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

 

больших давлениях чрезмерно утолщаются стенки аппарата и рубашки.

Варианты  исполнения змеевиков: а -из разрезанных по образующей (половинок) труб; б— из угловой стали; в — из труб,- приваренных многослойным швом;, г —из труб, залитых в стенки аппаратов.

Для давлений вплоть до 73,6.- 10^б н/м² (75 am) применимы рубашки с анкерными связями. Эти рубашки имеют выштампованные в шахматном порядке круглые отверстия, и по внутренней кромке отверстий стенка рубашки 2 приварена к наружной стенке аппарата. Рубашки такой конструкции обладают не только повышенной механической прочностью, но и обеспечивают более высокие скорости движения теплоносителя в полостях между анкерными связями, а следовательно, и большие коэффициенты теплоотдачи.

Нагревание  или охлаждение при повышенных давлениях  теплоносителя (до 58,4-10⁵ и/ж² или 60 am) может быть осуществлено также с помощью змеевиков, приваренных к наружной стенке аппарата и изготовленных из полуцилиндров — разрезанных по образующей труб или угловой стали.

Для более  высоких давлений, достигающих 246*10⁵ н/м² (250 ат)_г например в системах обогрева перегретой водой, к наружной стенке аппарата многослойным

швом приваривают  змеевики. Эти устройства вытесняют применявшиеся ранее для такого же диапазона давлений стальные змеевики, залитые в чугунные стенки аппарата при его отливке.

При заливке  змеевиков получают относительно низкие коэффициенты теплопередачи, так как  вследствие различия коэффициентов  объемного расширения стали и  чугуна возможно образование местных  воздушных зазоров между змеевиком и стенкой аппарата, что приводит к возрастанию термического сопротивления. Кроме того, изготовление такой системы сложно, а ремонт змеевиков практически невозможен.

 

ТЕПЛЛООБМЕННЫЕ АППАРТЫ ДРУГИХ ТИПОВ

 

Блочные теплообменники. Для процессов теплообмена, протекающих в химически агрессивных средах, в ряде случаев используют теплообменники из неметаллических материалов. Обычно такие материалы (стекло, керамика, тефлон и др.) обладают более низкой, чем у металлов, теплопроводностью. Исключение составляет графит, который для устранения пористости предварительно пропитывают феноло-формальдёгидными смолами. Пропитанный графит является химически стойким материалом в весьма агрессивных средах (например, в горячей соляной, разбавленной серной, фосфорной кислоте и др.) и отличается высокими коэффициентами теплопроводности, равными 92—116 вт/(м * град), или 70—90 ккал/ (м*град).

Типичными теплообменными аппаратами из графита являются блочные теплообменники (рис; VII1-27), состоящие из отдельных графитовых блоков 1, имеющих сквозные вертикальные каналы 2 круглого сечения, и перпендикулярные им каналы 3. Теплоноситель I движется по вертикальным каналам, а теплоноситель II — ПО горизонтальным каналам 3, проходя последовательно все блоки. Горизонтальные каналы различных блоков сообщаются друг с другом через блоки преточные камеры 4. Графитовые блоки уплотняются между собой прокладками из резины или тефлона и стягиваются торцовыми крышками 5 на болтах.

 Кроме прямоугольных блоков применяют также цилиндрические блоки, в которых горизонтальные каналы располагаются радиально.

Рабочее давление в блочных теплообменниках не превышает 2,9 * 10⁵ н/м² (3 am).

 

ШНЕКОВЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ.

 

При тепловой обработке высоковязких жидкостей  и сыпучих материалов, обладающих низкой теплопроводностью, теплоотдача  может быть интенсифицирована путем непрерывного обновления поверхности материала, соприкасающегося со стенками аппарата. Это достигается при механическом перемешивании и одновременном перемещении материала с помощью шнеков. Материал поступает у одного конца корпуса 1 с рубашкой 2 и перемешивается вращающимися навстречу друг другу шнеками 3 и 4, которые транспортируют его к противоположному, разгрузочному концу корпуса. Иногда для увеличения поверхности теплообмена шнеки изготавливают полыми и в них через полые валы, снабженные сальниками 5, теплоноситель подается в полые витки шнеков.

 

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕПЛООБМЕННЫХ  АППАРАТОВ

 

Конструкция теплообменника должна удовлетворять  ряду требований, зависящих от конкретных условий протекания процесса теплообмена (тепловая нагрузка аппарата, температура  и давление, при которых осуществляется процесс, агрегатное состояние и физико-химические свойства теплоносителей., их химическая агрессивность, условия теплоотдачи, возможность загрязнения рабочих поверхностей аппарата и др.). При выборе теплообменника необходимо учитывать также простоту устройства и компактность аппарата, расход металла на единицу переданного тепла и другие технико-экономические показатели. Обычно ни одна из конструкций не удовлетворяет полностью всем требованиям и приходится ограничиваться выбором наиболее подходящей конструкции.

В одноходовых  кожухотрубчатых теплообменниках суммарное поперечное сечение труб относительно велико, что позволяет получать достаточно высокие скорости в трубах только при больших объемных расходах движущейся в них среды. Поэтому такие аппараты рационально использовать, когда скорость процесса определяется величиной коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве, а также в процессе испарения жидкостей.

Многоходовые (по трубному пространству) кожухотрубчатые теплообменники применяются главным образом в качестве паровых подогреватель ей жидкостей и конденсаторов. Именно в этих случаях взаимное направление движения теплоносителей в многоходовых теплообменниках (смешанный ток) не приводит к снижению средней движущей силы сравнительно с противотоком, по принципу которого работают одноходовые теплообменники. Многоходовые теплообменники целесообразно использовать также для процессов теплообмена в системах жидкость — жидкость и газ — газ при больших тепловых нагрузках. Если же требуемая поверхность теплообмена невелика, то для указанных систем более пригодны элементные теплообменники. Особое значение имеют трубчатые теплообменники нежесткой конструкции (в том числе многоходовые) в тех

случаях, когда разность температур теплоносителей значительна и необходима компенсация неодинакового теплового расширения труб и корпуса аппарата. Однако эти аппараты дороже теплообменников жесткой конструкции.

Теплообменники с двойными трубами  применяются в основном в контактно-каталитических и реакционных процессах, протекающих при высоких температурах, когда необходимо надежно обеспечить свободное удлинение всех труб, не считаясь с удорожанием аппарата и более трудным его монтажом.

Змеевиковые теплообменники (погружные, оросительные, змеевики, приваренные к наружным стенкам аппаратов) наиболее эффективно используют для охлаждения и нагрева сильно агрессивных сред, когда необходимо применение химически стойких материалов, из которых затруднительно или невозможно изготовить трубчатые теплообменники; Кроме того, эти аппараты пригодны для процессов теплообмена, протекающих под высоким давлением. Однако аппараты таких конструкций работают лишь при умеренных тепловых нагрузках.

Как указывалось, основными преимуществами спиральных и пластинчатых теплообменников являются компактность и высокая интенсивность теплообмена. Вместе с тем их применение ограничено небольшими .разностями давлений и температур обоих теплоносителей. Спиральные теплообменники используются для нагрева и охлаждения жидкостей, газов и паро-газовых смесей. Область применения пластинчатых теплообменников — процессы теплообмена между жидкостями.

Важным фактором, влияющим на выбор типа теплообменника, является стоимость его изготовления, а также эксплуатационные расходы, складывающиеся из стоимости амортизации аппарата и стоимости энергии, затрачиваемой на преодоление гидравлических сопротивлений.

Теплообменные аппараты всех типов должны работать при оптимальном тепловом режиме, соответствующем сочетанию заданной производительности и других показателей, определяемых технологическими условиями, с минимальным расходом тепла.

 

КОНДЕНСАТОРЫ СМЕШЕНИЯ

 

В химических производствах обычно не требуется  получать чистый конденсат водяного пара для его последующего использования. Поэтому широко распространены конденсаторы смешения, более простые по устройству и соответственно более дешевые, чем кожухотрубчатые теплообменники, применяемые в качестве поверхностных конденсаторов.

Одной из самых  распространенных конструкций конденсаторов  смешения является сухой полочный барометрический конденсатор, работающий при противоточном движении охлаждающей воды и пара. В цилиндрический*корпус 1 с сегментными полками 2 снизу через штуцер 3 поступает пар. Вода подается через штуцер 4 (расположенный на высоте 12—16 м над уровнем земли) и каскадно перетекает по полкам, имеющим невысокие борта: При соприкосновении с водой пар конденсируется.

Смесь конденсата и воды сливается самотеком через  штуцер 5 в барометрическую трубу 6 высотой примерно 10 м и далее — в барометрический ящик 7.

Барометрические трубы и ящики играют роль гидравлического затвора, препятствующего прониканию наружного воздуха в аппарат. Из барометрического ящика вода удаляется в канализацию через переливной штуцер.

Вместе с паром и охлаждающей водой в конденсатор попадает некоторое количество воздуха; кроме того, воздух подсасывается через неплотности фланцевых соединений. Остаточное давление в конденсаторе наиболее часто должно поддерживаться в пределах 0,1—0,2 am. Присутствие неконденсируемых газов может вызвать значительное снижение разрежения в конденсаторе: Поэтому неконденсируемые газы отсасывают через штуцер 8 и отделяют от увлеченных брызг воды в брызгоуловителе-ловушке .Отсюда вода также стекает в вертикальную барометрическую трубу и барометрический ящик.

В барометрических  конденсаторах иногда вместо сегментных полок применяются полки, представляющие собой чередующиеся круглые диски и кольца, а также ситчатые сегментные полки. Через отверстия последних вода стекает каплями, вследствие чего увеличивается поверхность ее соприкосновения с паром, но отверстия ситчатых тарелок могутч легко засоряться.

Для установок умеренной производительности применяют прямоточные конденсаторы, расположенные на низком уровне. Вследствие этого вода чаще всего засасывается в аппарат под действием имеющегося в нем разрежения и впрыскивается в корпус 1 через сопло 2. Пары поступают в конденсатор сверху. Охлаждающая вода и конденсат удаляются центробежным насосом.3, а воздух отсасывается воздушным насосом 4.

Такие конденсаторы значительно компактнее противоточных барометрических. Однако основной недостаток противоточных аппаратов (большая высота) компенсируется меньшим расходом Охлаждающей воды, а также меньшим объемом отсасываемого воздуха. Последнее обусловлено более низкой температурой воздуха в этих аппаратах по сравнению с прямоточными

конденсаторами. Кроме того, достоинством противоточных  барометрических конденсаторов  является наиболее простой и дешевый  способ отвода удаляемой в канализацию  воды.

Конденсаторы  смешения широко применяются для  создания разрежения в установках, работающих под вакуумом, в том числе в вакуум- фильтрах, вакуум-сушилках, выпарных аппаратах и др.

 

Ознакомившись со всеми виды теплообменников  и придя к выводу, что наиболее практичные и удобные в использовании являются двухтрубчатые теплообменники. Выбор основан на том, что они при поперечной сечениии 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.

ХАРАКТЕРИСТИКА ГОТОВОГО ПРОДУКТА

 

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАНОЛА

 

Применение метанола широко распространено во многих химических производствах.

• Химическая промышленность. В данной индустрии метанол или метиловый спирт применяется как полупродукт большинства промышленных синтезов. Метанол вступает в реакцию со многими органическими соединениями, что позволяет производить на его основе различные органические вещества и полимеры. Наибольшее количество метанола (~ 50 %) уходит на производство формальдегида. Метанол является метилирующим агентом при производстве таких веществ как: метилметакрилат, диметилтерефталат, некоторые виды пестицидов. Метиловый спирт – это сырье для получения таких продуктов как метиламин (~ 9 % от всего выпускаемого метанола), уротропин, пентаэритрит. Он используют в производстве фотопленки, карбамидных, ионообменных, поливинилхлоридных смол, как растворитель в лакокрасочной промышленности. Большим спросом метанол стал пользоваться на аммиачных установках. Метиловый спирт применяется также для производства лекарственных средств, его добавляют к топливу, метанол может использоваться как топливо на электростанциях, выступать в роли заменителя бензина для автомобилей или применяться в смеси с бензином, метиловый спирт входит в состав ряда антифризов, там, где позволяют требования безопасности. В настоящее время метанол применяется в производстве метил-третбутилового эфира – МТБЭ, являющегося одной из широко применяемых октано-повышающих присадок к бензинам. Метиловый спирт востребован и в производствах лекарственных средств. Он используется для получения таких химикатов как карбофос, хлорофос, бромистого и хлористого метила.
• Нефтеперерабатывающая промышленность. В данной отрасли метанол востребован как селективный растворитель, который применятся для очистки бензина от меркаптанов. Метанол является азеотропным реагентом для выделения толуола в процессах его ректификации. Используется метиловый спирт в смеси с этиленгликолем для экстракции толуола из бензина.
• Прочие отрасли промышленности. В других отраслях химической промышленности без метилового спирта не обходится производство уксусной кислоты, карбамидных смол, синтетических каучуков (~ 11% от общего объема).