Физико-химические основы процесса конденсации метилового спирта и воды. Виды конденсации. Прохождение процесса метилового спирта и в

При необходимости  обеспечения больших перемещений труб и кожуха используют теплообменник с плавающей головкой. Нижняя трубная решетка 2 является подвижной, что позволяет всему пучку труб свободно перемещаться независимо от корпуса аппарата. Этим предотвращаются опасная температурная деформация труб и нарушение плотности их соединения с трубными решетками.

Однако компенсация  температурных удлинений достигается  в данном случае за счет усложнения и утяжеления конструкции теплообменника.

В кожухотрубчатом теплообменнике с U-oобразными трубам и в сами трубы 3

выполняют функцию  компенсирующих устройств. При этом упрощается и облегчается конструкция  аппарата, имеющего лишь одну неподвижную  трубную решетку. Наружная поверхность труб может быть легко очищена при выемке всей трубчатки из корпуса аппарата. Кроме того, в теплообменниках такой конструкции, являющихся двух- или многоходовыми, достигается довольно интенсивный теплообмен. Недостатки теплообменников с U-образными трубами: трудность очистки внутренней поверхности труб, сложность размещения большого числа труб в трубной решетке.

Стальные  кожухотрубчатые теплообменники стандартизованы по ГОСТ 9929—67.

В химический промышленности применяются также  теплообменники с двойными трубами .С одной стороны аппарата

размещены две  трубные решетки, причем в решетке  закреплен пучок труб меньшего диаметра, открытых с обоих концов, а в решетке— трубы  большего диаметра с закрытыми левыми концами, установленные концентрически относительно труб . Среда движется по кольцевым пространствам между трубами 2 и 4 и выводится из межтрубного пространства теплообменника по трубам 2. Другая среда II движется сверху вниз по межтрубному пространству корпуса теплообменника, омывая трубы 4 снаружи. В теплообменниках такой конструкции трубы могут удлиняться под действием температуры независимого корпуса теплообменника.

 

ЭЛЕМЕНТНЫЕ ТЕЛЛОБМЕННЫЕ АППАРТЫ

 

Для повышения  скорости движения среды в межтрубном пространстве без применения перегородок, затрудняющих очистку аппарата, используют элементные теплообменники. Каждый элемент такого теплообменника представляет собой простейший кожухотрубчатый теплообменник. Нагреваемая и охлаждаемая среды последовательно проходят через отдельные элементы, состоящие из пучка труб в кожухе небольшого диаметра. Теплообменник, состоящий из таких элементов (ходов), допускает значительные избыточные давления в межтрубном пространстве; его можно рассматривать как модификацию многоходового кожухотрубчатого теплообменника.

В элементных теплообменниках взаимное движение сред приближается к эффективной  схеме чистого противотока. Однако вследствие разделения общей поверхности  теплообмена на отдельные элементы конструкция становится: более громоздкой и стоимость теплообменника возрастает.

 

ДВУХТРУБЧАТНЫЕ ТЕЛООБМЕННЫЕ

 

Теплообменники  этой конструкции, называемые также  теплообменниками типа «труба в трубе», состоят из нескольких последовательно  соединенных трубчатых элементов, образованных двумя концентрически расположенными трубами. Один теплоноситель движется по внутренним трубам 1, а другой — по кольцевому

зазору между  внутренними 1 и наружными 2 трубами. Внутренние трубы (обычно диаметром 57—108 мм) соединяются калачами 3, а наружные трубы, имеющие диаметр 76—159 мм, — патрубками 4.

Благодаря небольшим поперечным сечениям трубного и межтрубного пространства в двухтрубчатых теплообменниках даже при небольших расходах достигаются довольно высокие скорости жидкости, равные обычно 1—1,5 м/ceк. Это позволяет получать более высокие коэффициенты теплопередачи и достигать более высоких тепловых нагрузок на единицу массы аппарата, чем в кожухотрубчатых теплообменниках. Кроме того, с увеличением скоростей теплоносителей уменьшается возможность отложения загрязнений на поверхности теплообмена. Вместе с тем эти теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые, и требуют большего расхода металла на единицу поверхности теплообмена, которая в аппаратах такого типа образуется только внутренними трубами.

Двухтрубчатые теплообменники могут эффективно работать при небольших расходах теплоносителей, а также при высоких давлениях.

Если требуется большая поверхность теплообмена, то эти аппараты выполняют из нескольких параллельных секций.

ЗМЕЕВИКОВЫЕ ТЕПЛЛОБМЕННЫЕ АППАРТЫ

Погружные теплообменники. В погружном змеевиковом теплообменнике. капельная жидкость, газ или пар движутся по спиральному змеевику 1_У выполненному из труб диаметром 15-—75 мм, который погружен в жидкость, находящуюся в корпусе 2 аппарата. Вследствие большого объема корпуса, в котором находится змеевик, скорость жидкости в корпусе незначительна, что обусловливает низкие значения коэффициента теплоотдачи снаружи змеевика. Для его увеличения повышают скорость жидкости .в корпусе путем установки в нем внутреннего стакана 3, но при этом значительно уменьшается полезно используемый объем корпуса аппарата. Вместе с тем в некоторых случаях большой объем жидкости, заполняющей корпус, имеет и положительное значение, так как обеспечивает более устойчивую работу теплообменника при колебаниях режима. Трубы змеевика крепятся на конструкции 4.

В теплообменниках этого типа змеевики часто выполняются также из прямых труб, соединенных калачами. При  больших расходах среды, движущейся по змеевику из

прямых труб, ее сначала направляют в общий коллектор, из которого она поступает в параллельные секции труб и удаляется также через общий коллектор. При таком параллельном включении. секций снижается скорость и уменьшается длина пути потока, что приводит к снижению гидравлического сопротивления аппарата.

Теплоотдача в межтрубном пространстве погружных теплообменников малоинтенсивна, так как тепло передается практически путем свободной конвекции. Поэтому теплообменники такого типа работают при низких тепловых нагрузках. Несмотря на это погружные теплообменники находят довольно широкое применение вследствие простоты устройства, дешевизны, доступности для очистки и ремонта, а также удобства работы при высоких давлениях и в химически активных средах. Они применяются при поверхностях нагрева до 10—15 м².

Если в качестве нагревающего агента в погружном теплообменнике используется насыщенный водяной пар, то отношение длины змеевика к его диаметру не должно превышать определенного предела; например, при давлениях пара 2* 10⁵—5* 10⁵ н/м² (2—5 am) это отношение, не должно быть больше 200—275.

В противном случае скопление парового конденсата в нижней части змеевика вызовет значительное снижение интенсивности теплообмена при значительном увеличении гидравлического сопротивления.

Оросительные теплообменники. Такой теплообменник представляет собой змеевики 1 из размещенных друг над другом прямых труб, которые соединены между собой калачами 2. Трубы обычно расположены в виде параллельных вертикальных секций с общими коллекторами для подачи и отвода охлаждаемой среды. Сверху змеевики орошаются водой, равномерно распределяемой в виде капель и струек при помощи желоба 3 с зубчатыми краями. Отработанная вода отводится из поддона 4, установленного под змеевиками.

Оросительные теплообменники применяются  главным образом в качестве холодильников и конденсаторов, причем около половины тепла отводится при испарении охлаждающей воды. В результате расход воды резко снижается по сравнению с ее расходом в холодильниках других типов. Относительно малый расход воды — важное достоинство оросительных теплообменников, которые, помимо этого, отличаются также простотой конструкции и легкостью очистки наружной поверхности труб. Несмотря на то, что коэффициенты теплопередачи в оросительных теплообменниках, работающих по принципу перекрестного тока, несколько выше, чем у погружных, их существенными недостатками являются: громоздкость, неравномерность смачивания наружной поверхности труб, нижние концы которых при уменьшении расхода орошающей воды очень плохо смачиваются и практически не участвуют в теплообмене. Кроме того, к недостаткам этих теплообменников относятся: коррозия труб кислородом воздуха, наличие капель и брызг, попадающих в окружающее пространство. В связи с испарением воды, которое усиливается при недостаточном орошении, теплообменники этого типа чаще всего устанавливают на открытом воздухе; их ограждают деревянными решетками (жалюзи), главным образом для того, чтобы свести к минимуму унос брызг воды. Оросительные теплообменники работают при

небольших тепловых нагрузках и коэффициенты теплопередачи в них невысоки. Их часто изготовляют из химически стойких материалов.

ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРТЫ

 

В пластинчатом теплообменнике поверхность теплообмена  образуется гофрированными параллельными  пластинами 1, 2 с помощью которых создается система узких каналов шириной 3—6 мм с волнистыми стенками. Жидкости, между которыми происходит теплообмен, движутся в каналах между смежными

пластинами, омывая противоположные боковые  стороны каждой пластины.

Пластина  имеет на передней поверхности три прокладки. Большая прокладка 1 ограничивает канал для движения жидкости I между пластинами, а также отверстия 2 и 3 для входа жидкости I в канал и выхода из него; две малые кольцевые прокладки 4 уплотняют отверстия 5 и 6, через которые поступает и удаляется жидкость II, движущаяся противотоком. Движение жидкости I показано схематично пунктирной линией, а жидкости II — сплошной линией. Жидкость I поступает через штуцер 3, движется по нечетным каналам (считая справа налево) и удаляется через штуцер 4. Жидкость II подается через штуцер 5, движется по четным каналам и удаляется через штуцер 6.

 Пакет пластин зажимается между неподвижной плитой 7 и подвижной плитой 8 посредством винтового зажима 9.

Вследствие  значительных скоростей, с которыми движутся жидкости между пластинами, достигаются высокие коэффициенты теплопередачи, вплоть до 3800 вт/м² [3000 ккал1(м² * ч *град)] и более при малом гидравлическом сопротивлении.

Пластинчатые  теплообменники легко разбираются  и очищаются от загрязнений. К  их недостаткам относятся: невозможность  работы при высоких давлениях  и трудность выбора эластичных химически  стойких материалов для прокладок.

 

ОРЕБРЕННЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

 

К числу компактных и эффективных теплообменников, созданных за последнее время, относятся  разные конструкции теплообменных  аппаратов с оребренньщи поверхностями. Применение оребрения со стороны

теплоносителя, отличающегося низкими значениями коэффициентов теплоотдачи позволяет значительно повысить тепловые нагрузки аппаратов.

Помимо трубчатых  теплообменников с трубами, имеющими поперечные ребра прямоугольного или трапециевидного сечения , разработаны конструкции с продольными, плавниковыми, проволочными, игольчатыми непрерывными спиральными ребрами и др.

Трубы с поперечными  рёбрами различной формы широко используются, в частности, в аппаратах для нагрева воздуха – калориферах, а также в аппаратах воздушного охлаждения. При нагреве воздуха обычно применяют насыщенный водяной пар, поступающий в коллектор 1 и далее в пучок оребренных труб 2.

 

 

Конденсат отводится  из коллектора 3.

Иногда используются продольные ребра, которые для турбулизации пограничного

слоя (что  особенно важно при ламинарном течении  теплоносителя) на определенном расстоянии надрезаются.

Конструкции оребренных теплообменников разнообразны. Теплообменники такого типа используются, например, в низкотемпературных установках для разделения воздуха.

СПИРАЛЬНЫЕ ТЕПЛЛОБМЕННЫЕ АППАРТЫ

 

В спиральном теплообменнике поверхность теплообмена образуется двумя металлическими листами 1 и 2, свернутыми по спирали. Внутренние концы листов приварены к глухой перегородке 3, а их наружные концы сварены друг с другом. С торцов спирали закрыты установленными на прокладках плоскими крышками 4 и 5. Таким образом, внутри аппарата образуются два изолированных один от другого спиральных канала (шириной 2—8 мм), по которым, обычно противотоком, движутся теплоносители. Теплоноситель I поступает через нижний штуцер и удаляется через боковой штуцер в правой крышке теплообменника, а теплоноситель II входит в верхний штуцер и удаляется через боковой штуцер в левой крышке.

Имеются также  конструкции спиральных теплообменников  перекрестного тока, применяемые главным образом для нагрева и охлаждения газов и конденсации паров.

Спиральные  теплообменники весьма компактны, работают при высоких скоростях теплоносителей (для жидкостей 1—2 м/сек) и обладают при равных скоростях сред меньшим гидравлическим сопротивлением, чем трубчатые теплообменники различных типов. Вместе с тем эти аппараты сложны в изготовлении и работают при ограниченных избыточных давлениях, не превышающих 10* 10⁵ н/м² (10 am), так как намотка спиралей затрудняется с увеличением толщины листов; кроме того, возникают трудности при создании плотного соединения между спиралями и крышками.

 

ТЕПЛЛОБМЕННЫЕ УСТРОЙСТВА РЕАКЦИОННЫХ  АППАРАТОВ

 

Для обогрева и охлаждения реакционных и других аппаратов разнообразных конструкций применяют различные устройства, в которых поверхность теплообмена образуется стенками самого аппарата.

К числу устройств, использующих в  качестве теплообменного элемента стенки аппарата, относятся рубашки. К фланцу корпуса аппарата 1 крепится на прокладке и болтах рубашка 2. В некоторых случаях рубашку приваривают к стенкам аппарата, но при этом затрудняются ее очистка и ремонт. В пространстве между рубашкой и внешней поверхностью стенок аппарата движется теплоноситель. а - обогрев аппарата через рубашку паром, который, при диаметре аппарата более 1 м, вводят, для повышения равномерности обогрева, с двух сторон через штуцера 3, а конденсат удаляется через штуцер 4.Поверхность теплообмена рубашек ограничена площадью стенок и днища аппарата и обычно не превышает 10 м². Давление теплоносителя в рубашке равно не более 6—10 am, поскольку при