием передачи тепла является неравенство температур в различных точках данного тела или пространства. Поэтому величина теплового потока, возникающего в среде, зависит от распределения температур в среде или характера температурного поля. Под температурным полем понимают совокупность мгновенных значений температур во всех точках рассматриваемой среды.

Геометрическое место всех точек с одинаковой температурой представляет собой изотермическую поверхность. Изотермические поверхности не пересекаются друг с другом, так как тогда их пересечения имели бы различные температуры.

Пусть температура одной изотермической поверхности T, а другой, близлежащей изотермической поверхности, T + ДT. Предел отношения разности температур ДT этих двух поверхностей к расстоянию по нормали Дl между ними называют температурным градиентом, который представляет собой производную от температуры по нормали к изотермической поверхности. При dT/dl = 0 наступает равновесие - поток теплоты прекращается. Температурный градиент является мерой интенсивности изменения температуры в данной точке. Направление теплового потока всегда совпадает с направлением падения температуры в данной точке. Тогда удельный поток теплоты q (количество теплоты, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени) будет равен q ? (- dT/dl). Таким образом, в отличие от температуры, которая является скаляром, плотность потока теплоты представляет собой векторную величину.

Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителей в трубах и каналах. Обычно в теплообменных аппаратах один из теплоносителей движется по трубам, с помощью которых чаще всего в технике формируется поверхность теплопередачи. Поэтому для расчета и рациональной эксплуатации теплообменников очень важно знание основных закономерностей переноса теплоты при движении теплоносителя в трубах.

При ламинарном движении теплоносителя, равномерном распределении скорости и температуры на начальном участке трубы у поверхности стенки образуются (рис. 1.1, а) пограничные слои толщиной дr , (гидродинамический) и дt , (тепловой). Толщина этих слоев по мере удаления от входа увеличивается, и на некотором расстоянии, называемом длиной участка гидродинамической (lr) и тепловой (lt) стабилизации, они смыкаются. При этом коэффициент теплоотдачи изменяется (рис. 1.2, б) от максимального значения на входе до практически неизменного после смыкания пограничных слоев. Явление резкого увеличения скорости переноса субстанции (в данном случае - теплоты) при входе потока в аппарат получило название «входной эффект». Очевидно, что для создания условий повышенных значений коэффициентов теплоотдачи целесообразно формировать теплообменники с длиной труб, незначительно превышающей lt. теплообмен кожухотрубчатый нагревание

Теплоотдача при вынужденном поперечном обтекании труб. Для того чтобы лучше понять зависимость коэффициента теплоотдачи от гидродинамических условий обтекания теплоносителем наружной поверхности труб. При поперечном обтекании трубы на лобовой части ее поверхности образуется ламинарный пограничный слой, толщина которого постепенно увеличивается. При обтекании лобовой части трубы сечение потока уменьшается, скорость жидкости увеличивается, а давление у поверхности падает. В кормовой части трубы давление увеличивается, так как скорость уменьшается; скорость жидкости в пограничном слое также снижается, а начиная с некоторого сечения частицы движутся в обратном направлении, образуя вихри, которые периодически отрываются с поверхности трубы и уносятся потоком. При этом соответственно изменяется значение локального коэффициента теплоотдачи по поверхности (окружности) трубы.

Максимальное значение на лобовой образующей трубы, где толщина пограничного слоя мала. Затем коэффициент теплоотдачи снижается за счет увеличения дr .

Теплоотдача при естественной конвекции. Этот вид теплоотдачи возникает при движении теплоносителя за счет разности плотностей в различных точках его объема: более нагретые макрочастицы среды, имеющие меньшую плотность, поднимаются вверх, а более холодные опускаются вниз и затем, нагревшись, также движутся вверх. Таким образом возникают конвекционные токи теплоносителя. В этом случае теплоотдача должна зависеть от формы и размеров поверхности нагрева или охлаждения, температуры этой поверхности, физических свойств теплоносителя. Очевидно, что при естественной конвекции скорость движения теплоносителя может быть выражена как функция этих факторов. Поэтому критерий Рейнольдса из обобщенного уравнения теплоотдачи при естественной конвекции может быть исключен.

2. Общие сведения о теплообменниках. Кожухотрубчатые аппараты

Теплообменными аппаратами, теплообменниками, называются аппараты для передачи тепла от более нагретого теплоносителя к другому менее нагретому. Теплообменники как самостоятельные агрегаты или части других аппаратов и устройств широко применяются на химических заводах, потому что проведение технологических процессов в большинстве случаев сопровождается выделением или поглощением тепла.

Для осуществления длительной работоспособности в процессе эксплуатации при обработке среды, загрязненной или выделяющей отложения на стенках аппарата, необходимо производить периодические осмотры и очистку поверхностей.

Аппараты должны обладать достаточной прочностью и иметь возможно малые габаритные размеры. При конструировании необходимо находить оптимальные решения, учитывающие требования обеспечения возможности разборки рабочей части аппарата и герметичности системы каналов, возможно высоких коэффициентов теплопередачи за счет повышения скорости движения рабочей среды при минимальных гидравлических потерях в аппарате.

В химических производствах до 70% теплообменных аппаратов применяют для сред жидкость - жидкость и пар - жидкость при давлении до 1 МПа и температуре до 200 °С. Для указанных условий разработаны и серийно изготовлены теплообменные аппараты общего назначения кожухотрубчатого и спирального типов. В последнее время получают распространение пластинчатые теплообменные аппараты общего назначения. Одним из преимуществ трубчатых теплообменных аппаратов является простота конструкции. Однако коэффициент унификации узлов и деталей размерного ряда этих аппаратов, являющийся отношением числа узлов и деталей (размеры одинаковы для всего ряда) к общему числу узлов и деталей данного размерного ряда, составляет примерно 0,13. В то же время этот коэффициент применительно к пластинчатым теплообменным аппаратам составляет 0,9. Удельная металлоемкость кожухотрубчатых аппаратов в 2 - 3 раза больше металлоемкости новых пластинчатых аппаратов.

Режим работы теплообменного аппарата и скорость движения теплоносителей необходимо выбирать таким образом, чтобы отложение загрязнений на стенках происходило возможно медленнее. Например, если охлаждающая вода отводится при температуре 45 - 50^oС, то на стенках теплообменного аппарата интенсивно осаждаются растворенные в воде соли.

При конструировании следует обоснованно решать вопрос о направлении теплоносителей в трубное или межтрубное пространство. Например, теплоносители, загрязненные и находящиеся под давлением, обычно направляют в трубное пространство. Насыщенный пар лучше всего подавать в межтрубное пространство, из которого легче удалить конденсат. Чистка трубного пространства (в котором вероятнее всего будут выпадать загрязнения) легче, а живое сечение для прохода теплоносителя меньше. Вследствие этого в трубном пространстве можно обеспечить теплоносителю более высокие скорости и, следовательно, более высокие коэффициенты теплоотдачи.

Аппараты теплообменные кожухотрубчатые

Они достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с поперечными перегородками в межтрубном пространстве, применяемые в химической, нефтяной и других отраслях промышленности, обозначаются индексами и классифицируются:

* по назначению (первая буква индекса): Т - теплообменники; Х - холодильники; К - конденсаторы; И - испарители;

* по конструкции (вторая буква индекса) - Н -- с неподвижными трубными решетками; К -- с температурным компенсатором на кожухе; П -- с плавающей головкой; У -- с U-образными трубами; ПК -- с плавающей головкой и компенсатором на ней;

* по расположению (третья буква индекса): Г - горизонтальные; В - вертикальные.

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники - для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладоагентом) жидких и газообразных сред. Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников - также и из латуни. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали. Схема теплообменника с неподвижными трубными решетками приведена на рис. 2.1. В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3. Трубная решетка жестко соединена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 5, Кожух и камеры соединены фланцами.

Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой - в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб. Особенностью аппаратов типа Н является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции.

Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители, например приваренные к кожуху продольные полосы или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверхности кожуха.

Если площадь сечения трубного пространства (число и диаметр труб) выбрана, то в результате теплового расчета определяют коэффициент теплопередачи и теплообменную поверхность, по которой рассчитывают длину трубного пучка. Последняя может оказаться больше длины серийно выпускаемых труб. В связи с этим применяют многоходовые (по трубному пространству) аппараты с продольными перегородками в распределительной камере. Промышленностью выпускаются двух-, четырех- и шестиходовые теплообменники жесткой конструкции.

При малом расходе теплоносителя, подаваемого в трубное пространство, в крышках устанавливают перегородки 1 при этом теплоноситель проходит сначала по одной части труб потом по другой. Изготавливаются также двух и шести ходовые кожухотрубчатые теплообменники.

С целью увеличения коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве теплообменные трубы делают с ребрами на наружной поверхности. Теплообменные трубки изготавливают также витыми, что увеличивает турбулентность потока.

Кожухотрубчатые теплообменники изготовляют с площадью теплообмена от 1 м² до 5000 м², с диаметром кожуха от 159 мм до 3000 мм, с длиной труб от 1000 мм до 9000 мм и диаметром теплообменных трубок 20х2 мм или 25х2 мм.

Основные преимущества кожухотрубчатых аппаратов: универсальность по назначению (холодильники, подогреватели жидкости или газа, а также конденсаторы и кипятильники); простота конструкции; надежность; широкий диапазон давлений и температур рабочих сред.

Недостатком кожухотрубчатых теплообменников является низкий коэффициент унификации (отношение числа узлов и деталей, одинаковых для всего размерного ряда, к общему числу узлов и деталей в аппарате), который составляет всего 0.13. Поэтому кожухотрубчатые теплообменники мало технологичны в условиях производства широкого ряда типоразмеров.

Оросительные теплообменники состоят из нескольких рядов труб, расположенных одна над другой, по наружной поверхности которых тонкой пленкой стекает охлаждающая их вода (рис. 2.2). Трубы 2, через которые прокачивается охлаждаемая рабочая среда, соединены коленами 3. Для распределения орошающей воды над верхней трубой установлен желобковый или трубчатый ороситель 1. В трубчатых оросителях вода вытекает многочисленными струями через отверстия трубы, в желобковых - через прорези в верхней кромке желоба. При большом числе труб в ряду или большом расстоянии между трубами оросители можно устанавливать и между рядами труб. Внизу теплообменника расположен поддон 4 для сбора воды.

Орошающая теплообменник вода при перетекании по наружным стенкам труб частично испаряется: при этом процесс теплообмена едёт интенсивнее, в следствии чего расход воды на охлаждение в оросительных теплообменниках ниже, чем в холодильниках других типов, Но при этом происходит необратимая потеря воды. Во избежание сильного увлажнения воздуха в помещении оросительные теплообменники обычно устанавливают на открытом воздухе. По этой же причине, если оросительный теплообменник необходимо установить в помещении, его приходится помещать в громоздкие кожухи, которые подключают к системе вытяжной вентиляции. К недостаткам этих теплообменников следует отнести также громоздкость, неравномерность смачивания наружной поверхности труб, нижние ряды которых могут вообще не смачиваться и практически не участвовать в теплообмене. Поэтому, несмотря на простоту изготовления, лёгкость чистки наружных стенок труб и другие достоинства, оросительные теплообменники находят ограниченное применение.

В химической промышленности подобные теплообменники используют для охлаждения химически агрессивных сред, например серной кислоты, поскольку они просты в изготовлении и могут быть выполнены из коррозионно-стойкого дешевого материала, плохо поддающегося обработке, например из кислотоупорного ферросилида.

Теплообменные аппараты «труба в трубе» используют главным образом для охлаждения или нагревания в системе жидкость - жидкость, когда расходы теплоносителей невелики и последние не меняют своего агрегатного состояния. Иногда такие теплообменники применяют при высоком давлении для жидких и газообразных сред, например, в качестве конденсаторов в производстве метанола, аммиака и др.

Двухтрубные теплообменники по ГОСТ 9930-78 изготавливаются с площадью поверхности теплообмена от 0.5 до 93 м. Аппараты представляют собой набор последовательно соединенных элементов, состоящих из концентрически расположенных труб.

Поскольку сечения внутренней трубы и кольцевого зазора невелики, то в этих теплообменниках достигаются значительные скорости движения теплоносителей (до 3 м/с), что приводит к увеличению коэффициентов теплопередачи и тепловых нагрузок, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Однако двухтрубные теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые, на их изготовление требуется больше металла на единицу поверхности теплообмена Двухтрубные теплообменники применяют для процессов со сравнительно небольшими тепловыми нагрузками и соответственно малыми поверхностями теплообмена (не более десятков квадратных метров).

Выводы

В промышленности теплообмен между рабочими телами (теплоносителями) происходит в специально сконструированных аппаратах, которые называются теплообменниками. Теплообменные аппараты широко распространены в современных химических производствах и имеют весьма многообразное назначение. Вместе с тем, теплообменные аппараты должны отвечать общим требованиям: обладать высокой тепловой производительностью и экономичностью в работе; обеспечивать заданные технологические условия процесса; быть просты по конструкции, сравнительно недороги по стоимости; компактны; обладать современным техническим дизайном; иметь длительный срок эксплуатации; соответствовать нормам СНИП (санитарным нормам и правилам) и ведомственным правилам Госгортехнадзора. Особые требования предъявляются к обеспечению надежности работы аппаратов, возможности автоматического регулирования режимно-технологических параметров и аварийного их отключения. При проектировании всегда следует придерживаться следующего правила: чем более сложен аппарат по конструкции, тем менее он надежен в работе, т.е. при наличии достаточно большого числа компонующих элементов выход из строя какого-либо одного из них приводит к выходу из строя всего аппарата в целом.

Расчет теплообменной аппаратуры включает:

1. Определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), т. е. количества тепла Q которое должно быть передано за определенное время (в непрерывно действующих аппаратах за 1 сек. или за 1 ч, в периодически действующих -- за одну операцию) от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.

2. Определение поверхности теплообмена F аппарата, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. Величина поверхности теплообмена определяется скоростью теплопередачи, зависящей от механизма передачи тепла -- теплопроводностью, конвекцией, излучением и их сочетанием друг с другом.

Список используемых источников

1. Банных О.П. Основные конструкции и тепловой расчет теплообменников. Учебное пособие. СПбНИУ ИТМО, 2012. - 42 с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1981. - 560 с.

3. Процессы и аппараты химической технологии : учеб. пособие для вузов / [А.А.Захарова, Л.Т.Бахшиева, Б.П.Кон-дауров и др.]; под ред. А.А.Захаровой. -- М.: Издательский центр «Академия», 2006. -- 528 с.

Размещено на Allbest.ru