Технологический процесс

                                                    Введение

Технологические процессы, скорость протекания которых  определяется скоростью подвода  или отвода тепла, называют тепловыми, а аппараты, предназначенные для  проведения этих процессов, - теплообменными.

К тепловым процессам относятся нагревание, охлаждение, конденсация, испарение.

Охлаждение  – понижение температуры перерабатываемых материалов путем отвода от них тепла.

Конденсация – снижение паров какого либо вещества путем отвода от них тепла.

Испарение –  перевод в парообразное состояние какой либо жидкости путем подвода к ней тепла. Частным случаем испарения является весьма широко распространенный в химической технике процесс выпаривания – концентрирования при кипении растворов твердых нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров.

Нагревание - повышение температуры перерабатываемых материалов путем подвода к ним  тепла. В тепловых процессах взаимодействуют  не менее чем  две среды с  различными температурами; при этом тепло передается самопроизвольно (без затраты энергии) только от среды с более высокой температурой (называемой теплоносителем) к среде с более низкой температурой (называемой холодильным агентом).

В химической технике приходится осуществлять тепловые процессы при различных температурах – от близких к абсолютному нулю до равных нескольким тысячам градусов.  Для каждого конкретного процесса, протекающего в определенном интервале температур, подбирают наиболее подходящие теплоносители и хладоагенты, которые должны быть химически стойкими в рабочих условиях и легко транспортируемыми по трубам, но не должны образовывать отложений на стенках аппаратов и вызывать коррозию аппаратуры.

Основная  характеристика любого теплового процесса – количество передаваемого тепла: от этой величины зависят размеры  теплообменных аппаратов. Основным размеров теплообменного аппарата является теплопередающая поверхность (поверхность  теплообмена).

Вопросы подвода  и отвода теплоты в химических аппаратах играют исключительно  важную роль.

Изучение  явлений теплообмена способствует лучшему использованию тепла, научно - обоснованному проектированию многочисленной теплообменной аппаратуры- теплообменников, конденсаторов, холодильников, подогревателей, кипятильников, трубчатых печей и т.д.

В общем случае процесс теплообмена является сложным явлением.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                1 Раздел

Технологическая характеристика процесса и аппарата.

1. Скорость протекания теплообменного процесса (кинетика процесса).

Эффективность работы теплообменных  аппаратов повышается с увеличением  скорости движения теплообменивающихся потоков и степени их турбулентности. Для повышения скорости потоков теплообменивающихся сред, лучшей обтекаемости поверхности теплообмена и создания большей турбулентности потоков в трубчатых теплообменных аппаратах применяют специальные перегородки. Увеличение скорости движения жидкости в трубках при неизменной производительности достигается размещением перегородок в крышках теплообменного аппарата, в связи с чем изменяется число ходов потока жидкости, проходящей через трубки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Способы проведения теплообменного процесса.

Передача тепла от одного тела к  другому или между различными точками пространства может быть осуществлена тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводность – процесс  передачи тепла при непосредственном соприкосновении тел или отдельных  частей одного тела, имеющих разные температуры. Механизм переноса тепла  теплопроводностью зависит от агрегатного  состояния тела. В жидкостях и  твердых телах – диэлектриках – передача тепла осуществляется в результате обмена энергией теплового  движения атомов и молекул между  соседними частицами. В металлах теплоперенос осуществляется главным  образом в результате диффузии свободных  электронов. В газах теплопроводность обусловлена как обменом энергией при соударении молекул и атомов, так и их диффузией.

Конвекция – перенос тепла из одной точки пространства в другую за счет движения среды из области  с одной температурой в область  с другой температурой. Различают  вынужденную и свободную конвекцию. В первом случае перемещение среды обусловлено каким- либо внешним источником, например насосом, вентилятором, ветром и т.п.; во втором случае – разностью плотностей холодных и нагретых участков среды.

Теплообмен излучением – процесс  переноса тепла, обусловленный превращением энергии движения молекул тепла  в лучистую энергию.

 

 

 

 

                  

 

                              1.3. Характеристика теплообменного аппарата.

Теплообменники делятся на поверхностные, смесительные и регенеративные.

В поверхностных аппаратах - теплоносители  разделены стенкой и тепло  передается от одного теплоносителя  к другому через разделяющую  их стенку.

В регенеративных аппаратах – одна и та же поверхность твердого тела омывается попеременно различными теплоносителями .

В смесительных аппаратах передача тепла происходит при непосредственном соприкосновении и смешении теплоносителей.

Существенным для теплообменных  аппаратов поверхностного типа является наличие стенки из теплопроводного  материала, разделяющей потоки теплоносителей. Эта стенка служит поверхностью теплообмена, через которую теплоносители  обмениваются теплом. В зависимости  от конструктивного выполнения поверхности  теплообмена разделяют – кожухотрубчатые, двухтрубчатые, змеевиковые, спиральные, оросительные, специальные - и на трубчатые выпарные аппараты.

Кожухотрубчатые теплообменники - наиболее распространенный в химической технике тип теплообменной аппаратуры. Они допускают создание больших поверхностей теплообмена в одном аппарате, просты в изготовлении и надежны в работе.

Теплообменники типа «труба в трубе»- представляют собой батарею из нескольких теплообменных элементов, расположенных  один под другим.

Змеевиковые теплообменники- отличаются простотой устройства. Теплообменный элемент – змеевик – представляет собой трубу, согнутую каким либо образом. Змеевик погружен в жидкость ,которая нагревается или охлаждается теплоносителем, движущимся по змеевику.

 

Спиральные теплообменники- поверхность теплообмена в спиральных теплообменниках обычно образуется двумя согнутыми в виде спиралей металлическими  листами. Достоинством спиральных теплообменников является их компактность и возможность работы при больших скоростях теплоносителей.

 

Оросительные теплообменники- применяют главным образом для охлаждения жидкостей и газов или конденсации паров. Оросительный теплообменник состоит из ряда расположенных одна над другой труб, соединенных коленами. Снаружи трубы орошаются водой. Оросительные теплообменники просты по устройству, но довольно громоздки.

 

Специальные теплообменники. К ним относятся аппараты , в которых нагревание или охлаждение теплоносителей происходит в каких-либо специфических условиях. К этой группе теплообменников относят аппараты с рубашками, с ребристыми поверхностями теплообмена.

 

Трубчатые выпарные аппараты- теплообменное устройство выполнено в виде какого- либо трубчатого теплообменника. С одной стороны стенок труб находится выпариваемый раствор, с другой – теплоноситель подводящий тепло(обычно водяной пар).

 

Кожухотрубчатые теплообменники используются в качестве нагревателей, холодильников, конденсаторов и испарителей.

Стальные кожухотрубчатые теплообменные аппараты изготовляют следующих типов: Н- с неподвижными трубными решетками; К- с температурным компенсатором на кожухе; П- с плавающей головкой; У- с U – образными трубками; ПК – с плавающей головкой и компенсатором на ней.

Различают одноходовые и многоходовые кожухотрубчатые теплообменники. В одноходовом теплообменнике – один поток теплоносителей движется параллельно во всех трубах, другой – в межтрубном пространстве параллельно трубам. В многоходовом (по трубному пространству) теплообменнике пучок труб разделен на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель проходит последовательно.

 

Достоинства кожухотрубчатых теплообменников:

 

1) возможность получения значительной  поверхности теплообмена при  сравнительно небольших габаритах  и хорошо освоенная технология  изготовления;

 

2) простота конструкции, технологии  изготовления монтажа и ремонта;

 

3) бoльшая тепловая мощность аппаратов по сравнению с пластинчатыми;

 

4) ремонтопригодность и его экономическая  целесообразность замены отдельных  частей аппаратов .

 

 

 

Недостатки:

 

1) высокий расход металла по  сравнению со спиральными и  пластинчатыми теплообменниками;

 

2) очень дорогая чистка труб  и межтрубного пространства;

 

3) теплообменники кожухотрубные на десятки процентов менее экономичны, чем пластинчатые.

 

Сфера применения кожухотрубчатых теплообменников - нефтяная, химическая, нефтехимическая, газовая, теплоэнергетическая отрасли промышленности.

 

В рассмотренных кожухотрубчатых теплообменниках трубы жестко закреплены в трубной решетке. Вследствие разности температур между кожухом и трубами в них возникают температурные напряжения, которые могут привести к разрушению аппарата. Теплообменники с жестким креплением труб в трубной решетке надежно работают при разностях температур между кожухом и трубами 25-30⁰. Если эта разность превышает указанные пределы, применяют теплообменники с различными компенсаторами температурных удлинений.

 

Теплообменники с линзовым компенсатором  на корпусе – применяют для  уменьшения температурных напряжений в аппаратах жесткого типа. Такие теплообменники имеют на корпусе линзовый компенсатор, за счет деформации которого снижаются температурные усилия в корпусе и трубках. Это снижение тем больше, чем больше число линз у компенсатора.

 

Теплообменники с плавающей  головкой – нашли наиболее широкое  применение. В этих аппаратах один конец трубного пучка закреплен  в трубной решетке, связанной  с корпусом , а второй может свободно перемещаться относительно корпуса при температурных изменениях длины трубок.

 

Теплообменники  с U- образными трубками- имеют трубный пучок, трубки которого изогнуты в виде латинской буквы U, и оба конца закреплены в трубной решетке, что обеспечивает свободное удлинение трубок независимо от корпуса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4.Устройтво и принцип кожухотрубчатого аппарата жесткого типа. Кожухотрубчатые аппараты жесткого типа – имеют цилиндрический кожух, в котором расположен трубный пучок; трубные решетки с развальцеванными трубками крепятся к корпусу аппарата. С обоих концов теплообменный аппарат закрыт крышками . Аппарат оборудован штуцерами для теплообменивающихся сред, одна среда идет по трубкам , другая проходит через межтрубное пространство. Существенное различие между температурами трубок и кожуха в этих аппаратах приводит к большему удлинению трубок по сравнению с кожухом , что вызывает напряжения в трубной решетке, нарушает плотность вальцовки труб в решетке и ведет к попаданию одной теплообменивающейся среды в другую. Поэтому теплообменники этого типа применяют при разнице температур теплообменивающихся сред, проходящих через трубки и межтрубное пространство, не более 50⁰ и при сравнительно небольшой длине аппарата.

Очистка межтрубного пространства подобных аппаратов сложна, поэтому  теплообменники жесткого типа применяются  в тех случаях, когда среда, проходящая через межтрубное пространство, является чистой, не корродирующей, т.е. когда нет необходимости в ее чистке.

Достоинством аппаратов этого  типа является простота их конструкции  и, следовательно, меньшая стоимость.

 

 

 

 

 

 

 

1.5. Автоматизация процесса нагревания.

Основные принципы управления процессом  нагревания рассмотрим на примере поверхностного кожухотрубчатого теплообменника, в который подают нагреваемы продукт и теплоноситель. Показателем эффективности данного процесса является температура t″ продукта на выходе из теплообменника, а целью управления – поддержание этой температуры на определенном уровне.

Проанализируем объект управления, чтобы определить возможные управляющие  и возмущающие воздействия.

Расход теплоносителя Fᴛ можно легко стабилизировать или использовать для внесения эффективных регулирующих воздействий. Расход продукта Fn определяется другими технологическими процессами, а не процессом нагревания, поэтому он не может быть ни стабилизирован, ни использован для внесения регулирующих воздействий; при изменении расхода Fn в теплообменник будут поступать сильные возмущения. Начальные температуры продукта t´n и теплоносителя t´ᴛ, а также их удельные теплоемкости c и с определяются технологическими режимами других процессов, поэтому стабилизировать их при ведении процесса нагревания невозможно. К неликвидируемым возмущениям относится также изменение температуры окружающей среды и свойств теплопередающей стенки вследствие отложения солей, а также коррозии.