Расчет конденсатора-холодильника в производстве бензола

 

Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой — в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб.

Особенностью аппаратов  типа Н является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции.

Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители, например приваренные к кожуху продольные полосы или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверхности кожуха.

Если площадь сечения  трубного пространства (число и диаметр  труб) выбрана, то в результате теплового  расчета определяют коэффициент  теплопередачи и теплообменную  поверхность, по которой рассчитывают длину трубного пучка. Последняя может оказаться больше длины серийно выпускаемых труб. В связи с этим применяют многоходовые (по трубному пространству) аппараты с продольными перегородками в распределительной камере. Промышленностью выпускаются двух-, четырех- и шестиходовые теплообменники жесткой конструкции.

 

 

 

 

 

Таблица. 3.1

 

Параметры кожухотрубчатых  теплообменников и холодильников

 

 

Двухходовой горизонтальный теплообменник типа Н (рис. 3.2) состоит  из цилиндрического сварного кожуха 8, распределительной камеры 11 и двух крышек 4. Трубный пучок образован трубами 7, закрепленными в двух трубных решетках 3. Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцера 1, 12) и межтрубного (штуцера 2, 10 пространств. Перегородка 13 в распределительной камере образует ходы теплоносителя по трубам. Для герметизации узла соединения продольной перегородки с трубной решеткой использована прокладка 14, уложенная в паз решетки 3.

 

 

Рис. 3.2. Двухходовой  горизонтальный теплообменник с  неподвижными решетками

 

Поскольку интенсивность  теплоотдачи при поперечном обтекании  труб теплоносителем выше, чем при  продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены зафиксированные стяжками 5 поперечные перегородки 6, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве. На входе теплообменной среды в межтрубное пространство предусмотрен отбойник 9 — круглая или прямоугольная пластина, предохраняющая трубы от местного эрозионного изнашивания.

Поверхность теплопередачи  нормализованных теплообменников  и холодильников, приведены в  табл. 3.1.

Кожухотрубчатые конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогрева жидкостей и газов за счет теплоты конденсации пара. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15121—79, конденсаторы могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. От холодильников они отличаются большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство.

Для отвода конденсата и  предотвращения проскока пара в линию отвода конденсата теплообменные аппараты, обогреваемые насыщенным водяным паром, должны снабжаться конденсатоотводчиками.

 

Теплообменники  с температурным компенсатором  на кожухе

 

Если температурные  напряжения, возникающие в стенках  теплообменника или трубках, оказываются большими, то необходимо предусматривать температурную компенсацию.

 

 

Риc. 3.3. Теплообменник типа К — с  линзовым компенсатором

 

Теплообменник типа К — С ЛИНЗОВЫМ КОМПЕНСАТОРОМ (Рис.3.3) на корпусе. В этом аппарате температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением компенсатора. Теплообменники с линзовыми компенсаторами применяют при небольших температурных деформациях (не более 13-15 мм) и невысоких давлениях в межтрубном пространстве (не более 0.5 МПа).

Для круглых элементов  аппаратов, диаметр которых превышает 100 мм, обычно применяют линзовые компенсаторы, состоящие из одной и более  линз.

Линзы выполняют штампованными  или из кольцевого тора, выполненного с прорезью, разрезными или сварными волнообразной формы. Одна линза компенсирует небольшие температурные деформации (4 – 5 мм), набор линз (не более четырех) позволяет компенсировать деформации до 15 мм.

Линзовые компенсаторы применяют  в вертикальных и горизонтальных аппаратах и трубопроводах при  избыточном давлении, составляющем не более 1.6 МПа.

Применение кожухотрубчатых  теплообменников с температурным  компенсатором на кожухе (линзовый компенсатор) ограничено предельно  допустимым давлением в кожухе, равным 1,6 МПа. При большем давлении в  кожухе (1.6—8,0 МПа) следует применять теплообменники с плавающей головкой или с U-образными трубами.

 

Теплообменники  с плавающей головкой

 

На рис. 1.3 изображен  кожухотрубчатый теплообменник  с плавающей головкой, предназначенной  для охлаждения (нагревания) жидких или газообразных сред без изменения агрегатного состояния. Не закрепленная накожухе вторая трубная решетка вместе с внутренней крышкой, отделяющей трубное пространство от межтрубного, образует так называемую плавающую головку Такая конструкция исключает температурные напряжения в кожухе и в трубах. Эти теплообменники, нормализованные в соответствии с ГОСТ 14246—79, могут быть двух- или четырехходовыми, горизонтальными длиной 3, 6 и 9 м или вертикальными высотой 3 м.

 

 

Рис. 3.4. Кожухотрубчатый теплообменник  с плавающей головкой: 1-крышка

распределительной камеры; 2 - распределительная камера: 3 - кожух; 4-теплообменные трубы; 5- перегородка  с сегментным вырезом; 6 - штуцер; 7 - крышка плавающей головки. 8 – крышка кожуха

 

Кожухотрубнатые конденсаторы с плавающей головкой (ГОСТ 14247-79) отличаются от аналогичных теплообменников большим диаметром щтуцера для подвода пара в межтрубное пространство. Допустимое давление охлаждающей среды в трубах до 1,0 МПа, в межтрубном пространстве — от 1,0 до 2,5 МПа. Эти аппараты могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Диаметр кожуха от 600 до 1400 мм, высота труб 6,0 м.

Теплообменники с постоянным диаметром по всей длине удобны при  сборке. Сборка теплообменников с  переменным по длине диаметром (рис.10) затруднена, так как плавающую головку (по габаритным размерам) в собранном виде невозможно поместить в кожух без трубчатки.

Теплообменники с постоянным диаметром не имеют этого недостатка, так как плавающую головку  можно собирать и разбирать вне  и внутри кожуха. Кроме того, теплообменники с постоянным диаметром по длине предпочтительнее теплообменников с переменным диаметром потому, что при очистке их межтрубного пространства не приходится разбирать плавающую головку.

 

Рис. 3.5. Теплообменник с плавающей головкой

 

Для эффективной  работы теплообменника желательно, чтобы  средняя          часть была выполнена с наименьшим диаметром; при этом обеспечивается наибольшая скорость продукта и, следовательно, создаются оптимальные условия  для теплопередачи. Это и является причиной изготовления теплообменников с переменным диаметром по длине. Однако уменьшать диаметр средней части аппарата имеет смысл лишь при значительных размерах плаваю щей головки. При применении малогабаритной плавающей головки отпадает необходимость в изготовлении теплообменников переменного диаметра. Малогабаритная плавающая головка свободно располагается и в наименьшем сечении кожуха.

 

Теплообменники  с U- образными трубами

Теплообменники  с U-образными трубами (тип У). В  кожухотрубчатых аппаратах этой конструкции обеспечивается свободное удлинение труб, что исключает возможность возникновения температурных напряжений.

Такие аппараты (рис. 3.6) состоят из кожуха 2 и трубного пучка, имеющего одну трубную решетку 3 и U-образные трубы 1. Трубная решетка вместе с распределительной камерой 4 крепится к кожуху аппарата на фланце.

 

 

Рис. 3.6. Теплообменник с U-образными трубами

 

Для обеспечения  раздельного ввода и вывода циркулирующего по трубам теплоносителя в распределительной  камере предусмотрена перегородка 5.

Теплообменники типа У  являются двухходовыми по трубному пространству и одно- или двухходовыми по межтрубному  пространству. В последнем случае в аппарате установлена продольная перегородка, извлекаемая из кожуха вместе с трубным пучком. Для исключения перетекания теплоносителя в зазорах между кожухом аппарата и перегородкой у стенки кожуха устанавливают гибкие металлические пластины или прокладку из прорезиненного асбестового шнура, уложенную в паз перегородки.

В аппаратах типа У обеспечивается свободное температурное удлинение труб: каждая труба может расширяться независимо от кожуха и соседних труб.

Разность температур стенок труб по ходам в этих аппаратах  не должна превышать 100 °С. В противном  случае могут возникнуть опасные  температурные напряжения в трубной решетке вследствие температурного скачка на линии стыка двух ее частей.

Преимущество конструкции  аппарата типа У — возможность  периодического извлечения трубного пучка  для очистки наружной поверхности  труб или полной замены пучка. Однако следует отметить, что наружная поверхность труб в этих аппаратах неудобна для механической очистки.

Поскольку механическая очистка  внутренней поверхности труб в аппаратах  типа У практически невозможна, в  трубное пространство таких аппаратов  следует направлять среду, не образующую отложений, которые требуют механической очистки.

Теплообменники с U-образными  трубами применяют для нагрева  и охлаждения жидких или газообразных сред без изменения их. Агрегатного  состояния. Они рассчитаны на давление до 6,4 МПа, отличаются от теплообменников с плавающей головкой менее сложной конструкцией (одна трубная решетка, нет внутренней крышки), однако могут быть лишь двухходовыми, из труб только одного сортамента: 20Х2 мм. Поверхности теплообмена и основные параметры этих теплообменников приведены в ГОСТ 44245—79.

 

Аппараты  теплообменные с прямой теплоотдачей

 

В СМЕСИТЕЛЬНЫХ (контактных) теплообменниках теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении  теплоносителей. К смесительным теплообменникам  относятся, например, градирни.

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ «ТРУБА В ТРУБЕ» используют главным образом для охлаждения или нагревания в системе жидкость— жидкость, когда расходы теплоносителей невелики и последние не меняют своего агрегатного состояния. Иногда такие теплообменники применяют при высоком давлении для жидких и газообразных сред, например, в качестве конденсаторов в производстве метанола, аммиака и др.

Двухтрубные теплообменники по ГОСТ 9930-78 изготавливаются с площадью поверхности теплообмена от 0.5 до 93 м . Аппараты представляют собой набор последовательно соединенных элементов, состоящих из концентрически расположенных труб (рис. 3.7).

 

 

 

Рис.3.7. Теплообменник типа "труба в  трубе"

 

Один теплоноситель  движется по внутренним трубам 1, другой – по кольцевому зазору между внутренними и наружными 2 трубами. Внутренние трубы 1 соединяются с помощью калачей 5, а наружные – c помощью соединительных патрубков 3. Длина элемента теплообменника типа "труба в трубе" обычно составляет 3 - 6 м, диаметр наружной трубы - 76 - 159 мм, внутренней - 57 - 108 мм.

Поскольку сечения внутренней трубы и кольцевого зазора невелики, то в этих теплообменниках достигаются  значительные скорости движения теплоносителей (до 3 м/с), что приводит к увеличению коэффициентов теплопередачи и  тепловых нагрузок, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Однако двухтрубные теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые, на их изготовление требуется больше металла на единицу поверхности теплообмена Двухтрубные теплообменники применяют для процессов со сравнительно небольшими тепловыми нагрузками и соответственно малыми поверхностями теплообмена (не более десятков квадратных метров).

В разборных  конструкциях теплообменников обеспечивается компенсация деформаций теплообменных  труб. На рис. 3.8 показана конструкция разборного многопоточного теплообменника «труба в трубе», напоминающего кожухотрубчатый теплообменник типа У. Аппарат состоит из кожуховых труб 5, развальцованных в двух трубных решетках: средней 4 и правой 7. Внутри кожуховых труб размещены теплообменные трубы 6, один конец которых жестко связан с левой трубной решеткой 2, а другой — может перемещаться. Свободные концы теплообменных труб попарно соединены коленами 8 и закрыты камерой 9. Для распределения потока теплоносителя по теплообменным трубам служит распределительная камера 1, а для распределения теплоносителя в межтрубном пространстве — распределительная камера 3. Пластинами 11 кожуховые трубы жестко связаны с опорами 10.

 

 

 

Рис. 3.8. Разборный  двухпоточный теплообменник типа "труба в трубе"

 

Теплообменник имеет два хода по внутренним трубам и два по наружным. Узлы соединения теплообменных труб с трубной  решеткой (узел I) и с коленами (узел II) уплотнены за счет прижима и  деформации полушаровых ниппелей в  конических гнездах.

Эти аппараты могут работать с загрязненными теплоносителями, так как внутреннюю поверхность  теплообменных труб можно подвергать механической очистке. Поскольку возможность  температурных удлинений кожуховых  труб из-за жесткого соединения их с  опорами ограниченна, перепад температур входа и выхода среды, текущей по кольцевому зазору, не должен превышать 150 °С.