Классификация теплообменных аппаратов

Условия проведения процессов теплообмена в промышленных аппаратах чрезвычайно разнообразны. Эти аппараты применяют для рабочих сред
с различным агрегатным состоянием и структурой (газ, пар, капельная жидкость, эмульсия и т.д.) в широком диапазоне температур, давлений и физико-химических свойств.

Из-за разнообразия предъявляемых к теплообменным аппаратам требований, связанных с условиями их эксплуатации, применяют аппараты самых разных конструкций и типов, причем для аппаратов каждого типа разработан широкий размерный ряд поверхности теплообмена (от нескольких квадратных метров до тысяч в одном аппарате). В размерном ряду теплообменники различаются по допускаемым давлениям и температурам рабочей среды, а также по материалам, из которых изготовлен аппарат.

Строгой классификации теплообменных аппаратов не существует. Применительно к нефтеперерабатывающей промышленности теплообменные аппараты можно классифицировать по следующим основным признакам [1, 2, 6, 8].

ТОА

поверхностные теплообменные аппараты

аппараты смешения

изготовленные из труб

изготовленные из листового проката

изготовленные из неметаллических материалов

кожухотрубчатые

типа «труба в трубе»

змеевиковые

погружные

аппараты воздушного охлаждения

пластинчатые

спиральные

градирни

Рисунок 2.41 – Классификация теплообменных аппаратов в зависимости от способа передачи тепла

А) В зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на следующие группы (рисунок 2.41):

· Поверхностные теплообменные аппараты, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами осуществляется через поверхность, разделяющую эти среды.

Данную группу ТОА можно в свою очередь классифицировать по конструкции:

– аппараты, изготовленные из труб (кожухотрубчатые ТОА (рисунок 2.42), типа «труба в трубе» (рисунок 2.43), аппараты воздушного охлаждения (рисунок 2.44), погружные (рисунок 2.45), змеевиковые и т.д);

– аппараты, поверхность теплообмена которых изготовлена из листового проката (пластинчатые (рисунок 2.46), спиральные и т.д.);

 

Рисунок 2.42 – Кожухотрубчатый ТОА	Рисунок 2.43 – ТОА типа «труба в трубе»
Рисунок 2.44 – Аппарат воздушного охлаждения	Рисунок 2.45 – Погружной ТОА
Рисунок 2.46 – Пластинчатый ТОА

– аппараты с поверхностью теплообмена, изготовленной из неметаллических материалов (графита, пластмасс, стекла и т.д.).

· Аппараты смешения, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами происходит путем их соприкосновения. Для изготовления теплообменных аппаратов смешения требуется, как правило, меньше металла; кроме того, во многих случаях они обеспечивают более эффективный теплообмен. Однако, несмотря на эти преимущества, аппараты смешения часто нельзя использовать вследствие недопустимости прямого соприкосновения потоков. К таким аппаратам, в частности, относятся градирни (рисунок 2.47).

 

Рисунок 2.47 – Теплообменный аппарат смешения (градирня)

 

Конструктивно пластинчатый теплообменник (ПТО) представляет собой пакет теплообменных пластин и прокладок, установленный в специальную раму и стянутый резьбовыми шпильками до определенного размера.

Б) В зависимости от назначения аппараты делятся на следующие группы (рисунок 2.48) [5].

· Теплообменники – аппараты для регенерации тепла, уносимого отходящими потоками. Целевым процессом, протекающим в них, может являться нагрев холодного потока, или охлаждение горячего, или тот и другой процесс в равной степени.

 

ТОА

для нагрева и охлаждения

подогреватели, испарители, кипятильники

холодильники и конденсаторы

Рисунок 2.48 – Классификация ТОА по назначению

При этом нагрев одного и охлаждение другого потока позволяет сократить расход подводимого извне тепла (сократить расход топлива, греющего водяного пара и т. д.) и охлаждающего агента.

К этой группе аппаратов относятся теплообменники для нагрева нефти на установке, осуществляемого за счет использования тепла отходящих с установки дистиллятов, остатка, а также промежуточного циркуляционного орошения. Сюда относятся также котлы-утилизаторы, где получают водяной пар за счет использования тепла нефтепродуктов, дымовых газов или катализатора на установках каталитического крекинга. К этой группе относятся и регенераторы холода.

· Подогреватели – аппараты для нагрева дистиллятов или реагентов за счет тепла теплоносителя.

Целевым процессом в них является нагрев. В качестве теплоносителя применяют главным образом водяной пар, характеризующийся высоким коэффициентом теплоотдачи при конденсации и большим значением скрытой теплоты конденсации. Теплоносителями могут служить также высококипящие нефтепродукты, нагреваемые в трубчатых печах;

· Конденсаторы – аппараты для конденсации и охлаждения паров путем передачи тепла охлаждающему агенту.

· Холодильники – аппараты для охлаждения жидких потоков. При регенерации тепла того или иного продукта его окончательное охлаждение до температуры, требуемой для безопасного транспорта и хранения, обычно завершается в холодильниках.

Если при охлаждении из жидкого потока выделяют кристаллы, то холодильный аппарат называется кристаллизатором.

В конденсаторах, холодильниках и кристаллизаторах целевым процессом является охлаждение горячей среды.

· Испарители, кипятильники, в которых нагрев или нагрев и частичное испарение осуществляется за счет использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов и специальных теплоносителей (водяной пар, пары углеводородов, специальные высококипящие жидкости и др.). В таких аппаратах нагрев или испарение одной среды является целевым процессом, тогда как охлаждение горячего потока является побочным и обусловливается необходимостью нагрева исходного холодного потока.

Примером аппаратов этой группы могут служить нагреватели сырья, использующие тепло водяного пара, кипятильники, при помощи которых в низ ректификационной колонны подводится тепло, необходимое для ректификации, и т.д.

В) В зависимости от направления движения теплоносителей – прямоточные, противоточные, перекрестного тока и др.

Г) В зависимости от числа ходов по трубному и межтрубному пространству: одно-, двух-, четырех- и многоходовые.

В общем объеме эксплуатируемых на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях теплообменных аппаратов около 80% занимают кожухотрубчатые ТОА. Эти теплообменники достаточно просты в изготовлении и надежны в эксплуатации и в то же время достаточно универсальны, т.е. могут быть использованы для осуществления теплообмена между газами, парами, жидкостями в любом сочетании теплоносителей и в широком диапазоне их давлений и температур.

Поэтому основное внимание в данной работе будет уделено данному типу теплообменных аппаратов.