Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Спиральные теплообменники

Введение

Основные процессы химической технологии по всей природе разделяют на пять классов:

1)гидромеханические

2)тепловые

3)массообменные

4)химические

5)механические

В каждом классе объединены химико-технологические процессы, характеризуемые законами, относящимися к данной области науки и определяющими скорость процесса.

Если процесс характеризуется признаками двух начал, то принадлежность к тому или иному классу определяется его целенаправленностью. Например, сушка – одновременно массообменный и тепловой процесс, однако цель его заключается в диффузионном удалении влаги, поэтому сушку относят к классу массообменных процессов. Классы делятся на подклассы, различающиеся по физико-химической (физической) сущности процессов. Так, класс «Гидромеханические процессы» может быть разделен на подклассы:

1.1- Образование неоднородных систем;

1.2 - Разделение жидких неоднородных систем;

1.3 - Разделение газовых неоднородных систем;

1.4 - Перемещение жидких и газовых систем.

Подклассы обозначают двумя цифрами, где первая соответствует номеру процесса в схеме, а вторая – номеру подкласса. Например, в классе «Тепловые процессы» можно выделить:

2.1- процессы, идущие с изменением агрегатного состояния;

2.2- без изменения агрегатного состояния

В класс «Массообменные процессы» входят:

3.1-тепломассообменные

3.2-сорбционные

3.3- экстракционные

3.4- электродиффузионные

3.5- мембранные

В класс «Механические процессы»:

4.1- разделение твердых тел

4.2- измельчение

4.3-формообразование

4.5- дозирование и т. д.

Сущность и назначение процесса.

Теплообменными называют аппараты, предназначенные для передачи теплоты от более нагретого теплоносителя к менее нагретому. Теплообменные аппараты разных конструкций широко применяют в химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известны три основных вида переноса теплоты: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание. Теплообмен всех этих видов может происходить одновременно, при анализе процессов теплопередачи каждый из них целесообразно рассматривать в отдельности.

Теплообмен применяется для осуществления различных технологических процессов: нагревания, охлаждения, конденсации, испарения и т.д.

Процессы теплообмена происходят повсюду, где приходится нагревать или охлаждать ту или иную среду с целью ее обработки или для утилизации тепла. Для передачи тепла от среды с высокой температурой, к среде с низкой используют теплообменные аппараты различных конструкций. [1]

Характеристика аппаратов

Требования к промышленным теплообменным аппаратам в зависимости от конкретных условий применения весьма разнообразные. Основными из них являются: обеспечение наиболее высокого коэффициента теплопередачи при возможно меньшем гидравлическом сопротивлении; компактность и наименьший расход материалов на единицу тепловой производительности аппаратов; надежность и герметичность в сочетании с разборностью и доступностью к поверхности для механической очистки ее от загрязнений; унификация узлов и деталей и технологичность механизированного изготовления широких рядов поверхностей теплообмена для различного диапазона рабочих температур и давлении и т.д.

По способу передачи тепла теплообменные аппараты можно разделить на две основные группы: поверхностные теплообменники и теплообменники смешения.

В поверхностных теплообменных аппаратах передача тепла от одной среды к другой происходит обычно через стенку, которую принято называть поверхностью теплообмена.

В теплообменниках смешения передача тепла происходит в процессе непосредственного соединения и перемешивания сред, что допустимо лишь при определенных условиях, значительно ограничивающих применение аппаратов данного типа. Теплообменные аппараты классифицируются по различным признакам: назначению, компоновке, роду рабочих сред, способу передачи теплоты и др. Наиболее распространена классификация теплообменников по способу передачи теплоты, согласно которому они подразделяются на следующие типы:

- Поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены поверхностью теплообмена различной конфигурации;

- Регенеративные, процесс передачи тепла происходит с помощью теплоаккумулирующей массы, называемой насадкой;

- Смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

Рисунок 1.1- Спиральный теплообменник

Рисунок 1.2- Кожухотрубный теплообменник

Рисунок 1.3- Теплообменник типа «Труба в трубе»

Рисунок 1.4- Секционный теплообменник

Рисунок 1.5- Витой теплообменник

Рисунок 1.6- Пластинчатый теплообменник

Рисунок 1.6- Графитовый теплообменник

Обоснование выбора аппарата.

Учитывая большой диапазон температур и давлений рабочих сред, а так же разнообразие их свойств, при различных параметрах обработки, существуют основные требования, которым должны удовлетворять современные теплообменные аппараты:

-Теплообменник должен обеспечивать передачу тепла от одной среды к другой с получение необходимых конечных температур при возможно большей интенсивности теплообмена;

- При заданных термодинамических параметрах рабочих сред и при различном агрегатном состоянии аппарат должен быть работоспособным и достаточно надёжным в работе;

-Теплообменник должен работать стабильно при изменении в процессе теплообмена физических свойств рабочей среды;

-Аппарат должен обладать запасом прочности, гарантирующим его безопасное состояние при напряжениях, возникающих в результате давления рабочей среды и температурных деформаций различных частей теплообменника;

-Должен иметь максимально наименьшие размеры и металлоемкость.

Всем этим требованиям в полной мере отвечают спиральные теплообменники. Они получили сравнительно широкое распространение в промышленности, что объясняется рядом преимуществ по сравнению с теплообменными аппаратами других типов.

Спиральные теплообменники могут изготавливаться из любого рулонного материала, подвергаемого холодной обработке и свариванию. Теплообменники компактны, их конструкция предусматривает возможность полного противотока. Площадь поперечного сечения каналов по всей длине остается неизменной, и поток не имеет резких изменений направлений, благодаря чему загрязнение поверхности спиральных теплообменников меньше, чем у других.

Спиральные теплообменники применяются для систем жидкость- жидкость, жидкость- пар. Могут компоноваться с ректификационными колоннами и применяться в качестве дефлегматоров.

Спиральный теплообменник представляет собой два спиральных канала, навитых вокруг керна. Располагаются как вертикально, так и горизонтально. Когда они используются в качестве конденсаторов или испарителей, их устанавливают только вертикально.

Физико-химические свойства веществ

Хлорбензол (фенилхлорид) — ароматическое органическое соединение, имеющее формулу C6H5Cl, бесцветная горючая жидкость с характерным запахом.

Получение:

Хлорбензол был открыт в 1851 году как продукт реакции фенола с хлоридом фосфора(V) и так он обычно получается в лаборатории. В промышленности хлорбензол получают хлорированием бензола при 80-85 °C в реакторах колонного типа, заполненных железными кольцами:

Cl2

FeCl 3 + HCl

Выделяют его ректификацией после промывки, нейтрализации и азеотропной сушки реакционной массы.

Применение:

Хлорбензол является важным органическим растворителем, кроме того он применяется в органическом синтезе, например он применяется в синтезе пестицидов (например ДДТ может быть получен реакцией его с хлоралем (трихлорацетальдегидом)). Также применяется в производстве фенола:

C6H5Cl + NaOH → C6H5OH + NaCl

Хлорбензол также является полупродуктом в производстве дихлорбензолов и некоторых красителей.

Токсикология и безопасность:

Хлорбензол является веществом средней токсичности, его LD50 равна 2.9 г/кг.

Вода́ (оксид водорода) — химическое вещество в виде прозрачной жидкости, не имеющей цвета (в малом объёме), запаха и вкуса (при нормальных условиях). Химическая формула: Н2O. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном — водяным паром. Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, лёд).

Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).

Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды.

Физические свойства

Вода в нормальных атмосферных условиях сохраняет жидкое агрегатное состояние, тогда как аналогичные водородные соединения являются газами. Это объясняется особыми характеристиками слагающих молекулы атомов и присутствием связей между ними. Атомы водорода, присоединены к атому кислорода образуя угол 104,45°, и эта конфигурация строго сохраняется. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды является активным диполем, где кислородная сторона отрицательна, а водородная положительна. В результате молекулы воды притягиваются своими противоположными полюсами, и образуют полярные связи, на разрыв которых требуется много энергии. В составе каждой молекулы Ион водорода (протон) не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, в результате чего он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома кислорода соседней молекулы, образуя водородную связь с другой молекулой. Каждая молекула связана с четырьмя другими посредством водородных связей — две из них образует атом кислорода и две атомы водорода. Комбинация этих связей между молекулами воды — полярной и водородной и определяет очень высокую температуру её кипения и удельную теплоты парообразования. В результате этих связей в водной среде возникает давление в 15-20 тыс. атмосфер, которое и объясняет причину трудносжимаемости воды, так при увеличении атмосферного давления на 1 бар, вода сжимается на 0,00005 доли её начального объема. Структуры воды и льда между собой очень похожи. В воде, как и во льду молекулы, стараются расположиться в определённом порядке — образовать структуру, однако тепловое движение этому препятствует. При температуре перехода в твёрдое состояние тепловое движение молекул более не препятствует образованию структуры, и молекулы воды упорядочиваются, в процессе этого объёмы пустот между молекулами увеличиваются и общая плотность воды падает, что и объясняет причину меньшей плотности воды в фазе льда. При испарении, напротив, рвутся все связи. Разрыв связей требует много энергии, отчего у воды самая большая удельная теплоёмкость среди прочих жидкостей и твёрдых веществ. Для того чтобы нагреть один литр воды на один градус, требуется затратить 4,1868 кДж энергии. Благодаря этому свойству вода нередко используется как теплоноситель. Однако удельная теплоёмкость воды, в отличие от других веществ непостоянна: при нагреве от 0 до 35 градусов Цельсия её удельная теплоёмкость падает, в то время как других веществ она постоянна при изменении температуры. Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значения удельной теплоты плавления (0 °C и 333,55 кДж/кг) и парообразования (2250 кДж/кг).

Химические свойства

Вода является наиболее распространённым растворителем на планете Земля, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как амфолит — и кислоту и основание одновременно (катион H+ анион OH−). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pKa ≈ ок. 16[источник не указан 306 дней].

Вода химически довольно активное вещество. Сильно полярные молекулы воды сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частности гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.

Вода реагирует при комнатной температуре:

с активными металлами (натрий, калий, кальций, барий и др.)

с галогенами (фтором, хлором) и межгалоидными соединениями

с солями, образованными слабой кислотой и слабым основанием, вызывая их полный гидролиз

с ангидридами и галогенангидридами карбоновых и неорганических кислот

с активными металлорганическими соединениями (диэтилцинк, реактивы Гриньяра, метилнатрий и т. д.)

с карбидами, нитридами, фосфидами, силицидами, гидридами активных металлов (кальция, натрия, лития и др.)

со многими солями, образуя гидраты.

с боранами, силанами.

с кетенами, недоокисью углерода.

с фторидами благородных газов.

Вода реагирует при нагревании:

с железом, магнием.

с углем, метаном.

с некоторыми алкилгалогенидами.

Вода реагирует в присутствии катализатора:

с амидами, эфирами карбоновых кислот.

с ацетиленом и другими алкинами.

с алкенами.

с нитрилами.

Как теплоноситель:

Среди существующих в природе жидкостей вода обладает наибольшей теплоёмкостью. Теплота её испарения выше теплоты испарения любых других жидкостей, а теплота кристаллизации уступает лишь аммиаку. В качестве теплоносителя воду используют в тепловых сетях, для передачи тепла по теплотрассам от производителей тепла к потребителям. Воду в качестве льда используют для охлаждения в системах общественного питания, в медицине. Большинство атомных электростанций используют воду в качестве теплоносителя.

1.5 Техника безопасности и охрана труда при работе на спиральном теплообменнике.

В спиральных теплообменниках поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделительной перегородке и свернутыми в виде спиралей. Для придания листам жесткости и прочности, а так же для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные бобышки. Спиральные каналы прямоугольного сечения ограничиваются торцевыми крышками. Уплотнение каналов осуществляют различными способами. Наиболее распространен способ, при котором каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют полоской прокладкой. При этом предотвращается смешение теплоносителей, а в случае не плотности прокладки, наружу может просачиваться только один теплоноситель. Кроме того, такой способ уплотнения дает возможность легко чистить каналы.

Если материал прокладки разрушается одним из теплоносителей, то один канал заваривают с обеих сторон, а другой уплотняют полоской прокладкой. При этом глухой канал недоступен для механической очистки.

Спиральные теплообменники отличаются компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями и значительной интенсивностью теплообмена при повышенных скоростях теплоносителей.

Недостатки спиральных теплообменников - сложность изготовления ремонта, невозможность применения при давлении рабочих сред свыше 10 кгс/.

Сосуд ,работающий под давлением, -это герметически закрытая емкость, предназначенных для ведения химических и тепловых процессов,а также для хранения и перевозки сжатых , сжиженных и растворенных газов и жидкостей под давлением.Границей сосуда являються входные и выходные штуцера.

Применение аппаратов и коммуникаций , работающих под давлением , требует выполнения специальных мер предосторожности, несоблюдение которых может вызвать разрушение их с тяжелыми последствиями.В связи со значительной опасностью сосудов, работающих под давлением , создана и действует орпеделенная система изготовления , эксплуатации, обслуживания и контроля этих устройств.Онп определена "Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов работающих под давлением", утвержденными Госгортехнадзор СССР 19 мая 1970 года , и обязательна для всех ведомств, предприятий и организаций.Эти правила распространяются на сосуды,работающие под избыточном давлении более 70 кПа (0.7 кг/см2),.Конструкция сосудов должна быть надежной , обеспечивать безопасность при эксплуатации и предусматривать возможность осмотра , очистки , промывки и продувки и ремонта. материалы для изготовления сосудов должны обладать хорошей свариваемостью , иметь прочностные и пластические характеристики , обеспечивающие надежность и долговечность сосудов для требуемых давлений , температур и сред.Особое внимание еделяют сварке:к производству сварочных работ допускаются сварщики, прошедшие специальное обучение и и меющие удостоверение на производство таких работ.Некоторые сварные соеденения сосудов подлежат обязательному клеймению,позволяющими установвить фамилию сварщика , выполняющего данную работу.

1.6 Вопросы экологии

В процессе эксплуатации теплообменных аппаратов любого типа на его внутренних поверхностях могут образовываться загрязнения в виде смол, окалины, накипи и т. д., что вызывает необходимость их отчистки. Обычно такие загрязнения удаляются при помощи воды или пара, в результате чего образуются химически грязные сточные воды, которые могут нанести ущерб экологии. В связи с этим возникает необходимость обезвреживания и очистки сточных вод.

Существует несколько видов очистки сточных вод:

-процеживание - сточные боды процеживают через решетки или сита для извлечения крупных примесей;

-отстаивание - применяется для выделения из сточных вод грубодисперсных примесей;

-нейтрализация - взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод.

Так же возможно обезвреживание сточных вод путем сжигания в шахтных печах, в результате чего все органические отходы сложного состава образуют соединения в виде золы или гранул.

Наряду со всеми этими методами очистки сточных вод применяется биологическая очистка. Этот метод , основан на способности бактерий использовать в качестве питательного субстрата многие органические и некоторые неорганические соединения, содержащиеся в сточных водах.

В процессах биологической очистки сточных вод часть окисляемых микроорганизмами веществ используется в процессах биосинтеза, а другая часть превращается в безвредные продукты окисления – воду, углекислый газ, нитраты и д.р.

Аппараты для очистки:

Адсорбционная регенерационная система очистки воздуха «АРС – аэро»

Краткое описание технологии очистки воздуха:

Стадия очистки воздуха. Загрязненный воздух поступает в заборное устройство 1 (вытяжной зонт или аналогичное оборудование), далее через открытое запорное устройство 2 в адсорбер 3, при этом запорное устройство 9 закрыто. Загрязняющие вещества поглощаются адсорбентом, размещенном в кассетах специальной конструкции 4. Кассеты позволяют легко заменять адсорбент при необходимости. Кассеты расположены перпендикулярно направлению движения воздушного потока.

Очищенный от загрязнений воздух выбрасывается в атмосферу вентилятором 6. Процесс адсорбции может происходит непрерывно или дискретно в течение рабочей смены в соответствии с регламентом работы оборудования, выделяющего загрязняющие вещества.

Стадия десорбции. После окончания процесса очистки воздуха необходимо привести запорное устройство 2 в положение "закрыто", а запорное устройство 9 в положение "открыто" (данный процесс может выполняться в автоматическом или ручном режиме). Система автоматического управления установки включает процесс десорбции. Атмосферный воздух забирается через систему подготовки воздуха 7, где происходит его сушка и фильтрация пыли. Далее воздух подается в озонатор 8, где происходит электросинтез озона малой концентрации. Подготовленная таким образом озоно-воздушная смесь подается непосредственно в адсорбер 3. Происходит процесс окисления вредных веществ озоном на поверхности адсорбента, в результате чего адсорбент очищается и становится пригодным для повторного использования.

Рисунок 15 .Адсорбционная регенерационная система очистки воздуха «АРС – аэро»

2. Расчетная часть

Цель работы: Рассчитать и спроектировать спиральный теплообменник.

2.1 Тепловой расчет.

Цель расчета:

- Определить ориентировочную поверхность теплообмена, подобрать его по ГОСТу;

- Произвести проверочный расчет поверхности теплообмена стандартного аппарата.

Исходные данные:

G=9200 т/ч (2.55 кг/сек) - массовый расход хлорбензола.

P=0.319 МПа – давление обогревающего агента НВП (насыщенного водяного пара).

t₁ = 20°C – начальная температура хлорбензола.

t₂ = 80°С – конечная температура хлорбензола.

2.1.1. Определение среднего температурного напора в условиях противотока: [1]

По таблице XXXVIII. «Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от давления » определяем температуру НВП.

135,6

__________________________

м =135,6-80=55,6 б=135,6-20=115,6

Так как б/ м = 115,6/55,6= 2,08 >2 (3.1)

то ср = ( б - м) / [2,3*lg ( б/ м )] (3.2)

ср = (115,6-55,6) / [2,3*lg(115,6/55,6)] = 82 °C

2.1.2. Определение средних температур теплоносителей, Тср, t ср в °С, по формулам: [1]

Т = Т₁ – Т₂ Т = 135,5 –135,6 = 0°С (3.3)

t = t₂ – t₁ t = 80 – 20 = 60°C

Так как T< t, то Тср = (Т₁+Т₂)/2 Тср = (135+135)/2 = 135°С (3.4)

t ср = Tср – ср t ср = 135,6 – 82 = 53,6°С (3.5)

где t₁, t₂ – начальная и конечная температуры хлорбензола, °С

Т – температура НВП, °С

ср – средний температурный напор, °С

2.2 тепловой расчет

2.2.1. Определение ориентировочного коэффициента теплопередачи К в Вт/м² *К, по формуле: [1]

К = 1/(1/₁ + г загр.₁ + ст/ ст + г загр.₂ + 1/₂), Вт/м² *К (3.6)

где ₁, ₂ – ориентировочные коэффициенты теплоотдачи НВП и хлорбензола, Вт/м² *К

г загр.₁, г загр.₂ – термическое сопротивление слоя загрязнений со стороны НВП

и хлорбензола, м² *К/Вт

ст – толщина стенки, м

ст – коэффициент теплопроводности стенки, Вт/м *К

К = 1/(1/5000 + 0,00018 + 0,002/50 + 0,00018 + 1/700) = 493 Вт/м² *К

Таблица 1 - Физические параметры теплоносителей

Параметры Хлорбензол при t ср = 53,6°С НВП при Тср = 135°С

Плотность, кг/м³ 1071,4 1,75

Вязкость, Па*с 0,552*10^-3 0,01365*10^-3

Удельная теплоемкость, 0,34*4190 0,458*4190

Вт/кг*град

Теплопроводность 0,1053*1,16 0,0284*1,16

Вт/м*град

Теплота испарения, 515,52*4190

Дж/кг

Энтальпия, Дж/кг 651,24*4190

3.2.2.2. Определение температуры стенки со стороны насыщенного водяного пара Тст, °С по формуле:

Тст = Тср – (К/₁)* ср (3.7)

где Тср – средняя температура НВП, °C

К – ориентировочный коэффициент теплопередачи, Вт/м²*К

₁ – ориентировочный коэффициент теплоотдачи, Вт/м² *К

ср – средний температурный напор, °С

Тст = 135- (493/5000)*80 = 127,68 °С

2.2.3. Определяем температуру пленки конденсата НВП, °С по формуле:

t пл = (Тср + Тст)/2 (3.8)

где Тср – средняя температура НВП, °С

Тст – температура стенки, °С

t пл = (135,6 + 127,68)/2 = 131,64 °C

3.2.2.4. Определение тепловой нагрузки на аппарат, Q нагр., Вт по формуле:

Qнагр. = q*c(t к – t н) (3.9)

где q – массовый расход хлорбензола, кг/с

с – удельная теплоемкость хлорбензола, Дж/кг*К

tн, tк –начальная и конечная температуры хлорбензола, °С

Qнагр. = 2,55* 0,34*4190*(80 – 20) = 217963 Вт

2.2.5. Определение ориентировочной поверхности теплообмена, м² по формуле:

Q = K*F*ср F = Q/ (K*ср) (3.10)

где Q – тепловая нагрузка на аппарат, Вт

К – ориентировочный коэффициент теплопередачи, Вт/ м *К

ср – средний температурный напор, °С

F = 217963/ (493*82) = 5.39 м²

По ГОСТ 12067-72 подбираем стандартный теплообменник типа 1 исполнения 2.

Таблица 2 - Размеры теплообменника

Поверхность Ширина Размеры теплообменника, мм

Теплообмена, м² ленты, мм Н h* h1 h2 I A A1 A2 Д Ду1 Ду2 Ду3 В

10 8 1230 1000 700 620 560 900 1000 250 640 200 65 50 400

Привести рисунок спирального теплообменника с приведенными размерами.

3.2.2.6. Определение точного коэффициента теплоотдачи от стенки спирали к хлорбензолу (канал II)

Расчет производим согласно схеме:

G -------- w ----------- Re хб ------------- Nu хб --------- хб = (Nu* )/ dэкв

S dэкв

- Определяем линейную скорость движения хлорбензола, м/с по формуле:

G = w*S* w = G/(S*) (3/11)

где G – массовый расход хлорбензола

– плотность хлорбензола при t ср = 53 °С, кг/м³

S – сечение спирали, м²

w = 2,55 /(0,0032*1071,4) = 0,744м/с

- Определяем эквивалентный диаметр канала, м по формуле:

dэкв = 4*S/ 2*В = 4 В*b/2B = 2b (3.12)

где b – ширина канала, м

dэкв = 2*0,008 = 0,016 м

- Определяем сечение спирали, м по формуле:

S = b*B (3.13)

где В – ширина спирали, м

b – ширина канала, м

S = 0,008*0,4 = 0,0032

- Определяем критерий Рейнольдса по формуле:

Re = w**dэкв/ (3.14)

где w – линейная скорость движения хлорбензола, м/с

– плотность хлорбензола при tср = 53 °С , кг/м³

dэкв – эквивалентный диаметр канала, м