Область применения теплообменных аппаратов в химической

технологии и основные требования к теплообменным аппаратам.

В химической промышленности теплообменное оборудование по весу и стоимости составляет порядка 15- 18% от всего оборудования. В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности до 50%.

Применяемое в химической, нефтехимической и смежных с ними производствах теплообменная аппаратура разнообразна как по своему функциональному назначению. Так и по конструктивному назначению. В химической технологии нашли широкое применение для регенерации тепла жидких и газообразных сред.

Холодильники – предназначены для охлаждения среды, каким – либо хладагентом.

Конденсаторы – предназначены для конденсации чистых пород и пара газовых смесей.

Дефлегматоры – предназначены для выделения жидкой фазы и паровой.

Испарители – для выделения паров из жидкой фазы при ее кипении.

По способу передачи тепла, теплообменные аппараты можно разделить на две основные группы:

1. поверхностные теплообменники

2. теплообменники смешанные

В поверхностных теплообменных аппаратах передача тепла от одной среды к другой, происходит через твердую стенку, которую принято называть поверхностью теплообменника. В теплообменниках смешения передача тепла происходит в процессе непосредственного контакта сред.

В свою очередь поверхностные теплообменные аппараты делятся на рекуперативные и регенеративные.

В рекуперативных теплообменных аппаратах теплообмен осуществляется через разделительную стенку, а тепловой поток сохраняет постоянное направление.

Если же два или более теплоносителей попеременно сохраняются с одной и той же поверхностью нагрева, то теплообменный аппарат называют регенеративным.

Период соприкосновения с горячими теплоносителями стенки аппарата аккумулируют теплом, а при последующем контакте стенки с холодным теплоносителем это тепло отдается. Направление теплового потока, таким образом, изменяется на противоположное.

Рекуперативные теплообменники являются, в основном, аппаратами непрерывного действия, регенеративные – периодического. В зависимости от конкретных условий работы, требуемые к промышленным теплообменным аппаратам весьма разнообразны. Можно выделить следующие основные требования, к-ым должны соответствовать современные теплообменные аппараты:

1. Аппараты должны обеспечивать передачу количества тепла от одной среды к другой с получением необходимых конечных температур и при возможно большей интенсивности теплообмена.

2. При заданных термодинамических параметрах рабочих сред (давление, t-ра, объем) и при различных агрегатных состояниях, аппарат должен быть работоспособным и надежным в работе.

3. Аппарат должен работать стабильно при изменении процесса теплообмена физических, а возможно и химических свойств рабочей среды.

4. Поверхность теплообмена и другие элементы конструкции аппарата, омываемые рабочими средами должны обладать достаточной химической стойкостью к агрессивному воздействию среды.

5. Для сохранения продолжительной работоспособности в процессе эксплуатации при обработке загрязненной среды или среды выделяющих отложения на стенках, в конструкции аппарата должна быть предусмотрена возможность осмотра поверхностей теплообменников и доступность периодической очистки.

6. Аппарат должен обладать достаточным запасом прочности, гарантирующим его безопасность состояния при напряжениях возникающих как в результате давления рабочих сред, так и следствие температурных деформаций различных частей теплообменника.

7. При данной тепловой нагрузки и других рабочих параметров, аппарат должен иметь в разумных пределах возможно меньше габариты, возможно меньшую удельную материалоемкость и стоимость.

8. Аппарат должен быть технологичным в изготовлении.

Виды теплоносителей.

В зависимости от назначения производственных процессов в качестве теплоносителей могут применяться различные газообразные, парообразные, жидкие и твердые тела. Наиболее распространенным парообразным теплоносителем является насыщенный водяной пар. Он имеет целый ряд положительных качеств:

1. Высокая величина удельной теплоемкости.

2. Пожароопасность, взрывоопасность.

3. При конденсации пара обеспечивается большая величина коэффициента теплоотдачи (до нескольких десятков тысяч ).

4. Постоянство температуры конденсации при заданном давлении облегчает поддержание постоянного температурного режима.

Основным недостатком водяного пара является:

Неизбежное и значительное повышение давления с ростом температуры, поэтому температуру применяют до 170°-180°С.

Для нагрева от 180°-1000°С применяют домовые или топочные газы.

Недостатки топочного газа: низкий коэффициент теплоотдачи; малая величина удельной теплоемкости; пожароопасность; неравномерность обогрева; топочные газы загрязняют теплопередающую поверхность.

Среди жидких теплоносителей наиболее распространенными является:

- горячая вода, нагрев до t=100°С при Р=0,1 МПа, при 2,5 МПа до 374°С. (неагрессивна, пожаробезопасна, доступна, высокий коэффициент теплоотдачи).

- минеральные масла (цилиндровые, компрессорное), обеспечивается нагрев до 250°С, пожроопасно, загрязняет атмосферу.

- высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ) - этиленгликоль, глицерин. Обеспечивается нагрев до 300° С, α - коэффициент теплоотдачи до 2000°С.

- расплавы металлов (натрий, калий, свинец) нагрев до 800°, коэффициент теплоотдачи α до 8000, недостаток - ядовитые пары.

- расплавы солей ( ) температура 500°-550°, при 0,1 МПа, коэффициент теплоотдачи α до 3000, являются сильными окислителями, поэтому взрывоопасны.

К твердым теплоносителям относятся кусковые и зернистые огнеупорные материалы (кварцевый песок, алюмосиликаты, диабаз) используются в регенеративных теплообменниках.

Выбор направления движения рабочих сред и их конечных

температур и скорости движения.

Выбор направления рабочих сред в аппарате должен производиться так, чтобы обеспечить:

1. Наибольший средний температурный напор, с которым связано получение при прочих равных условиях, наибольшую производительность аппарата или сокращение размера поверхности теплопередачи и затрат материала на ее изготовление.

1. Наилучшим использованием сред, в смысле получения наибольшего изменения температур теплоносителей при минимальном их расходе.

2. Возможно менее высокую температуру стенок аппарата с целью уменьшения температурных деформаций и устранения неблагоприятных условий работы прокладок.

Как правило, наиболее выгодно противоточное движение сред.

Общий подход к расчету рекуперативного теплообменника.

Независимо от типа выбранного рекуперативного теплообменника, расчет начинается с составления уравнения теплового и материального баланса. Как правило, задаются для одного из теплоносителей расход конечной и начальной температуры или условие, что необходимо испарить или сконденсировать.

Известны физико-химические характеристики данного теплоносителя: вязкость, теплоемкость, теплопроводность. Далее выбирается второй теплоноситель: горячий или холодный, для него известны физико-химические свойства, задаются его начальной и конечной температурой или рабочее давление (нас. водяной пар).

Из уравнения теплового материального баланса мы находим расход 2-го теплоносителя. Вид уравнения теплового материального баланса зависит от того, происходит фазовое превращение или нет, т.е.:

1. Если нет фазовых превращений обоих теплоносителей:

2. Второй теплоноситель претерпевает фазовое превращение (насыщенный водяной пар)

r – удельная теплота парообразования

3. Задать направление движения теплоносителя и определить среднюю разность температур.

Основная задача расчета: определение необходимой поверхности теплообмена, к-ая определяется из основного уравнения теплопередачи:

К- коэффициент теплопередачи – количество тепла, которое предается через единицу поверхности от горячего теплоносителя к холодному, в единицу времени при разности темп-р в один градус. Коэффициент теплопередачи зависит от коэффициента теплоотдачи и от термического сопротивления стенки.

α₁ - коэффициент теплоотдачи – количество теплоты, которое отдается от теплоносителя стенки или от стенки теплоносителя на единицу поверхности в единицу времени при разности температур в один градус.

λ – коэффициент теплопроводности (из справочника)

Коэф. теплопередачи К всегда меньше меньшего значения коэф .теплоотдачи, поэтому при проектировании теплообменного оборудования следует стремиться к увеличению меньшего значения коэф. теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи α находим из критериальных уравнений построенных на теории подобия, а именно из критерия Нуссельта (Nu).

F_п.с. – площадь проходного сечения канала

Расчет дальше ведется методом последовательного приближения. Приближение можно вести по разному.

1. Задаются в первом приближении значения коэффициента теплопередачи или коэффициента теплопередачи, далее определяется F- теплопередающая поверхность. Выбираем стандартизированный теплообменник, для него находим значения коэффициента Рейнольдса. После чего из критериальных уравнений определяется значения α1 и α2 и значения коэффициента теплопередачи К. Дальше значение К сравнивается с предварительно заданным коэффициентом К и если расхождение превышает 5 – 7%, сделать второе приближение.

2. Задается режим течения одного из теплоносителей, т.е. критерий Re, (например, для трубного пространства кожухотрубного теплообменника).

Теплообменники с поверхностью теплообмена