Аппараты для нагревания, охлаждения, конденсации

ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

 

 

Часть 2: Аппараты тепловых процессов

 

 

Методические материалы по дисциплинам
«Процессы и аппараты химической технологии»,
«Процессы и аппараты пищевых производств»

для студентов всех форм обучения по специальностям:

 

240301 – Химическая технология неорганических веществ;

240302 – Технология электрохимических производств;

240306 – Технология монокристаллов и изделий электронной техники;

240401 – Химическая технология органических веществ;

240403 – Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов;

240801 – Машины и аппараты химических производств;

240802 – Основные процессы химических производств и химическая кибернетика;

240901 – Биотехнология;

260601 – Машины и аппараты пищевых производств

 

 

Екатеринбург

УГТУ–УПИ

УДК 66.02

 

Составители: Л. Ю. Лаврова, канд. техн. наук, доц.;

В. А. Степанов, канд. техн. наук, доц.

 

 

Научный редактор проф., д-р техн. наук С. А. Ермаков

 

Альбом основных аппаратов химической технологии: Часть 2: Аппараты тепловых процессов / сост. Л. Ю. Лаврова, В. А. Степанов. Екатеринбург: УГТУ–УПИ, 2007. 28 с.

 

 

В методических материалах представлены схемы и принцип работы основных теплообменных и выпарных аппаратов, которые рассматриваются в лекционных курсах «Процессы и аппараты химической технологии» и «Процессы и аппараты пищевых производств».

Материалы разработаны для студентов всех специальностей и форм обучения химико-технологического факультета.

 

 

Библиогр.: 6 назв. Рис. 21.

 

 

Ó Уральский государственный
технический университет – УПИ, 2007

 

АППАРАТЫ ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ, ОХЛАЖДЕНИЯ, КОНДЕНСАЦИИ

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур между телами (или средами), при наличии которой тепло самопроизвольно переходит от более горячего тела к менее нагретому. Тела, участвующие в теплообмене, называют теплоносителями, или агентами. К числу нагревающих агентов относят водяной пар, горячую воду, высокотемпературные теплоносители, такие как перегретая вода, минеральные масла, органические жидкости, жидкие металлы и т.д. Часто используют электрический нагрев, характеризующийся точностью обогрева, легкостью регулирования температуры, удобством и простотой подводки электроэнергии к теплообменным аппаратам. В качестве охлаждающих агентов (для охлаждения до 10 – 30^о С) применяют в основном воду и воздух. Аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим, называют теплообменниками. При этом различают:

· поверхностные теплообменники, в которых среды обмениваются теплом через разделяющую их поверхность (стенку);

· теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении;

· регенеративные теплообменники, в которых нагрев жидких сред происходит за счет их соприкосновения с ранее нагретыми твердыми телами – насадкой, заполняющей аппарат, периодически нагреваемой другим теплоносителем.

Поверхностные теплообменники наиболее распространены, и их конструкции весьма разнообразны. В одноходовых кожухотрубных теплообменниках суммарное поперечное сечение нагревательных трубок относительно велико, что позволяет получать в них достаточно высокие скорости теплопередачи при больших объемных расходах сред. Многоходовые теплообменники целесообразнее использовать при больших тепловых нагрузках. Если требуется небольшая поверхность теплообмена, то более пригодны теплообменники типа «труба в трубе», спиральные, пластинчатые. Эти аппараты достаточно компактны и отличаются высокой интенсивностью теплообмена. Особо следует отметить теплообменники нежесткой конструкции, в том числе и многоходовые. Их применяют в случаях, когда разность температур теплоносителей значительна и необходима компенсация неодинакового теплового расширения трубок и корпуса аппарата. Однако стоимость таких аппаратов высока. Змеевиковые и рубашечные теплообменники наиболее эффективны для нагрева или охлаждения загрязненных и агрессивных сред, так как чистка теплопередающей поверхности не требует специальной разборки аппарата. Однако аппараты таких конструкций работают лишь при умеренных тепловых нагрузках. Высокотемпературный нагрев осуществляется в специальных замкнутых системах в змеевиковых или рубашечных котлах, автоклавах, печах.

К теплообменникам смешения относят бойлеры для нагрева жидкости острым паром и конденсаторы смешения. Последние более просты по устройству и дешевле кожухотрубных теплообменников, применяемых в качестве поверхностных конденсаторов.

Регенеративные теплообменники в химической промышленности применяются достаточно редко. В данном пособии рассмотрен лишь общий принцип работы подобных аппаратов.

КОЖУХОТРУНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

 

Принцип работы

 

Кожухотрубный теплообменник (рис. 1, а) состоит из цилиндрического кожуха 1, распределительных головок 3, пучка параллельно расположенных трубок 5 закрепленных посредством развальцовки или сварки в трубные решетки 4. Трубки в решетках могут размещаться: по периметрам правильных шестиугольников (шахматное расположение), по концентрическим окружностям, по периметрам прямоугольников (коридорное расположение). Для подачи и отвода теплоносителей в аппарате имеются штуцера.

В кожухотрубном теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред I движется внутри труб, а другая II – в межтрубном пространстве. Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, – сверху вниз. Такое направление движения сред является естественным, так как с понижением температуры плотность среды увеличивается, и она опускается вниз. Плотность же нагреваемой среды по мере увеличения температуры уменьшается, и она поднимается вверх. Не соблюдение указанного принципа движения теплоносителей приводит к образованию в аппарате «застойных зон».

При небольших расходах сред скорость их движения в трубках теплообменника низка и, следовательно, невелик коэффициент теплоотдачи. Интенсификация процесса может быть достигнута применением многоходового теплообменника (рис. 1, б). В распределительной головке такого аппарата устанавливается продольная перегородка, которая разбивает трубное пространство на несколько ходов. Число таких ходов может достигать 12. Интенсификацию теплообмена в межтрубном пространстве целесообразно осуществлять установкой поперечных перегородок, образующих кольцевые зазоры вокруг трубок.

Одноходовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными или горизонтальными.

ДВУХТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

 

 

Принцип работы

 

Двухтрубчатый теплообменник (рис. 5) является одним из наиболее простых теплообменных аппаратов. Его еще называют теплообменником типа «труба в трубе». Он состоит из двух труб разного диаметра: наружной 1 и внутренней 2, установленных одна в другой и образующих два канала для прохода сред.

Один теплоноситель движется по внутренней трубе, другой – по кольцевому зазору между внутренней и наружной трубами. Внутренние трубы соединяются калачами 3, а наружные – патрубками 4.

При необходимости получения большей поверхности теплопередачи возможно последовательное, параллельное и комбинированное соединение секций теплообменника с помощью коллекторов.

 

 

СПИРАЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

 

 

Принцип работы

 

Спиральный теплообменник (рис. 6) состоит из двух длинных свернутых по спирали металлических листов 1, закрытых с торцевых сторон съемными крышками 2. Внутренние концы листов приварены к глухой перегородке, а наружные концы сварены друг с другом. Таким образом, в аппарате образуются два независимых друг от друга соседних канала шириной от 2 до 8 мм, по которым, обычно противотоком, движутся теплообменивающиеся среды. Для подвода и отвода теплоносителей имеются специальные штуцеры 3 и 4.

 

 

ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

 

 

 

Принцип работы

 

Пластинчатый теплообменник (рис. 7) состоит из набора гофрированных пластин 3 с приклеенными к ним по периметру эластичными прокладками 5. Пластины подвешиваются на направляющих балках 2 между неподвижной плитой 6 и стойкой 1 и прижимаются друг к другу подвижной плитой 7 с помощью болтов 4. В каждой пластине и плитах имеются отверстия, образующие сплошные каналы: два для подвода и отвода одного теплоносителя, два – для другого.

Среда I, поступая через патрубок в плите, направляется в каналы между чередующимися пластинами, перемещаясь снизу вверх, например, по нечетным каналам. Среда I удаляется из аппарата через выходное отверстие. Среда II движется по чередующимся четным каналам сверху вниз и отводится через свое выходное отверстие.

Рельефная поверхность пластин дает возможность создания большой удельной поверхности теплопередачи. Теплопередающая поверхность легко изменяется путем установки соответствующего количества пластин.

Прокладка ограничивает канал для движения жидкостей между пластинами. Поэтому часто возникает трудность выбора эластичных химически стойких материалов для изготовления подобных прокладок.

 

 

ЗМЕЕВИКОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

 

 

 

Принцип работы

 

В змеевиковом теплообменнике (рис. 8) капельная жидкость, пар или газ движутся по спиральному змеевику 1, выполненному из труб диаметром 15 – 75 мм, который установлен в цилиндрическом кожухе аппарата 2. Змеевик погружен в жидкость, которая омывает его снаружи.

В некоторых конструкциях в один кожух ставят несколько змеевиков с общим распределительным и сборным коллектором.

Вследствие большого объема корпуса, в котором находится змеевик, скорость жидкости в корпусе незначительна, что обусловливает низкое значение коэффициента теплоотдачи снаружи змеевика. Для увеличения скорости жидкости в корпусе (увеличения коэффициента теплоотдачи) устанавливают внутренний стакан или мешалку 3.

 

РУБАШЕЧНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

 

 

Принцип работы

 

Рубашечный теплообменник (рис. 9) состоит из цилиндрического кожуха 1, снабженного двойными стенками, или рубашкой 2. Внутри протекает одна среда I, в кольцевом канале – другая II.

Небольшая скорость среды внутри аппарата обусловлена самой конструкцией теплообменника, поэтому коэффициент теплопередачи будет определяться именно этим малым коэффициентом теплоотдачи. Рубашечный теплообменник имеет небольшую поверхность нагрева на единицу объема аппарата. Однако он удобен для осмотра и наблюдения за средой внутри сосуда, поэтому он может применяться как реакционный аппарат или кристаллизатор.

 

ОРОСИТЕЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

 

 

 

Принцип работы

 

Оросительный теплообменник (холодильник) применяется только при охлаждении водой.

Оросительный теплообменник (рис. 10) состоит из размещенных друг над другом труб 1, соединенных последовательно калачами 2. По этим трубам движется охлаждаемая среда. Внешняя поверхность труб орошается водой, которая подается на верхнюю трубу и свободно стекает на нижележащие трубы. Отработанная вода стекает в поддон 3, установленный под трубами.

Для более равномерного распределения вода подается через желоб с зубчатыми краями.

Относительно малый расход воды – важное достоинство оросительного холодильника. Отсутствие кожуха упрощает конструкцию аппарата и уменьшает расход металла. Однако такой холодильник в работе сильно парит, что затрудняет его обслуживание.

 

 

ВОЗДУШНЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК

 

 

 

Принцип работы

 

Воздушный холодильник (рис. 11) состоит из теплообменника 1, по трубам которого движется охлаждаемая среда, и осевого вентилятора 3, нагнетающего окружающий воздух в межтрубное пространство теплообменника с большой скоростью (до 15 м/с).

Для увеличения поверхности теплоотдачи со стороны воздуха наружная поверхность труб теплообменника оребряется. В целях предварительного охлаждения окружающего воздуха он иногда увлажняется водой с помощью распределителя 2, установленного над вентилятором.

 

 

БОЙЛЕР

 

 

Принцип работы

 

Бойлер – это аппарат, предназначенный для нагрева жидкости острым паром. Он представляет собой бак с опущенной в жидкость трубой 1, подводящей пар. Пар подается непосредственно в нагреваемую жидкость, конденсируется и отдает жидкости свое тепло. Следует заметить, что конденсат остается в жидкости, смешиваясь с ней.

Теплообмен в подобном аппарате происходит весьма интенсивно. Но при работе наблюдается сильный шум, толчки и вибрация, вызванные резким уменьшением объема пара при конденсации. Для уменьшения влияния вышеперечисленных недостатков применяется разделение пара на большое число мелких струй, например, подачей пара через небольшие отверстия в кольцевой трубе 2, или проход пара через специальное сопло 3, в котором происходит захват жидкости и ее выброс через смешивающий диффузор 4.

 

ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ

Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворах. Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (растворы щелочей, солей и др.), а также некоторые высококипящие жидкости (органические кислоты, многоатомные спирты и др.).

Для закипания жидкости требуется ее перегрев. Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Чаще используют водяной пар, который называют греющим, или первичным. Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным, или соковым.

В основу наиболее распространенных конструкций выпарных аппаратов положены кожухотрубные теплообменники. Увеличение скорости движения раствора и необходимого времени пребывания его в аппарате достигается циркуляцией раствора в аппарате.

Выпарные аппараты классифицируются по различным признакам. Наиболее существенной является классификация по принципу организации циркуляции кипящего раствора в аппарате. Различают конструкции с естественной и принудительной циркуляцией, а также пленочные выпарные аппараты.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией кипящего раствора широко распространены в химической промышленности и имеют ряд конструктивных различий. Для предупреждения возникновения температурных напряжений рекомендуется использование конструкций с подвесной нагревательной камерой. Особенно широко такие аппараты применяются при выпаривании щелочных растворов. Значительным недостатком всех выпарных аппаратов является сложность чистки и замены кипятильных труб. В выпарном аппарате с выносной нагревательной камерой, благодаря значительной скорости циркуляции раствора (до 1,5 м/с), опасность отложения пристенных осадков снижена. К сепаратору такого аппарата можно подключить несколько кипятильников, один из которых будет резервным. Это позволяет проводить ремонт и чистку труб, не останавливая работу всей установки. Для получения растворенного вещества в виде кристаллов применяют выпарной аппарат с выносной зоной кипения. Однако скорость циркуляции в таком аппарате невысока.

Более высокие скорости циркуляции парожидкостной смеси (2,0 – 2,5 м/с) достигаются в выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией. Это обеспечивается установкой в циркуляционной трубе центробежных или осевых насосов, обладающих высокой производительностью. В таких аппаратах можно с успехом концентрировать высоковязкие и кристаллизующиеся растворы. Однако к общим недостаткам подобных конструкций следует отнести повышенный расход энергии и более высокую их стоимость.

Пленочные выпарные аппараты относят к группе аппаратов, работающих без циркуляции. Эти аппараты работают при прямоточном движении раствора и образующегося вторичного пара, поэтому здесь отсутствует гидростатическая депрессия. В таких аппаратах удается выпаривать растворы, склонные к интенсивному пенообразованию, а также растворы, чувствительные к перегреву и длительному нагреванию. Вместе с тем пленочные выпарные аппараты имеют и ряд недостатков. Они очень чувствительны к изменениям нагрузки по жидкости, особенно при малых расходах растворов. В них не рекомендуется выпаривать кристаллизующиеся растворы. Для их установки требуются большие производственные площади из-за значительной высоты кипятильных трубок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Тимонин А. С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: справочник: в 3 т. / А.С. Тимонин. – Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, 2002.

2. Айнштейн В. Г. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: учебник для вузов: в 2 кн. / В. Г. Айнштейн, М. К. Захаров, Г. А. Носов и др. – М.: Химия, 1999.

3. Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии: в 2 ч. / Ю. И. Дытнерский. – М.: Химия, 1995.

4. Чернобыльский И. И. Машины и аппараты химических производств / И. И. Чернобыльский, А. Г. Бондарь, Б. А. Гаевский, С. А. Городинская, Р. Я. Радиев и др. – М.: Машиностроение, 1975.

5. Авербух Я. Д. Процессы и аппараты химической технологии: курс лекций: в 2 ч. / Я. Д. Авербух, Ф. П. Заостровский, Л. Н. Матусевич. – Свердловск: УПИ, 1973.

6. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А. Г. Касаткин. – М.: Химия, 1971.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1. Аппараты для нагревания, охлаждения, конденсации 3

2. Выпарные аппараты 18

Список литературы 26

 

 

Учебное издание

 

АЛЬБОМ ОСНОВНЫХ АППАРАТОВ

ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Часть 2: Аппараты тепловых процессов

 

Составители: Лаврова Лариса Юрьевна,

Степанов Владимир Александрович

 

Редактор О. В. Климова

 

ИД № 06263 от 12.11.2001 г.

 

Подписано в печать Формат 60х84 1/8

Бумага типографская Офсетная печать Усл. печ. л. 1,3

Уч-изд. л. 1,41 Тираж____экз. Заказ

 

Редакционно-издательский отдел УГТУ–УПИ

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

[e-mail]

 

Ризография НИЧ УГТУ–УПИ

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

 

 

Часть 2: Аппараты тепловых процессов

 

 

Методические материалы по дисциплинам
«Процессы и аппараты химической технологии»,
«Процессы и аппараты пищевых производств»

для студентов всех форм обучения по специальностям:

 

240301 – Химическая технология неорганических веществ;

240302 – Технология электрохимических производств;

240306 – Технология монокристаллов и изделий электронной техники;

240401 – Химическая технология органических веществ;

240403 – Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов;

240801 – Машины и аппараты химических производств;

240802 – Основные процессы химических производств и химическая кибернетика;

240901 – Биотехнология;

260601 – Машины и аппараты пищевых производств

 

 

Екатеринбург

УГТУ–УПИ

УДК 66.02

 

Составители: Л. Ю. Лаврова, канд. техн. наук, доц.;

В. А. Степанов, канд. техн. наук, доц.

 

 

Научный редактор проф., д-р техн. наук С. А. Ермаков

 

Альбом основных аппаратов химической технологии: Часть 2: Аппараты тепловых процессов / сост. Л. Ю. Лаврова, В. А. Степанов. Екатеринбург: УГТУ–УПИ, 2007. 28 с.

 

 

В методических материалах представлены схемы и принцип работы основных теплообменных и выпарных аппаратов, которые рассматриваются в лекционных курсах «Процессы и аппараты химической технологии» и «Процессы и аппараты пищевых производств».

Материалы разработаны для студентов всех специальностей и форм обучения химико-технологического факультета.

 

 

Библиогр.: 6 назв. Рис. 21.

 

 

Ó Уральский государственный
технический университет – УПИ, 2007

 

АППАРАТЫ ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ, ОХЛАЖДЕНИЯ, КОНДЕНСАЦИИ

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур между телами (или средами), при наличии которой тепло самопроизвольно переходит от более горячего тела к менее нагретому. Тела, участвующие в теплообмене, называют теплоносителями, или агентами. К числу нагревающих агентов относят водяной пар, горячую воду, высокотемпературные теплоносители, такие как перегретая вода, минеральные масла, органические жидкости, жидкие металлы и т.д. Часто используют электрический нагрев, характеризующийся точностью обогрева, легкостью регулирования температуры, удобством и простотой подводки электроэнергии к теплообменным аппаратам. В качестве охлаждающих агентов (для охлаждения до 10 – 30^о С) применяют в основном воду и воздух. Аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим, называют теплообменниками. При этом различают:

· поверхностные теплообменники, в которых среды обмениваются теплом через разделяющую их поверхность (стенку);

· теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении;

· регенеративные теплообменники, в которых нагрев жидких сред происходит за счет их соприкосновения с ранее нагретыми твердыми телами – насадкой, заполняющей аппарат, периодически нагреваемой другим теплоносителем.

Поверхностные теплообменники наиболее распространены, и их конструкции весьма разнообразны. В одноходовых кожухотрубных теплообменниках суммарное поперечное сечение нагревательных трубок относительно велико, что позволяет получать в них достаточно высокие скорости теплопередачи при больших объемных расходах сред. Многоходовые теплообменники целесообразнее использовать при больших тепловых нагрузках. Если требуется небольшая поверхность теплообмена, то более пригодны теплообменники типа «труба в трубе», спиральные, пластинчатые. Эти аппараты достаточно компактны и отличаются высокой интенсивностью теплообмена. Особо следует отметить теплообменники нежесткой конструкции, в том числе и многоходовые. Их применяют в случаях, когда разность температур теплоносителей значительна и необходима компенсация неодинакового теплового расширения трубок и корпуса аппарата. Однако стоимость таких аппаратов высока. Змеевиковые и рубашечные теплообменники наиболее эффективны для нагрева или охлаждения загрязненных и агрессивных сред, так как чистка теплопередающей поверхности не требует специальной разборки аппарата. Однако аппараты таких конструкций работают лишь при умеренных тепловых нагрузках. Высокотемпературный нагрев осуществляется в специальных замкнутых системах в змеевиковых или рубашечных котлах, автоклавах, печах.

К теплообменникам смешения относят бойлеры для нагрева жидкости острым паром и конденсаторы смешения. Последние более просты по устройству и дешевле кожухотрубных теплообменников, применяемых в качестве поверхностных конденсаторов.

Регенеративные теплообменники в химической промышленности применяются достаточно редко. В данном пособии рассмотрен лишь общий принцип работы подобных аппаратов.

КОЖУХОТРУНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

 

Принцип работы

 

Кожухотрубный теплообменник (рис. 1, а) состоит из цилиндрического кожуха 1, распределительных головок 3, пучка параллельно расположенных трубок 5 закрепленных посредством развальцовки или сварки в трубные решетки 4. Трубки в решетках могут размещаться: по периметрам правильных шестиугольников (шахматное расположение), по концентрическим окружностям, по периметрам прямоугольников (коридорное расположение). Для подачи и отвода теплоносителей в аппарате имеются штуцера.

В кожухотрубном теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред I движется внутри труб, а другая II – в межтрубном пространстве. Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, – сверху вниз. Такое направление движения сред является естественным, так как с понижением температуры плотность среды увеличивается, и она опускается вниз. Плотность же нагреваемой среды по мере увеличения температуры уменьшается, и она поднимается вверх. Не соблюдение указанного принципа движения теплоносителей приводит к образованию в аппарате «застойных зон».

При небольших расходах сред скорость их движения в трубках теплообменника низка и, следовательно, невелик коэффициент теплоотдачи. Интенсификация процесса может быть достигнута применением многоходового теплообменника (рис. 1, б). В распределительной головке такого аппарата устанавливается продольная перегородка, которая разбивает трубное пространство на несколько ходов. Число таких ходов может достигать 12. Интенсификацию теплообмена в межтрубном пространстве целесообразно осуществлять установкой поперечных перегородок, образующих кольцевые зазоры вокруг трубок.

Одноходовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными или горизонтальными.