Теплообміник для охолодження сумішей метанол - вода

Найбільш широке поширення  одержали кожухотрубчасті теплообмінні апарати, використовувані для теплообміну  між потоками в різних агрегатних станах (пар ─ рідина, рідина ─  рідина, газ ─ газ, газ ─ рідина).  

Кожухотрубчасті теплообмінні апарати можуть використовуватися в якості теплообмінників, холодильників, конденсаторів і випарників.

 

Теплообмінники призначені для нагрівання й охолодження, а холодильники – для охолодження (водою або іншим нетоксичним, непожарой невибухонебезпечним холодоагентів) рідких і газоподібних середовищ. Кожухотрубчасті теплообмінники та холодильники можуть бути двох типів: Н - з нерухомими трубними гратами і К - з лінзовим компенсатором неоднакових температурних подовжень кожуха і труб. Найбільша допустима різниця температур кожуха і труб для апаратів типу Н може становити 20 - 60 градусів, в залежності від матеріалу кожуха і труб, тиску в кожусі і діаметра апарата. 

Теплообмінники можуть встановлюватися горизонтально  або вертикально, бути одно-, двох-, чотирьох-і шестіходовимі по трубному простору. Труби, кожух та інші елементи конструкції можуть бути виготовлені з вуглецевої або нержавіючої сталі. Розподільні камери і кришки холодильників виконують з вуглецевої сталі. 

Кожухотрубчасті конденсатори призначені для конденсації пари в міжтрубному просторі, а також для підігріву рідин і газів за рахунок теплоти конденсації пари. Вони можуть бути з нерухомою трубної гратами або з температурним компенсатором на кожусі, вертикальні або горизонтальні. Конденсатори можуть бути двох-, чотирьох-і шестіходовимі по трубному простору.

У кожухотрубчасті випарниках в трубному просторі кипить рідина, а в міжтрубному просторі може бути рідкий, газоподібний, пароподібний, парогазовий або парожидкостной теплоносій. Ці теплообмінники можуть бути тільки вертикальними Одноходовий, з трубками діаметром 25X2 мм. Вони можуть бути з нерухомою трубної гратами або з температурним компенсатором на кожусі.

Теплообмінники з температурним  компенсатором на кожусі

 

Якщо температурні напруги, що виникають у стінках теплообмінника або трубках,виявляються більшими, то необхідно передбачати температурну компенсацію. Теплообмінник з лінзових компенсаторів (Рис.2.2) на корпусі. У цьому апараті температурні деформації компенсуються осьовим стисненням або розширенням компенсатора. Теплообмінники з лінзовими компенсаторами застосовують при невеликих температурних деформаціях (не більше 13-15 мм) і невисоких тисках в міжтрубному просторі (не більше 0.5 МПа).Для круглих

елементів апаратів, діаметр  яких перевищує 100 мм, зазвичай застосовують лінзові компенсатори, які складаються з однієї і більше лінз.Лінзи виконують штампованими або з кільцевого тора, виконаного з прорізом, розрізними або

 

 зварними хвилеподібної  форми.

 

2.2.Теплообміник з лінзовим компенсатором

 

Одна лінза компенсує  невеликі температурні деформації (4 - 5 мм), набір лінз (не більше чотирьох) дозволяє компенсувати деформації до 15 мм.Лінзові компенсатори застосовують у вертикальних і горизонтальних апаратах і трубопроводах при надлишковому тиску, що становить не більше 1.6 МПа.

Застосування кожухотрубчасті  теплообмінників з температурним  компенсатором на кожусі (лінзовий компенсатор) обмежена гранично допустимим тиском в кожусі, рівним 1,6 МПа. При більшому тиску в кожусі (1.6-8,0 МПа) слід застосовувати теплообмінники з плаваючою головкою або з U-подібними трубами.

Теплообмінники  з плаваючою головкою

Кожухотрубчасті теплообмінників  з плаваючою голівкою, призначеної  для охолодження (нагрівання) рідких або газоподібних середовищ без зміни агрегатного стану. Чи не закріплена накожухе друге трубна решітка разом з внутрішньою кришкою, що відокремлює трубне простір від межтрубного, утворює так звану плаваючу головку Така конструкція виключає температурні напруги в кожусі і в

трубах. Ці теплообмінники, нормалізовані у відповідності  з ГОСТ 14246-79, можуть бути двох-або  чотирьохходовий, горизонтальними  довжиною 3, 6 і 9 м або вертикальними  заввишки 3 м.

 

Рис 2.3. - кожухотрубчасті теплообмінник з плаваючою головкою

 

Рис. 3.4. Кожухотрубчасті  теплообмінник з плаваючою головкою: 1-кришкарозподільчої камери; 2 - розподільча  камера: 3 - кожух; 4-теплообмінні труби; 5 - перегородка з сегментним вирізом; 6 - штуцер; 7 - кришка плаваючої головки. 8 - кришка кожуха

 

Кожухотрубчасті конденсатори із плаваючою головкою (ГОСТ 14247-79) відрізняються від аналогічних теплообмінників великим діаметром щтуцера для підведення пари в Міжтрубний простір. Допустимий тиск охолоджувальної середовища в трубах до 1,0 МПа, в міжтрубному просторі - від 1,0 до 2,5 МПа. Ці апарати можуть бути двох-, чотирьох-і шестіходовимі по трубному простору. Діаметр кожуха від 600 до 1400 мм, висота труб 6,0 м.Теплообмінники з постійним діаметром по всій довжині зручні при збірці. Збірка теплообмінників зі змінним по довжині діаметром утруднена, так як плаваючу головку (за габаритними розмірами) в зібраному вигляді неможливо помістити в кожух без трубчатки.Теплообмінники з

постійним діаметром  не мають цього недоліку, оскільки плаваючу головку можна збирати і розбирати поза і всередині кожуха. Крім того, теплообмінники з постійним діаметром по довжині переважніше теплообмінників зі змінним діаметром тому, що

 при очищенні їх  міжтрубному простору не доводиться  розбирати плаваючу головку.

Рис. 2.4. Теплообмінник з плаваючою головкою

Для ефективної роботи теплообмінника бажано, щоб середня частина була виконана з найменшим діаметром; при цьому забезпечується найбільша  швидкість продукту і, отже, створюються  оптимальні умови для теплопередачі. Це і є причиною виготовлення теплообмінників зі змінним діаметром по довжині. Однак зменшувати діаметр середньої частини апарату має сенс лише при значних розмірах плаваю щей головки. При застосуванні малогабаритної плаваючої головки відпадає необхідність у виготовленні теплообмінників змінного діаметру. Малогабаритна плаваюча головка вільно розташовується і в найменшому перерізі кожуха.

 

Теплообмінники  з U-подібними трубами

 

Теплообмінники з U-подібними трубами (тип У). У кожухотрубчасті апаратах цієї конструкції забезпечується вільний подовження труб, що виключає можливість

виникнення температурних напружень.Такі апарати (рис. 2.4) складаються з кожуха 2 і трубного пучка, який має одну трубну грати 3 і U-подібні труби 1. Трубна решітка разом з розподільною камерою 4 кріпиться до кожуха апарату на фланці.

 

Рис.2.4. - кожухотрубчасті теплообмінник з U образними трубами

   1 - розподільна камера, 2 - кожух, 3 - теплообмінні труби, 4 -                     перегородка з сегментним вирізом, 5 – штуцер

Для забезпечення роздільного  введення і виведення циркулюючого по трубах теплоносія в розподільчій камері передбачена перегородка 5.Теплообмінники типу У є двоходовий по трубному простору і одно-або двоходовий по міжтрубному просторі. В останньому випадку в апараті встановлена ​​поздовжня перегородка, яку видобувають із кожуха разом з трубним пучком. Для виключення перетікання теплоносія в зазорах між кожухом апарату і перегородкою біля стінки кожуха встановлюють гнучкі металеві пластини або прокладку з прогумованого азбестового шнура, покладену в паз перегородки.В апаратах типу У забезпечується вільне температурне подовження труб: кожна труба може розширюватися незалежно від кожуха і сусідніх труб.Різниця температур стінок труб по ходах в цих апаратах не повинна перевищувати 100 ° С. В іншому випадку можуть виникнути небезпечні

температурні напруги  в трубній решітці внаслідок  температурного стрибка на лінії  стику двох її частин.Перевага конструкції  апарату типу В - можливість періодичного вилучення трубного пучка для очищення зовнішньої поверхні труб або повної заміни пучка.

Однак слід зазначити, що зовнішня поверхня труб в цих апаратах незручна для механічного очищення.Оскільки механічне очищення внутрішньої поверхні труб в апаратах типу У практично неможлива, в трубне простір таких апаратів слід направляти середу, не утворить відкладень, які вимагають механічної очистки.

Теплообмінники з U-подібними трубами застосовують для нагрівання й охолодження рідких або газоподібних середовищ без зміни їх. Агрегатного стану. Вони розраховані на тиск до 6,4 МПа, відрізняються від теплообмінників з плаваючою голівкою менш складною конструкцією (одна трубна решітка, немає внутрішньої кришки), однак можуть бути лише двоходовий, з труб тільки одного сортаменту: 20х2 мм. Поверхні теплообміну і основні параметри цих теплообмінників наведені в ГОСТ 44245-79.

Апарати теплообмінні з  прямою тепловіддачеюУ змішувальних (контактних) теплообмінниках теплообмін відбувається при безпосередньому зіткненні  теплоносіїв. До змішувальним теплообмінникам відносяться, наприклад, градирні.

 

Теплообміник  типу «труба в трубі»

використовують головним чином для охолодження або  нагрівання в системі рідина-рідина, коли витрати теплоносіїв невеликі і останні не змінюють свого агрегатного стану. Іноді такі теплообмінники застосовують при високому тиску для рідких і газоподібних середовищ, наприклад, в якості конденсаторів у виробництві метанолу, аміаку та інДвотрубні теплообмінники по ГОСТ 9930-78 виготовляються з площею поверхні теплообміну від 0.5 до 93 м. Апарати являють собою набір послідовно з'єднаних елементів, що складаються з концентрично розташованих труб (рис. 2.4)

Рис.2.5. Теплообмінник типу «труба в трубі"

Один теплоносій рухається  по внутрішнім трубах 1, інший - по кільцевому зазорі між внутрішніми і зовнішніми 2 трубами. Внутрішні труби 1 з'єднуються за допомогою калачів 5, а зовнішні - c допомогою сполучних патрубків 3. Довжина елемента теплообмінника типу "труба в трубі" зазвичай становить 3 - 6 м, діаметр зовнішньої труби - 76 - 159 мм, внутрішній - 57 - 108 мм.

Оскільки перетину внутрішньої  труби і кільцевого зазору невеликі, то в цих теплообмінниках досягаються  значні швидкості руху теплоносіїв (до 3 м / с), що призводить до збільшення коефіцієнтів теплопередачі і теплових навантажень, уповільненню відкладення накипу і забруднень на стінках труб. Однак двотрубні теплообмінники більш громіздкі, ніж кожухотрубчасті, на їх виготовлення потрібно більше металу на одиницю поверхні теплообміну Двотрубні теплообмінники застосовують для процесів з порівняно невеликими тепловими навантаженнями і відповідно малими поверхнями теплообміну (не більше десятків квадратних метрів).

У розбірних конструкціях теплообмінників забезпечується компенсація  деформацій теплообмінних труб. На рис. 3.8 показана конструкція розбірного багатопотокового теплообмінника «труба в трубі», що нагадує кожухотрубчасті теплообмінника типу У. Апарат складається з кожухових труб 5, развальцованних в двох трубних гратах: середньої 4 і правої 7. Усередині кожухових труб розміщені теплообмінні труби 6, один кінець яких жорстко пов'язаний з лівої трубної гратами 2, а інший - може переміщатися. Вільні кінці теплообмінних труб попарно з'єднані колінами 8 і закриті камерою 9. Для розподілу потоку теплоносія по теплообмінним трубах служить розподільна камера 1, а для розподілу теплоносія в міжтрубному просторі - розподільна камера 3. Пластинами 11 кожухові труби жорстко пов'язані з

 

опорами 10.

Теплообмінник має два  ходи по внутрішнім трубах і два  по зовнішнім. Вузли з'єднання теплообмінних труб з трубною решіткою (вузол I) і з колінами (вузол II) ущільнені за рахунок притиску і деформації полушаровой ніпелів в конічних гніздах.Ці апарати можуть працювати із забрудненими теплоносіями, так як внутрішню поверхню теплообмінних труб можна піддавати механічному очищенню.

(див рис.2.6.)

Рис. 2.6. Розбірний двохпоточний теплообмінник типу «труба в трубі"

 

Оскільки можливість температурних подовжень кожухових  труб через жорсткого з'єднання  їх з опорами обмежена, перепад  температур входу і виходу середовища, поточної по кільцевому зазорі, не повинен перевищувати 150 ° С.Досить широке застосування в техніці знаходиться теплообмінник з зовнішньої змійовик, застосування яких дозволяє проводити процес при високих тисках (до 6 МПа). До стінок апаратів (зазвичай реакторів) зовні приварюють змійовики, виготовлені з напівциліндрів або кутової сталі. Якщо ж необхідно використовувати теплоносій при ще більш високому тиску (наприклад, перегріту воду при 25 МПа), то змійовик приварюють до корпуса апарата багатошаровим швом.До достоїнств апарата з привареними змійовиками слід віднести можливість розподілу системи труб змійовика на кілька секцій, що живляться незалежно один від одного.

Включенням і відключенням окремих секцій стає можливим регулювати обігрів або охолодження. Крім того, матеріал приварюється змійовиків може бути відмінним (більш дешевим) від матеріалу корпусу апарату.

Апарвти з подвійними стінками (сорочки)

Використовують у хімічній промисловості як обігріваються (охолоджувані) судини для проведення хімічних реакцій. Як правило, вони працюють під надлишковим тиском в залежності від характеру технологічного процесу носять