Теплообмінні пристосування реакційних апаратів

Для обігріву та охолодження реакційних і інших апаратів різних конструкцій застосовують різні пристосування, в яких поверхня теплообміну утворюється стінками самого апарату.

До пристосувань, які застосовуються в якості теплообмінного елемента стінки апарата, відносяться сорочки (рис. 8.15). До фланця корпусу апарата 1 кріпляться на прокладці і болтами сорочка 2. У деяких випадках сорочку приварюють до стінок апарата, проте при цьому ускладнюються її очищення і ремонт. У просторі між сорочкою і верхньою поверхнею стінок апарата рухається теплоносій. На рис. 8.15,а показаний обігрів апарата через сорочку паром, який, при діаметрі апарата більше 1 м, вводять, для підвищення рівномірності обігріву, з двох сторін через штуцери 3, а конденсат видаляється через штуцер 4.

Поверхня теплообміну сорочок обмежена площею стінок і днища апарата і зазвичай не перевищує 10 м². Тиск теплоносія в сорочці дорівнює не більше 6-10 ат, оскільки при більших тисках надто потовщуються стінки апарата і сорочки.

Для тисків аж до 73,6×10⁵ Н/м² (75 ат) застосовуються сорочки з анкерними зв’язками (рис. 8.15, б). Ці сорочки мають виштамповані в шаховому порядку круглі отвори, і по внутрішній кромці отворів стінка сорочки 2 приварена до зовнішньої стінки апарата. Сорочки такої конструкції мають не тільки підвищену механічну міцність, але й забезпечують більш високі швидкості руху теплоносія в порожнинах між анкерними зв’язками, а відповідно, і більші коефіцієнти тепловіддачі.

Рисунок. 8.15. Апарат з сорочкою: а – апарат з паровою сорочкою; б – сорочка з анкерними зв’язками (деталь); 1 – корпус апарата; 2 – сорочка; 3 – штуцер для введення пари; 4 – штуцер для відводу конденсату

 

Нагрівання чи охолодження при підвищених тисках теплоносія (до 58,4×10⁵ Н/м² чи 60 ат) може бути здійснене також за допомогою змійовиків, приварених до зовнішньої стінки апарата у виготовлених із напівциліндрів – розрізаних по твірній труб (рис. 8.166, а) чи кутової сталі (рис. 8.16, б).

Для більш високих тисків, досягаючих 246×10⁵ Н/м² (250 ат), наприклад у системах обігріву перегрітою водою, до зовнішньої стінки апарата багатошаровим швом приварені змійовики (рис. 8.16, в). Ці пристрої витісняють застосовуючі раніше для такого ж діапазону тисків стальні змійовики, залиті в чавунні стінки апарата (рис. 8.16, г) при його відливанні.

Під час заливання змійовиків отримують значно низькі коефіцієнти теплопередачі, оскільки внаслідок відмінності коефіцієнтів об’ємного розширення сталі і чавуну можливе утворення місцевих повітряних зазорів між змійовиком і стінками апарата, що приводить до збільшення термічного опору. Крім того, виготовлення такої системи, складне, а ремонт змійовиків практично неможливий.

Рисунок. 8.16. Варіанти виконання змійовиків: а – із розрізаних по твірній (половинок) труб; б – з кутової сталі; в – з труб, приварених багатошаровим швом; г – з труб, залитих у стінки апаратів

 

Теплообмінники інших типів

Блочні теплообмінники. Для процесів теплообміну, які протікають в хімічних агресивних середовищах, застосовують теплообмінники з неметалевих матеріалів. Зазвичай такі матеріали (скло, кераміка, тефлон і ін.) мають більш низьку, ніж у металів, теплопровідність. Виняток становить графіт, який для усунення пористості попередньо просочують феноло-формальдегідними смолами. Просочений графіт є хімічно стійким матеріалом у дуже агресивних середовищах (наприклад, у гарячій соляній, розбавленій сірчаною, фосфорною кислотою і ін.) і відрізняється високими коефіцієнтами теплопровідності, рівними 92-116 Вт/(м×град), чи 70-90 ккал/(м×год×град).

Типовими теплообмінними апаратами з графіту є блокові теплообмінники (рис. 8.17), які складаються з окремих графітових блоків 1, які мають наскрізні вертикальні канали 2 круглого січення і перпендикулярні їм канали 3. Теплоносій І рухається по вертикальних каналах, а теплоносій ІІ – по горизонтальних каналах 3, проходячи послідовно всі блоки, як показано на рис. 8.17. Горизонтальні канали різних блоків сполучаються один із одним через бокові передавальні камери 4. Графітові блоки ущільнюються між собою прокладками з резини чи тефлону і стягуються торцевими кришками 5 на болтах.

Крім прямокутних блоків застосовують також циліндричні блоки, в яких горизонтальні канали розміщуються радіально.

Робочий тиск у блочних теплообмінниках не перевищує 2,9´10⁵ Н/м² (3 ат).

Рисунок. 8.17. Блочний теплообмінник з графіта: 1 – графітові блоки; 2 – вертикальні круглі канали; 3 – горизонтальні круглі канали; 4 – бокові переточні камери; 5 – торцеві кришки

 

Шнекові теплообмінники. Під час теплового обробітку високов’язких рідин і сипучих матеріалів, які мають низьку теплопровідність, тепловіддача може бути інтенсифікована шляхом безперервного оновлення поверхні матеріалу, який стикається зі стінками апарату. Це досягається при механічному перемішуванні і одночасному переміщенні матеріалу за допомогою шнеків (рис. 8.18). Матеріал надходить з одного кінця корпусу 1 з сорочкою 2 і перемішується обертаючими назустріч один одному шнеками 3 і 4, які транспортують його до протилежного, розвантажувального кінця корпуса. Деколи для збільшення поверхні теплообміну шнеки виготовляють порожнинними і в них через порожнинні вали, обладнані сальниками 5, теплоносій подається в порожнинні витки шнеків.

 

Рисунок. 8.18. Шнековий теплообмінник: 1 – корпус; 2 – сорочка; 3, 4 – порожнинні шнеки; 5 – сальники порожнинних валів