Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Машины и аппараты химических производств: Учебное пособие. Часть I

Голосов: 3

В учебном пособии описаны основные разделы, включенные в программу дисциплины "Машины и аппараты химических производств": теплообменные аппараты, массообменные аппараты и аппараты для сушки материалов. Учебное пособие подготовлено на кафедре общей химической технологии Томского политехнического университета и предназначено для студентов специальности 170500 - "Машины и аппараты химических производств" Института дистанционного образования ТПУ.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
               Министерство образования Российской Федерации
                Томский политехнический университет
__________________________________________________________________




                          О.К. Семакина




         МАШИНЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ
                 ПРОИЗВОДСТВ


                         Учебное пособие


                              Часть I




                            Томск 2003


    УДК 66.02.04 (075.8)


    Семакина О.К. Машины и аппараты химических производств. Учеб. по-
собие /Том. политехн. ун-т. – Томск, 2003. – 118 с.



    В предлагаемом учебном пособии описаны основные разделы, включен-
ные в программу дисциплины «Машины и аппараты химических произ-
водств»: теплообменные аппараты, массообменные аппараты и аппараты для
сушки материалов.
    Учебное пособие подготовлено на кафедре общей химической техноло-
гии ТПУ и предназначено для студентов специальности 170500 – «Машины и
аппараты химических производств» Института дистанционного образования.


    Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета Том-
ского политехнического университета.




                              Рецензенты:

В. П. Пищулин         - заведующий кафедрой «Машины и аппараты хими-
                      ческих производств» Северского государственного
                      технологического института, профессор;



В. А. Лотов           - профессор кафедры технологии силикатов ТПУ,
                      доктор технических наук




                            Темплан 2003
              © Томский политехнический университет, 2003



    2


                             ВВЕДЕНИЕ

     Современное химическое предприятие - это сложный комплекс машин и
оборудования, в который входят аппараты и машины, предназначенные для
химических процессов; емкостное оборудование для хранения жидкостей и
газов; трубопроводы; машины для перемещения жидкостей и газов; машины
для транспортировки твердых сыпучих продуктов.
     Рациональная конструкция машины и аппарата должна удовлетворять
производственным, конструктивным и технико-экономическим требованиям,
а также технике безопасности. Удовлетворить всем этим требованиям в мак-
симальной степени не всегда возможно, поэтому задача заключается в том,
чтобы создать наиболее приемлемую конструкцию, которая отвечала бы тех-
ническим условиям.
     К этим требованиям относятся:
     1. Простота, компактность, надежность и технологичность конструкции
с точки зрения удобства и дешевизны изготовления, монтажа, эксплуатации
и ремонта; стандартизация узлов и деталей; правильный выбор допусков.
     2. Механическая надежность: прочность, жесткость, устойчивость, гер-
метичность и долговечность.
     3. Обеспечение требуемого технологического режима:
        а) непрерывность процесса;
        б) соблюдение требуемых параметров;
        в) получение продукта требуемого качества;
        г) устойчивость работы при небольших колебаниях в производстве;
        д) наиболее длительная работа между остановками на очистку
             и ремонт;
        е) удобство обслуживания;
        ж) хорошая регулировка и возможность контроля работы;
        з) механизация и автоматизация процесса;
        и) высокий КПД.
     4. Интенсификация процесса, малый вес, малый расход мощности, не-
высокая стоимость, возможность изготовления аппарата из недефицитных
материалов, стойкость против коррозии.
     5. Безопасность обслуживания, наличие оградительных устройств и пре-
дохранительных клапанов в аппаратах, работающих под давлением, безопас-
ность операций по загрузке и разгрузке.
     6. Минимальная стоимость проектирования, изготовления и эксплуата-
ции, удобство перевозки.
     7. Соответствие конструкции требованиям Госгортехнадзора.




    3


              1. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

     Неотъемлемая часть любого технологического процесса получения хи-
мических продуктов – теплообменные процессы (нагревание, охлаждение,
испарение, конденсация). Аппараты или устройства, в которых происходит
передача теплоты от одного теплоносителя к другому, называют теплооб-
менниками.
     Теплообменные аппараты предназначены для проведения процессов те-
плообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической
среды с целью ее обработки или утилизации теплоты.
     Теплообменная аппаратура составляет весьма значительную часть тех-
нологического оборудования в химической и смежных отраслях промыш-
ленности. Удельный вес на предприятиях химической промышленности теп-
лообменного оборудования составляет в среднем 15-18 %, в нефтехимиче-
ской и нефтеперерабатывающей промышленности 50 %. Значительный объ-
ем теплообменного оборудования на химических предприятиях объясняется
тем, что почти все основные процессы химической технологии связаны с не-
обходимостью подвода или отвода теплоты.

           1.1. Классификация и свойства теплоносителей

     Тепловые процессы протекают при взаимодействии не менее чем двух
сред с различными температурами, причем теплота переходит от среды с
большей температурой к среде с меньшей температурой без затраты работы.
Движущиеся среды, участвующие в переносе теплоты, называются теплоно-
сителями.
     Выбор теплоносителей для осуществления теплообмена в аппаратах оп-
ределяется рядом условий: назначением и характером теплового процесса
(нагревание, охлаждение, испарение, конденсация); конструкцией теплооб-
менного аппарата; теплофизическими, химическими и эксплуатационными
свойствами теплоносителей; экономическими соображениями и т.д.
     Теплоносители, используемые в теплообменных аппаратах и энергети-
ческих установках, разделяются по агрегатному состоянию на твердые, жид-
кие и газообразные.
     Твердые теплоносители применяются в высокотемпературных процес-
сах нефтеперерабатывающей, металлургической и других отраслях промыш-
ленности для нагрева газов, перегрева водяного пара и паров органических
жидкостей до температур 1 000-2 000 0С. Они выпускаются в виде шариков
диаметром 8-12 мм или более мелких зернистых фракций, изготовленных из
стали, чугуна, кремнезема, каолина, окислов алюминия, магния, циркона и
пр. Твердые жаростойкие теплоносители получили применение в теплооб-
менниках с неподвижным, падающим или псевдокипящим слоем.


    4


     К жидким теплоносителям относятся обычная и тяжелая вода, мине-
ральные масла, дифенил, кремнийорганические соединения, расплавы метал-
лов, сплавов и солей.
     К газовым теплоносителям относятся воздух, дымовые газы, азот, уг-
лекислый газ, двуокись серы, водород, гелий, а также пары воды.
     При температурах, превышающих 2 000 0С, применяются ионизирован-
ные газы – так называемая низкотемпературная плазма.
     При температурах ниже окружающей среды и ниже 0 0С применяются
хладоносители и хладоагенты (водные растворы солей щелочных металлов,
аммиак, углеводороды, хладоны и др.), а при очень низких температурах –
криогенные жидкости (жидкие азот, кислород, воздух, гелий).
     Свойства теплоносителей многообразны и имеют большое значение при
проектировании и организации теплотехнического процесса. Поэтому при
выборе теплоносителей следует учитывать наиболее важные их технологиче-
ские свойства. К теплофизическим свойствам теплоносителей относятся
плотность, теплоемкость, теплопроводность, теплота парообразования, тем-
пература кипения, температура плавления.
     Теплоносители, обладающие большой плотностью, как правило, дают
возможность переносить теплоту в больших количествах при малых собст-
венных температурных перепадах. Для них не требуется больших проходных
сечений каналов в аппаратах и трубопроводах, невелики емкости для их хра-
нения. С этой точки зрения газы наименее пригодны как теплоносители.
     Теплоносители с большой теплоемкостью аккумулируют много тепло-
ты в малом количестве массы, чем достигается снижение расхода теплоноси-
теля, экономия энергии на его транспорт, уменьшение затрат на трубопрово-
ды и емкости для хранения. Вода, обладающая большой теплоемкостью, вы-
годно отличается от других жидкостей, металлов и газов.
     Коэффициент теплопроводности теплоносителей существенно влияет
на коэффициент теплоотдачи в теплообменном аппарате. Чем выше коэффи-
циент теплопроводности, тем больше коэффициент теплоотдачи на стороне
этого теплоносителя. Поэтому жидкие металлы превосходят по теплоотдаче
жидкости и газы.
     Теплота парообразования (испарения) имеет важное значение при те-
плообмене с фазовым превращением, ее величина определяет расход тепло-
носителя.
     Температура кипения теплоносителя определяет его давление в про-
цессе передачи теплоты. Предпочтителен такой теплоноситель, у которого
высокая температура кипения, и с повышением температуры кипения давле-
ние насыщения паров резко не возрастает. Малые давления паров в теплооб-
меннике позволяют иметь тонкостенные аппараты и трубопроводы, т.е. об-
легчают и удешевляют теплообменное устройство.
     Температура плавления теплоносителей должна быть низкой, чтобы в
условиях окружающей среды теплоноситель не затвердевал и при остановке

    5


теплообменника оставался в жидком состоянии. Если температура плавления
превышает 20 0С, то возможно застывание его до твердого состояния при ос-
тановке всей технологической системы. Эксплуатация таких систем возмож-
на только при сооружении специальных обогревающих устройств.
     Вещества, применяемые в качестве теплоносителей, должны быть:
     - химически стойкими в широком интервале температур;
     - не должны разлагаться, вступать в химические взаимодействия с кон-
струкционными материалами (металлами, смазочными материалами);
     - не менять своих свойств в контакте с воздухом и водяным паром;
     - не образовывать взрыво- и пожароопасную смесь при контакте с дру-
гими веществами.
     При выборе теплоносителей для определенных технологических усло-
вий необходимо учитывать такие факторы и свойства, как стабильность теп-
лофизических и химических показателей; удобство хранения; транспорта-
бельность; простота заправки и опорожнения; пожаро- и взрывобезопас-
ность; токсичность; распространенность и простота получения.
     Двухкомпонентные теплоносители. Для интенсификации теплообмена
в технологических аппаратах применяются неподвижные насадки из не-
больших твердых тел, через которые пропускается охлаждаемая или нагре-
ваемая газовая среда. Таким образом, неподвижная насадка является вторым
компонентом, участвующим в теплообмене. Насадка представляет собой по-
ристую керамику, кусочки кокса, кольца Рашига, различные катализаторы в
кусках, таблетках и т. д.
     В производственной практике имеются тепло-массообменные процессы
и аппараты, в которых применяются трехкомпонентные теплоносители в
виде паровоздушной смеси и активированного угля (силикагеля, катализато-
ра и т. д.). Установлено, что в паровоздушном запыленном потоке интенсив-
ность теплообмена возрастает в 2-3 раза по сравнению с сухим запыленным
воздушным потоком и в 1,8 раза по сравнению с не запыленным паровоз-
душным потоком.

        1.2. Классификация и основные типы теплообменников

    Теплообменные аппараты можно классифицировать по следующим при-
знакам. По конструкции :
    1. Аппараты, изготовленные из труб:
     а) кожухотрубчатые:
       - с неподвижными трубными решетками ТН;
       - с линзовым компенсатором на корпусе ТК;
       - с плавающей головкой ТП;
       - с U-образными трубами ТУ;
       - с витым змеевиковым трубным пучком ТВ.
     б) теплообменники типа «труба в трубе» ТТ;

    6


      в) оросительные ТО;
      г) погружные змеевиковые ТПЗ;
      д) воздушного охлаждения ТВО;
      е) из оребренных труб ТР.
  2. Аппараты, изготовленные из листового материала:
      а) пластинчатые:
         - разборные ТПР;
         - полуразборные ТПП;
         - сварные неразборные ТПС.
      б) спиральные ТС;
      в) с рубашкой из листа ТРЛ.
  3. Аппараты, изготовленные из неметаллических материалов:
      а) с эмалированной поверхностью ТЭМ;
      б) из стекла ТСТ;
      в) из графита ТГ;
      г) из пластмассы, фторопласта ТФ.
     По назначению: холодильники, подогреватели, испарители, конденса-
торы.
     По направлению движения теплоносителей: прямоточные, противо-
точные, перекрестного тока.
     В общем выпуске теплообменных аппаратов для химической промыш-
ленности около 80 % занимают кожухотрубчатые теплообменники. Эти теп-
лообменники достаточно просты в изготовлении и надежны в эксплуатации и
в то же время достаточно универсальны, т.е. могут быть использованы для
осуществления теплообмена между газами, парами, жидкостями в любом со-
четании теплоносителей. Теплообменники типа «труба в трубе» и змеевико-
вые составляют около 8 %.
     Из-за разнообразия требований, предъявляемых к теплообменникам,
применяют аппараты самых различных конструкций и типов. Теплообменни-
ки различаются по допускаемым давлениям и температурам рабочей среды, а
также по материалам, из которых изготовлен аппарат.
     Существуют рекомендации общего характера, которыми можно руково-
дствоваться при выборе конструкции теплообменника и схемы движения в
нем теплоносителей:
     1. При высоком давлении теплоносителей предпочтительнее трубчатые
теплообменники. В этом случае в трубное пространство желательно напра-
вить теплоноситель с более высоким давлением, поскольку из-за малого диа-
метра трубы могут выдержать большее давление, чем корпус.
     2. Коррозионный теплоноситель в трубчатых теплообменниках целесо-
образно направлять по трубам, т.к. в этом случае при коррозионном изнаши-
вании не требуется замены корпуса теплообменника.




    7


     3. При использовании коррозионных теплоносителей предпочтительнее
теплообменные аппараты из полимерных материалов, например, из фторо-
пласта, обладающего уникальной коррозионной стойкостью.
     4. Если один из теплоносителей загрязнен или дает отложения, то целе-
сообразно направлять его с той стороны теплообмена, которая более доступ-
на для очистки.
     5. Для улучшения теплообмена не всегда требуется увеличение скорости
теплоносителя (при конденсации паров для улучшения теплообмена необхо-
димо обеспечить хороший отвод конденсата с теплообменной поверхности).
     К теплообменникам предъявляют следующие требования:
       а) небольшие габаритные размеры при высокой производительности;
       б) высокий коэффициент теплопередачи;
       в) малое гидравлическое сопротивление;
       г) герметичность со стороны каждой среды;
       д) возможность разборки конструкции и чистки.

               1.3. Кожухотрубчатые теплообменники

    По ГОСТ 9929 стальные кожухотрубчатые теплообменники изготовляют
следующих типов:
    - Н – с неподвижными трубными решетками;
    - К – с температурным компенсатором на кожухе;
    - П – с плавающей головкой;
    - У – с U-образными трубами.
    Медные кожухотрубчатые аппараты по ГОСТ 11971 изготовляют двух
типов (Н и К).
    В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть
теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями. Их
изготавливают одно- и многоходовыми. Кожухотрубчатые теплообменники
могут иметь поверхность теплообмена от 1 до 5000 м2 , условное давление в
трубном или межтрубном пространстве от 0,6 до 16 МПа, температура жид-
ких и газообразных сред от –60 до 600 0С.
    Использование стальных кожутрубчатых теплообменников в химиче-
ском производстве составляет: Н – 75 %, К – 15 %, У – 3 %, П - остальное.

                1.3.1. Теплообменники с неподвижными
                      трубными решетками (тип Н)

     Схема теплообменника с неподвижными трубными решетками приведе-
на на рис. 1.1. В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные трубы 2
которого развальцованы в трубных решетках 3. Трубная решетка жестко со-
единена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными
камерами 4 и 5. Кожух и камеры соединены фланцами.

    8


    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.




           Рис. 1.1. Теплообменник с неподвижной трубной решеткой

     Особенностью аппаратов типа Н является то, что трубы жестко соеди-
нены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с этим
исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха, поэтому ап-
параты этого типа называют теплообменниками жесткой конструкции. Неко-
торые варианты крепления трубных решеток к кожуху в стальных аппаратах
приведены на рис. 1.2.




        Рис. 1.2. Варианты крепления трубных решеток к кожуху аппарата

    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 теп-
лоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для
уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пуч-
ком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполните-


    9


ли, например, приваренные к кожуху продольные полосы или глухие трубы,
которые не проходят через трубные решетки и могут быть непосредственно
расположены у внутренней поверхности кожуха (рис. 1.3).




           Рис. 1.3. Способы расположения в пространстве между трубным
                      пучком и кожухом полос (а) и заглушенных труб (б)

     В кожухотрубчатых теплообменниках для достижения больших коэф-
фициентов теплоотдачи необходимы достаточно высокие скорости теплоно-
сителей: для газов 8-30 м/с; для жидкостей не менее 1,5 м/с. Скорость тепло-
носителей обеспечивают подбором площади сечения трубного и межтрубно-
го пространства.
     Промышленностью выпускаются двух-, четырех- и шестиходовые теп-
лообменники жесткой конструкции.
     Двухходовой горизонтальный теплообменник типа Н (рис. 1.4) состоит
из цилиндрического сварного кожуха 8, распределительной камеры 11 и двух
крышек 4. Трубный пучок образован трубами 7, закрепленными в двух труб-
ных решетках 3, которые приварены к кожуху. Крышки, распределительная
камера и кожух соединены фланцами. В крышке и распределительной камере
выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного (1, 12) и
межтрубного (2, 10) пространства. Перегородка 13 образует ходы теплоноси-
теля по трубам. Для герметизации узла перегородки с трубной решеткой ис-
пользована прокладка 14, уложенная в паз решетки 3.
     Для увеличения теплоотдачи в межтрубном пространстве установлены
поперечные перегородки 6, зафиксированные стяжками 5, обеспечивающие
зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном
пространстве. На входе теплообменной среды в межтрубное пространство
предусмотрен отбойник 9 – круглая или прямоугольная пластина, предохра-
няющая трубы от местного эрозионного изнашивания.
     Теплообменники типа Н отличаются простым устройством и сравни-
тельно дешевы, однако им присущи два крупных недостатка.
     Во-первых, наружная поверхность труб не может быть очищена от за-
грязнений механическим способом. Слой отложений или накипи на поверх-
ности труб имеет малый коэффициент теплопроводности и способен сущест-
венно ухудшать теплопередачу в аппарате.

    10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика