Денисов Ю.Н. Основные процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. Типовые процессы и аппараты химической технологии - файл n1.doc

Денисов Ю.Н. Основные процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. Типовые процессы и аппараты химической технологии
скачать (4601.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc4602kb.04.12.2012 02:27скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8

6.1.1 Греющие теплоносители



6.1.1.1 Топочные газы представляют собой газообразные продукты сгорания твердого, жидкого или газообразного топлива.

Преимущества: отпадает использование промежуточных теплоносителей, нагрев до 1100°С.

Недостатки: низкий коэффициент теплоотдачи от газа к стенке; сложность поддержания заданной температуры на заданном уровне; неравномерность обогрева теплообменной поверхности; выделение продуктов неполного сгорания, которые осаждаются на теплообменной поверхности, что приводит к увеличению сопротивления, корродирующего действия; достаточно жесткие условия нагрева за счет высоких перепадов температур между топочными газами и нагреваемой средой.

6.1.1.2 Нагревание электрическим током. Осуществляется в электропечах, которые подразделяются на электропечи сопротивления (прямого и косвенного действия) и печи индукционные и высокочастотные, в которых обогрев осуществляется током высокой частоты.

Достоинства: получение любого желаемого температурного режима, который можно легко поддерживать и регулировать.

6.1.1.3 Водяной пар – самый распространенный промежуточный теплоноситель.

Достоинства: высокий коэффициент теплоотдачи, легкость транспортировки на большие расстояния, возможность точного регулирования температуры за счет изменения давлений, доступность, большое количество выделяемого тепла при конденсации.

Этот теплоноситель возможно использовать при температурах до 200°С.

Недостатки: водяной пар обладает коррозийной способностью, при росте температуры растет давление.

6.1.1.4 Вода. Можно использовать горячую воду с температурой до 100 °С или перегретую до 300…350 °С.

Достоинства: дешевизна, доступность.

Недостатки: использование перегретой воды требует применения металлоемкой (толстостенной) аппаратуры и довольно сложной арматуры.

6.1.1.5 Высококипящие органические теплоносители (ВОТ) делятся на три основные группы:

– органические теплоносители. К ним относятся глицерин, этиленгликоль, ароматические и неароматические масла, смеси органических веществ (смесь дифениловая). Температурный диапазон органических теплоносителей достигает 350 °С, при этом давление не меняется, т.е. остается постоянным. Эти теплоносители не ядовиты и не токсичны, однако являются пожаровзрывоопасными; термически не устойчивы (разлагаются на кокс и газы);

– ионные теплоносители образуют кремнийорганические жидкости (силиконы) и расплавы солей или их смесей. В качестве примера можно привести нитрит-нитратную смесь (40 % NaNO2, 7 % NaNO3, 53 % KNO3). Предельная температура лежит в области 550 °С и ограничивается термической стойкостью этих теплоносителей. Теплоносители данной группы отличаются малой токсичностью и агрессивностью по отношению к конструкционным материалам;

– жидкометаллические теплоносители представляют собой жидкие металлы и их сплавы и характеризуются самой высокой термостойкостью. Вследствие этого температурный диапазон обогрева находится в области до 2000 °С. В качестве примера жидкометаллических теплоносителей можно привести висмут, свинец, ртуть, натрий, литий, олово, кадмий. Большинство металлических теплоносителей огне-, пожаро- и взрывобезопасны и практически не воздействуют на малоуглеродистые и легированные стали. Исключение составляют калий и натрий, которые отличаются чрезвычайно высокой химической активностью и воспламеняются со скоростью взрыва. Главным недостатком этих теплоносителей является высокая токсичность их паров.
6.1.2 Хладоагенты
6.1.2.1 Вода является самым распространенным хладоагентом. В промышленности используется артезианская вода – температура от 8 до 12 °С; открытый водоем – температура от 4 до 25 °С; оборотная вода – 30 °С.

Достоинства: доступность, дешевизна, термически устойчива.

Недостатки: коррозионная активность, температурный диапазон зависит от климатических и временных условий.

6.1.2.2 Низкотемпературные жидкости используют для создания температур ниже 5…20 °С, которые обычно не достигаются охлаждением водой. К числу таких теплоносителей относятся жидкий аммиак, фреоны, диоксид углерода, холодильные рассолы – водные растворы неорганических солей, например KCl, NaCl, CaCl (их температурный диапазон зависит от концентрации). При охлаждении холодильными рассолами и парами низкокипящих жидкостей пользуются холодильными установками.

6.1.2.3 Воздух по сравнению с водой более доступен, и несмотря на то, что он обладает значительно меньшим коэффициентом теплоотдачи и объемной теплоемкости, в современной технологии наблюдается тенденция к замене воды как охлаждающего агента воздухом. Воздух в отличие от воды не загрязняет поверхность теплоотдачи отложениями, не корродирует теплообменную аппаратуру, что положительно сказывается на увеличении срока службы воздушных холодильников.

Наиболее широко воздух в качестве охлаждающего агента используется в смесительных теплообменниках – градирнях, являющихся основным элементом оборудования водооборотного цикла.

6.1.3 Водооборотные циклы химических производств



Воду, используемую для охлаждения различных технологических потоков, после прохождения теплообменных устройств собирают в сборник-накопитель, а затем подают для охлаждения на градирни (рисунок 6.1), представляющие собой полые башни, в которых сверху разбрызгивается теплая вода, а снизу вверх движется воздух (за счет естественной тяги или нагнетается вентилятором). Расположенная внутри градирни насадка 2 служит для увеличения поверхности контакта между водой и воздухом. Горячая вода в градирне охлаждается как за счет контакта с холодным воздухом, так и в результате так называемого испарительного охлаждения – в процессе испарения части потока воды.



1 – поддон; 2 – слой насадки; 3 – распределители охлаждающей воды;

4 – полая часть градирни для обеспечения естественной тяги

Рисунок 6.1 – Градирня с естественной тягой
Отходящая с градирен вода может быть использована для охлаждения технологических потоков.

Периодически воду, находящуюся в водооборотном цикле, необходимо очищать.

Вода – оптимальный теплоноситель: обеспечивает подвод заданного количества тепла при минимальных затратах, обладает высоким коэффициентом теплоотдачи, является дешевым теплоносителем.

6.2 Теплообменные аппараты
Теплообменные аппараты – это аппараты, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя, нагретого до более высокой температуры, к другому.

При проектировании и конструировании теплообменных аппаратов необходимо учитывать многочисленные факторы, влияющие на процесс теплопередачи, и противоречивые требования, предъявляемые к теплообменникам (ТО).

Теплообменные аппараты должны удовлетворять следующим требованиям:

а) обеспечивать условия протекания технологического процесса;

б) иметь возможно более высокий коэффициент теплопередачи;

в) иметь низкие гидравлические сопротивления;

г) обладать устойчивостью теплообменных поверхностей против коррозии;

д) обеспечивать доступность поверхности теплопередачи для очистки;

е) обладать технологичностью конструкции с точки зрения их изготовления;

ж) обеспечивать экономичное использование материалов.
6.2.1 Классификация теплообменных аппаратов
Классификация теплообменных аппаратов достаточно обширна.

6.2.1.1 В зависимости от агрегатного состояния теплоносителей различают теплообменники:

а) газовые теплообменники, в которых теплообмен осуществляется между газами (подогреватели газов топочными газами и др.);

б) парогазовые теплообменники, в которых теплообмен осуществляется между паром и газом (паровые подогреватели для воздуха, пароперегреватели и др.);

в) паро- или газожидкостные теплообменники, перенос тепла в них происходит между паром (или газом) и жидкостью (холодильники для газов, паровые подогреватели, конденсаторы и др.);

г) жидкостные теплообменники  теплообмен происходит между жидкостями (жидкостные холодильники, подогреватели и др.).

6.2.1.2 По режиму работы теплообменники подразделяются на периодически действующие и непрерывно действующие.

6.2.1.3 По основному назначению теплообменники классифицируются на подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

6.2.1.4 По способу передачи тепла теплообменники подразделяются на поверхностные и смесевые:

а) в поверхностных теплообменниках перенос тепла между теплоносителями происходит через разделяющую их твердую стенку. При этом непосредственный контакт теплоносителей исключен;

б) в смесевых теплообменниках тепло передается при непосредственном перемешивании рабочих сред.

Поверхностные теплообменники, в свою очередь, делятся на рекуперативные и регенеративные.

В рекуперативных теплообменниках перенос тепла осуществляется через разделительные стенки. Тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и то же направление (рисунок 6.2а).

В регенеративных теплообменниках теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева. Направление теплового потока в каждой точке стенки периодически меняется (рисунок 6.2б).


а б

Рисунок 6.2 – Схема движения потоков в рекуперативных (а)

и регенеративных (б) теплообменниках

6.2.1.5 В зависимости от формы теплопередающей поверхности теплообменники делят на трубчатые и нетрубчатые:

а) основным нагревательным элементом трубчатых теплообменников являются трубы (кожухотрубчатые ТО и др.);

б) основной нагревательный элемент нетрубчатых теплообменников изготавливают в виде листов или пластин (спиральные и пластинчатые теплообменники).

В химической технологии применяются теплообменники, изготовленные из самых различных металлов (углеродистых и легированных сталей, меди, титана, тантала и др.), а также из неметаллических материалов (графита, тефлона и др.). Выбор материала диктуется, в основном, его коррозионной стойкостью и теплопроводностью, причем конструкция теплообменного аппарата существенно зависит от свойств выбранного материала.

Наибольшее распространение в химической технологии получили поверхностные теплообменные аппараты, особенно теплообменники трубчатого вида, которые подразделяются на кожухотрубчатые, змеевиковые и ТО с оребренными трубами.
6.2.2 Кожухотрубчатые теплообменные аппараты
О


а б

1 – трубы; 2 – кожух; 3 – трубные решетки; 4 – крышка; 5 – днище;

6 – патрубки конструкции; 7 – линзовый компенсатор

Рисунок 6.3 – Кожухотрубчатый теплообменник

жесткой конструкции (а) и с линзовым компенсатором (б)
сновным элементом кожухотрубчатого теплообменника (рисунок 6.3) является пучок труб 1, который размещают в цилиндрическом корпусе 2 (кожухе). Пространство между трубками и боковой поверхностью кожуха называется межтрубным. Концы труб крепятся к трубным решеткам 3 развальцовкой, сваркой, пайкой. К фланцам кожуха присоединяются съемные крышка 4 и днище 5 с патрубками 6 для подвода и отвода теплоносителя I. На кожухе также имеются патрубки 6 для ввода и вывода теплоносителя II. Концы труб в трубных решетках крепятся развальцовкой, сваркой, пайкой.

Достоинства кожухотрубчатых теплообменников:

1) компактность;

2) небольшой расход металла;

3) легкость очистки труб изнутри (за исключением теплообменников с U-образными трубами).

Недостатками таких теплообменников являются:

1) трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями (этот недостаток в известной мере устраняется в многоходовых и элементных теплообменниках);

2) трудность очистки межтрубного пространства и малая доступность его для осмотра и ремонта;

3) трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки (чугун и т.д.).

Классификация кожухотрубчатых теплообменников представлена в таблице 6.1.
Таблица 6.1  Классификация кожухотрубчатых теплообменников

В соответствии с требованиями технологического

процесса и удобства монтажа




Вертикальные

Горизонтальные

Наклонные




В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса




Жесткой

конструкции

Используются при небольших разностях температур корпуса и пучка труб

Полужесткой

конструкции

Температурные деформации от 10 до 15 мм компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных на корпусе

Нежесткой

конструкции

Возможно независимое перемещение теплообменных труб и корпуса с целью устранения дополнительных напряжений от температурных удлинений




Кожухотрубчатые теплообменники




Одноходовые





Многоходовые




по трубному

пространству

по межтрубному

пространству




Для повышения скорости движения теплоносителя в теплообменниках устраивают перегородки (рисунок 6.4).




а



а – сегментные; б – диск-укольца

Рисунок 6.4 – Перегородки в межтрубном пространстве
Следующей особенностью конструкции кожухотрубчатых теплообменников является компоновка труб в корпусе (рисунок 6.5).

Треугольная







По концентрическим окружностям


Коридорная




S1 = S2

S1 ? S2

Шахматная

Рисунок 6.5 – Компоновка труб в корпусе
Еще одним важным фактором при рассмотрении кожухотрубчатых теплообменников является выбор скорости теплоносителя. В таблице 6.2 приведены рекомендуемые значения скоростей для различных сред.

Таблица 6.2  Рекомендуемые значения скоростей теплоносителей

Среда

Условия движения

Скорость, м/с

Маловязкая жидкость (вода, бензин)

Нагнетательная линия

Всасывающая линия

1,0-3,0

0,8-1,2

Вязкая жидкость (легкие и тяжелые масла, растворы солей)

Нагнетательная линия

Всасывающая линия

0,5-1,0

0,2-0,8

Маловязкие и вязкие жидкости

Самотек

0,1-0,5

Газ при большом напоре

Нагнетательная линия компрессоров

15-30

Газ при небольшом напоре

Нагнетательная линия вентиляторов

5-15
1   2   3   4   5   6   7   8


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации