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