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
