Кожухотрубные теплообменники.

Теплообменник (рис.4) представ- ляет собой пучок труб, помещенных в

 

 

Ж1 ГОР

цилиндрическом корпусе 1 (кожухе). Пространство между трубками 3 и бо- ковой поверхностью кожуха называется межтрубным. Трубки завальцованы (за- креплены) или приварены к трубным решеткам 2. К фланцам корпуса крепят- ся крышка 6 и днище 7, имеющие пат- рубки 5 для подвода и отвода рабочей жидкости Ж 1. На корпусе также имеют- ся патрубки 4 для подвода и отвода ра- бочей жидкости Ж 2.

Трубки обычно имеют диаметр d

≥10 мм и изготовляются из материалов, хорошо проводящих тепло. Большим недостатком одноходовых теплообмен- ников, предназначенных для нагревания или охлаждения жидкостей, является

5

 

4

 

 

Ж2 ХОЛ

 

3

 

5

 

 

Ж1 ХОЛ

 

Рис. 4. Кожухотрубный теплообменник:

6

2

 

1

 

4

 

 

Ж2 ГОР

7

несоответствие между пропускной спо-

собностью пучка трубок и площадью теплообмена. Так, трубка диаметром 20 мм при скорости потока 1 м/сек может пропустить около 1000 л/час жидкости;

1 – корпус; 2 – трубная решетка;

3 – греющие трубы; 4 – патрубки для жидко- сти Ж 2; 5 – патрубки для жидкости Ж 1;

6 – крышка; 7 – днище

при этом площадь поверхности трубки при обычной длине 3,5 м составляет всего около 0,2 м 2, что явно недостаточно для существенного подогрева такого большого количества жидкости. Поэтому приходится уменьшать скорость дви- жения жидкости в трубке, что приводит к снижению коэффициента теплоотда- чи. Этот недостаток можно устранить в первую очередь путем группировки труб в отдельные пучки (ходы) и устройства соответствующих перегородок. В этом случае мы достигаем эффекта не за счет снижения скорости потока, а в ре- зультате увеличения его пути в несколько раз.

Такой теплообменник называется многоходовым (рис. 5 а). Здесь рабо- чая жидкость проходит через трубное пространство в несколько ходов, проте- кая последовательно через все пучки труб.

 

а)                                           б)

 

Рис. 5 Схема многоходового теплообменника:

а) по трубному пространству; б) по межтрубному пространству.

 

 

При небольшом числе ходов (два-три) перегородки делают по хордам, при большем - радиально или концентрически. Конструктивно удобнее устраивать четное число ходов, но не более 16. Если в межтрубном пространстве теплоно- сителем является жидкость, то для увеличения ее

скорости также устраивают перегородки - про- дольные и поперечные. Продольные перегород- ки делят межтрубное пространство на столько же ходов, сколько имеет трубное. Эти перего- родки обеспечивают принцип противотока рабо- чих тел. Поперечные перегородки (рис. 5 б) вы- полняют, например, с проходом в виде сектора или сегмента.

Двухходовый теплообменник часто вы- полняют с U -образными трубками, открытые концы которых завальцованы в одну и ту же трубную решетку (рис.6). При запуске в работу теплообменников нужно обращать внимание на

направление движения рабочих тел. Горячая (ох- лаждаемая) жидкость должна опускаться (пода- ча сверху), а холодная - подниматься. В этом

Рис. 6. Схема теплообменника с

U-образными трубками:

1 –крышка; 2 – корпус; 3 – U – образные трубки

случае принудительное движение совпадает с естественным.

 

Самостоятельно изучить конструкции следующих теплообменников:

1. Теплообменник типа «труба в трубе»;

2. Погружные теплообменники;

3. Оросительные теплообменники;

4. Теплообменники с плоскими поверхностями нагрева;

5. Спиральный теплообменник;

6. Регенеративный теплообменник;

7. Теплообменные аппараты с рубашками и приварными змеевиками.

 

Основные способы увеличения интенсивности теплообмена

1. Уменьшение толщины теплового пограничного слоя в результате тур- булизации за счет повышения скорости движения потоков или другого вида воздействия (например, разбивкой пучка трубок на ходы и установкой меж- трубных перегородок).

2. Улучшение условий отвода неконденсирующихся газов или конденсата при паровом обогреве.

3. Создание благоприятных условий для обтекания потоком поверхности нагрева, при которых она вся активно участвует в теплообмене.

4. Обеспечение оптимальных значений температур, термических сопро- тивлений и т.д.

 

Конденсация

Конденсация – переход вещества из паро– или газообразного состояния в жидкое, проводимое путем охлаждения его водой или холодным воздухом. Конденсация паров широко применяется в химической промышленности при проведении процессов выпаривания, вакуум сушки, а так же для создания разрежения. При этом пары, подлежащие конденсации, обычно отводят в другой аппарат – конденсатор, где они охлаждаются водой или воздухом. Объем получаемого конденсата в тысячу и более раз меньше объема пара, из которого он образовался. Поэтому в конденсаторе создается разрежение, которое увеличивается при уменьшении температуры конденсации. Для поддержания вакуума на требуемом уровне из конденсатора непрерывно отводятся с помощью вакуум-насоса неконденсирующие газы.

По способу охлаждения различают два типа конденсаторов: а) смешения;     б) поверхностные.

Конденсаторы смешения – аппараты, где пар непосредственно смеши- вается с охлаждающей водой. По способу отвода воды, неконденсирующихся газов и конденсата различают сухие и мокрые конденсаторы смешения.

В сухих (барометрических) конденсаторах (рис.7.) вода и конденсат уда- ляются совместно, а газы отдельно с помощью вакуум-насоса. Внутри корпуса 1 взаимодействие пара и воды происходит в противотоке. Вода подается через штуцер в виде тонких струй, перетекает с тарелки 2 на ниже лежащую тарелку через отверстия и борта. Пар поступает снизу

через штуцер и при соприкосновении с водой конденсируется. Смесь конденсата и воды попадает в барометрическую трубу 3 высо- той около 10 м и далее в колодец 4. Труба 3 и колодец играют роль гидравлического затво- ра, препятствующего проникновению на- ружного воздуха в аппарат. Несконденсиро- вавшиеся газы отсасываются через штуцер вакуум-насосом. Процесс конденсации пара

протекает под вакуумом (0,01...0,02 Мн/м 2).

Для уравновешения разности давлений в конденсаторе и атмосферного используется столб жидкости, находящийся в трубе 3.

Достоинством противоточного баро- метрического конденсатора является наибо- лее простой и дешевый способ отвода воды, удаляемой в канализацию. В мокрых кон- денсаторах смешения охлаждающаяся вода распыляется внутри аппарата через сопла. Вода и пар вводятся в верхней части корпуса прямотоком, а конденсат, вода и несконцен-

трировавшиеся газы удаляются из нижней части с помощью мокровоздушного насоса.

Конденсаторы смешения используются для создания разрежения в установках, рабо- тающих под вакуумом (вакуум-фильтры, су- шилки, выпарные аппараты и т.д.).

Рис.7.Барометрический

конденсатор

1  – корпус; 2 – тарелка; 3 – барометрическая       труба;

4 – колодец; 5 – ловушка.

В поверхностных конденсаторах конденсирующийся пар отдает свое тепло через стенку. Обычно пар конденсируется на наружных или внутренних поверхностях труб, омываемых с противоположной стороны водой. Поэтому появляется возможность раздельного отвода конденсата и охлаждающей воды, что позволяет использовать конденсат, если он представляет собой какую-либо ценность. Например, если сжижение и охлаждение конечного продукта, полу- чаемого в виде перегретого пара, является завершающей операцией технологи- ческого процесса.

Отметим, что поверхностные конденсаторы более металлоемки и требу- ют большего расхода воды. В промышленности в качестве поверхностных кон- денсаторов используют различные теплообменники, например, трубчатые и оросительные холодильники-конденсаторы.

Выпаривание

Выпариванием называется процесс частичного удаления растворителя из растворов путём кипения последних, когда давление паров растворителя равно давлению в надрастворном пространстве.

Раствор какой-либо соли, подлежащей выпариванию, будем называть ис- ходным, или свежим раствором. Раствор, получаемый в процессе выпарива- ния, называют упаренным. Тепло, необходимое для выпаривания, обычно под- водится с насыщенным водяным паром через стенку, отделяющую теплоноси- тель от раствора. Этот пар называется греющим (первичным), а отводимый пар растворителя – вторичным.

Особенностью процесса выпаривания является постоянство температур кипения при данном давлении и составе раствора. Обычно из раствора удаляют лишь часть растворителя с таким расчётом, чтобы раствор оставался в текучем состоянии и его можно было в соответствии с технологической схемой перека- чивать в другой аппарат или потребителю. В ряде случаев при выпаривании растворов твёрдых веществ происходит насыщение раствора и выпадение твёр- дого вещества. В этом случае выпариванию сопутствует процесс кристаллиза- ции.

Таким образом, выпаривание применяют как для повышения концентра- ции разбавленных растворов, так и для выделения из них твёрдого вещества путём кристаллизации.

Выпаривание проводят в выпарных аппаратах работающих под вакуумом, при избыточном и атмосферном давлениях в зависимости от свойств раствора и возможности использования тепла вторичного пара.

При выпаривании под вакуумом, последний создается в аппарате путем конденсации вторичного пара в конденсаторе и отсасывании из него неконден- сирующихся газов с помощью вакуум-насоса. Такой подход позволяет увели- чить движущую силу теплопередачи (разность температур между греющим па- ром и раствором) и, как следствие, уменьшить площадь поверхности нагрева выпарного аппарата и тем самым его материалоемкость. Кроме того, выпарива- ние под вакуумом позволяет проводить процесс при более низких температу- рах. Однако применение вакуума вызывает удорожание выпарной установки, в связи с дополнительными затратами на устройства для его создания (конденса- торы, ловушки, вакуум-насосы), и увеличение эксплуатационных расходов.

При выпаривании под избыточным давлением вторичный пар может быть использован как теплоноситель в подогревателях, для отопления теплиц и других внутризаводских нужд. Однако такой метод выпаривания связан с по- вышением температуры кипения раствора. Поэтому его применение в химиче- ской промышленности ограничено свойствами растворов, которые должны быть термически стойкими.

При выпаривании под атмосферным давлением, образующийся вторич- ный пар не используется и обычно сбрасывается в атмосферу. Такой способ выпаривания наиболее прост, но наименее экономичен.

Методы выпаривания

В химических отраслях широко используют однократное выпаривание, осуществляемое периодически или непрерывно в однокорпусных выпарных аппаратах, и многократное, проводимое непрерывно в многокорпусных выпар- ных установках, составленных из нескольких выпарных аппаратов.

Однокорпусная выпарная установ-

ка предназначена для однократного не- прерывного выпаривания и применяется в малотоннажных производствах. Вто- ричный пар, образующийся при выпари- вании в этих установках, не использует- ся, а конденсируется в конденсаторе. Выпарной аппарат (рис.8) состоит из греющей камеры 1, пространство кото- рой ограничено стенками аппарата и межтрубными решетками. В простран- ство греющей камеры подается насы- щенный водяной пар IV, а конденсат V отводится из ее нижней части. Выпари- ваемый раствор, поднимаясь снизу вверх по кипятильным трубкам, нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Часть жидкости опускается по цен- тральной трубе 2 в нижнюю часть греющей камеры и направляется обратно в кипятильные трубки. Таким образом, происходит непрерывная циркуляция по замкнутому контуру вследствие разно- сти плотностей раствора в центральной трубе и парожидкостной эмульсии в ки- пятильных трубках. Упаренный раствор II удаляется через патрубок, располо- женный в днище аппарата.

Свежий раствор I подаётся над верхней трубной решеткой. Вторичный пар III заполняет надрастворный объём сепаратора 3, откуда отводится сквозь ловушку 4, задерживающую брызги и капельки жидкости, через верхний пат- рубок в конденсатор.

III

4

3

2

1

Рис.8. Однокорпусной выпарной

аппарат:

1 – греющая камера, 2 – циркуляционная труба, 3 – сепаратор, 4 – брызгоуловитель;

I – исходный раствор, II – упаренный раствор, III –

вторичный пар, IV – греющий пар, V – конденсат.

В однокорпусной выпарной установке расход греющего пара составляет более 1 кг на 1 кг испаренной воды. Экономичность процесса может быть по- вышена только за счет рационального использования вторичного пара, как это происходит, например, в многокорпусных выпарных установках.

Поскольку наиболее часто на практике используется прямоточная схема выпаривания, то рассмотрим более детально её работу на примере трехкорпус- ной выпарной установки (рис.9).

 

 

Е1            W1-E1                       Е2          W2-E2                                 К конденсатору

 

 

Рис.9. Многокорпусная прямоточная вакуум-выпарная установка

 

 

Начальный раствор с концентрацией x н и температурой t н непрерывно по- ступает с расходом G н в первый корпус, где он выпаривается за счёт теплоты конденсации греющего пара до концентрации x 1 при температуре t 1. Вторичный пар, образующийся в первом корпусе с температурой Q1, направляется в грею- щую камеру второго корпуса, работающего при меньшем давлении в зоне вы- паривания, чем в первом. Вследствие пониженного давления раствор здесь ки- пит при более низкой температуре, чем в первом корпусе. Понижение темпера- туры характеризуется гидравлической депрессией паропровода dг 1-2 =Q1 -Т 2. По- этому, температура кипения раствора во втором корпусе должна быть ниже температуры конденсации греющего пара (т.е. вторичного пара из первого кор- пуса): t 2<T2 =Q1 -dг 1-2.

Во втором корпусе раствор выпаривается до концентрации x 2 за счёт те- плоты конденсации пара и самоиспарения раствора вследствие падения давле- ния и понижения температуры кипения от t 1 до t 2.

В третьем корпусе, обогреваемым вторичным паром из второго корпуса (Т 3 =Q2 -dг 2-3), раствор выпаривается до требуемой конечной концентрации x 3 при температуре кипения t 3. Вторичный пар из третьего корпуса направляется в конденсатор смешения с целью создания в нём вакуума.

При работе многокорпусной выпарной установки выгодно отводить часть вторичного пара на сторону (если только есть потребитель этого пара). Отво- димый пар получил название экстра-пара. На приведённой схеме Е 1 – экстра- пар из первого корпуса, Е 2 – из второго. Тогда при получении потоков W 1 и W 2 вторичного пара в первом и во втором корпусах на обогрев последующих кор- пусов направляют потоки вторичного пара D 2 =W 1 -E 1 и D 3 =W 2 -E 2.

Преимущества прямоточной схемы:

1. Движение раствора самотеком из корпуса в корпус за счет разности давле- ний;

2. Возможность выпаривания термически нестойких растворов, т.к. в послед- нем корпусе наиболее упаренный раствор находится в зоне наименьших темпе- ратур.

Недостаток прямоточной схемы заключается в более низком среднем ко- эффициенте теплопередачи, по сравнению с противоточными установками. Это объясняется тем, что от корпуса к корпусу увеличивается концентрация раство- ра и уменьшается его давление, что и снижает коэффициенты теплоотдачи.

В многокорпусную установку раствор может поступать противотоком. В этом случае схема движения пара осуществляется как при прямотоке, но ис- ходный раствор поступает в последний корпус, а в концентрированном виде выходит из первого. Таким образом, выпариваемый раствор перемещается про- тивотоком по отношению к вторичному пару. Его движение обеспечивается с помощью центробежных насосов, т.к. давление от последнего корпуса к перво- му постепенно возрастает. При противоточной схеме самоиспарение отсутству- ет. Обычно её используют для выпаривания растворов до высоких конечных концентраций, когда в I корпусе возможно выпадение твёрдого вещества или вязкость раствора резко возрастает с увеличением его концентрации. Достоин- ством противоточных установок является более высокий средний по установке коэффициент теплопередачи, а её серьезным недостатком – необходимость пе- рекачивания выпариваемого раствора, что связано со значительными эксплуа- тационными расходами. В заключение отметим, что если расход греющего на- сыщенного водяного пара для однокорпусной установки составляет более 1 кг на 1 кг выпаренной воды, то для двухкорпусных установок он меньше в два, а для трёхкорпусных в три раза.

 

Основные величины, характеризующие работу выпарного аппарата

Интенсивность выпаривания в первую очередь зависит от температур- ного перепада (температурного напора), который представляет собой разность между температурами греющего (первичного) пара и кипящего раствора.

Введем понятия полная и полезная разности температур. Полной разно- стью температур ∆ t полн будем называть разность между температурами пер- вичного t п и вторичного t¢вт пара в конце паропровода, отводящего его из сепа- ратора:

∆ t полн = t п - t ¢ вт .

Процесс теплопередачи при выпаривании происходит за счет полезной разности температур, которая меньше полной на величину температурных по- терь D:

 

∆ t =∆ t полн –∆.

 

В свою очередь температурные потери складываются из трех  составляю-

щих:

 

∆ = ∆с + ∆г + ∆ф,

 

где ∆г = t вт - t ¢ вт (или ∆г = Q

- Т см. рис. 9) – гидравличе- ская депрессия, вызываемая

гидравлическими сопротивле- ниями, которые должен преодо- леть вторичный пар при своем движении через сепаратор и па- ропровод. Вызванное этим уменьшение давления вторично- го пара приводит к некоторому снижению его температуры. Обычно гидравлическая депрес- сия вызывает необходимость

повышения температуры кипе- ния раствора на 0,5 - 1,5 0 С;

∆с – гидростатическая депрессия, представляет собой разность между температурами раствора посередине высоты греющих труб и на поверхности. Обычно она равна 1-3°С;

 

Рис.10. К определению полезной разности температур

∆ф – физико-химическая депрессия, равная разности между температу- рами кипения раствора и чистого растворителя при одинаковом давлении.

Ввиду температурных потерь температура кипения раствора должна быть больше температуры вторичного пара, находящегося над ним:

 

t р = t вт + (∆с + ∆ф).

Тогда полезную разность температур можно выразить следующим образом:

 

∆ t = ( t п - t ¢ вт ) - ∆ = t п - t р.

На рис. 10 показана картина распределения полезной разности темпера- тур по мере того, как тепловой поток последовательно преодолевает термиче- ские сопротивления, встречающиеся на его пути:

 

∆ t = ∆ t 1 +∆ t ст + ∆ t н + ∆ t 2,

 

где Dt 1 – перепад температур на участке конденсации первичного пара на на- ружной поверхности кипятильных труб;

Dt ст – перепад температур при прохождении тепловым потоком толщи сте- нок кипятильных труб;

Dt Н – перепад температур в слое накипи, расположенной на внутренней по- верхности кипятильных труб;

Dt 2 – перепад температур на участке теплоотдачи от слоя накипи к кипя- щему раствору.

 

Как следует из рис. 10, возрастание значений температурных потерь не- избежно приводит к повышению температуры кипения раствора и, как следст- вие, к уменьшению полезной разности температур Dt, обеспечивающей процесс выпаривания.

Элементы расчета однокорпусной выпарной установки Материальный баланс. На  выпарива-

ние поступает G н кг/сек исходного раствора концентрацией х н и отводится G к кг/сек упа- ренного концентрацией х к . Если в аппарате выпаривается W кг/сек воды, то материальный баланс можно записать в виде двух уравнений:

по всему веществу:

 

G H = G K

+ W  ,             (26)

 

по растворенному сухому веществу:

 

G H × x H

= G K

× x K

. (27)

 

Из пяти переменных, входящих в эти уравнения, три должны быть заданы. Обычно известны: расход исходного раствора G н, его концентрация х н и требуемая концентрация упаренного раствора х к:

 

Рис.11. К составлению материального и теплового

балансов.

Тогда с помощью выражений (26) и (27) определим  производительность

аппарата:

по упаренному раствору

 

G

 

= G H

K         x

 

× x H K

по выпариваемой воде

 

W

 

= G H

 

- G K

 

= G H

 

(1 -

 

x H

x

) .                   (29)

K

Тепловой баланс. Введем следующие обозначения: D – расход греющего пара; I, Iвт – энтальпии греющего и вторичного пара; i H, iK  – энтальпии исход- ного и упаренного раствора; I П.К. =с ¢×T – энтальпия парового конденсата, где с¢ – удельная теплоемкость, а T – температура конденсата, OC.

Определим приход и расход тепла (рис.11).

Приход тепла

1. С исходным раствором - G H

2. С греющим паром - D ×I .

× i H

= G H

× c H

× t H ;

 

Расход тепла:

1. С упаренным раствором – G K

× i K

= G K

× c K

× t K ;

2. С вторичным паром – W · I вт;

3. С паровым конденсатом – D · c ´· T = D · I П.К;

4. Потери тепла в окружающую среду – Q п.

Тогда тепловой баланс однокорпусной выпарной установки выразится сле- дующим уравнением:

 

G H × i H

+ D ×I = G K

× i K

+ W·I вт + D· IП.К + Q п .     (30)

 

Здесь энтальпия исходного раствора i H

= c H

× t H

(с н – удельная теп-

лоемкость, а t н – температура), а упаренного  i K

кипения раствора).

= c K

× t K

,(t к – температура

Заменив в последнем выражении G н на сумму G к +W, получим:

 

G K × c H

× t H

+ W × c H

× t H +D ×I = G K

× c K

× t K + W·I вт + D· I П.К + Q п.  (31)

 

 

Из данного уравнения находим расход греющего пара:

D = G

c K t K

- c H t H  + W

I вт

- c H t H  +  Q П

K      I -

I ПК

I - I ПК

I - I ПК

.          (32)

 

Отсюда можно сделать вывод, что расход пара зависит от величины трех слагаемых правой части:

1. Расхода пара на изменение энтальпии выпариваемого раствора;

2. Расхода пара на непосредственное выпаривание растворителя (например, воды);

3. Расход пара на компенсацию потерь тепла в окружающую среду.

Если принять, что исходный раствор поступает в аппарат предварительно нагретым до температуры кипения, т.е. t н = t к, а потери тепла в окружающую среду составляют как обычно 2-5%, то значениями первого и третьего слагае- мых в первом приближении можно пренебречь. Тогда:

 

D @ W

I вт I

- c H t H

- I ПК

 

.                                          (33)

 

Поверхность нагрева непрерывно действующего выпарного аппарата оп- ределяется из основного уравнения теплопередачи:

 

F = Q K × Dt

 

,                                                       (34)

 

где Q =

K =

D ( I -

1

I ПК

) – тепловая нагрузка аппарата;

1 + å d   + 1

a 1         l   a 2

– коэффициент теплопередачи;

∆t – полезная разность температур;

α 1 – коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке;

α 2 – коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору.

 

Следует помнить, что значение коэффициента теплопередачи снижается по мере повышения концентрации и вязкости раствора, а также с понижением температуры его кипения.