Реконструкция теплообменника

Рисунок 4. Типовые конструкции теплообменников.

В кохухотрубчатых теплообменниках  нежесткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса для устранения дополнительных напряжений и температурных удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке (рисунок 4б) или корпусе (рисунок 4в), пучком U–образных труб (рисунок 4г), подвижной трубной решетки закрытого или открытого типа (рисунок 4д,е).

        В аппаратах полужесткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных на корпусе (рисунок 4ж). Полужесткая конструкция надежно обеспечивает компенсацию температурных деформаций, если они не превышают 10 – 15 мм, а условное давление в межтрубном пространстве составляет не более 2,5 кгс/см .

Кожухотрубчатые теплообменники применяются для давления 64 кгс/см и температур до 400 – 500 С. Размер поверхности кожухотрубчатых теплообменников достигает 2000 м , диаметр обычно не превышает 1400 мм, длина 6000 мм. Длинной более 9000 мм теплообменники делают редко, так как в этом случае затрудняется их изготовление и чистка труб.

Для повышения эффективности работы кожухотрубчатых теплообменников можно использовать следующее:

   - увеличить скорость  теплоносителей (в трубном пространстве увеличить число ходов, в межтрубном пространстве – число перегородок);

   - увеличить поверхность  теплообмена путем оребрения  (внутри трубок или снаружи).

Теплообменники жесткой  конструкции

Теплообменник состоит из кожуха, внутри которого между двумя трубными решетками, размещен пучок труб небольшого диаметра.

Особенностями аппаратов этого  типа 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.

Теплообменники с плавающей  головкой

В теплообменниках с плавающей  головкой теплообменные трубы закреплены в двух трубных решетках, одна из которых неподвижно связана с корпусом, а другая имеет возможность свободно осевого перемещения. Для уменьшения диаметра кожуха, крышки плавающей головки присоединяют с помощью малогабаритного фланца.

При конструкции теплообменников  стремятся по возможности уменьшить зазор между трубным пучком и кожухом. Для этого в теплообменнике плавающая головка вынесена в расширенную часть кожуха, что позволяет значительно уменьшить зазор.

Теплообменники с компенсатором

Так как трубное и межтрубное пространства работают при различных  температурах, возникают различные удлинения этих частей, что может привести к разрушению кожуха. Для компенсации температурных расширений используют линзовые компенсаторы. В теплообменниках этого типа компенсация температурных напряжений происходит за счет упругой деформации линзовых компенсаторов. Установка гибких элементов полностью не устраняет температурные напряжения, но значительно их снижает.

Теплообменники с U-образным пучком

В этих теплообменниках обеспечивается свободное удлинение труб, что  исключает возникновение температурных  напряжений.

Такие аппараты из кожуха и трубного пучка, имеющего одну трубную решетку и U-образные трубки. Трубная решетка вместе с распределительной камерой крепится к кожуху аппарата на фланце.

Для разделительного ввода и  вывода циркулирующего по трубам теплоносителя в распределительной камере предусмотрена перегородка.

В аппаратах с U-образным пучком обеспечивается свободное температурное удлинение труб: каждая труба может расширяться независимо от кожуха и соединения труб. Разность температур стенок труб по ходам в этих аппаратах не должна превышать 100 С.

Одним из наиболее распространенных дефектов кожухотрубчатого теплообменника с U-образным пучком – нарушение герметичности узла соединения труб с трубчатой решеткой из-за весьма значительных изгибающих напряжений, возникающих от массы труб и протекающей в них среды. 

1.1.2. Теплообменники типа «труба  в трубе»

Теплообменники этого типа состоят  из ряда последовательно соединенных звеньев (рисунок 5). Каждое звено представляет собой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены, внутренние трубы обычно соединяют между собой "калачами" или коленами. Двух трубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева состоят из ряда секций. Такие теплообменники часто применяют как жидкостные или газожидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена.

Рисунок 5.  Теплообменник типа «труба в трубе».

      Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффициент теплоотдачи, пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания.

      Недостатки двухтрубного теплообменника: громоздкость, высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.

1.1.3. Оросительные теплообменники

        Оросительные теплообменники представляют собой ряд расположенных одна над другой прямых труб, орошаемых снаружи водой (рисунок 6). Трубы соединяют сваркой или на фланцах при помощи "калачей".

Рисунок 6.  Оросительный теплообменник.

        Оросительные теплообменники применяют главным образом в качестве холодильников для жидкостей и газов или как конденсаторы. Орошающая вода равномерно подается сверху через желоб с зубчатыми краями. Оросительные теплообменники – довольно громоздкие аппараты, они характеризуются низкой интенсивностью теплообмена, но просты в изготовлении и эксплуатации. Их применяют в том случае, когда требуется небольшая производительность, а также при охлаждении химически агрессивных сред.

1.1.4. Спиральные теплообменники

        В спиральном теплообменнике (рисунок 7) поверхность теплообмена образуется двумя металлическими листами 1 и 2, свернутыми по спирали. Внутренние концы листов приварены к глухой перегородке 3, а их наружные концы сварены друг с другом. С торцов спирали закрыты установленными на прокладках плоскими крышками 4 и 5. Таким образом, внутри аппарата образуются два изолированных один от другого спиральных канала (шириной 2-8 мм), по которым, обычно противотоком, движутся теплоносители.

Рисунок 7.  Спиральный теплообменник.

        Имеются также конструкции спиральных теплообменников перекрестного тока, применяемые главным образом для нагрева и охлаждения газов и конденсации паров.

         Спиральные теплообменники весьма компактны, работают при высоких скоростях теплоносителей  и обладают при равных скоростях сред меньшим гидравлическим сопротивлением, чем трубчатые теплообменники различных типов. Вместе с тем, эти аппараты сложны в изготовлении и работают при ограниченных избыточных давлениях, так как намотка спиралей затрудняется с увеличением толщины листов; кроме того, возникают трудности при создании плотного соединения между спиралями и крышками. 

1.1.5. Пластинчатые теплообменники

В последнее время распространены пластинчатые разборные теплообменники, отличающиеся интенсивным теплообменом, простотой изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и очистки от загрязнений.

Рисунок 8.  Пластинчатый теплообменник.

Эти теплообменники состоят из отдельных  пластин, разделенных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов (рисунок 8). Пластины штампуют из тонкой листовой стали (толщина 0,7 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены "в елку".

К пластинам приклеивают резиновые  прокладки круглой или специальной формы для герметизации конструкции; теплоноситель направляют либо вдоль пластины, либо через отверстия в следующий канал.

Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках может осуществляться прямотоком, противотоком и по смешенной схеме. Поверхность теплообмена одного аппарата может изменяться от 1 до 160 м , число пластин – от 7 до 303.

 

 

 

1.1.6. Аппараты воздушного охлаждения

Рисунок 9. Воздушный холодильник.

1 - вход продукта; 2 - выход продукта; 3 - вход воды  для увлажнения воздуха.

Значительную часть  теплообменной аппаратуры составляют холодильники и конденсаторы, которые на крупных предприятиях потребляют очень большое количество охлаждающей воды. Чтобы уменьшить расход воды на охлаждение, водяные теплообменники заменяют воздушными. Основными элементами аппаратов воздушного охлаждения является пучок оребренных труб и мощный осевой вентилятор, создающий интенсивный поток воздуха через трубный пучок (рисунок 9).

1.1.7. Витые теплообменники

Поверхность нагрева витых теплообменников (рисунок 10) компонуется из ряда концентрических змеевиков, заключенных в кожух и закрепленных в соответствующих головках. Теплоносители движутся по трубному и межтрубному пространству. Витые теплообменники широко применяют в аппаратуре высокого давления для процессов разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Эти теплообменники характеризуются способностью к самокомпенсации, достаточной для восприятия деформаций от температурных напряжений.

Рисунок 10.  Витой теплообменник.

 

Реконструируемый аппарат представляет собой кожухотрубчатый теплообменник жесткого типа, в трубном пространстве которого происходит конденсация паров дихлорэтана за счет теплообмена с водой, движущейся по межтрубному пространству.

Мною будет проведен расчет и доказано, что существующий теплообменник можно будет использовать на позиции Т-4, только после реконструкции, которая заключается во врезке штуцера для подачи сырья и удаление перегородок в трубном пространстве.

Данное решение позволит минимизировать затраты, так как отпадает необходимость покупки нового теплообменника.

 

 

 

 

                  2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

 

2.1. Описание  технологической схемы (рисунок 2.1.)

        Для синтеза 1,2 – дихлорэтана в корпусе 125 применяются реактор прямого хлорирования Р-1. В качестве исходного сырья на установке используют абгазный хлор и газообразный этилен.

Абгазный хлор на установку  корпуса 125 поступает с производства «Хлора и каустической соды», с объемной долей хлора не менее  35 %, кислорода не более 6 %, водорода не более 4 %, с температурой не ниже 10 С. Объемный расход абгазного хлора, поступающего на установку, находится в пределах 200 ÷ 1850 м /час. Работа установки на абгазном хлоре с объемной долей кислорода более 6 % не допускается, так как это связано с образованием взрывоопасной концентрации этилена и кислорода в парогазовой смеси после конденсации паров дихлорэтана.

Газообразный этилен поступает на установку синтеза дихлорэтана из этиленохранилища газового производства по общезаводским коллекторам. Объемный  расход потребляемого  установкой  этилена в пределах   100 ÷ 1100 м /час.

Реактор Р-1 представляет собой полый цилиндрический аппарат колонного типа с плоским усиленным днищем, высотой Н=8900 мм, диаметром D=1800мм и объемом V=22 м . В кубовой части реактора смонтированы  два устройства ввода для распределения газообразного хлора и этилена, оснащенные каждый шестью барботерами лучевого типа. Выше этиленового барботера в реакторе смонтирована распределительная решетка, на которую укладывается металлическая сетка, используемая в качестве сырья для получения катализатора – хлорного железа.  Реакция взаимодействия хлора и этилена с образованием 1,2-дихлорэтана протекает в жидкой фазе кипящего дихлорэтана, поэтому уровень в реакторе Р-1 поддерживают в пределах   65 ÷ 85 %. Это достигается за счет поступающего возвратного дихлорэтана после первой ступени конденсации из фазоразделителя Ф-4. Реакция взаимодействия хлора и этилена является каталитической, протекает в присутствии катализатора хлорного железа (FeCl ). Содержание хлорного железа в дихлорэтане поддерживается в пределах 0,02 ÷ 0,07 % масс. При увеличении содержания хлорного железа, дихлорэтан из куба реактора Р-1 выводится в сборник Е-2.

Парогазовая смесь, содержащая пары дихлорэтана, газообразный этилен, хлористый водород и инерты, из реактора Р-1 по трубопроводу реакционных газов поступает на первую ступень конденсации, в теплообменник Т-4

Реакционные газы, отходящие  из реактора Р-1, с температурой не выше 105 С, поступают на первую ступень конденсации, в теплообменник Т-4 с поверхностью теплообмена 182 м , охлаждаемый прямой оборотной водой с температурой не более 24 С и давлением 0,16 МПа. Часть сконденсировавшегося дихлорэтана в теплообменнике Т-4 через фазоразделитель Ф-4 поступает в куб реактора Р-1 для подпитки, а часть потока самотеком выводится в  сборник дихлорэтана Е-2.

Газовая фаза после фазоразделителя  Ф-4 с температурой не выше 50 С поступает на вторую ступень конденсации в теплообменники Т-3, с поверхностью теплообмена Т-3 – 109,3 м . В качестве хладогента используется оборотная вода с температурой не более 24 С и давлением 0,16 МПа. Сконденсировавшийся дихлорэтан самотеком стекает в сборник дихлорэтана Е-2 .