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

подпись: 
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

подпись: 
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

ОФОРМЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ОФОРМЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ОФОРМЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА

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.

ОФОРМЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА

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.

ОФОРМЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА

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.

ОФОРМЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА

=3-

подпись: =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

подпись: рис. 13.7. крепление змеевиковДлинные змеевики при­менять невыгодно, так как в нижних витках при паровом обогреве может скапливаться конденсат, в результате чего

ОФОРМЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА

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.

Основы проектирования химических производств

Машины для транспортировки жидкостей и газов

Насосами называются машины, предназначенные для перемеще­ния жидкостей (газов) и сообщения им энергии. Работающий насос преобразует механическую энергию двигателя в энергию перемещаемой жидкости, увеличивая ее давление. Перемещение жидкостей осуществляется следующими насосами: …

Классификация транспортных средств для твердых материалов

По способу передачи усилия транспортируемому материалу транс­портные средства делятся на: — машины, которые перемешают материал под действием механи­ческой силы, передаваемой от привода; — гравитационные устройства, в которых груз перемешается под …

ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА

Успешная работа химического предприятия во многом зависит от четкой работы промышленного транспорта. Промышленный транс­порт делится на две основные группы: внешний и внутренний. Внешний транспорт — предназначен для доставки на предприятие …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.