Теплообменное оборудование

ВВЕДЕНИЕ

 

В химической промышленности широко распространены тепловые процессы –  нагревание и охлаждение жидкостей  и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах (теплообменниках).

Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплоносителя, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда, и отдающие тепло, принято называть нагревающими агентами, а теплоносители с более низкой температурой, чем среда, от которой они воспринимают тепло – охлаждающими агентами.

В качестве прямых источников тепла  используют главным образом топочные газы, представляющие собой газообразные продукты сгорания топлива, и электрическую энергию. Вещества, получающие тепло от этих источников и отдающие его через стенку теплообменника нагреваемой среде, носят название промежуточных теплоносителей. К числу распространенных промежуточных теплоносителей (нагревающих агентов) относятся водяной пар и горячая вода, а также так называемые высокотемпературные теплоносители – перегретая вода, минеральные масла, органические жидкости (и их пары), расплавленные соли, жидкие металлы и их сплавы.

В качестве охлаждающих агентов  для охлаждения до обыкновенных температур (10-30 ^оС) применяют в основном воду и воздух.

Выбор теплоносителя зависит в  первую очередь от требуемой температуры  нагрева или охлаждения и необходимости  ее регулирования. Кроме того, промышленный теплоноситель должен обеспечивать достаточно высокую интенсивность теплообмена при небольших массовых и объемных его расходах. Соответственно он должен быть доступным и дешевым, обладать малой вязкостью, но высокими плотностью, теплоемкостью и теплотой парообразования, был негорюч, нетоксичен, термически стоек и не оказывал разрушающего влияния на материал теплообменника.

 

  1 Классификация теплообменного оборудования [1]

 

   В большинстве процессов  нефтеперерабатывающей промышленности происходит нагрев исходного сырья и применяемых при его переработке растворителей, реагентов, катализаторов и охлаждение полученных в результате того или иного технологического процесса целевых продуктов до температуры, при которой возможны их хранение и транспорт. Аппараты, в которых идет нагрев или охлаждение, называют теплообменными вне зависимости от того, что является целевым назначением аппарата: нагрев или охлаждение, какие потоки обмениваются теплом, происходит ли при этом только нагрев и охлаждение или же теплообмен сопровождается испарением (конденсацией).

   В зависимости от способа  передачи тепла аппараты делятся  на:

   - поверхностные теплообменные  аппараты, в которых передача  тепла между теплообменивающимися средами осуществляется через поверхность, разделяющую эти среды (глухую стенку);

   - аппараты смешения, в которых передача тепла происходит при их непосредственном соприкосновении (для их изготовления требуется меньше металла и они обеспечивают более эффективный теплообмен, но их нельзя использовать вследствие недопустимости прямого соприкосновения теплообменивающихся потоков);

   - регенеративные, в которых  процесс переноса теплоты от  горячего теплоносителя к холодному разделяется во времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки.

   В зависимости от назначения аппараты делятся на:

   - теплообменники, в которых  один поток нагревается за  счет использова-

ния тепла другого, получаемого  в процессе и подлежащего охлаждению (нагрев одного и охлаждение другого  потока позволяет сократить расход подводимого извне тепла и охлаждающего агента);

   - нагреватели, испарители, кипятильники, в которых нагрев  или частичное при этом испарение  осуществляется за счет использования  высокотемпературных

потоков нефтепродуктов и специальных теплоносителей (нагрев или испарение одной среды является целевым процессом, тогда как охлаждение горячего потока является побочным);

   - холодильники и конденсаторы, предназначенные для охлаждения  жидкого потока или конденсации и охлаждения паров с использованием специального охлаждающего агента (охлаждение и конденсация являются целевыми процессами, а нагрев охлаждающего агента - побочным);

   - кристаллизаторы, предназначенные  для охлаждения соответствующих  жидких потоков, сопровождающегося  выделением кристаллов вещества.

  Поверхностные теплообменные аппараты классифицируются в зависимости от их конструкции на следующие:

   - трубчатые;

   - змеевиковые;

   - пластинчатые;

   - оребренные;

   - спиральные;

   - аппараты воздушного  охлаждения (АВО).

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   2 Конструкция теплообменных аппаратов [2]

 

   2.1 Трубчатые теплообменники

 

   Кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции одноходовой (рисунок 1, а) состоит из корпуса (кожуха) 1 и приваренных к нему трубных решеток 2. В трубных решетках, к которым крепятся крышки 4, закреплен пучок труб 3. В кожухотрубчатом теплообменнике одна среда I движется в трубном пространстве, а другая II – в межтрубном. Среды направляются противотоком друг к другу.

   Скорость теплообмена в  таких аппаратах можно увеличить путем применения многоходового кожухотрубчатого теплообменника (рисунок 1, б), в котором трубы разделены на секции (ходы) при помощи поперечных перегородок 5. Скорость в таких теплообменниках возрастает в число раз, равное числу ходов.

   Для увеличения же скорости и пути движения среды в межтрубном пространстве служат сегментные перегородки 6, которые также выполняют роль промежуточных опор для пучка труб в горизонтальных аппаратах.

   При работе кожухотрубчатых  аппаратов при значительных температурах

(50 и более ^оС) для уменьшения температурных деформаций, обусловленных большой разностью температур труб и кожуха, значительной длиной труб, а также различием материала труб и кожуха, используют аппараты с компенсаторами.

   Кожухотрубчатый аппарат с линзовым компенсатором 1 (рисунок 2, а) подвергается упругой деформации. Теплообменник с плавающей головкой (подвижной трубной решеткой) 2 (рисунок 2, б) используют при необходимости обес-

печения больших перемещений труб и кожуха. В теплообменнике с U-образными трубами (рисунок 2, в) сами трубы 3 выполняют функцию компенсирующих устройств.

   Также применяются кожухотрубчатые теплообменники с двойными трубами (рисунок 3), в которых с одной стороны размещены две трубные решетки, причем в решетке 1 закреплен пучок труб 2 меньшего диаметра, открытых с обоих концов, а в решетке 3 – трубы 4 большего диаметра с закрытыми левыми концами.

 

 

а – одноходовой; б – многоходовой; 1 – корпус (обечайка); 2 – трубные  решетки;

3 – трубы; 4 – крышки; 5 – перегородки в крышках; 6 – перегородки в межтрубном пространстве

Рисунок 1 – Кожухотрубчатые теплообменники

  

   Для повышения скорости движения среды в межтрубном пространстве без

применения перегородок используют элементные теплообменники, каждый элемент которых представляет собой простейший кожухотрубчатый аппарат.

   Теплообменник типа «труба в трубе» (рисунок 4) состоит из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов, образованных двумя концентрически расположенными трубами. Один теплоноситель движется по внутренним трубам 1, другой – по кольцевому зазору между внутренними 1 и наружными 2 трубами. Внутренние трубы соединяются калачами 3, наружные – патрубками 4.

а – с линзовым компенсатором; б  – с плавающей головкой; в – с U-образными трубками; 1 – компенсатор; 2 – подвижная трубная решетка; 3 – U-образные трубы

Рисунок 2 – Кожухотрубчатые теплообменники с компенсирующими 

устройствами

1, 3 – трубная решетка; 2 – внутренние  трубы; 4 – наружные трубы

Рисунок 3 – Кожухотрубчатый теплообменник  с двойными трубами

 

1 – внутренние трубы; 2 – наружные  трубы; 3 – калач; 4 - патрубок

Рисунок 4 – Двухтрубчатый теплообменник

  

 

   2.2 Змеевиковые теплообменники

 

   В погружном змеевиковом теплообменнике (рисунок 5) капельная жидкость, газ или пар движутся по спиральному змеевику 1, который погружен в жидкость, находящуюся в корпусе 2 аппарата. Для увеличения коэффициента теплоотдачи путем повышения скорости жидкости в корпусе устанавливают внутренний стакан 3. Трубы змеевика крепятся на конструкции 4.

1 – спиральный змеевик; 2 – корпус  аппарата; 3 – внутренний стакан;

4 - конструкция для крепления змеевика

Рисунок 5 – Погружной теплообменник

 

   Оросительный теплообменник (рисунок 6) представляет собой змеевики

1 из размещенных друг над другом прямых труб, соединенных между собой калачами 2. Сверху змеевики орошаются водой, распределяемой в виде капель и струек при помощи желоба 3 с зубчатыми краями. Отработанная вода отводится из поддона 4.

1 – секция прямых труб; 2 –  калачи; 3 – распределительный желоб; 4 – поддон

Рисунок 6 – Оросительный теплообменник

   2.3 Пластинчатые теплообменники

 

   В пластинчатом теплообменнике (рисунок 7, а) поверхность теплообмена

образуется гофрированными параллельными пластинами 1,2, с помощью которых создается система узких каналов с волнистыми стенками.

   Жидкости движутся в каналах между смежными пластинами, омывая противоположные боковые стороны каждой пластины.

   Пластина (рисунок 7, б) имеет на передней поверхности три прокладки. Большая прокладка 10 ограничивает канал для движения жидкости I между пластинами, две малые прокладки 11 уплотняют отверстия 14 и 15 для движения противотоком жидкости II. Пакет пластин зажимается между неподвижной плитой 7 и подвижной плитой 8 посредством винтового зажима 9.

 

 

а – схема пластинчатого теплообменника; б – пластина; 1 – четные пластины; 2 – нечетные пластины; 3, 4 – штуцера для входа и выхода теплоносителя I; 5, 6 – то же, для теплоносителя II; 7 – неподвижная головная плита; 8 – подвижная головная плита; 9 – стяжное винтовое устройство; 10, 11 – прокладки; 12, 13 – отверстия для   

         жидкости  I; 14, 15 – отверстия для жидкости II

Рисунок 7 – Пластинчатый теплообменник

 

      2.4 Оребренные теплообменники

 

   Трубы с поперечными  ребрами различной формы широко  используются в аппаратах для  нагрева воздуха – калориферах (рисунок 8, а). В них обычно применяют насыщенный водяной пар, поступающий в коллектор 1 и далее в пучок оребренных труб 2. Конденсат отводится из коллектора 3. Иногда используются продольные ребра, которые для турбулизации пограничного слоя  на определенном расстоянии надрезаются. Схема устройства современного пластинчато-ребристого теплообменника представлена на рисунке 8, б.

 

а – пластинчатый калорифер; б – схема устройства пластинчато-ребристого теплообменника; 1 – коллектор для входа пара; 2 – оребренная труба; 3 – коллектор для приема конденсата

Рисунок 8 – Оребренные теплообменники

 

   2.5 Спиральные теплообменники

 

   В спиральном теплообменнике (рисунок 9) поверхность теплообмена образуется двумя металлическими листами 1 и 2, свернутыми по спирали. Внутренние концы листов приварены к глухой перегородке 3, а наружные сварены друг с другом. С торцов спирали закрыты плоскими крышками 4 и 5. Внутри аппарата образуются два изолированных спиральных канала, по которым противотоком движут-

 

ся теплоносители.

1, 2 – листы, свернутые в спирали; 3 – перегородки; 4, 5 – крышки

Рисунок 9 – Спиральный теплообменник

 

   2.6 Аппараты воздушного охлаждения (АВО)

 

   АВО подразделяются на горизонтальные, зигзагообразные, малопоточные, для вязких и высоковязких продуктов. На рисунке 10 представлен аппарат горизонтального типа, в котором оребренные пучки труб расположены горизонтально.

1 – секция оребренных  труб; 2 – колесо вентилятора; 3 –  электродвигатель; 4 - коллектор впрыска очищенной воды; 5 – жалюзи

Рисунок 10 – Схема горизонтального  АВО

 

   Количество воздуха, прокачиваемого через АВО, должно изменяться при сезонном изменении температуры окружающей среды, что достигается изменением производительности вентилятора, числа его оборотов и угла наклона лопастей вентилятора.

 

   2.7 Конденсаторы смешения

 

   В химических производствах  обычно не требуется получать чистый конденсат водяного пара для его последующего использования. Поэтому широко распространены конденсаторы смешения, более простые по устройству и соответственно более дешевые, чем кожухотрубчатые теплообменники, применяемые в качестве поверхностных конденсаторов. Одной из самых распространенных конструкций конденсаторов смешения является сухой полочный барометрический конденсатор, представленный на рисунке 11, а, работающий при противоточном движении охлаждающей воды и пара. В цилиндрический корпус 1 с сегментными полками 2 снизу через штуцер 3 поступает пар. Вода подается через штуцер 4, расположенный на высоте 12-16 метров над уровнем земли, и каскадно перетекает по полкам, имеющим невысокие борта. При соприкосновении с водой пар конденсируется. Смесь конденсата и воды сливается самотеком через штуцер 5 в барометрическую трубу 6 высотой примерно 10 метров и далее – в барометрический ящик 7. Барометрическая труба и ящик играют роль гидравлического затвора, препятствующего прониканию наружного воздуха в аппарат. Из барометрического ящика вода удаляется в канализацию через переливной штуцер. Вместе с паром и охлаждающей водой в конденсатор попадает некоторое количество воздуха, кроме того, воздух подсасывается через неплотности фланцевых соединений. Остаточное давление в конденсаторе наиболее часто должно поддерживаться в пределах 0,1-0,2 ат. Присутствие неконденсируемых газов может вызвать значительное снижение разрежения в конденсаторе. Поэтому неконденсируемые газы отсасывают через штуцер 8 и отделяют от увлеченных брызг воды в брызгоуловителе-ловушке. Отсюда вода также стекает в барометрическую трубу и барометрический ящик.