Ректификация

  Для повышения скорости  движения теплоносителей и лучшей  обтекаемости поверхности нагрева  применяются специальные перегородки:  продольные и поперечные. Продольные  перегородки размещают в крышках  аппарата, изменяя число ходов  теплоносителя в трубном пространстве (до двух, четырех, шести), в результате  при этой же производительности  сечение потока уменьшается, а скорость возрастает

 

 

 

 

 1 – пучок труб;_; 2 – кожух; 3 – трубная решетка; 4 – крышка; 5 – штуцер.

 

              Рисунок 5 – Схема кожухотрубного теплообменника

 

    Повышение скорости  движения теплоносителя сопровождается  ростом гидравлического сопротивления.

     Такая схема  движения приводит к некоторому  снижению движущей силы процесса  – разности температур теплоносителей.

    Поперечные перегородки  устанавливают в межтрубном пространстве  аппарата. Эти перегородки удерживают  трубки от вибрации. Поперечные  перегородки бывают в виде  сегментов, колец и дисков.

Сегментные перегородки  представляют собой диск с сегментными  отверстиями. Перегородки в виде дисков перекрывают все поперечное сечение межтрубного пространства. В дисках сделаны отверстия диаметром  на 1,5 – 2 мм больше наружного диаметра труб. Отверстия располагаются по кольцу вокруг каждой трубы.

   При  большой  разности температур труб и  кожуха могут возникнуть термические  напряжения из за различия их температурных интервалов, что приводит к деформации труб и нарушению плотности закрепления труб в трубных решетках. Для уменьшения термических напряжений используются различные компенсирующие устройства: линзы, плавающая головка, U- образные трубы. Все эти устройства позволяют трубам свободно перемещаться в кожухе без деформаций.

   Применение линзовых  компенсирующих устройств ограниченно  давлением в кожухе, равным 1,6 мПа. При давлениях 1,6-8 мПа используются U- образные трубы или плавающая головка.

   Кожухотрубные теплообменники  бывают вертикальными и горизонтальными,  за исключением теплообменником  плёночного типа и  с плавающей  головкой открытого типа.

    Основные детали  кожухотрубных аппаратов.

Кожух имеет цилиндрическую форму и изготавливается из стальных листов толщиной 3 – 22мм в зависимости  от давления в корпусе и диаметра  аппарата. Для кожухотрубных нагревателей и холодильников  базовым внутренним диаметром являются 200,250,300,350, 400,600, 800, 1000, 1200 мм; для испарителей и  конденсаторов – 600,800,1000, 1200,1400 мм.

 Внутренний диаметр  кожуха можно можно определить по уравнению (1.3)

 

                                  D_k =1.1                                                          (1.3)

 

 где n – число труб, шт.

 

                                             D_k=t(n-1)+4 _m.н                                       (1.4)

 

 где  _m.н – наружный диаметр труб, мм;

             t  – шаг между трубами, мм.

 

 Пучок  кожухотрубного  аппарата образует поверхность  теплообмена.

Трубы теплообменника размещаются  в трубных решетках по периметрам правильных шестиугольников, концентрическим  окружностям и периметрам правильных прямоугольников. Размещение труб по периметрам правильных шестиугольников создает  наибольшую компактность: при одном  и том же шаге между трубами  в кожухе размещается больше труб. Размещение труб по вершинам квадратов  применяется когда необходима очистка межтрубного пространства.

 Общее количество труб  которое можно разместить в кожухе при разметке по периметрам шестиугольников, определяется по формуле (1.5)

 

                                            n = (kD_k)² /(3.47)                                    (1.5)

 

  где k – коэффициент заполнения (k=0,7…0,85);

        D_k – внутренний диаметр кожуха, м.

 

  В многоходовых аппаратах количество труб уменьшается для размещения перегородок между ходами.

  Медные м латунные трубы присоединяются к трубной решетки с помощью пайки. Трубные решетки могут быть литыми или из листового проката. Толщина трубной решетки с корпусом аппарата зависит от конструкции последнего.

  Диаметр трубной решетки, если она одновременно служит фланцем кожуха, находится по формуле   (1.6)                                        

 

                                                     D_p = D_k +2b                                           (1.6)

 

 

  где  D_k – наружный диаметр кожуха, мм;

         b  – ширина фланца, мм.

 

    К  кожуху  с двух сторон крепятся крышки  или крышка и днище. Крышка и днище могут быть эллиптической, полушаровой, сферической, конической или плоской формы.

    Для ввода и  вывода теплоносителей из аппарата  используются штуцера – трубки длиной не менее 150 мм, приваренные к отверстиям в кожухе и крышках. На штуцер приваривается фланец для соединения аппарата с трубопроводом.

    Движение теплоносителей  по трубопроводам, как правило противоточное. Для снижения тепловых потерь поверхность наружной трубы покрывают тепловой изоляцией. Благодаря небольшим поперечным сечениям труб в этих аппаратах легко достигается высокая скорость движения обоих теплоносителей(1…1,5м/с), что повышает интенсивность теплообмена и уменьшает загрязнение поверхности нагрева. Однако при большой производительности требуется большая площадь теплообмена, которая достигается за счет увеличения числа секций аппарата, что делает его громоздким.

     Теплообменники  типа «труба в трубе» используются  с малой производительностью  для теплообмена между двумя  жидкостями, между жидкостью и  конденсирующим паром, в качестве холодильников при высоких давлениях.

    Погружные теплообменники  состоят из корпуса с большим  объемом теплоносителя с погружным  в нем змеевиком, по которому  движется другой теплоноситель. 

    Погружные теплообменники имеют поверхность нагрева до 15 м₂. Они  используются как нагреватели для жидкостей, как конденсаторы и холодильники.

     Оросительный  теплообменник представляет собой  змеевик, составленный из ряда  горизонтальных труб, расположенных  друг над другом и соединенных  калачами. На верхнюю трубку из  желоба подается орошаемая вода, которая стекает с трубы на трубу, а затем попадает в поддон.

   Оросительные теплообменники  используются как холодильники  или конденсаторы. Теплота, забираемая  от горячего теплоносителя идущего по змеевику, расходуется не только на нагревание орошаемой воды, но и на ее испарение. На испарение охлаждающей воды идет до половины отбираемой теплоты, в результате чего расход воды сокращается.

   Достоинствами оросительных  теплообменников является простота  устройства, малый расход охлаждаемой  воды. Недостатками -  неравномерная  смачиваемость труб, громоздкость.

   Пластинчатые теплообменники  состоят из графитовых пластин,  узкие каналы между которыми  создают две системы: по одной  движется горячий теплоноситель,  по другой холодный. Поверхность  пластин является поверхностью  теплообмена. Благодаря гофрированной  форме пластин каналы имеют волнистые стенки, что приводит к турбулизации теплоносителей и к росту коэффициента теплопередачи.

   Пластины изготавливают  из стали, алюминия, титана, и других  металлов с поверхностью теплообмена  0,2…1,3м² .

   Пластинчато –  ребристые теплообменники используются  для газов с низким давлением.  Они состоят из набора тонких  пластин, между которыми расположены  тонкие гофрированные листы. Гофрированная  поверхность листов образует  каналы, по которым движется теплоноситель,  разделенный на мелкие токи. Теплообменник  собирается из любого числа  пластин, таким образом, чтобы  теплоносители двигались по различным  схемам движения: прямотоком, противотоком, перекрестным током.

   Спиральные теплообменники  бывают горизонтальные и вертикальные. Горизонтальные теплообменники  применяют для теплообмена между  двумя жидкостями. Вертикальные  применяют для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью.

  В спиральные каналы  теплоносители обычно подаются  противотоком: один поступает в  верхний, а выходит через боковой  штуцер,другой поступает в боковой, а выходит в нижний.

 

3 Описание технологического процесса и схемы

 

Разработанная ректификационная установка (приложение А) – переодического действия. В периодически действующий ректификационной установке исходную смесь подают центробежным насосом Н – 1 в куб колоны из сборника исходной смеси Е – 1, нагревают до температуры кипения и затем непрерывно поддерживают состояние кипения. Образующийся в кубе  пар поступает в укрепленную колону – КР, где происходит процесс ректификации.

Поднимающаяся в верхней  тарелки  паро- газовая смесь направляется в дефлегматор – Д, где часть конденсируется и в виде  жидкости – флегмы обратно подаётся центробежным насосом на верхнюю тарелку для орошения колонны из ёмкости распределителя – Р, другая часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята в емкость распределитель – Р. Не сконденсировавшиеся пары из дефлегматора поступают в холодильник дистиллят Х – 2 , где они полностью конденсируются, полученные  жидкий дистиллят охлаждается до заданной температуры, затем из холодильника дистиллята Х – 2  поступает в сборник дистиллята Е – 3.

Из кубовой части колонны  выводится кубовой остаток, который  охлаждается в холодильнике кубового остатка Х- 1 , затем направляется в сборник кубового остатка Е – 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Технологический расчет

       

4.1 Физические и химические свойства веществ

 

Таблица 1

Физико - химические свойства	Толуол	Бензол	Смесь толуол - бензол	Вода
Теплопроводность λ, Вт/м·К	16 ·10-2	13,7 ·10-2	13,9 ·10-2	0,636
Теплоемкость С, Дж/кг·К	2,2 ·103	1,9 ·103	1,9269 ·103	4180
Плотность ρ, кг/м3	870	880	879	988
Вязкость μ, ПА ·с	0,3 ·10-3	0,4 ·10-3	0,393 ·10-3	0,593
Температура  кипения  Ткип , 0С	110	80	51,1	82,8
Теплота конденсации r, Дж/кг	6,83 ·103	3,94 ·103	4,25652 ·103	–

 

4.2 Расчет теплообменного  аппарата

В зависимости от целевого назначения теплообменника составляем уравнение потоков теплоносителей.

Подбираем стандартный кожухотрубный  теплообменник для охлаждения G = 8200 кг/час бинарной смеси, состоящей из  толуола и бензола, от t_1н= 82,8 до t_1к = 67,7.

Смесь состоит из органических жидкостей, при средней температуре  t_ср  = 0,5 ∙ (82,8+67,7) = 75,25 – 25 = 50 ⁰С, имеет следующие физико-химические характеристики: ρ_см = 880 ∙ 0,90 + 870(1 - 0,90) = 879 кг/м³;  μ_см = 0,4 ∙ 10^-3 ∙0,90 + 0,3 ∙10³ ∙ 0,11 = 0,393 ∙ 10³ Па / ч;  С_см = 1,9 ∙10³ ∙ 0,881 + 2,2 ∙10³ ∙0,115 = 1,9269 ∙10³ Дж/кг ∙К;  λ= 0,393∙ 10^-3 Па ∙ с;  λ = 13,9 ∙ 10 ^-2 Вт/м ∙ К. Вода при средней температуре t_ср = 0,5 ∙ (10 + 20) = 15 ⁰С, имеет следующие физико – химические характеристики:

Составляем уравнения тепловых нагрузок и строим график тепловых нагрузок.

Определяем  тепловую  нагрузку по формуле (4.1)

 

                                                        Q = G ∙ C ∙ Δt                                             (4.1)

Q_хол = Q_гор

Q_хол = G_хол ∙ C_ж(t_k –t_н)

Q_гор  = G_гор ∙ r_конд + G_гор ∙ C _гор (Т_н – Т_к)

G_гор =8200/3600 = 2, 27 кг/с

r_конд = r_{толуола}  ∙  х_{толуола} +  r_{бензола} ∙ х _{бензола}

r_конд = 0,115 ∙ 6,83 ∙ 10³ + 0,881 ∙ 3,94 ∙10³ =425659 Дж/кг

Q_гор = 2,27 ∙425659 + 2,27 ∙ 1,9269 ∙10³ =1031856,8 Дж / с.

Расход воды определяем по уравнению теплового баланса по формуле (4.2)

                                                 g =

                                                     (4.2)

g =

Рисунок – 6 График тепловых нагрузок

Выполняем ориентировочный расчет теплообменного аппарата.

Определяем среднюю разность температур при противоточном движении теплоносителей

 

82,8 → 67,7

                                                        19,1 ←  29,1

Δt_max = 63, 7 ⁰С

Δt_min = 38, 6 ⁰С

Вычисляем Δt_ср по формуле (4.3)

                                                     Δt_ср =

                                           (4.3)

Δt_ср =

⁰С