Выбор теплообменного аппарата

В данном проекте необходимо осуществить нагрев сырой нефти от температуры 10°C до 70°C. В результате проведенного обзора, анализа существующих методов подвода теплоты, выбираем нагревание глухим паром, передающим тепло через стенку теплообменного аппарата. Водяной пар имеет ряд преимуществ: высокий коэффициент теплоотдачи; большое количество тепла, выделяемое при конденсации единицей количества пара; возможность транспортировки по трубопроводам на значительные расстояния; равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре; легкое регулирование обогрева. В результате конденсации пара получают большие количества тепла при относительно небольшом расходе пара. Вследствие высоких коэффициентов теплоотдачи от конденсирующегося пара сопротивление переносу тепла со стороны пара мало. Это позволяет проводить процесс нагревания при малой поверхности теплообмена.

При проектировании поверхностных теплообменников выбор конст­рукции теплообменника приобретает важнейшее значение. Следует учитывать ряд требований, которым должен удовлетворять данный теплообменник. Эти требования зависят от конкретных условий протекания процесса теплообмена, к которым прежде всего следует отнести величину тепловой нагрузки аппарата, агрегатное состояние и физико-химические свойства теплоносителей (вязкость и др.), их агрегативность, температуру и давление в аппарате, условия теплопереноса (гидродинамические режимы, соотношения между коэффициентами теплоотдачи по обе стороны стенки и др.), воз­можность создания чистого противотока, если температуры тепло­носителей в процессе

 

теплопереноса заметно изменяются, возмож­ность загрязнения поверхностей теплообмена (если таковая сущест­вует, то желательно, чтобы поверхность была доступной для периодической чистки) и др. Кроме того, теплообменник должен быть как можно более прост по устройству, компактен, с малой металлоемкостью и т. п. Конструкции теплообменника, который бы удовлетворял всем названным требованиям, нет. Поэтому в каждом конкретном случае теплообмена приходится ограничиваться выбо­ром наиболее подходящей конструкции.

Теплообменные аппараты подразделяются в зависимости от формы поверхности, вида теплоносителей, способа передачи тепло­ты. В соответствии с последним показателем их можно классифици­ровать на поверхностные (рекуперативные), смесительные (контакт­ные) и регенеративные.

Поверхностные теплообменники представляют собой наиболее значительную и важную группу теплообменных аппаратов, исполь­зуемых в химической технологии. В поверхностных теплообменни­ках теплоносители разделены стенкой, причем теплота передается через поверхность этой стенки. Если поверхность теплообмена в таких теплообменниках формируется из труб, то их называют трубчатыми. В другой группе поверхностных теплообменников поверхностью теплообмена являются стенка аппарата или металли­ческие плоские листы.

В смесительных (или контактных) теплообменниках теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносите­лей. К смесительным теплообменникам относятся, например, гра­дирни.

В регенеративных теплообменниках процесс переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному разделяется во времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаж­дении насадки. Теплообменники этого типа часто применяют для регенерации теплоты отходящих газов.

Поверхностные теплообменники широко распространены в промышленно­сти, особенно теплообменники трубчатого типа.

Трубчатые теплообменники.Наиболее распространены кожухотрубчатые теплообменники благодаря простоте конструкции и технологии изготовления. Изготавливают кожухотрубчатые теплообменники следующих типов: ТН – с неподвижными трубными решетками (с жестким кожухом и жестко закрепленными решетками); ТК – с температурным компенсатором на кожухе; ТП – с плавающей головкой; ТУ – с U-образными теплообменными трубками; ТС – с сальником на плавающей головке.

В зависимости от назначения они могут быть подогревателями, холодильниками, конденсаторами и испарителями. Для увеличения скорости движения теплоносителей, а следовательно, и повышения коэффициентов теплоотдачи изготавливают двух-, четырех-, шести- и двенадцатиходовые теплообменники.

Кожухотрубчатые теплообменники.Они достаточно просты в изго­товлении, отличаются возможностью развивать большую поверх­ность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе.

На рис. 1.4 показан вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с непо­движными трубными решетками 2, в которых закрепляются трубы 3. К кожуху 1 с помощью болтов 6 и прокладок 7 крепятся крышка 4 и днище 5.

Рисунок 1.4 Кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции

/-кожух; 2-трубные решетки; 3-грубы; 4- крыш­ка; 5- днище; б -болт; 7 прокладка; / и // - тепло­носители.

 

Один из теплоносителей / проте­кает по трубам, другой //-по меж­трубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому пере­дается через поверхность стенок труб. Обычно нагреваемый теплоно­ситель подается снизу, а охлаждае­мый теплоноситель - сверху вниз противотоком. Такое движение теп­лоносителей способствует более эф­фективному переносу теплоты, так как при этом происходит совпадение направления движения каждого теп­лоносителя с направлением, в котором стремится двигаться данный теплоноситель под влиянием изменения его плотности при нагревании или охлаждении.

аких случаях необходимо определить экономически целесообразную скорость движения теплоносителя. Следует отметить, что в многоходовых теплообменни­ках по сравнению с противоточными движущая сила процесса несколько снижается в результате того, что они работают по принципу смешанного тока.

Если разность температур труб и кожуха достаточно велика (больше 50 °С), то трубы и кожух удлиняются существенно неодина­ково, что приводит к значительным напряжениям в трубных решет­ках, нарушению плотности соединения труб с трубными решетками, а это может привести к смешению теплоносителей или деформации труб. Поэтому при разностях температур труб и кожуха более 50 °С и значительной длине труб применяют теплообменники нежесткой конструкции, в которых возможно перемещение труб по отноше­нию к кожуху аппарата.

 

Элементные теплообменники представляют собой ряд последо­вательно соединенных одноходовых кожухотрубчатых теплообменников (элементов), что позволяет существенно повысить скорость движения теплоносителей в межтрубном и трубном пространствах без использования перегородок. Теплоносители последовательно проходят через все элементы. В межтрубных пространствах эле­ментных теплообменников можно создавать большие давления, так как диаметр кожуха элементов мал. В этих теплообменниках процесс протекает практически при чистом противотоке. Однако элементные теплообменники, по сравнению с многоходовыми кожухотрубчатыми, при одинаковой поверхности теплопередачи более громоздки и требуют большего расхода металла на их изготов­ление.

Двухтрубные теплообменники часто называют теплообменника­ми типа «труба в трубе». Они представляют собой набор последова­тельно соединенных элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб (рис.1.8).

Один теплоноситель / движется по внутренним трубам /, другой //по кольцевому зазору между внутренними и наружными 2 трубами. Внутренние трубы 1 соединяются с помощью калачей 3, а наружные-с помощью соединительных патрубков 4. Длина элемента теплообменника типа «труба в трубе» обычно состав­ляет 3-6 м, диаметр наружной трубы 76-159 мм, внутренней - 57 - 108 мм.

Поскольку сечения внутренней трубы и кольцевого зазора неве­лики, то в этих теплообменниках достигаются значительные скоро­сти движения теплоносителей (до 3 м/с), что приводит к увеличению коэффициентов теплопередачи и тепловых нагрузок, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Однако двухтрубные теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые, на их изготовление требуется больше металла на единицу поверхности теплообмена. Двухтрубные теплообменники применяют для про­цессов со сравнительно небольшими тепловыми нагрузками и соот­ветственно малыми поверхностями теплообмена (не более десятков квадратных метров).

 

Рисунок1.8. Двухтрубный теплообменник типа «труба в трубе»:

1-внутренние трубы; 2-наружные трубы; 3-соединительные колена (калачи); 4-соединитель­ные патрубки; / и //-теплоносители

Теплообменники типа «труба в трубе» ТТ широко применяют в качестве конденсаторов производстве метанола, аммиака и других продуктов, получаемых под высоким давлением. Теплообменники типа ТТ собирают из отдельных звеньев. Каждое звено состоит из наружной и внутренней теплообменных труб и элементов их соединения. Звенья собирают в вертикальный ряд – секцию. При этом внутренние трубы соединяют между собой коленами, а наружные – штуцерами с фланцевыми креплениями. Звенья крепят скобами к металлическому каркасу, сваренному из уголков, швеллеров и косынок.

При работе аппарата один из теплоносителей (обычно теплоноситель высокого давления) движется по внутренней трубе, а другой (в конденсаторах – вода) – по кольцевому зазору между внутренней и наружной трубами. Через стенку внутренней трубы происходит теплопередача. Число звеньев в секции и число секций выбирают в зависимости от требуемой поверхности теплообмена.

Теплообменники типа ТТ изготавливают жесткой конструкции и с компенсирующими устройствами температурных изменений. При средней разности температур теплоносителей до 70°C применяют теплообменники типа ТТ жесткой цельносварной конструкции. В жестком элементе наружная труба приваривается к двум кольцам, а последние к наружной трубе. При средней разности температур теплоносителей более 70 °C, а также при необходимости чистки кольцевого пространства применяют теплообменники типа ТТ с компенсирующими устройствами.

Благодаря небольшому поперечному сечению в этих теплообменниках легко достигаются высокие скорости теплоносителей как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При значительных количествах теплоносителей теплообменник составляют из нескольких параллельных секций, присоединяемых к общим коллекторам.

Преимущества теплообменников «труба в трубе»:

1 высокий коэффициент теплопередачи вследствие большой скорости обоих теплоносителей;

2 простота изготовления.

Недостатки этих теплообменников:

1 громоздкость;

2 высокая стоимость ввиду большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене;

3 трудность очистки межтрубного пространства.

При небольших тепловых нагрузках, когда требуемая поверхность теплообмена не превышает 20-30 м², целесообразно применение теплообменников типа «труба в трубе». Такие теплообменники изготавливают следующих типов:

1 неразборные однопоточные малогабаритные;

2 разборные одно- и двухпоточные малогабаритные;

3 разборные однопоточные;

4 неразборные однопоточные;

5 разборные многопоточные.

Змеевиковые теплообменники.Основным теплообменным эле­ментом является змеевик-труба, согнутая по определенному про­филю.

Змеевиковые теплообменники по форме подразделяют на винтообразные и зигзагообразные. Первые представляют собой змеевик, изогнутый из трубы в форме винтовой пружины. Его устанавливают внутри аппарата или приваривают к наружной поверхности корпуса. В последнем случае змеевики могут быть изготовлены из полутруб и уголков. Зигзагообразные теплообменники применяют в виде оросительных и теплообменников типа «труба в трубе».

На рисунке 1.9, а, б показаны погружные теплообменники с одним (а) и несколькими (б) спиральными змеевиками 7, по которым движется теплоноситель. Змеевики погружаются в жидкость (тепло­носитель II), находящуюся в корпусе аппарата.

 

Рисунок1.9. Аппараты с погружными теплообменниками:

а - с одним спиральным змеевиком; б - с несколькими спиральными змеевиками; в - с прямыми трубами; /-погружные трубы; 2-корпуса; / и //-теплоносители

Скорость движения жидкости мала вследствие большого сечения корпуса аппарата, что обусловливает низкие значения коэффициентов теплоотдачи от наружной стенки змеевика к жидкости (или наоборот). Для увеличе­ния этого коэффициента теплоотдачи повышают скорость движения жидкости путем установки в корпусе аппарата 2, внутри змеевика, стакана (на рис. 1.9 не показан). В этом случае жидкость движется по кольцевому пространству между стенками аппарата и стакана с повышенной скоростью. Часто в погружных теплообменниках устанавливают змеевики из прямых труб 1 (рис.1.9, в), соединен­ных калачами.

Вследствие простоты устройства, низкой стоимости, доступно­сти наружных стенок змеевика для чистки и осмотра, возможности работы змеевиков при высоких давлениях эти теплообменники находят достаточно широкое применение в промышленности. По­гружные змеевиковые теплообменники имеют сравнительно не­большую поверхность теплообмена (до 10-15 м²).

 

Оросительные теплообменники применяют в основном для охла­ждения жидкостей и газов или конденсации паров. Оросительный теплообменник представляет собой змеевик (рис.1.11) из разме­щенных друг над другом прямых труб 1, соединенных между собой калачами 2. Снаружи трубы орошают водой, которую подают в желоб 3 для равномерного распределения охлаждающей воды по всей длине верхней трубы змеевика. Отрабо­танная вода поступает в корыто 4 для сбора воды. По трубам протекает охлаждае­мый теплоноситель.

К недостаткам этих теплообменников следует отнести также гро­моздкость, неравномерность смачивания наружной поверхности труб, нижние ряды которых могут вообще не смачиваться и прак­тически не участвовать в теплообмене. Поэтому, несмотря на простоту изготовления, легкость чистки наружных стенок труб и другие достоинства, оросительные теплообменники находят огра­ниченное применение.

 

Рисунок1.11. Оросительный холодильник:

/-трубы; 2-соединительные колена (калачи);

3- желоб для распределения охлаждающей воды; 4-корыто для сбора воды