ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. И ОБОРУДОВАНИЯ

ОФОРМЛЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. ХИМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

13.1. 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. Чаще 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 по своей конструкции и форме повторяют обогре­ваемый реактор (рис. 13.1).

Рубашки выполняются из стали и стандартных 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.

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.

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 мате­
риалов и веса реактора. К котлу при­варивается фланец 3, к которому на болтах крепится рубашка. Этот фла­нец 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.

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, б).

Крепление рубашек кольцами экономически выгодно в условиях мелкосерийного и индивидуального производства, так как это не требует применения дорогостоящей оснастки.

Недостатком конструкции на рис. 13.4, б 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. L3.4, а). Кстати, этот компенсатор необхо­дим и тогда, когда конус изготов­лен из стали Х18Н10Т, 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 днищу аппарата, когда уравновешиваются силы дав­
ления, стремящиеся вытолкнуть корпус аппарата из рубашки, это соеди­нение неприменимо.

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 XI8H9T, напри­мер без промежуточной детали из нержавеющей стали, недопустима.

Змеееикоеая 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, длина которых зависит от шага змеевика. 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, при­
меняют приварные теплообменные элементы в виде труб (рис. 13.5, а) или полутруб (рис. 13.5, б.). Возможно также применение приварных элементов из проката - швеллеров (рис. L3.5, в) или уголков (рис. 13.5, г). Минимальное расстояние между приварными элементами определяют из условий доступа к сварным гттвам.

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.

Преимуществом змеевиковых 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 толщиной меньше 5 мм резко снижает ан­тикоррозионные свойства металла корпуса.

Рубашки с вмятинами. Такие рубашки имеют форму аппарата, но отличаются от нее рядом отверстий, которые расположены в опреде­ленном порядке (рис. 13.6). При значительном диаметре аппарата и по­вышенном давлении в рубашке толщина стенки аппарата, нагруженного наружным давлением, получается значительной. Чтобы уменьшить тол­щину стенки, применяют рубашки с вмятинами.

Чконіаь:тнгія

сварка

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.

Недостатком такой конструкции рубашки является также большой объем по отбортовке отверстий, выполняемых вручную. Достоинство - возможность значительно снизить толщину 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 каркасных ру­башках интенсифицируется теплообмен со стороны теплоносителей, но этот эффект ниже, чем при изготовлении змеевиков.

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, а) или отрезками труб (рис. 13.7, б).

Трубы змеевиков (для входа и выхода теплоносителя) выводят из реактора через крышку и крепят к штуцерам реактора, как показано на рис. 13.9.

При этом труба змеевика с помощью фланца 2 крепится болта­ми к фланцу 3 штуцера 4. Верхний фланец 1 служит для соединения змеевика с фланцем трубопровода,

подводящего или отводящего теп­лоноситель Рис. 13.7. Крепления змеевиков

Длинные змеевики применять невыгодно, так как в нижних витках при паровом обогреве может скапливаться конденсат, в результате чего
значительная часть поверхности змеевика не будет участвовать в про­цессе теплообмена. Из длинных змеевиков также затруднительно уда­лять инертные газы. Обычно змеевики делят на несколько секций, включаемых параллельно, но это усложняет конструкцию.

Стаканы изготовляют из листовой стали, и они могут применяться при более высокой вязкости, чем змеевиковые. Однако удельная по­верхность теплообмена ниже, чем змеевика.

Методы обогрева. Обогрев реакторов жидкими и парообразными теплоносителями 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 повышенные потери 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: 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 греющих элементов, рассчитанных на высокое давление.

Электрообогрее является наиболее удобным способом нагрева­ния. Он дает возможность достигать высоких температур, легко и точно их регулировать. КПД электрообогревателей достигает 95 %.

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 дифенильная 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 передачи теплоноси­теля на большие расстояния.

Перегретая вода. Применяется для нагревания до температур 350 °С. В этих условиях вода находится в состоянии, близком к критическому (кри­тическая температура 375 °С и критическое давление 22,5 МПа).

В качестве хладагентов используют воду и холодные рассолы. Ох­лажденная вода имеет температуру 10...20 °С, что дает возможность 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 % NaNCb, 40 % NaNC^, 53 % KNO3.

Требования к теплоносителям:

• 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.