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.
         Конструкция разборного многопоточного теплообменника «труба в тру-
бе» напоминает кожухотрубчатый теплообменник типа У. Многопоточные
теплообменники имеют два хода по внутренним трубам и два – по наруж-
ным. Стандартами предусмотрены многопоточные теплообменники с числом
параллельных потоков (в зависимости от числа труб в трубной решетке) 3, 5,
7, 12 и 22. Применяют трубы длиной от 3 до 9 м, наружные размерами 89х5
мм, а внутренние – 48х4 мм. Теплообменная поверхность составляет от 3 до
66 м2. Аппараты изготавливают на условное давление 2,5 и 4 МПа.
     В теплообменных аппаратах разборной конструкции внутренние трубы в
ряде случаев с наружной стороны выполняют с оребрением (рис. 1.29).
     Ребра можно изготовлять в виде штампованных корыт, приваренных
контактной сваркой, или из полос, которые вставляют в канавки, полученные
протяжкой, и затем закрепляют обжатием кромок канавок (завальцовка ребер
роликами). Ребра, присоединенные приваркой, эффективнее ребер, прикреп-
ляемых завальцовкой вследствие лучшего прохода тепла в месте соединения.
Ребра могут быть получены выдавливанием из металла трубы. Применяют
также ребристые трубы с приварными шипами или с поперечно-винтовым
оребрением низкой высоты (3–5 мм), полученным накаткой.

               1.7. Аппараты воздушного охлаждения

     В химической, и особенно в нефтехимической промышленности, боль-
шую часть ТА составляют конденсаторы и холодильники. Использование для
конденсации и охлаждения различных технологических продуктов аппаратов
водяного охлаждения связано со значительными расходами воды и, следова-
тельно, с большими эксплуатационными затратами.
     Применение аппаратов воздушного охлаждения в качестве холодильни-
ков – конденсаторов имеет ряд преимуществ:
     – исключаются затраты на подготовку и перекачку воды;
     – снижается трудоемкость и стоимость ремонтных работ;
     – не требуется специальной очистки наружной обтекаемой воздушным
потоком поверхности труб;
     – облегчается регулирование процесса охлаждения.
     Аппараты воздушного охлаждения состоят из ряда трубчатых секций,
расположенных горизонтально, вертикально, наклонно в виде шатра или зиг-
загообразно. С торцов аппарат закрыт металлическими стенками. Охлаж-
дающий воздух засасывается и продувается через трубчатые секции вентиля-
тором. По трубам секций пропускают охлаждаемую или конденсируемую
среду. Для повышения эффективности аппарата при сравнительно высокой
температуре окружающего воздуха (в летнее время) на выходе воздуха из
вентилятора предусмотрен коллектор для увлажнения воздуха с целью сни-
жения его температуры.



    41


     Секция аппаратов воздушного охлаждения состоит обычно из четырех,
шести или восьми рядов труб, которые расположены по вершинам равносто-
ронних треугольников и закреплены развальцовкой в двух трубных решет-
ках, имеющих крышки. Применяют трубы длиной от 1,5 до 12 м с внутрен-
ним диаметром 21 или 22 мм. Секции могут быть многоходовыми по труб-
ному пространству. В конденсаторах воздушного охлаждения, где конденси-
руется охлаждаемая среда и объем ее уменьшается по ходу движения , число
труб уменьшают последовательно по ходам. Для предотвращения взаимного
смещения труб в пучке между ними предусмотрены дистанционные про-
кладки из алюминиевой ленты шириной 15 мм. Такие секции выпускают на
условное давление от 0,6 до 6,4 МПа.
     Для повышения эффективности трубы снабжают поперечным оребрени-
ем. Коэффициент оребрения, равный отношению поверхности оребренной
трубы к наружной поверхности гладкой трубы по основанию ребер, состав-
ляет 9, 14,6 и более (до 23). Оребрение выполняют глубокой спиральной на-
каткой труб из деформируемого алюминиевого сплава, а также завальцовкой
в спиральную канавку на трубе или приваркой металлической ленты или на-
прессовкой ребер.
     Для подачи охлаждающего воздуха применяют осевые вентиляторы
пропеллерного типа с диаметром колеса от 0,8 до 7 м производительностью
до 1,5 млн. м3/час. Колеса вентиляторов изготовляют сварными из алюминия.
Обычно частота вращения 160–500 об/мин.
     В зимнее время возможна опасность переохлаждения конденсируемого в
аппарате продукта. Во избежание этого под теплообменными секциями мож-
но устанавливать змеевиковый подогреватель воздуха, выполненный также
из оребренных труб.

                 1.8. Оросительные теплообменники

    Оросительные теплообменники состоят из нескольких рядов труб, рас-
положенных одна над другой, по наружной поверхности которых тонкой
пленкой стекает охлаждающая их вода. Трубы, через которые прокачивается
охлаждаемая рабочая среда, соединены коленами. Для распределения оро-
шающей воды над верхней трубой установлен желобковый или трубчатый
ороситель. В трубчатых оросителях вода вытекает многочисленными струя-
ми через отверстия трубы, в желобковых – через прорези в верхней кромке
желоба.
    Теплообменники, устанавливаемые вне здания, во избежание уноса воды
ветром имеют ограждения. Теплота перекачиваемой по трубам рабочей жид-
кости в оросительных теплообменниках отводится за счет нагрева орошаю-
щей воды и частично за счет ее испарения, вследствие чего расход воды не-
сколько меньше, чем для теплообменников других типов.



    42


     В химической промышленности подобные теплообменники используют
для охлаждения химически агрессивных сред, например, серной кислоты, по-
скольку они просты в изготовлении и могут быть выполнены из коррозион-
ностойкого дешевого материала, плохо поддающегося обработке.
     Оросительные теплообменники имеют низкую эффективность, но очень
просты в изготовлении и ремонте.

            1.9. Погружные змеевиковые теплообменники

    Используют в химической промышленности для теплообмена между
средами, одна из которых находится под высоким давлением. Змеевиковые
теплообменники по форме подразделяют на винтовые и зигзагообразные.
Первые представляют собой змеевик, согнутый из трубы по форме винтовой
пружины. Его устанавливают внутри аппарата или приваривают к наружной
поверхности корпуса. В последнем случае змеевики могут быть изготовлены
из полутруб и уголков. Змеевик погружен в сосуд с жидкой рабочей средой.
Другая жидкость или газообразная среда под давлением пропускается по
трубам.
    Змеевиковые теплообменники характеризуются хорошей способностью
к самокомпенсации температурных напряжений и низким гидравлическим
сопротивлением. Их недостаток – сложность изготовления и монтажа.

                     1.10. Витые теплообменники

     Витые теплообменники широко распространены в технологии глубокого
холода, при получении жидкого азота и кислорода, для разделения много-
компонентных систем. Они обеспечивают компенсацию температурных де-
формаций труб и плотность в местах их крепления в трубной решетке. По-
верхность теплообмена в единице объема больше, чем в теплообменниках с
прямыми трубами. Витые теплообменники могут работать при более высо-
ких давлениях по сравнению с прямыми трубами.
     Изготавливают витые теплообменники из медных, стальных и алюми-
ниевых труб. Витой теплообменник состоит из центральной трубы - сердеч-
ника, на которую навивают пучки труб. Это все помещают в кожух, а концы
трубок закрепляют в коллекторах. Величину зазора между трубами регули-
руют дистанционными прокладками. По трубам пропускают газ высокого
давления, а газ низкого давления подают в межтрубное пространство.
      Медные витые теплообменники изготавливают из труб d н до 15 мм,
толщина стенки 0,75 – 2,5 мм. Относительный шаг навивки поперек потока
                           S1                                 S2
находится в пределах t1       =1,05 – 1,5; вдоль потока – t 2    =1 – 1,4;
                           dн                                 dн
где S1 – расстояние между осями труб соседних слоев;


    43


      S 2 – расстояние вдоль потока между осями труб;
      d н – наружный диаметр труб.
     Витые теплообменники выполняют многозаходными (рис. 1.30), причем
число труб в заходе увеличивается по мере увеличения среднего диаметра
слоя навивки. В первом от сердечника слое число труб в заходе от 2 до 10 и
постепенно увеличивается к наружным слоям. Число труб в последних захо-
дах может быть до 30.
     В низкотемпературных установках медные трубы в коллекторах крепят-
ся при помощи мягкого оловянно-свинцового припоя. Длина медных или
алюминиевых труб до 16 м, поверхность теплообмена до 4 500 м2.
     Выпускают витые теплообменники и других типов, применяемых для
                                 S1
                                     нагрева вязкой жидкости. В кожух
                                     вставляют трубный пучок из тонких
                                     труб d н =12 мм, свитых в форме змееви-
                                     ков. Если трубы изготовлены из нержа-
                                     веющей стали, меди или алюминия, то
                                     концы их закрепляют в трубных досках
                    S
                    2                с гнездами и канавками при помощи со-
                                     единительных колец. Стальные трубки
                                     приваривают к трубной решетке. Такой
                                     теплообменник пригоден только для
                                     жидкостей, не дающих отложений.
Рис. 1.30. Витые теплообменники


             1.11. Аппараты с поверхностью теплообмена,
                изготовленной из листового материала

    Несмотря на то, что кожухотрубчатые теплообменники наиболее рас-
пространены в химической промышленности, однако широко применяют и
теплообменники из листового материала, главным образом, пластинчатые и
спиральные.
      Теплообменники из труб конструктивно просты и могут быть исполь-
зованы в широком диапазоне давлений и температур рабочих сред, но имеют
малый коэффициент унификации, т.е. отношение числа узлов и деталей,
одинаковых для всего размерного ряда, к общему числу узлов и деталей в
аппарате составляет 0,13. Аналогичный коэффициент для пластинчатых теп-
лообменников равен 0,9.
    Достоинством ТА из листового материала является низкая металлоем-
кость, легкость очистки и высокая эффективность.




    44


                 1.11.1. Пластинчатые теплообменники

     Представляют собой аппараты, теплообменная поверхность которых об-
разована набором тонких штампованных пластин с гофрированной поверх-
ностью. Их разделяют по степени доступности поверхности теплообмена для
механической очистки и осмотра на разборные, полуразборные и неразбор-
ные (сварные).
     Разборные пластинчатые теплообменники эксплуатируются при дав-
лении до 0,6 МПа и температуре от –20 до 120 0С. Поверхность теплообмена
состоит из гофрированных пластин, которые можно изготавливать из любого
штампуемого металла, и количественно равна 3–160 м2. При малых скоро-
стях потока Re>200 турбулентный характер движения сред создается благо-
даря гофрированным пластинам. Это позволяет получить высокий коэффи-
циент теплопередачи. Разборные теплообменники эффективны при работе с
жидкими вязкими средами, которые склонны к ламинарному характеру дви-
жения.
     Преимущество разборных пластинчатых теплообменников:
     – можно вручную легко и быстро разобрать, что обеспечивает свобод-
ный доступ к механической чистке;
     – при наличии запасных пластин и прокладок аппарат отличается хоро-
шей ремонтоспособностью, что увеличивает срок его службы;
     – теплообменник можно легко перекомпоновать, т.е. установить любое
оптимальное число ходов со стороны каждой рабочей среды и увеличить или
уменьшить число пластин, что позволяет настроить теплообменник на опти-
мальный гидродинамический и тепловой режим даже при изменении экс-
плуатационных режимов;
     – теплообмен происходит в тонких слоях рабочих сред, объемы и время
пребывания которых сравнительно малы, что позволяет осуществлять про-
цессы с термонестабильными средами, а также легко проводить автоматиче-
ское регулирование процесса.
     Серийно выпускаемые разборные пластинчатые теплообменники могут
работать с загрязненными рабочими средами при размере твердых включе-
ний не более 4 мм. Разборные теплообменники состоят из набора штампо-
ванных пластин, устанавливаемых между подвижными и неподвижными
плитами, образующими раму аппарата. Между пластинами образуются изви-
листые щелевидные каналы, уплотнение которых создается резиновыми про-
кладками. Прокладки изготовляют из резины формованием и укрепляют в
пазу пластины на клею. Имеются резиновые прокладки, которые работают по
типу «шип-паз» (рис. 1.31). Обратная сторона стенки паза образует выступ
(шип), прижимающий прокладку соседней пластины, благодаря чему дости-
гается надежное уплотнение даже при некотором износе уплотнения. Для
прокладок применяются специальные марки резины, стойкие к температуре и
к средам. Некоторые рабочие среды могут воздействовать на физические

    45


                            свойства прокладок: твердость, эластичность.
                      Рсж. Поверхность прокладки, соприкасающаяся с ра-
                            бочей средой, сведена к минимуму. Соприкос-
                            новение происходит по кромке шириной 1–3 мм.
                            Изношенные прокладки легко удаляются из паза
                            и заменяются новыми.
                                 Серийно выпускаемые пластинчатые тепло-
                            обменники комплектуют пластинами, штампо-
                            ванными из листового металла толщиной 1 мм.
                            Гофры пластин обычно имеют в сечении про-
                            филь равностороннего треугольника высотой
                            4–7 мм и основанием длиной 14–30 мм (в вязких
                            жидкостях до 75 мм). Гофры выполняют гори-
                            зонтальными, «в елочку», под углом к горизон-
                            тали и др. Материал пластин – оцинкованная
                            или коррозионно-стойкая сталь, титан, алюми-
                            ний, мельхиор.
   Рис. 1.31. Уплотнение         Разборные пластинчатые теплообменники
          типа «шип-паз»    изготовляют пяти исполнений: на консольной
                            раме с одинарными пластинами; на двухопорной
раме с одинарными пластинами; на трехопорной раме с одинарными пласти-
нами; на двухопорной раме со сдвоенными пластинами; на трехопорной раме
со сдвоенными пластинами.
     Для изготовления теплообменников с поверхностью теплообмена от 3 до
160 м2 требуется два типа размера пластин с поверхностью 0,2 м2 и
0,5 м2. Для каждого типа размера пластин достаточно изготовить два типа
размера рам.
     Группа пластин, в каналах которых рабочая среда движется только в од-
ном направлении, составляет пакет. Один или несколько пакетов, сжатых
между неподвижной и подвижной плитами, называется секцией. Компонов-
ку пластин и направление движения рабочих сред принято изображать на
плоских схемах. Компоновка пластин по числу каналов и пакетов может
быть симметричной (одинаковой для обеих рабочих сред) и несимметричной.
     В общем случае схему компоновки пластин обозначают так:
                                k          n
                                       i          j
                           Сх         m1         m2 ,
                                i 1        j 1

где m1 , m2 – число каналов в пакете для охлаждаемого и нагреваемого теп-
лоносителя;
     k , n – число последовательно включенных пакетов в аппарате для ох-
лаждаемого и нагреваемого теплоносителя.



    46


     Симметричная схема компоновки теплообменника приведена на
рис. 1.32 , которая соответствует обозначению Сх [(2+2)/(2+2)].


         1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12 13   14




      Рис. 1.32. Схема компоновки                     Рис. 1.33. Несимметричная схема
      пластинчатого теплообменника                           компоновки пластин
        в два симметричных пакета
     При заданном расходе теплоносителя подбором числа пластин в пакете
достигают требуемой скорости движения по каналом между пластинами. Ес-
ли расходы теплоносителей значительно различаются, то для поддержания
постоянного гидравлического сопротивления каналов применяют несиммет-
ричные схемы компоновки пластин; при этом число каналов и пакетов для
каждого теплоносителя неодинаково. Примером может служить схема ком-
поновки теплообменника Сх [(2+2+2)/(4+3)], приведенная на рис. 1.33.
     Теплообменные пластины различаются расположением в них отверстий
для теплоносителей на пластины с диагональным (рис. 1.34) и односторон-
ним (рис. 1.35) расположением отверстий; те, и другие выполняют правыми и
левыми. Благодаря чередованию в пакете правых и левых пластин образуют-
ся две изолированные системы каналов.




Рис. 1.34. Пластины с односторонним               Рис. 1.35. Пластины с диагональным
           расположением отверстий:                          расположением отверстий:
                 а - левая; б - правая                                а - левая; б - правая



    47


     Пластины с односторонним расположением отверстий взаимозаменяе-
мы. При сборке правые пластины получают поворотом их относительно ле-
вых на 1800. Левые и правые пластины с диагональным расположением отли-
чаются расположением прокладки и поэтому не являются взаимозаменяемы-
ми.
     Полуразборные пластинчатые теплообменники разработаны на рабо-
чее давление до 4 МПа и температуру до 200 0С. Поверхность теплообмена
может изменяться в широком диапазоне и достигать 300 м2. Теплообменник
имеет высокие тепловые характеристики, как и разборные пластинчатые теп-
лообменники, но может быть разобран для механической чистки только со
стороны одной из рабочих сред.
     С теплотехнической точки зрения использование полуразборных тепло-
обменников дает ряд преимуществ:
     – небольшой эквивалентный диаметр d э = 7–14 мм позволяет достичь
более высоких коэффициентов теплопередачи K , превосходящих на
40–100 % коэффициент теплопередачи кожухотрубчатых теплообменников;
     – проявляется совместное действие таких факторов, как передача тепла к
тонкому слою жидкости и общее повышение скоростей потоков за счет срав-
нительно малых площадей поперечного сечения каналов в пучке;
     – теплопередача в тонком слое позволяет получить большие коэффици-
енты теплопередачи K при работе с жидкостями малой теплопроводности.
     Полуразборные пластинчатые теплообменники рекомендуется приме-
нять в случае, когда одна из рабочих сред не дает отложения на поверхности
теплообмена, а вторая среда, дающая отложения, направляется в межтрубное
пространство, доступное для механической очистки.
     Неразборные пластинчатые теплообменники разработаны на рабочее
давление до 4 МПа и температуру 400 0С. Уплотнение в теплообменнике
достигается за счет сваривания пластин. Сварные неразборные теплообмен-
ники наиболее эффективны при работе с газообразными, парообразными и
жидким рабочими средами, не загрязняющими поверхность теплообмена.
Удельная поверхность 900–1400 м2 на 1 м3 объем пакета. Компоновка тепло-
обменных поверхностей может быть различной: прямоточной, противоточ-
ной, перекрестного тока и смешанной.
     Основные преимущества: высокий КПД; компактность; малый вес и
объем; возможность одновременного теплообмена между несколькими теп-
лоносителями в одном блоке.
     Недостатки: полная неразборность и сложность изготовления.

                  1.11.2. Спиральные теплообменники

    Спиральные теплообменники изготовляют с поверхностью теплообмена
10–100 м2. Они работают как под вакуумом, так и при давлении до 1 МПа

    48


при температуре рабочей среды 20–200 0С. Их можно использовать для реа-
лизации теплообмена между рабочими средами жидкость-жидкость, газ-газ,
газ-жидкость, а также конденсации паров и парогазовых смесей.
     Все большее распространение этих теплообменников объясняется про-
стотой изготовления и компактностью конструкции. В таком аппарате один
из теплоносителей поступает в периферийный канал аппарата, и, двигаясь по
спирали, выходит из верхнего центрального канала. Другой теплоноситель
поступает в нижний центральный канал и выходит из периферийного канала.
     Площадь поперечного сечения каналов по всей длине постоянна, поэто-
му он может работать с загрязненными жидкостями (загрязнение смывается
потоком теплоносителя).
     В спиральных теплообменниках поверхность теплообмена образована
двумя стальными лентами толщиной 3,5 – 6 мм и шириной 400 – 1 250 мм,
свернутыми в спираль так, что получаются каналы прямоугольного профиля,
по которым противотоком движутся теплоносители (рис. 1.36). При навивке
спирали между ее витками устанавливают полосовые дистанционные встав-
ки, которые обеспечивают зазор между лентами порядка 8 – 12 мм.
                                       С торцов аппарат закрыт крышками
                                  на прокладках. В зависимости от способа
                                  уплотнения спиральных каналов с торцов,
                                  различают теплообменники с тупико-
                                  выми и сквозными каналами.
                                       Тупиковые каналы образуют при-
                                  варкой полосовых вставок к торцу спи-
                                  рали. Такой способ уплотнения каналов
                                  исключает возможность смешения теп-
                                  лоносителей при прорыве прокладки и
                                  поэтому наиболее распространен. После
                                  снятия крышек и прокладок оба канала
                                  можно прочистить.
                                       Сквозные каналы с обоих торцов за-
                                  крыты крышками с прокладками, легко
                                  поддаются чистке, но не исключают воз-
                                  можность смешения теплоносителей.
                                       Наиболее распространены три типа
                                  спиральных теплообменников. Первый
                                  тип, рассмотренный выше, используется
                                  для жидких сред. Все три конструкции
 Рис. 1.36. Схема движения тепло- различаются размерами и способами уп-
        носителей в спиральном    лотнения каналов, конструкцией кры-
        теплообменнике            шек, диаметром, числом и расположени-
                                  ем штуцеров.



    49


    Конструкции первого типа могут устанавливаться вертикально и гори-
зонтально и имеют тупиковые каналы.
    Теплообменники второго типа (рис. 1.37, а) изготавливают только вер-
тикально, т.к. при этом обеспечивается хороший отвод конденсата. Каналы
для газа тупиковые, а для парогазовой смеси каналы открыты. Парогазовая
смесь поступает сверху в центр и на периферию во все открытые каналы.
Скорость движения парогазовой смеси уменьшается за счет увеличения се-
чения и уменьшения гидравлического сопротивления. Сконденсированный
пар и несконденсированные газы попадают в спиральный канал и движутся
по витку к наружному каналу. Охлаждающая среда (газ) подается через на-
ружный коллектор и движется по спиральному каналу к центру и выводится
через верхнюю крышку аппарата.
                                                               Г(П)
                            Г




       Г(П)                                    Ж




                                                                                 Ж


                                           Г
Г(П)

                                                                                Г(П)




                                                             конденсат
         конде нсат


                      Рис. 1.37. Типы спиральных теплообменников:
                           а - для систем Г - Г (П); б - для систем Ж - Г (П)

     Спиральные теплообменники третьего типа (рис. 1.37, б) обычно рабо-
тают с перекрестным движением рабочих сред. Расположение каналов верти-
кальное. Газ поступает сверху через штуцер большего диаметра, проходит
поперек спиральных каналов и отводится через штуцер на нижней крышке.
Для более равномерного распределения газа или пара по сечению над кана-
лами имеется паровое пространство. Жидкость поступает в наружный кол-
лектор и движется по спиральному каналу к центру теплообменника и выво-
дится через штуцер. Этот тип спиральных теплообменников применяется в
качестве поверхностных конденсаторов в выпарных установках, дефлегмато-
ров в ректификационных колоннах и в качестве газовых холодильников.
     Для получения одной и той же поверхности теплообмена используют
стальную ленту различной ширины, в результате чего удается изменить дли-



       50



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика