Основы проектирования химических производств
ОФОРМЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА
Большинство химических процессов протекает с выделением или поглощением тепла. Достаточно часто в реакторе необходимо держать режим, близкий к изотермическому, поэтому приходится предусматривать теплообмен между реакционной массой и теплоносителем. Чаше всего теплообмен происходит через разделяющую теплоносители стенку, т. е. рекуперативно.
Теплообменными поверхностями обычно являются наружные поверхности аппаратов, снабженные рубашками. Если наружные поверхности реакторов недостаточны, то при невысокой вязкости получаемых продуктов внутри аппаратов устанавливают дополнительные поверхности: змеевики, стаканы.
С точки зрения удобства обслуживания, очистки реактора и простоты его конструкции предпочтительнее наружные теплообменные элементы (рубашки и приварные элементы). Однако их поверхность теплообмена ограничена наружной поверхностью аппарата. Кроме того, коэффициент теплоотдачи к наружным теплообменным элементам примерно в 2 раза ниже, чем к внутреннему змеевику.
Конструкция теплообменных рубашек зависит от параметров теплоносителей или хладоагентов. При давлениях обогревающей или охлаждающей среды 0,8—0,9 МПа применяются гладкие рубашки, при давлениях до 2,7 МПа — змеевиковые рубашки, изготовленные из прокатных профилей: труб, уголков и т. п., а также рубашки с вмятинами
И, например, каркасные.
Рубашки. Как правило, их приваривают к корпусу реактора или делают съемными, когда приварка невозможна (например, для аппаратов, изготовленных из чугуна), а также, когда необходим постоянный контроль за поверхностью теплообмена. Различают: гладкие рубашки, змеевиковые, с вмятинами, каркасные.
Гладкие рубашки. Такая рубашка по своей конструкции повторяет по форме обогреваемый реактор (рис. 13.1).
Рубашки выполняются из листовой стали и стандартных стальных выпуклых днищ. Обычно рубашку приваривают на 80—150 мм ниже соединения с корпусом, но в некоторых случаях, когда коэффициент заполнения аппарата невелик, а обогрев или охлаждение верхней
незаполненной его части нежелательны, рубашку делают небольшой по высоте.
|
Рис. 13.1. Гладкая рубашка для емкостного аппарата: / — корпус реактора: 2— крышка реактора; 3 — днише реактора; 4 — корпус рубашки; 5 — днище рубашки; 6 — фланцы |
В пространство между корпусом реактора и рубашкой подается теплоноситель. Пар подают в нее через верхний штуцер, а конденсат отводят через нижний. Жидкие теплоносители обычно вводят через нижний штуцер, а выводят через верхний.
|
Рис. 13.2. Конструкция разъемного крепления рубашки к корпусу аппарата: / — корпус реактора; 2 — обечайка рубашки; 3 — фланец реактора; 4 — прокладка; 5 — фланец рубашки |
Диаметр рубашки обычно принимают на 50-100 мм больше диаметра реактора. Таким образом, зазор между корпусом аппарата и рубашкой колеблется в пределах от 25 до 150 мм. Зазоры между стенками стараются сделать минимальными, чтобы увеличить скорость теплоносителя. Большие зазоры характерны для парообразных теплоносителей.
Крепление гладких рубашек к корпусу реакторов может быть разъемным и неразъемным.
Разъемное крепление применяют для аппаратов, работающих в тяжелых условиях, когда необходимо периодически контролировать поверхность нагрева, очищать ее.
Конструкция разъемного крепления рубашки к корпусу представлена на рис. 13.2.
Недостатком такой конструкции является наличие дополнительного фланцевого соединения, что ведет к увеличению расхода материалов и веса реактора. К котлу приваривается фланец 3, к которому на болтах
Крепится рубашка, фланец 3 приваривается на 50—100 мм ниже уровня жидкости в аппарате. Следует заметить, что фланец для крепления рубашки на чугунных аппаратах отливается заодно с корпусом. Этот способ крепления позволяет легко осуществить монтаж и демонтаж рубашки. Если требуется, чтобы рубашка полностью покрывала боковую поверхность реактора, то ее крепят прямо к фланцу аппарата, как показано на рис. 13.3.
|
Рис. 13,3. Крепление рубашки к корпусу аппарата с коэффициентом заполнения, равным единице |
|
К: |
|
Г |
|
А |
|
Рис. 13.4. Неразъемное крепление рубашки к корпусу: а — сферическим переходом; б— плоским кольцом |
|
Более простым и надежным является неразъемное соединение крышки реактора с обечайкой рубашки сваркой, которую осуществляют с помощью отбортовки (рис. 13.4,а) или приварного кольца (рис. 13.4,6). Крепление рубашек кольцами экономически выгодно в условиях мелкосерийного и индивидуального производства, так как это не требует применения дорогостоящей оснастки. Недостатком конструкции 13.4,5 является высокая концентрация напряжений в месте приварки кольца к корпусу и к рубашке, а также повышенный расход металла и увеличение веса реактора. Поэтому более удобны плавные конические переходы, называемые воротниками, которые являются и компенсаторами температурных удлинений (рис. 13.4, а). Кстати, этот компенсатор необходим и тогда, когда конус изготовлен из стали Х18Н9Т, а корпус рубашки из стали СтЗ. Для изготовления воротников требуется специальная оснастка, что экономически выгодно при серийном их производстве. При больших давлениях в рубашке, особенно при отсутствии крепления рубашки к днишу аппарата, когда уравновешиваются силы давления, стремящиеся вытолкнуть корпус аппарата из рубашки, это соединение не применимо. Наличие рубашки усложняет крепление нижнего спускного штуцера. При небольшой разнице линейных удлинений рубашки и корпуса возможна приварка штуцера одновременно к корпусу и рубашке. Для удаления инертных газов, создающих подушку, которая исключает часть теплообменной поверхности из процесса теплообмена, в верхней части рубашки предусматривается продувочный штуцер. Гладкая рубашка изготавливается из углеродистой стали. Однако следует учитывать, что приварка углеродистой стали к корпусу из |
Нержавеющей стали небольшой толщины (3—6 мм) может ухудшить антикоррозионные свойства металла корпуса. Поэтому, когда среда обладает значительной агрессивностью или требуется высокая чистота продукта, приварка рубашки из стали СтЗ к корпусу аппарата из стали Х18Н9Т, например, без промежуточной детали из нержавеющей стали, недопустима.
Змеевиковая рубашка. Она представляет собой спираль из прокатного профиля, приваренную к корпусу аппарата. Приваривать спираль виток к витку не следует, так как это ведет лишь к перерасходу металла, усложняет изготовление аппарата, повышает гидравлическое сопротивление теплообменного устройства.
Участок внутренней поверхности корпуса между витками рубашки можно рассматривать как ребра, от шага змеевика зависит длина ребер. Такие аппараты легче, чем аппараты с гладкими рубашками, так как толщина корпуса и рубашки в первом случае меньше, чем во втором. Приварные элементы располагаются на поверхности аппарата по-разному —в виде спирали, навитой на цилиндрический корпус аппарата, или зигзагообразно по образующей цилиндра.
В тех случаях, когда не требуется большой поверхности теплообмена или когда теплоноситель находится под большим давлением, применяют приварные теплообменные элементы в виде труб (рис. 13.5, а) или полутруб (рис. 13.5,6). Возможно также применение приварных элементов из проката — швеллеров (рис. 13.5,в) или уголков (рис. 13.5, г). Минимальное расстояние между приварными элементами определяют из условий доступа к сварным швам.
На практике обычно не бывает необходимости устанавливать теплообменные элементы очень близко, так как благодаря хорошей теплопроводности металла участки стенки, прилегающей к приварному элементу, также участвуют в теплообмене.
|
Рис. 13.5. Реактор со змеевиковой рубашкой |
Преимуществом зм ее виковых рубашек по сравнению с гладкими является также большая скорость теплоносителя, что позволяет интенсифицировать теплообмен со стороны теплоносителя к стенке рубашки, когда коэффициенты теплоотдачи либо одинаковы, либо отличаются незначительно.
Недостаток змеевиковой рубашки — большой объем сварочных работ. Кроме того, приварка такой рубашки из углеродистой стали к корпусу из нержавеющей стали тол шиной меньше 5 мм резко снижает антикоррозионные свойства металла корпуса.
Рубашки с вмятинами. Такие рубашки имеют форму аппарата, но отличаются от нее рядом вмятин, которые расположены в определенном порядке (см. рис. 13.6), При значительном диаметре аппарата и повышенном давлении в рубашке тол шина стенки аппарата, нагруженного наружным давлением, получается значительной. Чтобы уменьшить толщину стенки, применяют рубашки с вмятинами.
Для этого на их поверхности делают круглые отверстия, края которых отгибают и приваривают к корпусу аппарата точечной сваркой. Корпус реактора оказывается жестко связанным с корпусом рубашки. Расстояние между корпусом рубашки и стенкой корпуса реактора — 20—30 мм. Шаг вмятин 120—200 мм (в зависимости от давления). Рубашку с вмятинами применяют при давлениях в ней до 3—4 МПа.
При расчете аппарата на прочность стенку его можно рассматривать как состоящую из отдельных пластин, укрепленных анкерными связями. Это позволяет уменьшить толщину стенок аппарата и рубашки.
Интенсификация теплообмена в такой рубашке невелика по сравнению со змеевиковой рубашкой. Однако объем сварочных работ при изготовлении такой рубашки по сравнению со змеевиковой рубашкой значительно меньше.
|
|
|
Контактная Сварка |
|
Рис. 13.6. Рубашка с вмятинами |
Недостатком такой конструкции рубашки является также большой объем работ по огбортовке отверстий, выполняемых вручную. Достоинство — возможность значительно снизить толшину стенок корпуса реактора и рубашки.
Каркасная рубашка. Она приваривается к кольцам жесткости, выполненным из уголков или полос.
Расстояние между кольцами жесткости выбирается таким образом, чтобы обечайка корпуса в пролете между ними работала в условиях простого сжатия. Это позволяет изготовлять корпус реактора минимальной толщины, как и в случае со змеевиковой рубашкой. В каркаешь х рубашках интенсифицируется теплообмен со стороны теплоносителей, но этот эффект ниже, чем при изготовлении змеевиков.
|
=3- |
Змеевики и стаканы. Они устанавливаются внутри аппаратов при недостаточной внешней поверхности и невысокой вязкости реакционной массы. Змеевики обычно изготовляют из стальных, алюминиевых, свинцовых труб. Витки змеевиков крепятся к специальным стойкам хомутиками (рис. 13.7,о) или отрезками труб (рис. 13.7,6).
Трубы змеевиков (для входа и выхода теплоносителя) выводят из реактора через крышку и крепят так» как показано на рис. 13.8.
|
Рис. 13.7. Крепление змеевиков |
Длинные змеевики применять невыгодно, так как в нижних витках при паровом обогреве может скапливаться конденсат, в результате чего
|
Рис. 13.8. Вывод змеевика через крышку аппарата: / — фланец змеевика; 2 — нажимная втулка; 3— бобышка; 4— набивка |
Значитслышн часть поверхности змеевика не будет участвовать в процессе теплообмена. Из длинных змеевиков также затруднительно удалять инертные газы. Обычно змеевики деляг на несколько секций, включаемых параллельно, но это усложняет конструкцию.
Стаканы изготовляют из листовой стали и они могут применяться при более высокой вязкости, чем змсевиковые. Однако удельная по- верхностьтеплообмена ниже, чем змеевика.
Методы обогрева. Обогрев реакторов жидкими и парообразными теп - лоносителями может быть местным, циркуляционным и смешанным.
При местном обогреве источник тепла находится непосредственно в рубашке. Обычно он представляет собой пакет электрообогреватель - ных элементов. При этом методе обогрева можно применять лишь гладкие рубашки. Обогрев электрическим током можно разделить на обогрев при помощи нагревателей электросопротивления и индукционный обогрев. При индукционном обогреве снаружи или внутри аппарата устанавливается индуктор, вследствие чего стенка аппарата равномерно разогревается.
При циркуляционном обогреве теплоноситель подогревается в котле и циркуляционным насосом подается в рубашку, откуда обратно поступает в котел. Недостаток — наличие циркуляционной системы и трубопроводов, что обусловливает повышенное потребление тепла в окружающую среду.
Требования к теплоносителям. Наиболее распространенными теплоносителями являются водяной пар, электрический ток, топочные газы и высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ).
Водяной пар. Преимущества его: легкость и точность регулирования температуры, компактность установок, высокий коэффициент теплоотдачи и высокий коэффициент полезного действия. Недостатки: невозможность достижения высоких температур (выше 200—250 °С) и необходимость применения грсюших элементов, рассчитанных на высокое давление.
Электрообогрев я вл я ется на и бол се удобн ы м с пособом нагревая ия. Он даст возможность достигать высоких температур, легко и точно их регулировать, КПД электрообогревателей достигает95%.
Топочные газы применяют в качестве высокотемпературных теплоносителей. Практически температура составляет 700—1000 °С. Чаще всего их получают сжиганием в печах природного или генераторного газа. Нагревание топочными газами отличается существенными недостатками: трудность регулирования температуры, низкий КПД и низкий коэффициент теплоотдачи, громоздкость обогреваемых установок.
Из высокотемпературных органических теплоносителей наиболее известна дифен ильная смесь (ДФС). ДФС представляет собой 26,5% дифенила и 73,5% дифенилового эфира и используется в тех случаях, когда требуется нагрев до температуры 250—380 °С. Ее достоинства — простота и точность регулирования, возможность передач и те плоноси - теля на большие расстояния.
Перегретая вода. Ее применяют для нагревания до температур порядка 350 °С. В этих условиях вода находится в состоянии, бди жом к критическому (критическая температура 375 °С и критическое давление 22,5 МПа).
В качестве хладоагентов используют волу и холодные рассолы. Охлажденная вода имеет температуру 10—20 “С, что дает возможнос ть охлаждения до 15—25 °С. Применение холодных рассолов позволяет производить охлаждение до более низких температур (-10 °С).
Для отвода тепла при высоких температурах (150-500 °С) используют воздух или расплавы солей, например нитрит-нитратную смесь, состоящую из 7% ЫаЫОя, 40% ^N0-,, 53% «N0,.
Требования ктеплоносителям:
— достижение высоких температур при низких давлениях;
— большая химическая стойкость;
— отсутствие коррозионного воздействия;
— высокий коэффициент теплоотдачи;
— большая теплота испарения;
— низкая температура плавления;
— взрыво - и огнебезопасность;
— отсутствие токсичных свойств;
— дешевизна и доступность.
