Теплообменные аппараты на химическом производстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНЕСТРЕСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Краснодарского края

«Белореченский индустриально-технологический техникум»

на тему: «Теплообменные аппараты на химическом производстве»

Котельников Роман

Белореченск 2018



Введение

Проведение многих технологических процессов, осуществляемых в химической промышленности, часто бывает связано с необходимостью подвода или отвода тепловой энергии. Для решения этой задачи применяют различные теплоносители, которые отдают или поглощают тепловую энергию в теплообменных аппаратах (теплообменниках), предназначенных для передачи тепла от одного теплоносителя, нагретого до более высокой температуры, к другому. теплагент пар ток конденсатор

Теплоноситель - жидкое или газообразное вещество, применяемое для передачи тепловой энергии.

Теплоносители, отдающие тепловую энергию в теплообменном аппарате, называют теплагентами, поглощающие - хладагентами. Следует отметить, что деление теплоносителей на теплагенты и хладагенты во многом условно, поскольку один и тот же теплоноситель в одних процессах может выступать в роли теплагента, а в других - хладагента. Примером таких теплоносителей являются промежуточные теплоносители, служащие для транспортировки тепловой энергии от её источников (печей, где тепло выделяется при сгорании топлива) к аппаратам, потребляющим тепловую энергию.

В качестве теплоносителей могут служить жидкости, газы и пары, удовлетворяющие ряду требований:

?подходящий для осуществляемого процесса рабочий температурный интервал;

?достаточное теплосодержание - количество тепла выделяемое или поглощаемое теплоносителем в процессе теплообмена, для не меняющих в процессе теплообмена своего фазового состояния теплоносителей определяется теплоёмкостью, для теплоносителей, претерпевающих в процессе теплообмена фазовое превращение, определяется теплотой парообразования или конденсации;

?невысокая вязкость, позволяющая осуществлять транспортировку теплоносителя к теплообменным аппаратам и циркуляцию теплоносителя внутри аппаратов, также вязкость теплоносителя косвенно влияет на коэффициент теплоотдачи;

?отсутствующая или невысокая коррозионная активность;

?безопасность, определяющаяся токсичностью теплоносителя, огнеопасностью и взрывоопасностью, возможностью вызывать термические или крио- ожоги, а также экологическая безопасность;

?невысокая стоимость теплоносителя и его доступность.

Теплообменник - устройство, в котором осуществляется теплообмен между теплоносителями, имеющими различные температуры.

Теплообменники классифицируются по самым разным признакам: способу теплопередачи, устройству конструкции и способу конфигурации и компоновки поверхности теплопередачи, материалу, из которого изготовлен теплообменник и т.д. Большое разнообразие теплообменного оборудования связано с неоднозначными требованиями, предъявляемыми к теплообменникам, которые зависят от условий их эксплуатации. Следующие требования к теплообменному оборудованию являются основополагающими:

?минимальный расход материалов при изготовлении;

?устойчивость материала к коррозионному действию теплоносителей;

?компактность аппарата при достаточной площади поверхности теплопередачи;

?высокий коэффициент теплопередачи при минимальном гидравлическом сопротивлении;

?надежность и герметичность оборудования;

?легкий доступ к поверхности оборудования для ее очистки от загрязнений;

?доступность деталей и узлов или их унификация.

1. 

1. ТЕПЛАГЕНТЫ

Все теплагенты можно разделить на три класса по их фазовому состоянию, с которым связан также их рабочий температурный интервал (рис. 1). Самые высокие температуры имеют газообразные теплагенты. Это, прежде всего, дымовые газы, образующиеся при сжигании топлива в печах или специальных топках. Кроме того, используют дымовые отработанные газы, которые являются отходами работы различных печей. Вследствие низкой теплоёмкости газообразные теплоносители способны отдать в процессе теплообмена относительно небольшое количество тепловой энергии (менее 300 кДж/кг), и имеют довольно низкий коэффициент теплоотдачи. Всё это, вместе с низкой плотностью газов, приводит к громоздкости теплообменных аппаратов, где в качестве теплагента выступают газы, и проблемам с транспортировкой этих теплоносителей.

Второй класс теплагентов составляют пары жидкостей, их отличие от газов в том, что в процессе теплообмена пары меняют своё фазовое состояние, превращаясь в жидкость - конденсат. Из подобных теплоносителей наиболее распространён водяной пар. Также нашли применение пары высококипящих органических жидкостей. Реже используются пары металлов: лития, калия, кадмия и ртути. Поскольку тепловой эффект фазового перехода достаточно вы сок, то количество тепловой энергии, получаемой с одного килограмма такоготеплагента в теплообменном аппарате может достигать 2 300 кДж/кг. Следовательно, по этому показателю пары лидируют среди других теплагентов. Рабочий температурный интервал паров, как теплагентов, лежит несколько ниже рабочего интервала газообразных теплагентов. При этом пары обычно играют роль промежуточных теплоносителей, осуществляющих транспортировку к теплообменным аппаратам тепловой энергии, полученной от дымовых газов.

Третий класс теплагентов - это жидкие теплагенты: вода (в том числе перегретая и находящаяся под давлением); высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ), представляющие собой органические жидкости с высокими температурами кипения (этиленгликоль, глицерин, нафталин и его производные, дифенил и его производные) и их смеси (например, дифенильная смесь); минеральные масла; ионные теплоносители, представляющие собой расплавы солей (например, нитрит-нитратная смесь); кремнийорганические жидкости; жидкометаллические теплоносители (ртуть, расплавы щелочных и щелочно-земельных металлов, расплавы свинца, висмута, кадмия, сурьмы, олова). Количество тепловой энергии, выделяемое жидкими теплагентами в процессе теплообмена обычно несколько ниже, чем у паров, и редко превышает 200-300 кДж/кг. Однако высокая плотность жидкостей, по сравнению с газами и парами, делает жидкие теплагенты гораздо более экономически выгодными и удобными для использования, чем газообразные теплагенты, и позволяет конкурировать с парами, поскольку теплообменное оборудование, где используются жидкие теплагенты, достаточно компактно, а транспортировка жидких теплагентов сопряжена со значительно меньшими трудностями, чем транспортировка газов и паров.

Отдельно следует отметить процесс нагрева электрическим током. Аппараты для нагрева электрическим током наиболее компактны, рабочий интервал температур довольно широк, а сам процесс нагрева легко контролируется и регулируется. Всё это позволяет при необходимости использовать электрический ток вместо любого другого теплагента. Однако стоимость единицы тепловой энергии, полученной при нагреве электрическим током, в несколько раз выше стоимости единицы тепловой энергии, полученной при сжигании топлива. Поэтому на химических предприятиях, где есть возможность получать тепловую энергию от теплостанций, нагрев электрическим током не применяют. Используют его лишь на малотоннажных установках, там, где нет подведённых линий паропроводов. На крупнотоннажных установках зачастую для получения тепловой энергии более рентабельным оказывается установка топки, отапливаемой природным газом, чем нагрев электрическим током.

1.1 Дымовые газы

Получение

Основным источником тепловой энергии на химических предприятиях служат разнообразные печи, где производится сжигание топлива (рис. 2). В качестве топлива могут служить такие распространенные энергоносители, как природный газ, каменный уголь, мазут, торф, а также различное сырьё химических предприятий, которое при переработке подвергают сжиганию или обжигу, например, сера и железный колчедан на сернокислотных заводах.

Продуктом работы печей является тепловая энергия, часть которой выделяется в виде излучения. Эта часть может быть снята и отведена каким-либо теплоносителем непосредственно из радиационной зоны печи. Другая часть тепловой энергии содержится в дымовых газах, представляющих собой смесь продуктов сгорания топлива с воздухом, который подаётся в печь обычно в избытке. Эта часть тепловой энергии может быть снята и отведена в конвективной зоне печи, либо направлена вместе с дымовыми газами к потребляющим тепловую энергию аппаратам.

Транспортировка дымовых газов сопряжена с рядом трудностей. Низкая плотность и малая теплоёмкость газов приводит к значительным диаметрам труб газопроводов, необходимым для их транспортировки. Обеспечить тепловую изоляцию таких широких труб сложно, а недостаточная изоляция при довольно значительных температурах дымовых газов приводит к большим тепловым потерям и быстрому остыванию газов. Поэтому потребляющие тепловую энергию дымовых газов аппараты следует размещать рядом с печами.

Рис. 2. Схема трубчатой печи:

1 - удаление шлака; 2 - воздух; 3 - факел сгорающего топлива;

4 - радиационная зона печи; 5 - трубчатка радиационной зоны печи; 6 - дымовые газы; 7 - конвективная зона печи;

8 - трубчатка конвективной зоны печи; 7 - отработанные газы

Также возможно получение дымовых газов непосредственно рядом с потребляющим их аппаратом. Для этого используют небольшие топки (рис. 3), где в качестве топлива используют обычно природный газ. Дымовые газы в этом случае перед подачей в теплообменный аппарат обычно разбавляют воздухом до необходимой температуры.

Не вся тепловая энергия дымовых газов может быть отведена непосредственно из печи. Отходящие из печи газы имеют температуру 300ч500 °С, называются отработанными дымовыми газами, и также при необходимости могут быть использованы в качестве теплагента. Поскольку температура этих газов ниже, а сами они являются отходами, требования к их транспортировке менее жёсткие, и их уже можно транспортировать на некоторые расстояния.

Рис. 3. Схема обогрева топочными газами:

1 - подача воздуха в камеру сгорания; 2 - подача воздуха для разбавления дымовых газов; 3 - подача топлива; 4 - горелка; 5 - камера смешения; 6 - теплообменный аппарат;

7 - дымовой насос; 8 - отвод отработанных газов

Достоинства дымовых газов как теплагента:

1) Наиболее высокий из всех теплагентов рабочий интервал температур (для печных и топочных дымовых газов 400ч1 000 °С, для отработанных газов 300ч500 °С).

2) Относительно низкая стоимость, благодаря получению непосредственно сжиганием топлива.

Недостатки дымовых газов как теплагента:

1) Малая удельная объёмная теплоёмкость (около 1,5 кДж/(м³·К)), что вызывает необходимость пропускания через аппараты больших объёмов газов, обуславливает громоздкость аппаратов и вызывает трудности с транспортировкой газов к аппаратам.

2) Низкие коэффициенты теплоотдачи от газа к стенке (менее 50 Вт/(м²·К)), что приводит к необходимости создания в аппаратах больших

поверхностей теплоотдачи (например, путём оребрения со стороны газов) и обуславливает громоздкость аппаратов.

1) Неравномерность нагрева и сложность регулирования нагрева из-за значительного изменения температуры дымовых газов в процессе теплообмена (для наиболее полного использования тепла дымовые газы в процессе теплообмена охлаждают на несколько сотен градусов, следовательно, части аппарата, контактирующие со свежими дымовыми газами, будут нагреты гораздо сильнее, чем части, контактирующие с отходящими газами).

2) Загрязнение нагреваемых веществ продуктами сгорания и сажей при непосредственном (остром) контакте дымовых газов с нагреваемыми веществами или загрязнение поверхности теплопередачи при контакте через стенку.

3) Коррозия стенок аппарата вследствие высоких температур и содержания коррозионно-активных веществ (воды, остатков кислорода, оксидов серы и азота) в дымовых газах.

4) Экологическая опасность (загрязнение атмосферы продуктами сгорания топлива: оксидами азота, серы и фосфора, а также выброс в атмосферу парниковых газов).

Область применения

Дымовые газы, получаемые при сжигании твёрдого, жидкого или газообразного топлива - основной источник тепловой энергии на химических пред- приятиях. Другие теплагенты, являющиеся промежуточными теплоносителями (такие как водяной пар, горячая вода, ВОТ и др.), получают тепловую энергию от дымовых газов. Контакт между дымовыми газами и промежуточным тепло- носителем осуществляют в аппаратах, аналогичных изображённой на рис. 2 трубчатой печи.

Дымовые газы часто используют как теплагент в регенеративных теплообменниках. Так воздух, подаваемый в доменную печь, предварительно нагревают в регенеративном теплообменнике (рис. 52), для нагрева которого используются отводимые из доменной печи дымовые газы.

Дымовые газы также используются как теплагент при непосредственном контакте с нагреваемыми веществами (остром нагреве), например, в процессе конвективной сушки, где дымовые газы играют роль сушильного агента.

Температуру топочных газов регулируют частичной рециркуляцией отработанных газов. Возвращая дымовым насосом или эжектором часть отработанных газов и смешивая их с газами, полученными в топке, снижают температуру газов и одновременно увеличивают объём газов, обогревающих теплообменные аппараты. Увеличение объёма газов приводит к возрастанию их скорости, что влечёт за собой увеличение коэффициента теплоотдачи от газа к стенке теплообменного аппарата. Также для снижения температуры газом можно произвести их разбавление воздухом.

1.2 Водяной пар

Получение

Из всех парогенерирующих аппаратов наибольшее промышленное значение в химической технологии имеют следующие: паровые котлы для получения насыщенного пара, паровые котлы энергетических установок для получения перегретого пара, паровые котлы-утилизаторы, выпарные установки. Другие аппараты, генерирующие пар, такие как электрические паровые котлы, в химической промышленности применяются мало вследствие малотоннажности или высокой стоимости получаемого пара.

Паровые котлы для получения насыщенного пара предназначены для снабжения насыщенным водяным паром химического предприятия. Различают дымотрубные котлы, где по трубам движутся дымовые газы, а вода кипит в межтрубном пространстве, и паротрубные котлы, где кипение воды происходит в трубах. Паротрубные котлы используются чаще, поскольку более удобны в обслуживании. В качестве топлива в паровых котлах используют природный газ или мазут, реже каменный уголь или торф. Основным продуктом работы паровых котлов является насыщенный пар, побочным продуктом может быть горячая вода. Поскольку кипение в котлах с точки зрения теплоотдачи выгоднее проводить при повышенном давлении (большая плотность пара при повышенном давлении позволяет достичь большей массовой доли испарённой воды в трубах котла, тем самым снизив число циркуляций испаряемой воды), то получаемый пар, имеющий давление 2ч4 МПа (20ч40 бар), необходимо дросселировать до необходимого на химическом предприятии давления греющего пара 0,5ч1 МПа. Процесс дросселирования пара невыгоден с энергетической точки зрения, целесообразнее использовать избыточное давление пара, пропустив пар через турбину, превратив тем самым часть энергии пара в электроэнергию.



Рис. 4. Схема П-образного паротрубного котла:

1 - горелка; 2 - топочная камера; 3 - трубчатка радиационной зоны (топочные экраны); 4 - барабан (сепаратор водопаровой смеси); 5 - радиационно-конвективный пароперегреватель; 6 - водяной экономайзер (подогреватель); 7 - конвективная шахта; 8 - воздухоподогреватель

Паровые котлы энергетических установок снабжают перегретым паром паровые турбины, вращающие электрогенераторы. Различают дымотрубные и паротрубные котлы энергетических установок, в нашей стране большинство энергетических установок используют паротрубные котлы (рис. 4). В качестве топлива используют природный газ, мазут или каменный уголь. Основной продуктом энергетической установки - электрическая энергия, побочными продуктами являются: отработанный пар под давлением 0,2ч0,3 МПа (получаемый на выходе из турбин с противодавлением), отобранный пар под давлением 0,6ч0,7 МПа (получаемый от турбин с промежуточным отбором пара), горячая вода. Использование избыточного давления пара для выработки электроэнергии более рентабельно, чем его дросселирование.

Котлы-утилизаторы используют на химических предприятиях для поглощения и переработки тепловой энергии различных экзотермических процессов, когда требуется снижение температуры. Например, в сернокислотном производстве при сжигании серы или обжиге железного колчедана получаемый диоксид серы имеет температуру более 1000 °С, для дальнейшей переработки необходимо снизить его температуру до 350ч400 °С, с этой целью после печи обжига устанавливают котёл-утилизатор.

Выпарные установки, использующиеся для концентрирования водных растворов солей, в качестве побочного продукта своей работы дают экстра-пар. Обычно этот пар имеет невысокое давление, близкое к атмосферному, что ограничивает возможности его использования. Однако этот пар можно компримировать - пропустить через компрессор, тем самым повысив его давление. Даже с учётом того, что компримирование пара сопряжено с затратами электроэнергии на работу компрессора, использование компримированного экстра-пара достаточно выгодно. Многие выпарные установки обогреваются собственным компримированным экстра-паром.

Высокие требования при получении пара предъявляются к качеству испаряемой воды. Подаваемая в парогенераторы вода должна быть очищена не только от механических примесей, но и от солей жёсткости - гидрокарбонатов кальция и магния, которые при нагревании способны выпадать на стенках труб в виде накипи. Образующаяся накипь не только ухудшает теплопередачу в аппарате, но и способна в конечном итоге привести к аварии - разрыву паром забитой накипью трубы. Подготовка воды для дальнейшего получения из неё пара - процесс сложный, что существенно сказывается на стоимости получаемого пара.

Достоинства водяного пара как теплагента:

1) Высокий коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке (5 000ч15 000 Вт/(м²·К)).

2) Большоеколичествотепла,выделяемогоприконденсациипара

(2 000ч2 300 кДж/кг).

3) Возможность транспортировки на значительные расстояния (при этом пар должен быть перегрет на 10ч20 К).

4) Равномерность обогрева, поскольку температура конденсации пара постоянна по всей длине аппарата.

5) Возможность регулирования температуры пара путём изменения давления.

6) Водяной пар нетоксичен, экологически безопасен, негорюч и невзрывоопасен.

Недостатки водяного пара как теплагента:

1) Значительное возрастание давления с увеличением температуры. Вследствие чего использование пара высоких температур возможно только на оборудовании, рассчитанном на высокие давления, что ограничивает примене- ние водяного пара.

Область применения

Водяной пар является наиболее распространённым теплагентом в химической промышленности. Рабочий интервал температур насыщенного водяного пара ограничен 250 °С, однако на практике насыщенный водяной пар используют при 100ч190 °С, поскольку более высокие температуры пара соответствуют высоким давлениям. Использование пара с давлением свыше 1,2 МПа, как правило, экономически нецелесообразно вследствие усложнения аппаратурного оформления процесса.

Помимо насыщенного пара часто встречается перегретый пар, получаемый путём дополнительного нагрева пара выше температуры насыщения. Перегрев пара производят для сообщения ему дополнительной энергии, что целесообразно при использовании пара для вращения паровых турбин. Применение перегретого пара как теплагента вместо насыщенного пара не даёт особых пре- имуществ, так как основную часть тепловой энергии пар выделит, только начав конденсироваться, что произойдёт при охлаждении пара до температуры насыщения. Тепловая энергия, выделившаяся в ходе охлаждения перегретого пара и превращения его в насыщенный пар, относительно мала вследствие низкой теплоёмкости пара. Следовательно, использование перегретого пара не даст пре- имуществ ни по тепловой энергии, ни по температуре. Однако перегрев пара целесообразно производить, если требуется его транспортировка. Перегрев пара на 10ч20 К позволяет избежать конденсации пара в паропроводах, поскольку возможные тепловые потери будут компенсированы перегревом.

Различают «острый» и «глухой» нагрев водяным паром. Острый нагрев паром применяют в тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с паровым конденсатом. Этот способ нагрева отличается простотой теплообменных аппаратов (рис. 5) и позволяет лучше использовать тепловую энергию пара, так как паровой конденсат смешивается с нагреваемой жидкостью, в результате чего их температуры выравниваются. Кроме того, подавая пар в нагреваемую жидкость под давлением, можно перемешивать жидкость, используя сопло и диффузор (рис. 5, б). Использование струйного насоса-эжектора, где в качестве рабочей среды используется пар, а перекачиваемой средой является вода, позволяет нагнетать воду под давлением в паровой котёл, одновременно её подогревая.

Рис. 5. Схема острого нагрева жидкости водяным паром: а - паровой барботер; б - бесшумный сопловой подогреватель; 1 - сопло; 2 - смешивающий диффузор

Острый нагрев водяным паром встречается в химической технологии редко, поскольку смешение нагреваемой жидкости и парового конденсата обычно недопустимо. Значительно чаще нагрев осуществляют через стенку - глухой нагрев паром (рис. 6). При этом способе нагрева пар, соприкасаясь с более холодной стенкой, конденсируется на ней, и конденсат стекает по стенке в виде плёнки. Пар всегда вводят в верхнюю часть аппарата, а образующийся конденсат самотёком отводят из его нижней части.

При глухом нагреве паром необходимо, чтобы пар полностью сконденсировался в аппарате. Совершенно недопустима работа теплообменного аппарата с «пролётным» паром, т. е. при неполной конденсации пара, когда из аппарата отводится смесь пара и конденсата. Для предотвращения непроизводительного расхода пара в результате его ухода с конденсатом используют специальные устройства - конденсатоотводчики, которые препятствуют уходу из аппарата пара, при этом своевременно отводя конденсат.



Рис. 6. Схема размещения конденсатотводчика на аппарате при глухом обогреве паром

Различают клапанные конденсатоотводчики периодического действия и бесклапанные конденсатоотводчики непрерывного действия. В зависимости от принципа работы клапанные конденсатоотводчики можно разделить на три группы: механические (поплавковые), термостатические и термодинамические. Принцип работы механических конденсатоотводчиков основан на использовании разницы в плотностях пара и конденсата. При поступлении конденсата в корпус конденсатоотводчика поплавок всплывает, поднимая клапан для отвода конденсата. После удаления конденсата поплавок опускается и клапан закрывает выходное отверстие. Существуют следующие их разновидности: поплавковый со сферическим закрытым поплавком (рис. 7), поплавковый со сферическим открытым поплавком, поплавковый колокольного типа (с открытым стаканом) (рис. 8).

аб

Рис. 7. Схема устройства (а) и вид в разрезе (б) механического конденсатоотводчика со сферическим закрытым поплавком:

1 - корпус; 2 - поплавок; 3 - клапан



аб

Рис. 8. Схема устройства механического конденсатоотводчика с открытым стаканом (а) и вид в разрезе механического конденсатоотводчика с перевёрнутым открытым стаканом (б): 1 - корпус; 2 - стакан; 3 - клапан

Принцип работы термостатических конденсатоотводчиков основан на использовании расширения тел от нагревания и различии температур пара и конденсата. При поступлении в конденсатоотводчик пара, имеющего более высокую температуру, чем конденсат, рабочее тело конденсатоотводчика расширяется и клапан закрывается. Существуют следующие разновидности термостатических конденсатоотводчиков: капсульные конденсатоотводчики, где рабочим телом является капсула, заполненная спиртовой смесью (рис. 9, а); конденсатоотводчики с биметаллическими пластинами, где рабочим телом является пластина, изгибающаяся при нагревании вследствие того, что металлы, из которых она изготовлена, имеют разные коэффициенты температурного расширения; сильфонные конденсатоотводчики, где рабочим телом является сильфон - упругая многослойная гофрированная оболочка (рис. 9, б).



аб

Рис. 9. Термостатические конденсатоотводчики:

а - капсульный конденсатоотводчик; б - сильфонный конденсатоотводчик

Принцип действия термодинамических конденсатоотводчиков (рис. 10) основан на использовании кинетической энергии среды разной плотности, проходящей через него. Конденсат поднимает тарелку и проходит к выходному отверстию. Пар, двигаясь в зазоре между тарелкой и корпусом, имеет большую скорость, чем конденсат, вследствие чего давление под тарелкой понижается. Из-за разности давлений под и над тарелкой, она прижимается к уплотнительным кольцам, блокируя проход пара.

Могут также использоваться различные комбинированные конденсатоотводчики, например, дифференциальные. В дифференциальном конденсатоотводчике, сочетающем в себе особенности термостатических и термодинамических конденсатоотводчиков, при переохлаждении конденсата происходит открытие клапана за счёт сжатия рабочего тела. Закрытие клапана происходит за счёт термодинамического процесса «вскипания» конденсата в области локального снижения давления, когда температура конденсата приближается к температуре насыщения. Дифференциальный конденсатоотводчик отличается чувствительностью, что предотвращает потери пара, а также позволяет регулировать температуру отводимого конденсата путём перенастройки регулятора на определённое переохлаждение.

Рис. 10. Термодинамический конденсатоотводчик

Бесклапанные конденсатоотводчики непрерывного действия препятствуют прохождению пара с помощью гидрозатвора или гидравлического сопротивления. Гидравлический затвор образуется либо столбом конденсата в гидравлических колонках (конденсатоотводчик с гидрозатвором), либо одним или несколькими соплами (сопловые конденсатоотводчики), либо лабиринтом, создающим гидравлическое сопротивления прохождению пара, но не препятствующим прохождению конденсата (лабиринтные конденсатоотводчики). В случае отвода конденсата посредством гидравлического сопротивления применяют подпорные шайбы.

При нагревании насыщенным водяным паром в паровое пространство аппарата поступают содержащиеся в паре неконденсирующиеся газы (воздух, углекислый газ и др.). Конденсатоотводчики не пропускают эти газы, в результате чего газы накапливаются. Присутствие неконденсирующихся газов приводит к значительному снижению коэффициента теплоотдачи от пара к стенке, поэтому их следует удалять, периодически продувая аппарат свежим паром путём открытия вентиля на обводной линии конденсатоотводчика.

1.3 Вода как теплагент

Получение и область применения

Горячая вода является побочным продуктом работы котлов для получения водяного пара. Также может быть использован конденсат от выпарных установок, теплообменников подогревателей и других аппаратов, где происходит конденсация водяного пара без охлаждения конденсата. При отсутствии таких источников горячей воды, она может быть получена в специально предназначенных для этого водогрейных котлах (рис. 12). Для получения горячей воды иногда используют теплообенники-бойлеры, обогреваемые водяным паром. Однако, поскольку водяной пар - более предпочтительный теплагент, то получение с его помощью горячей воды редко бывает целесообразно.



аб

Рис. 12. Водогрейные котлы:

а - дымотрубный; б - водотрубный

аб

Рис. 13. Схема нагрева с естественной (а) и принудительной (б) циркуляцией

Поскольку к качеству греющей воды предъявляются высокие требования в плане отсутствия в ней механических примесей и солей жёсткости, а водоподготовка является дорогостоящим процессом, то целесообразно повторное использование отработанной воды. Поэтому при использовании горячей воды в качестве теплагента часто применяют циркуляционный способ обогрева (рис. 13). По этому способу обогрева теплагент циркулирует по замкнутому контуру между печью или другим нагревательным аппаратом и теплообменником, где он отдаёт полученное в первом аппарате тепло. Такая циркуляция может быть естественной или принудительной. Естественная циркуляция возникает за счёт разности плотностей нагретого и охлаждённого теплагента, для этого нужно, чтобы перепад высот между теплообменником и печью был не менее 4-5 м. Скорость естественной циркуляции незначительна - около 0,2 м/с. Принудительная циркуляция осуществляется с помощью насоса, при этом отпадают ограничения по высоте расположения аппаратов. Однако работа насоса при перекачивании жидкостей при температуре близкой к температуре кипения сопряжена с рядом трудностей (прежде всего, с опасностью возникновения кавитации), вследствие чего установки с принудительной циркуляцией менее надёжны и более дороги при эксплуатации.

Интервал рабочих температур жидкой воды как теплагента ограничен температурой её кипения и при атмосферном давлении составляет 50ч95 °С. Однако повышение давления до 0,5 МПа, позволяет расширить интервал до 150 °С без серьёзного усложнения оборудования. Использование перегретой воды при более высоких температурах (до 300-350 °С) и давлениях (до 10- 20 МПа) сопряжено с существенным усложнением оборудования и делает невозможным применение некоторых типов теплообменных аппаратов.

Достоинства воды как теплагента:

1) Доступность воды.

2) Высокая теплоёмкость воды по сравнению с органическими жидкостями (4,19 кДж/(кг·К) у горячей воды, примерно 1,5-2 кДж/(кг·К) у органических жидкостей).

3) Невысокая вязкость воды по сравнению с органическими жидкостями.

4) Высокий коэффициент теплоотдачи (примерно в 5-6 раз выше, чем у органических жидкостей).

Нетоксичность, пожаро- и взрывобезопасность, экологическая безопасность. Недостатки воды как теплагента:

1) Ограниченный температурный интервал вследствие резкого повыше- ния необходимого давления для перегретой воды.

2) Высокие требования к качеству очистки воды от солей жёсткости, спо- собных образовывать накипь на стенках аппаратов.

3) Коррозионная активность воды по отношению к обычной стали и чу- гуну, из которых выполняются большинство трубопроводов и аппаратов.

1.4 Минеральные масла

Получение и область применения

Минеральными маслами называют жидкие смеси высококипящих углеводородов (температура кипения 300ч600 °С), главным образом алкилнафтеновых и алкилароматических, получаемые переработкой нефти. Исторически минеральные масла были одними из первых высокотемпературных промежуточных теплоносителей, позволяющих осуществлять транспортировку тепловой энергии от дымовых газов к потребляющим аппаратам в тех случаях, когда использование воды и водяного пара невозможно из-за высокого давления. Нагрев минеральных масел производят в аппаратах, аналогичных представленным на рис. 2 и 3. При использовании минеральных масел в качестве теплагента часто применяют циркуляционный способ обогрева с естественной (рис. 13, а) или принудительной (рис. 13, б) циркуляцией. Однако образование в минеральных маслах твёрдых или газообразных продуктов их разложения и окисления требует установки на циркуляционный контур устройств для удаления этих продуктов: фильтров, сепараторов и т.п.

Достоинства минеральных масел как теплагента:

1) Возможность нагрева до высоких температур без повышения давления.

2) Отсутствие коррозионного действия большинства минеральных масел на материал трубопроводов и материалов.

3) Невысокая стоимость и доступность по сравнению с другими высокотемпературными теплоносителями.

4) Нетоксичность.

Недостатки минеральных масел как теплагента:

1) Невысокая теплоёмкость минеральных масел и низкий коэффициент теплоотдачи приводят к низкой производительности теплообменной аппаратуры.

2) Высокая вязкость, ещё более возрастающая в ходе длительной эксплуатации из-за окисления и полимеризации. Высокая вязкость минеральных масел при комнатной температуре приводит к значительным сложностям при пуске установок с масляным обогревом (для ускорения пуска трубопроводы и аппараты в некоторых случаях приходится снабжать паровыми рубашками).

3) Разложение минеральных масел при перегреве, что ограничивает рабочий интервал температур (обогрев минеральными маслами редко применяют для температур выше 200-300 °С).

4) Постепенное разложение, окисление или полимеризация минеральных масел, что влечёт необходимость их частой замены, а также установки на циркуляционный контур дополнительных устройств, удаляющих твёрдые и газообразные продукты разложения.

5) Загрязнение поверхностей трубопроводов и аппаратов продуктами разложения или полимеризации минеральных масел.

6) Горючесть минеральных масел и взрывоопасность их паров.

2. 

2. НАГРЕВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

Наряду с топочными газами электрическая энергия представляет собой прямой источник тепловой энергии. Нагрев электрическим током имеет ряд существенных преимуществ перед нагревом различными теплагентами. В первую очередь это широкий рабочий диапазон температур, ограниченный только термической стойкостью материалов, из которых изготовлен теплообменный аппарат (электропечь). Таким образом, по широте температурного диапазона нагрев электрическим током превосходит все иные теплагенты. Вторым существенным преимуществом является компактность оборудования для нагрева электрическим током, а также удобность подвода электрического тока к теплообменному оборудованию. Не менее важное достоинство - возможность точного и быстрого регулирования нагрева.

Несмотря на столь существенные преимущества, нагрев электрическим током находит ограниченное применение в химической технологии, что связано с высокой стоимостью электрической энергии. Киловатт электрической энергии стоит в 3-5 раз дороже киловатта тепловой энергии, получаемой путём сжигания топлива. Причина такой разницы в стоимости энергии заключается в том, что большая часть электрической энергии вырабатывается на тепловых электростанциях, КПД которых не превышает 30 % (то есть, для выработки 1 кВт электрической энергии необходимо затратить не менее 3 кВт тепловой энергии). Следовательно, обратное превращение электрической энергии в тепловую существенно менее выгодно, чем непосредственное использование исходной тепловой энергии, полученной сжиганием топлива. Поэтому на химических предприятиях используют тепловую энергию, получаемую сжиганием топлива, используя для её транспортировки промежуточные теплоносители, а нагрев электрическим током применяют лишь в малотоннажных производствах, либо там, где нагрев другими способами невозможен вследствие ограниченности габаритных размеров теплообменного оборудования или необходимости очень точного регулирования нагрева.

a. Нагрев электрическим сопротивлением

Один из самых распространённых способов нагрева электрическим током

- это нагрев электрическим сопротивлением. Различают нагрев электрическим

сопротивлением прямого и косвенного действия. В электропечах сопротивления прямого действия в электрическую цепь включается нагреваемая среда. На практике этот способ нагревания реализуют в аппарате, корпус которого является одним из электродов, а другой электрод размещают непосредственно в нагреваемой среде. Достоинство прямого нагрева перед косвенным в большей компактности оборудования и более полном использовании тепловой энергии (поскольку тепловая энергия образуется непосредственно в нагреваемой среде). Однако прямой нагрев имеет ряд ограничений, связанных с дополнительными требованиями к электропроводности нагреваемой среды, а также с проблемой распространения электрического тока по нагреваемой среде за пределы аппарата.



Рис. 14. Схема аппарата косвенного способа нагрева электрическим сопротивлением:

1 - спирали нагревательного элемента; 2 - элек- троизоляция между нагревательным элементом и металлическим корпусом аппарата

Более широкое применение получили электропечи сопротивления косвенного действия (рис. 14), где теплота выделяется в специальных нагревательных элементах, по которым проходит электрический ток. При этом нагреваемой среде тепло передаётся теплопроводностью и излучением. Нагревательные элементы чаще всего представляют собой проволочные или ленточные спира ли, изготавливаемые из металлических сплавов с высоким (для металлов) электрическим сопротивлением, например, из нихрома - сплава, содержащего 20 % хрома, 30ч79,5 % никеля и 0,5ч50 % железа.

Достоинства нагрева электрическим сопротивлением:

1) Высокий КПД.

2) Компактность оборудования.

3) Возможность точного и быстрого регулирования температуры нагрева.

4) Высокая температура нагрева (до 1400 °С).

Недостатки нагрева электрическим сопротивлением:

1) Высокая стоимость электроэнергии.

2) Неравномерность нагрева среды (при косвенном способе нагрева).

3) Проблема распространения тока по нагреваемой среде (при прямом способе нагрева).

4) Необходимость изоляции спиралей нагревательного элемента от корпуса аппарата (при косвенном способе нагрева).

Электроиндукционный нагрев

Нагревание в индукционных электропечах осуществляется индукционными токами. При индукционном способе нагрева сам обогреваемый аппарат является сердечником соленоида, обмотки которого охватывают аппарат. При пропускании по соленоиду переменного электрического тока вокруг соленоида возникает переменное магнитное поле, индуцирующее в стенках обогреваемого аппарата электродвижущую силу и вызывающее появление вихревых токов Фуко, под действием их и происходит разогрев стенок аппарата, от которых тепло передаётся нагреваемой жидкости.

Достоинства нагрева электроиндукцией:

1) Равномерный нагрев.

2) Электрический ток не контактирует со стенками аппарата и нагреваемой средой, что повышает безопасность.

3) Нагревательным элементом являются сами стенки аппарата, нет препятствий передаче тепла в виде электроизоляции, как при косвенном способе нагрева электросопротивлением.

Недостатки нагрева электроиндукцией:

1) Высокая стоимость электроэнергии.

2) Менее высокие температуры нагрева, чем при нагреве электросопротивлением (температура электроиндукционного нагрева не превышает 400 °С).

3) Из-за значительных размеров соленоида, аппараты для нагрева электроиндукцией более громоздки, чем аппараты для нагрева электросопротивлением.

Высокочастотный диэлектрический нагрев

Высокочастотное нагревание применяют для нагревания диэлектриков (пластмасс, резины, дерева, пищевых продуктов и др.). Нагреваемый материал помещают в переменное электрическое поле с частотой 10ч100 МГц и напряжённостью 1000ч2000 В/см. Под действием переменного электрического поля молекулы диэлектрика колеблются с частотой поля и при этом поляризуются. В результате повышается энергия теплового движения молекул, а следовательно, и температура нагреваемого материала.

Достоинства высокочастотного диэлектрического нагрева:

1) Выделение теплоты происходит во всей толще материала, в результате чего он прогревается равномерно.

2) Нагревание протекает с высокой скоростью.

3) Процесс нагрева легко регулируется и может быть полностью автоматизирован.

Недостатки высокочастотного диэлектрического нагрева:

1) Высокая стоимость электроэнергии.

2) Сложность и громоздкость оборудования.

3) Необходим ток высокой частоты.

Электродуговой нагрев

Нагревание в электродуговых печах происходит за счет того, что электрическая энергия превращается в теплоту, выделяемую пламенем дуги, возникающей между электродами. Электрическая дуга позволяет сконцентрировать большую электрическую мощность в малом объеме, внутри которого раскаленные газы и пары переходят в состояние плазмы. Электродуговые печи на предприятиях химической промышленности можно встретить, например, в производствах карбида кальция. Наиболее широко их используют для плавки металлов.

Достоинства электродугового нагрева:

1) Самые высокие температуры нагрева (до 3 000 °С).

Недостатки электродугового нагрева:

1) Очень узкая локальная область нагрева.

2) Неравномерность нагрева и трудность регулирования температуры нагрева.

3) Необходим ток высокой частоты.

3. 

3. ТЕПЛООБМЕННИКИ

Теплообменные аппараты классифицируют в зависимости от формы поверхности, вида теплоносителей, способа передачи тепла. В соответствии с последним показателем теплообменники подразделяют на поверхностные (рекуперативные), смесительные (контактные), регенеративные (рис. 17).

Поверхностные теплообменники представляют собой наиболее значительную группу аппаратов, используемых в химической технологии. В таких аппаратах теплоносители разделены стенкой, сквозь которую тепло передаётся за счёт теплопроводности материала стенки. Главной характеристикой таких аппаратов является площадь поверхности стенки, поскольку именно от её размера зависит количество тепла, передаваемое в аппарате от одного теплоносителя к другому. Поэтому поверхности стенки придают сложную форму, стремясь достичь значительной её площади при ограниченных габаритных размерах аппарата. Если поверхность теплообмена формируется из труб, то такие теплообменники называют трубчатыми. Это самый многочисленный подкласс теплообменных аппаратов, к которому относятся кожухотрубчатые, элементные (секционные), двухтрубчатые («труба в трубе»), оросительные, погружные и оребрённые теплообменники. Теплообменники с плоской поверхностью теплопередачи представлены тремя видами аппаратов: пластинчатыми теплообменниками, спиральными теплообменниками и аппаратами с двойными стенками (рубашками). Отдельный подкласс составляют блочные теплообменники, изготавливаемые из графитовых или фторопластовых блоков.

В смесительных (контактных) теплообменниках теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей. К этому классу относятся рассмотренные выше аппараты для острого нагрева паром (рис. 5), а также градирни и барометрические конденсаторы.

В регенеративных теплообменниках процесс переноса тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода. В первый период насадка теплообменника аккумулирует тепло при прохождении через неё горячего теплоносителя, а затем, во второй период, отдаёт тепло холодному теплоносителю. Теплообменники этого типа часто применяют для регенерации теплоты отходящих дымовых газов.

По назначению поверхностные теплообменные аппараты подразделяют на следующие типы:

холодильники - теплообменные аппараты, применяемые для охлаждения жидких или газовых сред водой или другим хладагентом;

подогреватели - теплообменные аппараты, применяемые для нагрева жидких или газовых сред жидким теплагентом или конденсирующимся паром;

конденсаторы - теплообменные аппараты, применяемые для конденсации паров при охлаждении водой или другим хладагентом;

испарители - теплообменные аппараты, применяемые для испарения жидкостей при обогреве паром или жидким высокотемпературным теплоносителем.

Следует отметить, что деление типов теплообменных аппаратов по назначению весьма условно, и теплообменные аппараты одной и той же конструкции могут быть отнесены к разным типам в зависимости от процесса. Так подогреватель, где в качестве теплагента используется пар, отличается от конденсатора лишь тем, что целевым процессом является не конденсация пара, а подогрев жидкости за счёт выделяющегося при конденсации тепла.



Рис. 17. Классификация теплообменных аппаратов

Кожухотрубчатые теплообменники

Устройство и принцип работы

Рассмотрим устройство кожухотрубчатых теплообменников на примере наиболее простого аппарата - вертикального одноходового кожухотрубчатого теплообменника (рис. 18). Холодный теплоноситель II подаётся через штуцер на днище 1, поступает во входную камеру, образованную днищем и нижней трубной решёткой 2. Во входной камере поток теплоносителя распределяется по трубам 3, по которым движется вверх, попадая в верхнюю камеру, образованную крышкой 4 и верхней трубной решёткой 5, и покидает аппарат через штуцер на крышке. Горячий теплоноситель I поступает в межтрубное пространство 6, где движется сверху вниз, обтекая трубы. В межтрубном пространстве установлены сегментные перегородки 7, способствующие турбулизации течения теплоносителя.



аб

Рис. 18. Кожухотрубчатый одноходовой теплообменник, внешний вид (а) и схема устройства (б):

1 - днище; 2 - нижняя трубная решётка; 3 - трубы;

4 - крышка; 5 - верхняя трубная решётка; 6 - межтрубное пространство; 7 - сегметные перегородки; I, II - теплоносители

Такое движение теплоносителей (нагреваемый - снизу вверх, а охлаждаемый - сверху вниз) способствует более эффективному переносу теплоты, так как направление движения совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данный теплоноситель под влиянием изменения его плотности вследствие нагрева или охлаждения (направление естественной конвекции совпадает с направлением вынужденной конвекции).

Размещение и способы крепления труб в трубных решётках

Наиболее распространённый способ размещения труб в трубных решётках - по вершинам равносторонних треугольников (рис. 19, а). Применяются и другие способы размещения труб (рис. 19, б, в). При проектировании теплообменного аппарата важно выбрать такой способ размещения, который, с одной стороны, обеспечит максимальную компактность аппарата, а с другой - приемлемое (с точки зрения турбулизации потока, повышающей коэффициент теплоотдачи, и гидравлического сопротивления) обтекание труб потоком в межтрубном пространстве.

абв Рис. 19. Способы размещения труб в трубных решётках: а - по вершинам равносторонних треугольников;

б - по вершинам квадратов;

в - по концентрическим окружностям

Для обеспечения герметизации теплообменников и предотвращения смешения теплоносителей разработаны различные способы крепления труб в трубных решётках (рис. 20, 21). Чаще всего трубы закрепляют при помощи развальцовки, это наиболее удобный и распространенный метод (рис. 20, а, б). Сварку (рис. 20, в) используют, когда материал труб не поддается развальцовке или при большом давлении теплоносителя. Использование сальниковых уплотнений (рис. 20, г) дорого, сложно и недостаточно надежно, хотя значительно упрощает разбор теплообменника для его чистки. Кроме того, крепление труб с помощью сальникового уплотнения является одним из способов компенсации температурных деформаций теплообмненика.

абвг

Рис. 20. Закрепление труб в трубных решетках: а - развальцовкой; б - развальцовкой с канавками; в - сваркой; г - сальниковыми уплотнениями



Рис. 21. Размещение труб в трубных решетках. Производство FAMET

Многоходовые кожухотрубчатые теплообменники

Большая площадь сечения трубного пространства, представляющая собой сумму площадей внутренних сечений труб теплообменника, в случае относительно небольших расходов теплоносителя, приводит к низкой скорости теплоносителя в трубах и, как следствие, к низкому значению коэффициента теплоотдачи в трубном пространстве. Такой теплообменник, где теплоноситель распределяется сразу по всем трубам, называют одноходовым, он зачастую не может обеспечить удовлетворительного теплообмена при недостаточно высоких расходах теплоносителей.

Для интенсификации теплоотдачи в трубном пространстве необходимо увеличить скорость теплоносителя в нём. Для этого теплоноситель распределяют не по всем трубам, а направляют его таким образом, чтобы он последовательно проходил сначала одну, а затем другую часть труб. При этом площадь сечения потока в трубном пространстве уменьшается, а скорость, соответственно, возрастает. Такие теплообменники называют многоходовыми по трубному пространству (рис. 22).

В многоходовом по трубному пространству кожухотрубчатом теплообменнике с помощью поперечных перегородок 2, установленных в крышке и днище теплообменника, пучок труб разделён на секции или ходы, по которым последовательно движется теплоноситель. Очевидно, что в таких теплообменниках скорость движения теплоносителя по трубам, при неизменном его расходе, увеличивается кратно числу ходов.

Многоходовым по межтрубному пространству часто называют теплообменник с сегментными перегородками (рис. 18, б). Сегментные перегородки необходимы для увеличения скорости движения теплоносителя в межтрубном пространстве, турбулизации режима его движения и, как следствие, увеличения коэффициента теплоотдачи. Очевидно, что установка сегментных перегородок имеет смысл лишь в том случае, если теплоноситель не меняет своего фазового состояния. В ином случае, например, когда в межтрубном пространстве конденсируется пар, сегментные перегородки будут лишь мешать нормальной работе теплообменника, препятствуя своевременному стоку конденсата.



аб

Рис. 22. Схема многоходовых (по трубному пространству) кожухотрубчатых теплооменников:

а - двухходовой, б - четырёхходовой; 1 - крышки и днища, 2 - перегородки; I, II - теплоносители

Увеличение скорости движения теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах теплообменника влечёт за собой увеличение гидравлического сопротивления. Кроме того, переход от противотока теплоносителей (в одноходовом теплообменнике) к смешанному току (в многоходовом теплообменнике) приводит к уменьшению движущей силы процесса теплопередачи. Поэтому использование многоходового теплообменника далеко не всегда более целесообразно, чем использование одноходового.

Многоходовые теплообменники не применяют в том случае, если в трубном пространстве происходит изменение фазового состояния теплоносителя (кипение или конденсация), поскольку образующийся при кипении пар движется строго вверх, а образующаяся при конденсации жидкость - строго вниз, и они не могут преодолеть все изменения направления движения, которые претерпевает теплоноситель в многоходовом теплообменнике.

Устройства для компенсации температурных деформаций

Контактируя с горячим теплоносителем, элементы конструкции теплообменника нагреваются и удлиняются вследствие теплового расширения материала. Поскольку кожух теплообменника и его трубы контактируют с разными теплоносителями, то и температура этих элементов конструкции теплообменника различна. Если разница температур кожуха и труб достаточно велика (более 50 К), то кожух и трубы удлиняются существенно не одинаково, что влечёт за собой значительные механические напряжения в трубных решётках, и может привести к нарушению плотности соединения труб с трубными решётками. Поэтому при значительных разницах температур кожуха и труб и существенной длине труб теплообменника применяют теплообменники нежёсткой конструкции, в которых возможно перемещение труб по отношению к кожуху аппарата, либо самопроизвольное изменение длины кожуха без его разрушения.

...