Машины и аппараты химических производств: Учебное пособие. Часть I
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.
н Fн t I 2R . (1.54) Нагреватели могут соединяться звездой или треугольником (рис. 1.41). 2 3U ф Uл 2 Uл Wзв 3I фU ф ; Uф ; Wзв . R 3 R 2 3U ф Uл2 Wтр 3I фU ф ; Uф Uл ; Wтр . R R Wтр 3Wзв . Рис. 1.41. Соединение треугольником и звездой В связи с этим можно грубо регулировать мощность электронагревате- лей переключением со звезды на треугольник и обратно. Результатом расчета электронагревателей сопротивления являются его геометрические размеры, то есть длина l и сечение проводника s. Поэтому основной характеристикой такого электронагревателя является его электро- сопротивление. При известном напряжении сети его можно определить из соотношения: U2 , R (1.55) Q где Q – тепловой поток, определяемый из теплового баланса, Вт. Кроме того, сопротивление проводника связано с его геометрическими размерами известной формулой: l R , (1.56) s где – удельное сопротивление проводника, Ом м; l – длина проводника, м; s –поперечное сечение проводника, м2. 61 При достаточно высоких температурах необходимо учесть изменение сопротивления с температурой: Rt R(1 t) , (1.57) где – температурный коэффициент сопротивления, К-1; t – рабочая температура, С. Откуда: U2 l U2 Rt R (1 t) и R . (1.58) Q s Q(1 t) Из формулы (1.58) можно рассчитать один из геометрических размеров проводника, задаваясь другим ( l или s). Однако на этом не заканчивается расчет электронагревателя сопротив- ления. Температура проводника не должна превышать определенного значе- ния, иначе нагреватель может перегреться и расплавиться. Например, для нихрома эта температура лежит в пределах 1000–1200 0С. Температура по- верхности электронагревателя зависит от условий теплоотдачи. Поэтому не- обходимо произвести проверку величины поверхности на основе уравнений теплообмена (рис. 1.42). Рис. 1.42. Схема теплового потока в электронагревателе сопротивления Тепловой баланс для промежутка времени d : н Fн (t н t )d mcdt kFм (t tм )d , (1.59) где н – коэффициент теплоотдачи от нагревателя к промежуточному теп- лоносителю; Fн – поверхность электронагревателя; tн – температура поверхности электронагревателя; t – текущая температура промежуточного теплоносителя; m – масса промежуточного теплоносителя; c – теплоемкость теплоносителя; 62 k – коэффициент теплопередачи от промежуточного теплоносителя; Fм – внешняя поверхность нагревателя; tм – температура нагреваемого материала. Полагая разности температур (tн – t) и (t – tм) постоянными, уравнение теплового баланса можно проинтегрировать в пределах температур проме- жуточного теплоносителя от t до t2: mc kFм (t 2 tм ) (t 2 t1 ) Fн . (1.60) н (t н t2 ) Это уравнение применимо для электронагревателей в жидкостной ванне. При непосредственном соприкосновении нагревателя и материала: U2 U2 Q н Fн (t н tм ) , и F . R R н (tн tм ) В данном случае н – это коэффициент сложной теплоотдачи, вклю- чающий как конвекцию, так и лучеиспускание. Температура поверхности разогрева и время разогрева в нестационар- ном режиме определяются из тепловых балансов теплообмена. Сопоставляя расход металла на единицу поверхности нагревателя, мож- но установить, что масса проводника круглого сечения будет наибольшей, квадратного – меньше, а прямоугольного – еще меньше. Поэтому для эконо- мии материала токонесущие шины часто выполняют из полос прямоугольно- го сечения. Однако тепловая емкость таких шин невелика, и при включении в них возникают большие токи, поэтому они перегреваются и быстро перего- рают. Наиболее распространенные в настоящее время трубчатые электрона- греватели (ТЭНы) рассчитываются на основе экспериментальных данных по удельной электрической мощности, определяемой уравнением: W w , (1.61) Fн где w – допустимая удельная электрическая мощность, Вт/м2; W – электрическая мощность ТЭНа, Вт; Fн – его теплопередающая поверхность, м2. 63 2. МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ Массообменными называют процессы, при которых вещество из одной фазы переходит в другую путем диффузии при определенных рабочих усло- виях. К таким процессам относятся абсорбция, адсорбция, десорбция, ректи- фикация, сушка, экстракция. В зависимости от способа организации контакта фаз колонные аппараты подразделяют на тарельчатые, насадочные и пленоч- ные, а в зависимости от рабочего давления подразделяются на атмосферные, работающие под давлением и вакуумные. Около 60 % изготовляемых аппаратов в стране для абсорбции и ректи- фикации представляют собой тарельчатые колонны, остальные – насадочные колонны. При правильной организации гидродинамики процесса насадочные колонны более экономичны, чем тарельчатые. Колонные аппараты конструк- тивно состоят из унифицированных и стандартных элементов: крышек, обе- чаек, днищ, штуцеров, фланцев, люков, опор, внутренних устройств. Корпуса колонных аппаратов изготовляют трех типов: 1) из отдельных царг, соединяемых между собой фланцами на проклад- ках; 2) цельносварные с крышкой на фланцах (для осмотра в корпусе преду- сматриваются смотровые люки); 3) цельносварные с приваренными верхним и нижним днищами (для монтажа и демонтажа тарелок предусмотрены люки-лазы). Колонные аппараты чаще всего изготовляют из углеродистых и леги- рованных сталей, двухслойных сталей, титановых сплавов, меди, чугуна, ке- рамики, стекла, пластмассы, АТМ-1 и др. 2.1. Тарельчатые массообменные аппараты Тарельчатыми называют колонные аппараты, у которых внутренними устройствами в рабочей зоне являются тарелки. Тарельчатые колонные аппа- раты состоят из вертикального корпуса, сферической или эллиптической крышки, днища и жестко скрепленной с корпусом опорной обечайки цилин- дрической или конической формы. Использование конических опор для вы- соких колонн небольшого диаметра способствует повышению их устойчиво- сти и уменьшению нагрузки на опорную поверхность фундаментального кольца. Внутри корпуса колонны смонтированы тарелки, устройство для ввода сырья, отбойное устройство и штуцера для жидкости и пара. Для удобства монтажа и ремонта тарелок расстояние между ними же- лательно принимать не менее 450 мм. Монтаж и обслуживание тарелок в ап- паратах с цельносварным корпусом выполняют через люки. Люки на корпусе рекомендуется располагать через каждые пять-десять тарелок в зависимости от диаметра аппарата и типа контактных устройств. Диаметр люков может 64 колебаться от 450 мм до 600 мм, а расстояние между тарелками в месте уста- новки люка – от 800 мм до 1000 мм. Корпуса тарельчатых колонных аппаратов изготавливаются большей частью с постоянным по высоте диаметром, хотя для колонн больших разме- ров в случае, если нагрузка по жидкости и пару значительно меняется по вы- соте, корпус изготавливают из частей разного диаметра, соединенных конус- ными переходами. На корпусе колонны предусматриваются штуцера для ввода продукта и вывода пара, ввода флегмы и пара из кипятильника, вывода кубового остатка и циркулирующей кубовой жидкости в кипятильник. Кроме того, аппарат снабжают штуцерами для измерения давления и температуры по высоте ап- парата, уровня жидкости, отбора проб и др. Корпуса аппаратов, работающих при больших рабочих давлениях, а также аппаратов диаметром более 1200 мм выполняют цельносварными. Ап- параты диаметром 400-1000 мм изготавливают в царговом исполнении, если рабочее давление в них не превышает 1,6 МПа. Аппараты в царговом испол- нении снабжают неразъемными тарелками, представляющими собой отбор- тованный металлический диск с устройствами (отверстиями, колпачками, клапанами и пр.) для ввода пара на тарелку и слива жидкости. Для создания необходимого уровня жидкости на тарелке установлены сливная и перелив- ная перегородки. Высота переливной перегородки постоянна; она образует так называемый переливной карман, в который погружена сливная труба расположенной выше тарелки. Высоту сливной перегородки можно регули- ровать для поддержания необходимого уровня жидкости на тарелке. Рис. 2.1. Варианты крепления секций полотна тарелки: 1-полотно; 2-прокладка; 3-планка; 4-прижимный уголок; 5- клин; 6-скоба В аппаратах диаметром 1200 мм и более используют тарелки разборной конструкции (рис. 2.1). Тарелки собирают из отдельных полотен, ширина ко- торых позволяет заносить их в колонну через люки. Полотна размещают на опорных балках. Для соединения полотен используют прижимные планки, струбцины, клиновые соединения. Вертикальная полка уголка и ребро, полу- 65 ченное отгибом одной из кромок полотна, увеличивают жесткость полотна тарелок. Герметичность соединений обеспечивают установкой прокладок. Существуют различные конструкции крепления полотна тарелки к корпусу. Полотно приваривают сплошным сварным швом к опорному уголку (рис. 2.2, а) или применяют разборные соединения на прокладках (рис. 2.2, б) или с набивкой в виде сальника. Рис. 2.2. Варианты крепления полотна тарелки к корпусу: а - сваркой; б - на прокладке с прижимной планкой сверху; в - на прокладке со струбциной; г - на сальнике с набивкой Упорные кольца 1 предназначены для герметизации тарелок. В зазоре между тарелкой 2 и корпусом колонны 3 установлены прокладки 4 из асбе- стового шнура, закрепленные нажимным кольцом 5, скобами 6 и шпильками 7, приваренными к тарелке (рис. 2.2, г). Другая конструкция (рис. 2.2, в) заключается в том, что отдельная сек- ция тарелки 1 крепится к опорной раме 2 струбцинами 3, винтами 4 и при- жимными планками 5. Герметичность обеспечивается прокладками 6. Конструкция узла ввода сырья в колонну зависит от фазового состоя- ния поступающей смеси. Жидкое питание, а также орошающая жидкость (флегма), вводятся непосредственно в переливные карманы тарелок. Пере- ливные карманы, в которые вводится жидкость, обычно углублены ниже та- релки примерно на 300 мм. Иногда для гашения энергии струи в переливном кармане устанавливают отражательную пластину. При подаче сырья в паро- жидкостном состоянии энергия струи может быть весьма большой и вызыва- ет изнашивание корпуса. Для защиты корпуса аппарата от эрозионного воз- действия струи сырье подается через специальное устройство – улиту, форма которой должна обеспечивать равномерное распределение пара по сечению аппарата. Тарельчатые контактные устройства ректификационных и абсорбцион- ных аппаратов классифицируют: – по числу потоков; – по типам и конструкции контактных элементов; – по характеру взаимодействия фаз в зоне контакта; – по организации перелива жидкости и др. 66 По числу потоков (сливов) тарелки выполняют одно-, двух- и многопо- точные (рис. 2.3). Применяют также многосливные тарелки с равномерно распределенными по площади сливами и тарелки с каскадным расположени- ем полотна. однопоточной двухпоточной трехпоточной четырехпоточной каскадной Рис. 2.3. Схемы тарелок Многопоточные и многосливные тарелки используют в колоннах большого диаметра и при значительных расходах жидкости. Такие тарелки обеспечивают более равномерный уровень жидкости и распределение паров по площади контактных устройств. В зависимости от направления движения паровой и жидкой фазы, в зо- не контакта выделяют тарелки прямоточные, противоточные и с перекрест- ным током. По организации перелива жидкости тарелки разделяют на переливные и беспереливные (провального типа). По типу контактных элементов тарелки разделяются на: – колпачковые (с капсульными и туннельными колпачками); – с S-образными элементами; – ситчатые с отбойными элементами; – ситчато-клапанные; – клапанные (одно- и двухпоточные); – клапанные баластные; – решетчатые; – жалюзийно-клапанные; – струйно-направленные (чешуйчатые). 67 2.1.1. Колпачковые тарелки с капсульными колпачками Тарелки с капсульными колпачками до недавнего времени считали лучшими контактными устройствами благодаря простоте эксплуатации и универсальности. Тарелки стальные колпачковые изготавливают по ОСТ 2601-66-86 в двух исполнениях: – неразборные – типа ТСК для колонных аппаратов диаметром 400, 600 и 800 мм; – разборные – типа ТСК-Р для колонных аппаратов диаметром 1000–4000 мм. Неразборными тарелками снабжают аппараты с корпусами из царг. Царгу заполняют 2–6 тарелками в зависимости от расстояния между ними. Основной элемент такой тарелки – основание – стальной отбортованный диск толщиной 4 мм с отбортованными отверстиями для приварки паровых патрубков. Капсульные стальные колпачки изготовляют в двух исполнениях: не- регулируемые и регулируемые по высоте, диаметром 60, 80, 100 и 150 мм и высотой 50, 55 и 85 мм. Высота прорезей 15 или 20 мм, число прорезей соот- ветствует указанным диаметрам – 16, 20, 26 и 40. Рис. 2.4. Способы индивидуального крепления колпачка: а - на шпильке; б – с опиранием на полотно; в - на ребрах Колпачки на тарелках располагают по вершинам равносторонних тре- угольников с шагом от 1,3 до 1,9 диаметра колпачка. Крепление колпачков на тарелке можно выполнить индивидуальным и групповым способами. При индивидуальном способе (рис. 2.4, а) колпачок 1 закреплен гайками 4 и 5 на шпильке 3, приваренной к патрубку 2. Прямоугольное отверстие в колпачке под шпильку в двух противоположных сторон имеет отогнутые кромки. По- ложение колпачка по высоте регулируют его вращением, причем одновре- менно вращается и нижняя гайка 5. Применяют также варианты крепления колпачка, не позволяющие ре- гулировать его по высоте. При этом колпачок может упираться нижними кромками прорезей в полотно тарелки (рис. 2.4, б). По другому варианту 68 (рис. 2.4, в) колпачок 1 установлен на трех опорных ребрах 2 и притягивается к патрубку 3 шпилькой 4 с гайкой 5. При таком креплении неточность уста- новки патрубков приводит к неправильному положению колпачков по высо- те или перекосу, что вызывает их неравномерную работу. Существует вариант одновременного (группового) крепления несколь- ких колпачков на общем уголке. Уголки крепят к кольцу, приваренному к корпусу колонны. При такой конструкции ускоряется и облегчается монтаж тарелок. Патрубки крепят к полотну тарелки развальцовкой или сваркой. Крепление развальцовкой требует увеличения толщины полотна тарелки. Приварка патрубка позволяет уменьшить толщину полотна до 1,5–2 мм. Рас- стояние между тарелками принимают от 200 мм до 1200 мм. Размеры тарелок в зависимости от диаметра аппарата приведены в ОСТ 2601-66-86. Разборные колпачковые стальные тарелки типа ТСК-Р отличаются от неразборных большими диаметрами; их монтируют и ремонтируют через люки колонных аппаратов. Тарелки комплектуют колпачками с числом от 43 до 234. Тарелка работает следующим образом. Поступающая жидкость запол- няет тарелку на высоту, определяемую сливной перегородкой, при этом про- рези колпачков должны быть погружены в жидкость. Пар проходит через па- ровые патрубки, щели колпачков и барботирует сквозь слой жидкости. Газ и жидкость взаимодействуют в перекрестном токе; жидкость движется по та- релке от переливного кармана к сливной перегородке и далее на располо- женную ниже тарелку, а газ – вверх по оси колонны. Тарелки с капсульными колпачками имеют относительно высокий КПД (0,75–0,8). Их можно использовать при нестабильных нагрузках по жидкости и пару. Гидравлическое сопротивление, зависящее от глубины погружения колпачка, не превышает 1 кПа. К недостаткам этих тарелок следует, прежде всего, отнести значитель- ную металлоемкость и трудоемкость изготовления. Тарелки стальные колпачковые разборные двухпоточные изготов- ляют типа ТСК-РЦ и ТСК-РБ для колонных аппаратов диаметром 1400–5000 мм. Конструктивное отличие их от рассмотренных однопоточных в том, что первая тарелка имеет центральное диаметральное сливное устрой- ство, а вторая тарелка имеет два боковых в виде двух открытых секторов. Вследствие этого перелив и движение жидкости осуществляется двумя пото- ками. Тарелки чугунные колпачковые типа ТЧК выпускаются в соответст- вии с ОСТ 2601-496-79 для колонных аппаратов диаметром 1000–2400 мм, собираемых из чугунных царг. Тарелки снабжаются стандартными чугунны- ми колпачками диаметром 110, 160, 260, 355, 460 и 510 мм. Тарелки медные колпачковые типа ТМК нормализованы для медных колонных аппаратов диаметром 500–2000 мм. Конструктивно они аналогич- 69 ны стальным неразборным тарелкам. Изготовляют также одноколпачковые цельные тарелки типа ТМО для аппаратов диаметром 500–1600 мм. Тарелки колпачковые керамические типа ТКК устанавливают в ке- рамических колонных аппаратах диаметром 300–1800 мм. Главное их пре- имущество – стойкость керамики к кислотам любых концентраций (кроме плавиковой и фосфорной). Тарелки изготовляют в двух исполнениях: цель- ные – для аппаратов диаметром до 600 мм и составные – для аппаратов диа- метром 800–1800 мм. Тарелки с туннельными колпачками типа ТСТ устанавливают в ко- лонных аппаратах нефтеперерабатывающей промышленности. Их изготов- ляют для аппаратов диаметром более 1400 мм. Рис. 2.5. Тарелка с туннельными колпачками Тарелки собирают из штампованных желобов 1, уложенных по ходу жидкости на опорные уголки 2 и накрытых колпачками 3 так, что между ни- ми образуются паровые каналы (рис. 2.5). Для равномерного распределения пара, колпачки в нижней части имеют трапецеидальные прорези. Колпачки крепят на полотне тарелки шпильками 4. Для равномерного распределения жидкости на тарелке сливную планку 5 также выполняют с прорезями. Кол- пачки штампуют из углеродистой или легированной стали длиной 760–1840 мм, шириной и высотой по 80 мм. Основное преимущество этих тарелок – небольшое число колпачков и возможность их очистки. 70