Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых icon

Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых


Скачать 496.21 Kb.
НазваниеУчебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых
страница4/9
Размер496.21 Kb.
ТипУчебное пособие
1   2   3   4   5   6   7   8   9
Тема: Аппаратура для теплообмена.

Цель: Познакомить с применяемой в промышленности аппаратурой для теплообмена, научить проводить подбор нагревающих и охлаждающих агентов, основываясь на знании их областей применения, преимуществ и недостатков.

План

  1. Источники тепла и методы нагревания. Нагревающие агенты.

  2. Охлаждающие агенты

  3. Теплообменные аппараты.

Источники тепла и методы нагревания. Нагревающие агенты

Нагревание является одним из наиболее распространенных процес­сов химической технологии. Нагревание необходимо для ускорения мно­гих химических реакций, а также для выпаривания, перегонки, сушки и других процессов.

Тепловая энергия для проведения технологических процессов может быть получена различными способами и от разных источников.

^ Прямыми источниками тепла являются:

1) Дымовые газы;

2) Электрический ток.

В качестве промежуточных теплоносителей, воспринимающих тепло от указанных источников тепла и передающих его нагреваемому веще­ству, применяют:

1) Водяной пар или горячую воду;

2) Минеральные масла;

3) Специальные теплоносители: перегретую воду, высококипящие жидкости и их пары, расплавленные неорганические соли и их смеси, некоторые углеводороды и металлы (в жидком состоянии).

Кроме того, для нагревания может быть использовано тепло отходя­щих газов и жидкостей, обладающих относительно высокой температурой.

Важнейшими условиями, от которых зависит выбор теплоносителя, являются:

1) Температура нагрева и возможность ее регулирования;

2) Упругость пара и термическая устойчивость теплоносителя;

3) Токсичность и химическая активность теплоносителя;

4) Безопасность нагревания;

5) Стоимость и доступность теплоносителя.

^ Нагревание насыщенным водяным паром ши­роко применяется в химической технологии. При таком нагревании мож­но точно регулировать температуру нагрева путем изменения давления пара. Вследствие хорошей теплоотдачи от насыщенного пара аппараты могут иметь значительно меньшие поверхности нагрева, чем при нагре­вании, например, дымовыми газами. Паровые нагревательные устрой­ства при использовании тепла конденсата работают при очень высо­ком К.П.Д. Однако, применяя в качестве теплоносителя водяной пар, труд­но получить высокую температуру нагрева, так как для этого требуется резко увеличить давление пара. Так, например, для достижения температуры 3500С потребовалось бы поднять давление пара до 180 атм. Максимальная температура насыщенного водяного пара равна 3740 (кри­тическая температура). Поэтому нагревание водяным паром ведут обычно до температур не более 1800.

Наиболее простым способом передачи тепла является нагревание «острым» паром, который вводят непосредственно в нагреваемую жидкость. Этот пар конденсируется и отдает тепло нагреваемой жидкости, а образующийся конденсат смешивается с жидкостью. Обычно «острый» пар применяют только для нагревания воды и водных растворов.

Если свойства обогреваемого мате­риала или условия проведения процесса не позволяют вести нагревание «острым» паром, применяют устройства для нагрева через стенки, раз­деляющие пар и нагреваемую жидкость, т. е. ведут нагревание «глухим» паром. Такой нагрев ведется через двойные днища или рубашки, змее­вики, трубчатые и спиральные теплообменники и др. Обычно поступаю­щий в теплообменник пар отдает всю скрытую теплоту парообразования стенкам аппарата и истекает в виде конденсата.

^ Нагревание горячей водой применяют значительно реже, чем водяным паром, хотя по своим теплотехническим свойствам вода почти не отличается от пара. Ограниченное использование воды объясняется тем, что для нагрева необходимы пар или дымовые газы, причем горячая вода должна иметь более высокую начальную температуру, чем пар, так как она охлаждается в процессе нагревания, а пар отдает скрытую теплоту конденсации при постоянной температуре. Применяют главным образом отработанную горячую воду или паровой конденсат. Используется для нагрева веществ до 1000.

^ Нагревание специальными теплоносителя­ми. С развитием химической технологии увеличивается число процессов, проводимых при температурах 500-6000 и более. Для получения темпе­ратур выше 1800 наиболее рационально использовать перегретую воду или пары высококипящих жидкостей, обладающих низкой упругостью, и пары термически стойких жидкостей, отличающихся высокой теплоемкостью. Применяют органические теплоносители - дифенил и дифениловый эфир, эвтектическую смесь дифенила и дифенилового эфира и др., а также ртуть, смеси солей, расплавленные металлы. Эти вещества предварительно нагревают или испаряют при помощи дымовых газов или электрического тока, после чего нагретые вещества (жидкости или пары) отдают тепло нагреваемому материалу через стен­ки аппаратов.

Смесь дифенила и дифенилового эфира в технике имеет название «Даутерм А». Дифенил и дифениловый эфир в определённом соотношении дают эвтектическую смесь с низкой температурой плавления (12,4 0С), поэтому эту смесь можно транспортировать по трубам, не опасаясь кристаллизации. Температура кипения смеси при атмосферном давлении равна 258 0С. Поэтому в жидком виде дифенильная смесь используется для нагрева до температур не более 250 0С.

Примером использования в качестве нагревающих агентов расплавов солей является нитрит-нитратная смесь, содержащая 40% нитрита натрия, 7% нитрата натрия и 53% нитрата калия. Температура плавления смеси 142,3 0С. Эта смесь применяется для нагрева при атмосферном давлении до температур 500 – 540 0С.

Недостатки нитрит-нитратной смеси:

  1. При температурах ≥450 0С смесь вызывает коррозию стали.

  2. Частный коэффициент теплоотдачи смеси ниже, чем от перегретой воды;

  3. Смесь является сильным окислителем, поэтому недопустим её непосредственный контакт с органическими веществами, стружкой и опилками металлов.

^ Нагревание электрическим током. При помощи электрического тока можно достичь весьма высоких температур нагрева; например, в электропечах для сжигания атмосферного азота температура равна 32000.

Электрические нагревательные устройства работают при более высоком К.П.Д., чем устройства для нагрева другими теплоносителями. При нагревании электрическим током используется до 95% электри­ческой энергии, вводимой в нагревательный аппарат. Однако нагревание электрическим током мало распространено вследствие сравнительно высокой стоимости и дефицитности электроэнергии, а также сложности аппаратуры.

^ Нагревание дымовыми газами наиболее распростра­нено; при этом можно достигнуть температуры 10000 и выше.

Вместе с тем обогрев дымовыми газами имеет и существенные недостатки. Коэффициент полезного действия печей обычно не превы­шает 30%, так как значительная часть тепла уходит в атмосферу с отхо­дящими газами, которые имеют высокую температуру (вследствие того, что поверхности теплообмена обогреваемых аппаратов обычно невелики).

При обогреве дымовыми газами нельзя быстро регулировать тем­пературу нагрева, а коэффициенты теплоотдачи очень низки. Но так как газы имеют высокую температуру удается достичь значительных раз­ностей температур теплоносителя и нагреваемого продукта, что отчасти компенсирует малую величину коэффициентов теплоотдачи. Вследствие высоких температур и трудности их регулирования возможны перегревы нагреваемых продуктов, пригорание их и возникновение нежелательных побочных процессов. Нагревание дымовыми газами легколетучих и легко воспламеняющихся материалов опасно.

Следует указать также на значительный объемный расход дымовых газов (из-за низкой теплоемкости) и сложность их транспортиро­вания (из-за больших объемов и высокой температуры).

Усовершенствование техники нагревания дымовыми газами позво­лило в определенной мере преодолеть недостатки этого способа нагревания. В современных нагревательных системах осуществляют рециркуля­цию дымовых газов, т. е. разбавляют их не воздухом, а самими охла­жденными дымовыми газами, уже прошедшими через теплообменный аппарат. Рециркуляцию проводят, используя вентилятор или эжектор. Возвращая на разбавление то или другое количество дымовых газов, можно довольно точно регулировать температуру нагрева. Кроме того, при рециркуляции через теплообменный аппарат проходит больше газов и соответственно меньше снижается их температура, что повы­шает равномерность нагревания.

В связи с недостатками, свойственными непосредственному обо­греву дымовыми газами, все шире для обогрева до температуры  5000 применяются различные промежуточные теплоносители.

^ Охлаждающие агенты

Для охлаждения до 10-30 0С используют доступные и дешёвые охлаждающие агенты – воду и воздух. По сравнению с воздухом вода отличается большой теплоёмкостью, более высоким коэффициентом теплоотдачи (αводы = 100-400, αвозд. = 10-30) и позволяет проводить охлаждение до более низких температур.

До -20 0С можно охлаждать с помощью крепких растворов солей, т.н. рассолов (растворов хлорида кальция, магния и др.). Они являются промежуточными теплоносителями между испарителем холодильной машины и охлаждаемой средой.

Для охлаждения до – 40 0С и ниже используют сжиженные газы (СО2, этан, N2). Эти хладагенты циркулируют в специальных холодильных установках, где теплота от охлаждаемой среды отнимается при их испарении.

^ Теплообменные аппараты

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются аппараты для передачи тепла от более нагретого теплоносителя к другому менее нагретому. Теплообменники как самостоятельные агрегаты или части других аппаратов и устройств широко применяются на химических заводах, потому что проведение технологических процессов в большинстве случаев сопровождается выделением или поглощением тепла.

Для осуществления длительной работоспособности в процессе эксплуатации при обработке среды, загрязненной или выделяющей отложения на стенках аппарата, необходимо производить периодические осмотры и очистку поверхностей.

В химических производствах до 70% теплообменных аппаратов применяют для сред жидкость-жидкость и пар-жидкость при давлении до 1 МПа и температуре до 2000С. Для указанных условий разработаны и серийно изготовлены теплообменные аппараты общего назначения кожухотрубчатого и спирального типов. В последнее время получают распространение пластинчатые теплообменные аппараты общего назначения. Одним из преимуществ трубчатых теплообменных аппаратов является простота конструкции. Однако коэффициент унификации узлов и деталей размерного ряда этих аппаратов, являющийся отношением числа узлов и деталей (размеры одинаковы для всего ряда) к общему числу узлов и деталей данного размерного ряда, составляет примерно 0,13. В то же время этот коэффициент применительно к пластинчатым теплообменным аппаратам составляет 0,9. Удельная металлоемкость кожухотрубчатых аппаратов в 2-3 раза больше металлоемкости новых пластинчатых аппаратов.

Режим работы теплообменного аппарата и скорость движения теплоносителей необходимо выбирать таким образом, чтобы отложение загрязнений на стенках происходило возможно медленнее. Например, если охлаждающая вода отводится при температуре 45-500С, то на стенках теплообменного аппарата интенсивно осаждаются растворенные в воде соли.

При конструировании следует обоснованно решать вопрос о направлении теплоносителей в трубное или межтрубное пространство. Например, теплоносители, загрязненные и находящиеся под давлением, обычно направляют в трубное пространство. Насыщенный пар лучше всего подавать в межтрубное пространство, из которого легче удалить конденсат. Чистка трубного пространства (в котором вероятнее всего будут выпадать загрязнения) легче, а живое сечение для прохода теплоносителя меньше. Вследствие этого в трубном пространстве можно обеспечить теплоносителю более высокие скорости и, следовательно, более высокие коэффициенты теплоотдачи.

^ Классификация теплообменников

Теплообменниками называются аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим.

Аппараты с рубашкой. Двойные стенки или рубашки широко используются для обогрева реакционных аппаратов, особенно в тех случаях, когда внутри аппарата нельзя установить змеевики (например, в аппарате со скребковой мешалкой и др.). Схема устройства паровой рубашки показана на рис. 9.





Рис. 9. Схема устройства паровой рубашки. 1 – корпус аппарата; 2 - рубашки; 3-5 – штуцеры.




По способу передачи тепла различают теплообменники смешения и поверхностные.

В поверхностных теплообменниках перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена – глухую стенку.

В теплообменниках смешения тепло передаётся от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

Поверхностные теплообменники очень распространены и их конструкции весьма разнообразны. Довольно просты в устройстве поверхностные змеевиковые теплообменники, которые бывают двух типов: погружного и оросительного. Основным теплообменным эле­ментом является змеевик-труба, согнутая по определенному про­филю.

На рис. 13-8, а, б показаны погружные теплообменники с одним (а) и несколькими (б) спиральными змеевиками 1, по которым движется теплоноситель. Змеевики погружаются в жидкость (тепло­носитель II), находящуюся в корпусе аппарата. Скорость движения жидкости мала вследствие большого сечения корпуса аппарата, что обусловливает низкие значения коэффициентов теплоотдачи 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. 13-8 не показан). В этом случае жидкость движется по кольцевому пространству между стенками аппарата и стакана с повышенной скоростью. 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 сравнительной большую поверхность теплообмена (до 10-15 м2).





Рис. 13-8. Аппараты с погружными теплообменниками:

а - с одним спиральным змеевиком; б - с несколькими спиральными змеевиками; в -с прямыми трубами; 1 - погружные трубы; 2 - корпуса; I и II – теплоносители.

Оросительные теплообменники примеряют в основном для охла­ждения жидкостей и газов или конденсации паров. Оросительный теплообменник представляет собой змеевик (рис. 13-10) 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. Орошающая теплообменник вода при перетекании по наружным стенкам труб частично испаряется: при этом процесс теплообмена идет интенсивнее, вследствие чего расход воды на охлаждение в оросительных теплообменниках ниже, чем в холодильниках дру­гих типов. Но при этом происходит необратимая потеря воды. Во избежание сильного увлажнения воздуха в помещении ороситель­ные теплообменники обычно устанавливают на открытом воздухе. По этой же причине, если оросительный теплообменник необходи­мо установить в помещении, его приходится помещать в громозд­кие кожухи, которые подключают к системе вытяжной вентиляции. 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.





Рис. 13-10. Оросительный холодильник:

1 - трубы; 2 - соединительные колена (калачи); 3 - желоб для распределения охлаждающей воды; 4 - корыто для сбора воды.


Двухтрубные теплообменники часто называют теплообменниками типа «труба в трубе». Они представляют собой набор последователъно соединенных элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб (рис. 13-7). Один теплоноситель I движется по внутренним трубам 1, другой II - по кольцевому зазору между внутренними и наружными 2 трубами. Внутренние трубы 1 соединяются с помощью калачей 3, а наружные - с помощью соединительных патрубков 4. 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).






Рис. 11. Теплообменники типа «труба в трубе»: 1 – внутренняя труба; 2 - внешняя труба; 3 – колено.

Кожухотрубчатые теплообменники. Они достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе. Простейшей конструкцией аппаратов такого типа являются кожухотрубчатый теплообменник (рис. 12). В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3. Трубная решетка жестко соединена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 5. Кожух и камеры соединены фланцами.





Рис. 12. Теплообменник с неподвижной трубной решеткой.

Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой - в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха. Аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции.

Если температурные напряжения, возникающие в стенках теплообменника или трубках, оказываются большими, то необходимо предусматривать температурную компенсацию. Упругая деформация при удлинении трубок может восприниматься приваренными к кожуху линзовыми компенсаторами (рис. 13). В этом аппарате температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением компенсатора. Применение кожухотрубчатых теплообменников с температурным компенсатором на кожухе (линзовый компенсатор) ограничено предельно допустимым давлением в кожухе, равным 1,6 МПа. При большем давлении в кожухе (1.6-8,0 МПа) следует применять теплообменники с плавающей головкой или с U-образными трубами.


Рис. 13. Теплообменник с компенсаторами температурных удлинений. 1 – компенсатор; 2 – теплообменник.



При большей разности температур может произойти изгиб и деформация труб, поэтому для компенсации температурных удлинений и свободного удлинения труб одну из трубных решеток не закрепляют наглухо или соединяют ее с кожухом при помощи сальникового уплотнения, с тем, что решетка могла свободно перемещаться. Аппараты, в которых одна из трубных решеток не прикреплена к кожуху и имеет свободное осевое перемещение, называют теплообменниками с «плавающей» головкой (рис. 14).



Рис. 14. Теплообменник с «плавающей» головкой. 1 – кожух; 2 - плавающая головка.





В некоторых конструкциях устанавливаются трубки U-образной формы, оба конца которых развальцованы в одной трубной решетке (рис. 15). Компенсация температурных удлинений трубок в данном случае достигается тем, что каждая трубка может свободно удлиняться независимо от других.



Рис. 15. Теплообменник с U-образными трубками. 1 - U-образные трубки; 2 – кожух; 3 – трубная решетка; 4 – распределительная камера; 5 – перегородка.


Лекция №7

1   2   3   4   5   6   7   8   9

Похожие:

Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых
Связь химической технологии с теоретической химией, физикой, техникой, экономикой
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2009 удк 66. 021 Ббк 35
Учебное пособие предназначено для студентов 3 курса химического факультета БашГУ
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35
Учебное пособие предназначено для студентов 3 курса химического факультета БашГУ
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение
Химическая технология. Часть Физико-химические закономерности в химической технологии: Учебное пособие для студентов химического...
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2013. 89с. Введение
Химическая технология. Часть Важнейшие производства: Учебное пособие для студентов химического факультета. – Уфа: риц башГУ, 2013....
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconДля студентов 3 химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №6 от 30. 01. 2007 г.)
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconМетодическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №11 от 13. 04. 2005 г.)
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для подготовки к экзамену предисловие учебное пособие предназначено для студентов медицинских вузов
Прежде всего, оно будет полезным при подготовке к экзамену по нормальной анатомии
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие по курсу «Общая химическая технология» для студентов специальностей 240701, 240702, 240706, 240901
Данное учебное пособие предназначено для того, чтобы обеспечить методическое руководство самостоятельной работой студентов, изучающих...
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconУчебное пособие для самостоятельной работы Ставрополь 2010 ббк 63. 3 (2) Я73 удк 99 (С) р -82
Учебное пособие предназначено для студентов медицинских и фармацевтических вузов
Учебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых iconТестовые задания по дисциплине «Химическая технология» для студентов 4 курса химического факультета (7 семестр)

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы