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.
    ну и площадь поперечного сечения канала в соответствии с требуемой тепло-
вой характеристикой.
     Наиболее ходовые теплообменники с поверхностью теплообмена 24 м2,
которые выпускают в двух вариантах: при ширине ленты 300 мм и диаметре
спирали 1 000 мм; при ширине 750 мм и диаметре 750 мм.
     Основным материалам для изготовления спиральных теплообменников
служит нержавеющая или углеродистая сталь. Изготавливают также аппара-
ты из никеля, медно-никелевого сплава и из титана.
     Главным преимуществом спиральных теплообменников является их
компактность.
     Недостатки спиральных теплообменников:
     – удельный расход металла на 1 м2 теплообмена велик и превышает рас-
ход для кожухотрубчатых и пластинчатых теплообменников;
     – поверхность теплообмена недоступна для ремонта, что уменьшает
срок их службы;
     – применение спиральных теплообменников возможно при небольших
разностях давлений и температур ( t = 30–50 0С). Большая разность темпера-
тур вызывает неравномерное удлинение спирали, что затрудняет уплотнение
в каналах и создает напряжение в сварных швах.

                   1.11.3. Теплообменники с рубашкой

     Рубашками снабжают чаще всего вертикальные стальные или чугунные
аппараты, в которых нецелесообразно устанавливать внутренние теплооб-
менные устройства (например, в кристаллизаторах). Рубашка представляет
собой корпус с днищем диаметром на 50–100 мм больше диаметра корпуса и
по форме идентична корпусу аппарата. Рубашку закрепляют на аппарате с
зазором 20–50 мм и снабжают вводным и выводным штуцером для теплоно-
сителя. Через корпус аппарата происходит теплопередача и обеспечивается
необходимый температурный режим в аппарате. Конструкции рубашек стан-
дартизованы. По способу крепления выполняют рубашки неразъемные и отъ-
емные. Отъемные рубашки применяют в случаях, когда необходимо осмат-
ривать или чистить наружную поверхность аппарата.

                  1.12. Циклонные теплообменники

     Важнейшей задачей химической промышленности является разработка
методов охлаждения газов, несущих взвешенную твердую фазу. Решение за-
дачи связано с трудностями, возникающими вследствие оседания твердых
частиц на поверхности теплообмена. При малом содержании твердых частиц
в газе время и частота очистки сравнительно невелики и не оказывают замет-
ного влияния на эффективность работы обычных котлов утилизаторов. При



    51


высокой запыленности происходит зарастание теплопередающей поверхно-
сти, что приводит к непрерывному увеличению слоя отложений.
     На базе циклонов–уловителей разработаны циклоны–теплообменники,
предназначенные для совместного проведения процесса отделения твердой
фазы, находящейся во взвешенном состоянии в газах, и отвода тепла.
     В одном из вариантов циклонов–теплообменников (рис. 1.38) энергия
вращательного движения используется для предотвращения забивания лип-
кой пылью поверхности стенок, а также их очистка.

                                                                    4



                         Г                                          2


                         Н2О                            Н2О         1


                                                                    3


                                                                   Г
                  Н2О



                                                                 Н2О




                        Рис. 1.38. Циклонный теплообменник:
         1 - циклон; 2 - очистное устройство; 3 - стальной трос; 4 - крыльчатка


      Очистное устройство оформлено в виде вала, закрепленного в подшип-
никах, крыльчатки и рамы. При вращении рамы очистка поверхности стенок
от оседающих частиц происходит при помощи стального гибкого троса, ко-
торый снимает пыль. Такой циклон–теплообменник рекомендуется для очи-
стки и охлаждения газов, содержащих липкие частицы.

                1.13. Теплообменники из неметаллических
                       конструкционных материалов

    Развитие химических производств, связанных с переработкой агрессив-
ных сред, выдвинуло на первый план проблему борьбы с коррозией химиче-
ской аппаратуры. В современном аппаратостроении используют разнообраз-


    52


ные материалы, к которым предъявляют первоочередное требование – хими-
ческая стойкость в агрессивных средах. Однако, если речь идет об изготов-
лении теплопередающих элементах теплообменников, то необходимо учиты-
вать ряд дополнительных специфических факторов, таких как механическая
прочность, высокая теплопроводность и хорошая обрабатываемость мате-
риала.
     В некоторых процессах решающее значение имеет термическая устой-
чивость материала. Особое положение среди антикоррозионного материала
занимает непроницаемый искусственный графит. Графит обладает высокой
стойкостью в водных растворах соляной, плавиковой и фосфорной кислоты
при любых температурах; в растворах серной кислоты (70 %) до температуры
кипения; щелочи не воздействуют на графит при любых концентрациях и
температурах. Графит устойчив в большинстве органических и неорганиче-
ских растворителях, за исключением сильных окислителей. Окисление гра-
фита на воздухе начинается при Т= 400–450 0С.
     Коррозионная устойчивость графита сочетается с высокой теплопровод-
ностью. Коэффициент теплопроводности в 3 раза выше, чем у олова, в 4 раза
выше, чем у нержавеющей стали.
     Графит устойчив к тепловому удару, т.е. к воздействию резкой смены
температур. Выдерживает перепад температур 400–450 0С без разрушения.
Причиной этого является высокая теплопроводность и малая величина коэф-
фициента линейного расширения (в 3 раза меньше, чем у стали).
     Графит легко поддается обработке режущим и шлифовальным инстру-
ментом. Наблюдения показывают, что графитовая поверхность благодаря от-
сутствию коррозии и малым силам адгезии в меньшей степени, чем металли-
ческая поверхность, подвержена отложению накипи и загрязнениям.
     Несмотря на положительные качества графита, использование его без
дополнительной обработки невозможно. Современные технологии изготов-
ления графита не позволяют получить материал совершенно непроницаемый
для жидкостей и газов, и объемная пористость искусственного графита со-
ставляет около 20 %. Стоимость искусственного графита относительно вели-
ка и его получают нагреванием антрацита без доступа воздуха.
     Обработка графита заключается в устранении открытой пористости.
Способ получения непроницаемого графита для теплообменников заключа-
ется в пропитке графита искусственными или натуральными смолами с по-
следующей их полимеризацией. Наиболее полно разработана технология
пропитки с помощью фенолформальдегидной смолы. Также используют и
фурановые смолы.
     Пропитанные смолами графитовые материалы называют: карбейт, им-
первит (США); игурит, коробон, диабон (Германия); токабейт (Япония); де-
ланиум (Англия); пропитанный графит (Россия).
     В результате пропитки смолой достигается непроницаемость материала
для жидкости и газа. Кроме того, заметно возрастает предел прочности на

    53


сжатие и растяжение в 1,5–2 раза и увеличивается твердость материала. Теп-
лопроводность материала не изменяется, и обрабатываемость остается хоро-
шей. Однако термическая и химическая устойчивость пропитанного графита
определяется свойствами используемых смол, которые с этой точки зрения
уступают самому графиту. Температурный предел применения большинства
марок пропитанного графита составляет порядка 170–180 0С. При температу-
ре более 180 0С материал делается неустойчивым и при Т = 250 0С наступает
взрывоопасное разрушение. Оно обусловлено внезапным распадом смолы с
образованием газа в порах.
     Важно отметить, что указанные предельные температуры 170–180 0С
относятся к материалу стенки, а не к теплоносителю. Пропитанный графит –
игурит – может успешно использоваться в случае охлаждения водой газа, на-
гретого до 1 000 0С. Объясняется это тем, что коэффициент теплоотдачи газа
значительно меньше, чем воды, и температура стенки оказывается близкой к
температуре воды и не превосходит опасного для материала температурного
предела. Этот пример говорит о том, что вопрос о применении пропитанного
графита в тех или иных условиях, с точки зрения теплостойкости может быть
правильно решен только на основе теплотехнического расчета.
     При пропитке графита фенолформальдегидной смолой химическая
стойкость материала становится ограниченной: неустойчив против щелочи.
Однако, соответствующим подбором пропитывающего вещества круг агрес-
сивных сред, не воздействующих на графитовый материал, можно значи-
тельно расширить.
     Так, игурит стоек против щелочей при любых концентрациях и темпера-
турах. Путем пропитки графита специальной смолой можно уменьшить его
чувствительность по отношению к окисляющим агентам, которые воздейст-
вуют на непропитанный графит.
     Имеется ряд отрицательных свойств пропитанного графита, которые
резко отличают его от металла. Он имеет низкую прочность на растяжение и
изгиб. Предел прочности на растяжение для различных марок пропитанного
графита составляет 100–400 кг/см2, это в 10 раз меньше, чем для углероди-
стой стали. Прочность на сжатие 700–1 500 кг/см2. Графит также чувствите-
лен к механическим ударам ввиду своей хрупкости. Низкая прочность графи-
та приводит к тому, что во всех конструкциях теплообменников стенка, раз-
деляющая теплоносители, делается гораздо толще, чем в теплообменниках из
металла. Однако благодаря высокой теплопроводности графита, это сильно
не сказывается на теплоотдаче.
     В настоящее время пока не существует простых способов соединения
деталей из пропитанного графита. Известные методы – сварка графитовых
деталей с помощью электрической дуги в атмосфере аргона при высоком
давлении или пайка путем нагрева и сплавления деталей. Однако эти методы
сложны, дороги и не применяются в промышленных масштабах. Основным
методом соединения графитовых деталей является склеивание при помощи

    54


специальных составов на основе искусственных смол. Этот способ требует
тщательной подгонки соприкасающихся поверхностей.

             1.13.1. Блочные графитовые теплообменники

     Используют в качестве холодильников, нагревателей и конденсаторов
для одной или двух коррозионных сред. Теплообменники изготовляют из от-
дельных прессованных блоков: кубических с величиной ребра 350 мм, пря-
моугольные размером 350х350х700 мм и цилиндрические D =700 мм,
Н=350 мм. Блоки соединяют специальной замазкой. Узлы соединения блоков
можно уплотнять также прокладками из термо- и коррозионно-стойкой рези-
ны или фторопласта, что обеспечивает разборность конструкции.
     Число блоков 1 в теплообменнике может быть от 2 до 6 (рис. 1.39). В
каждом блоке просверлены 2 группы каналов под углом 900 друг к другу.
Вертикальные каналы диаметром 12, 18 или 28 мм, а горизонтальные – диа-
метром 12 мм. По технологическим соображениям и по условиям прочности,
минимальная толщина стенки между соседними каналами 5 мм. Сверху и
снизу к крайним блокам примыкают графитовые камеры 2 для отвода и под-
вода агрессивных сред. Графитовые части теплообменника зажимаются меж-
ду двумя чугунными крышками 10 с помощью стяжек 7.




                Рис. 1.39. Вертикальный блочный теплообменник

    55


     Горизонтальные каналы сообщаются с боковыми переходными (или пе-
реливными) камерами 5, соединенными между собой шпильками 6. При этом
достигается зигзагообразное движение, как правило, неагрессивной среды по
высоте аппарата. Патрубки 3 и 9 служат для ввода и вывода агрессивной, а
патрубки 8 и 4 – неагрессивной рабочей среды. Таким образом, осуществля-
ется перекрестно-противоточная схема движения теплоносителей.
     Теплообменники выпускают с поверхностью теплообмена 1,8–28,5 м2 на
рабочее давление 0,3 МПа и температуру (-18)÷(+150) 0С.
     Значительную часть аппаратуры, производимой Новочеркасским заво-
дом, составляют теплообменники, изготовленные из материала, называемого
АТМ-1 – антикоррозионный теплопроводный материал. АТМ-1 представляет
собой пластмассу на основе фенолформальдегидной смолы с использованием
в качестве наполнителя мелкодисперсного искусственного графита. Стой-
кость АТМ-1 к агрессивным средам примерно соответствует стойкости про-
питанного графита. Термическая устойчивость АТМ-1 порядка 130 0С, это
ниже, чем у пропитанного графита (170 0С), и коэффициент теплоотдачи ни-
же в 3 раза. Однако, несмотря на это, теплообменная аппаратура использует-
ся для получения NH4CI методом выпаривания из фильтровой жидкости. Как
показали исследования, стойким материалом в кипящей NH4CI является
АТМ-1 и титан, но высокая стоимость аппаратуры из титана вызвала необхо-
димость создания аппаратов с греющими трубами из графитопластика
АТМ-1, и с плитками, которые применяют, как защитное покрытие сепарато-
ров. Из АТМ-1 налажено производство труб, которые применяют при изго-
товлении кожухотрубчатых теплообменников диаметром 42 мм и длиной 3 м.
Эти трубы вклеиваются в массивные трубные доски, изготовленные из про-
питанного графита.
     Из искусственного графита АТМ-1 изготавливается емкостная и реакци-
онная аппаратура. Кроме теплообменников, в химической промышленности
используются графитовые колонны, башни и реакторы. Колонны из пропи-
танного графита собираются из отдельных царг. Уплотнения выполняются из
химически и термостойкой резины и пластмассовых материалов. Колпачки и
насадку выполняют из АТМ-1. Внутренний диаметр колонн 300–1 000 мм,
Нцарги= 1 500 мм. Толщина стенки 50–110 мм. Такие колонны рассчитаны на
избыточное давление 0,1 МПа и температуру 150 0С.

                    1.13.2. Теплообменники из стекла

    В агрессивных средах высокой коррозионной стойкостью обладают та-
кие неметаллические материалы, как стекло, керамика и многие пластмассы.
Теплообменники из стекла изготовляют в виде змеевиковых и оросительных
аппаратов. Предназначены для агрессивных жидкостей (щелочей, солей, ор-
ганических растворителей и кислот, кроме плавиковой кислоты и ее солей, и


    56


горячей фосфорной кислоты), газов и получили распространение в полупро-
мышленных и лабораторных установках.
     Высокими качествами характеризуется боросиликатное стекло. Фирма
«Пирекс» выпускает змеевиковые погружные холодильники из боросиликат-
ного стекла «Пирекс». Это твердое стекло с температурой плавления
800-900 0С, не содержащее свинца и цинка и устойчивое против температур-
ных толчков (90 0С). Состав стекла «Пирекс»: SiO2 – 80,2 %; B2O3 – 12,9 %;
Na2CO3 – 3,5 %; Al2O3 – 2,2 %; K2O – 1,15 %; Fe2O3 – 0,05 %. Прочность в
3 раза выше, чем у обычного стекла. Погружные змеевиковые теплообмен-
ники из стекла фирма выпускает 4 параметров с поверхностью 0,35; 0,65; 1,1;
2,65 м2. В США из стекла «Пирекс» изготавливают кожухотрубчатые, ороси-
тельные и «труба в трубе» теплообменники с поверхностью 6 м2.
     Установки на химических заводах насчитывают от 15 до 600 наименова-
ний из стекла. Особое внимание при изготовлении аппаратуры из стекла уде-
ляется тому, чтобы не было резких переходов от толстых стенок к тонким. Из
стекла изготавливают ректификационные колонны (насадочные), абсорберы.
Аппараты могут быть изготовлены полностью из стекла или с применением
металлических деталей.
     Для перекачивания агрессивных жидкостей изготавливают насосы с
применением технического стекла. Центробежные насосы могут быть изго-
товлены с максимальной производительностью 50 м3/час, дистилляторы –
2 т/час, ректификационные установки – 1,5 т/час, абсорберы для SO2 и HCl –
1 500 м3/час.
     Боросиликатное стекло является одним из наилучших материалов для
вышеперечисленных установок с точки зрения коррозионной стойкости, про-
стоты изготовления и небольшой стоимости.
     Основной недостаток: хрупкость и малая прочность при изгибе и растя-
жении.

           1.13.3. Оборудование из керамических материалов

    В химической промышленности одно из ведущих мест по отношению к
коррозии занимают керамические изделия. Керамика используется больше
для реакторов с обогреваемыми стенками. Изготавливаются реактора из ке-
рамики или из фарфора емкостью 50–500 л. Реакторы снабжаются паровыми
рубашками, выдерживающими температуру 120 0С.
    Фарфоровые стенки реактора характеризуются высокой коррозионной
стойкостью к агрессивным жидкостям, включая плавиковую кислоту и горя-
чие щелочи.
    Основным сырьевым материалом для изготовления керамических ки-
слотоупоров служат спекающиеся тугоплавкие и огнеупорные осадочные
горные породы – глина и каолин. В процессе обжига и спекания при темпе-
ратуре 1200–1300 0С образуется камнеподобное химически стойкое вещест-

    57


во, которое называется силиманит. Керамические материалы стойки к орга-
ническим и неорганическим кислотам, за исключением плавиковой и горячей
фосфорной, стойки к растворителям и солям.
     Основной недостаток керамики и фарфора - низкая теплопроводность.
     В России химическая аппаратура из керамики и фарфора изготавливает-
ся двух сортов:
     – кислотоупорная из глины и каолина;
     – дунитовая, содержащая 95 % алевина (MgFe)2SiO4; 5 % серпентина
3MgO·2SiO2·2H2O.
     Из фарфора изготавливают малогабаритное оборудование, из керамики
– крупногабаритное: варочные котлы, котлы с мешалками, ванны, сосуды для
работы под избыточным давлением, колонны, трубопроводы, циклоны, цен-
тробежные и поршневые насосы.
     Насадочные и колпачковые колонны собирают из отдельных керамиче-
ских царг Н= 200–400 мм, Ризб.= 0,06 МПа. Царги соединяют с помощью рас-
труба на кислотоупорной замазке.
     Выпускаются керамические реакторы с якорной мешалкой, снабженные
рубашкой, с рабочим избыточным давлением 0,1 МПа, емкостью от 25 до
500 л, диаметром 300–900 мм.

         1.13.4. Оборудование с эмалированной поверхностью

     Для теплообменников с агрессивными средами выпускаются аппараты
из углеродистой стали и чугуна с эмалированной поверхностью теплообмена
     Коэффициент теплопроводности эмалевого покрытия очень низкий.
Наибольшее распространение получил аппарат типа «сосуд и сосуде»
(рис. 1.40). Такой теплообменник представляет собой полый стальной ци-
линдр 1 с наружной рубашкой. Внутренняя поверхность 1 покрыта эмалью. В
верхней части имеется штуцер 3 для вывода агрессивной жидкости, а на
нижнем фланце укреплена эмалированная крышка со штуцером 4 для ввода
агрессивного продукта. Теплоноситель циркулирует между стенками внут-
реннего сосуда и в рубашке наружного цилиндра. Теплообменник типа «со-
суд в сосуде» легко разбирается для очистки и ревизии эмалированной по-
верхности. Для удобства эмалирования поверхности аппараты делают с
меньшими переходами и изгибами. Такие аппараты имеют большой удель-
ный расход металла. Аппараты из чугуна с эмалированием работают в преде-
лах (–30)÷(+160 0С).
     Аппараты с эмалевым покрытием изготавливает концерн «Пфаудлер» и
выпускает теплообменники следующих типов:
     – «сосуд в сосуде» с поверхностью теплообмена 1– 6 м2;
     – теплообменники типа «труба в трубе» с эмалированной изнутри тру-
бой меньшего диаметра. Этот тип по технологическим показателям считается
наилучшим;

    58


                                теплоноситель
                                     1          1          1
                 агрессивная
                 жидкость
                   3
                                                                2
                теплоноситель


                   2                                            2




                                         агрессивная
                                         жидкость
                                                       4

            Рис. 1. 40. Эмалированный аппарат типа «сосуд в сосуде»
  1 - стальной цилиндр; 2 - водяная рубашка; 3,4 - штуцера для агрессивного продукта

    – кожухотрубчатые теплообменники с эмалированными узлами (труб-
ный пучок выполняют из бесшовных нержавеющих труб, а трубные плиты и
крышки покрыты эмалью).

                       1.13.5. Оборудование из пластмасс

    Использование пластмасс и материалов на их основе позволяет сокра-
тить объем потребления в химической промышленности таких дефицитных
материалов, как медь, свинец, титан, серебро и др. В последние годы приме-
нение пластмасс в производстве все время возрастает. Это обусловлено уве-
личением выпуска пластмасс, уменьшением цен на пластмассы по сравнению
с металлами и появлением новых видов пластмасс с лучшими физико-
механическими свойствами и с большой стойкостью к коррозии.
    Для ряда производств применение оборудования из пластмасс особенно
перспективно, например, в производстве красителей, в производстве чистых
веществ, при фасовке реактивов.
    Особенности пластмассовых конструкционных материалов.
    Стойкость к коррозии. Химически стойкие термопласты конкурируют
со многими металлическими материалами и даже антикоррозионными по-
крытиями. Винипласт и полиэтилен низкого и высокого давления устойчивы
к воздействию многих кислот, щелочей и растворам солей различной кон-


    59


центрации. Полипропилен стоек к воздействию минеральных кислот и щело-
чей.
     Удельный вес (плотность). При выборе полимера иногда имеет значе-
ние малый удельный вес пластмасс, что связано с транспортировкой обору-
дования.
     Предельные температуры и коэффициенты теплопроводности часто
имеют решающее значение при выборе того или иного полимера. В промыш-
ленности применяют фаолит, который представляет фенолформальдегидную
смолу с асбестом. Фаолит выдерживает температуру 140 0С. При температуре
менее нуля резко снижается ударная вязкость, и фаолит не выдерживает
ударных нагрузок и вибрации.
     Применяются также стеклопластики, выложенные изнутри химически
стойкими термопластами. Такая аппаратура может эксплуатироваться при
более высоких температурах, чем цельнопластмассовая.
     Применение пластмасс для аппаратуры, в которой происходит резкая
смена температур, ограничено из-за низкой прочности, термостойкости и те-
плопроводности полимеров.
     Предельное давление. Аппаратура, изготовленная из винипласта с эл-
липтическим днищем, емкостью до 1,25 м3 может использоваться при
Pmax, изб. = 0,04 МПа. Аппараты емкостью более 1,25 м3 рекомендуется ис-
пользовать для работы под налив. Винипластовые емкости диаметром не бо-
лее 1000 мм могут работать под вакуумом до 300 мм рт. ст.
     Аппараты из фаолита с эллиптическим и коническим днищем рекомен-
дуется использовать для работа при Pизб. = 0,06 МПа, а с плоскими днищами
– для работы под налив. Для работы под вакуумом до 500 мм рт. ст. рекомен-
дуются аппараты диаметром не более 1 000 мм.

               1.14. Расчет электронагревателей сопротивления

      Тепловой поток от нагревателя:
                          Q    н Fн   t , Вт,                        (1.52)
где       – коэффициент теплоотдачи от нагревателя;
           н
       Fн – поверхность электронагревателя;
        t – разность температур между поверхностью нагревателя и средой.
      Мощность электронагревателя:
                          W   IU      I 2 R , Вт,                    (1.53)
где    I – ток, А;
       U – напряжение, В;
       R – сопротивление, Ом.
      В общем случае          Q=W               и, соответственно,


      60



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика