Ответы на вопросы по экзамену - файл n1.docx

приобрести
Ответы на вопросы по экзамену
скачать (3937.4 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx3938kb.15.09.2012 07:54скачать

n1.docx


  1. Роль тепломассобменных аппаратов в низкотемпературной технике.

Тепло- и массообмен играет исключительно важную роль в организации большого многообразия современных технологических процессов. Энергетика, промышленная теплотехника, техника низких и сверхнизких температур, радиоэлектроника, вычислительная техника, авиация и космонавтика — вот неполный перечень областей применения теплообменных и тепломаюсообмвйных аппаратов, в которых на практике реализуется перенос теплоты и массы и от эффективности работы которых нередко в определяющей степени зависит работа крупных установок и систем.

В настоящее время в технике используются различные по конструктивному оформлению тепло- и массообменные аппараты, выполняющие функции нагревателей и охладителей, испарителей и конденсаторов, а также обеспечивающие осуществление более сложных физико-химических процессов, таких, например, как осушка и увлажнение, ректификация, сублимация и т. д.

По принципу действия тепло- и массообменные аппараты могут быть разделены на две большие группы: поверхностные и смесительные(или контактные) аппараты. К первой группе в свою очередь относятся рекуперативные и регенеративные аппараты.

В рекуперативных аппаратах теплопередача между греющей и нагреваемо-й средами осуществляется через разделяющую стенку. На правление теплового потока в рекуператорах, как правило, не меняется во времени, а процесс теплообмена при этом может протекать как без изменения агрегатного состояния потоков, так и с изменением (кипением, конденсацией, сублимацией) обеих или одной из рабочих сред, В зависимости от вида фазового перехода рекуперативные аппараты носят название испарителей, кол-девиаторов, испарителей-конденсаторов, сублиматоров и т. д.

В регенеративных аппаратах одна и та же поверхность нагрева попеременно омывается теплым и холодным потоками газов, аккумулируя теплоту пр-и контакте с более нагретой средой в первом периоде и отдавая ее затем холодной среде во втором периоде. Естественно, что направление теплового потока при этом периодически меняется. Передача теплоты в регенераторах установок криогенной техники обычно протекает совместно с процессом массообмена, связанным с очисткой газа от водяных паров и двуокиси углерода путем их вымораживания при контакте с холодной насадкой.

К группе смесительных теплообменных аппаратов относятся устройства, в которых перенос теплоты и массы от одного теплоносителя к другому осуществляется при их непосредственном контакте. Примером названных аппаратов являются скрубберы, в которых происходит взаимодействие поднимающегося потока газа с поверхностью капель или струй жидкости. Скрубберы газоразделителшых установок предназначаются, в частности, для очистки газовых смесей от СО2 путем контактирования их со стекающим по насадке раствором щелочи.

Самостоятельным классом аппаратов являются ректификационные колонны, в которых реализуется процесс разделения смесей на составляющие их компоненты.

Тепло- и массообменные аппараты перечисленных типов широко используются в холодильной и криогенной технике. Они являются основными элементами установок получения и использования криогенных жидкостей, установок разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения, различных низкотемпературных систем авиационной, ракетной и ядерной техники.

В зависимости от температурного уровня, назначения и принципа действия той или иной низкотемпературной установки используемые в ее схеме количество и типы тепло- и массообменных аппаратов могут быть различными.

Говоря об уровне температур, условно различают: область умеренно низких температур (от 300 до 120 К); область глубокого холода (от 120 до 0,3 К); область сверхнизких температур (ниже 0,3 К).

Первая область температур реализуется в широком классе установок, применямых в системах кондиционирования воздуха, медицине, пищевой промышленности, для охлаждения реакторов химического производства и т. д.

Установки глубокого холода, называемые криогенными, по своему назначению подразделяются на ожижительные, газоразделительные и рефрижераторные. Они используются для получения ожиженных газов, разделения газовых смесей, охлаждения и криостатирования сверхпроводящих магнитных систем и электротехнических устройств, электронных приборов, биологических объектов и т. д.

Сверхнизкие, температуры находят применение в различных физических исследованиях.

Низкотемпературные установки подразделяются также по принципу действия, (в зависимости от используемых методов получения низких температур). Среди этих методов различают дросселирование, расширение газа с отдачей работы, охлаждение вспомогательными хладагентами, абсорбционное охлаждение. Понижение температуры может быть достигнуто также путем вакуумирования ожиженного газа, адиабатного размагничивания, использования эффекта Пельтье.

Наиболее широкое применение в практике низкотемпературной техники получили методы, основанные на использовании эффектов расширения рабочего тела в дроссельных устройствах и детандерах -т-п^пнид^гнццг.ша циклы, лежащие""1Г"осж>ве этих, в испарителе, отбирая теплоту у промежуточного хладагента.

Теплообменные аппараты, являются важнейшими элементами холодильной установки. Эффективность их работы оказывает большое влияние на массо-габаритные и энергетические характеристики установки. Это влияние, в частности, проявляется в том, что увеличение температурного напора в конденсаторе и испарителе (разности температур между охлаждаемой и охлаждающей средами) приводит к увеличению термодинамической необратимости цикла и вследствие этого - к росту расхода энергии на выработку холода. Снижение термодинамической необратимости может быть достигнуто путем уменьшения разности между температурой охлаждающей среды и температурой конденсации в конденсаторе, а также между температурой испарения и температурой промежуточного хладоносителя в испарителе. Снизить температурные напоры можно либо посредством увеличения площади поверхностей нагрева конденсатора и испарителя, либо путем интенсификации процессов теплообмена. Первое приводит к увеличению металлоемкости, массы и стоимости оборудования, второе, как правило,— к увеличению расхода электроэнергии на привод нагнетающих устройств, обеспечивающих движение рабочих сред, не изменяющих в процессе теплообмена в конденсаторе и испарителе своего агрегатного состояния. Естественно поэтому, что выбор оптимальных значений температурных напоров в теплообменных аппаратах холодильной машины, является важной технико-экономической задачей.

Стремление к повышению экономичности холодильных машин путем снижения термодинамической необратимости вызывает необходимость использовать в теплообменных аппаратах небольшие температурные напоры и, следовательно, невысокие удельные тепловые нагрузки, В этом заключается одно из главных отличий работы теплообменных аппаратов холодильной техники от теплообменников теплоэнергетических.


  1. Рекуперативные теплообменные аппараты.

Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, предназначенные, для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому через разделительную стенку с целью нагрева, охлаждения, испарения, конденсации, плавления, а также других более сложных физико-химических процессов.

Рекуперативные аппараты работают, как правило, в стационарных в условиях, так что направление теплового потока через поверхность теплообмена остается неизменным. Эти аппараты чрезвычайно широко используются в криогенной технике и являются обязательным элементом практически любой низкотемпературной установки.

1) Классификация Основными типами рекуперативных теплообменников, различаются по виду теплопередающей поверхности, являются прямотрубные, змеевиковые, витые, пластинчато-ребристые, сетчатые теплообменники, конкретные схемы теплообменников показаны на рис. 2.1.

В зависимости от взаимного направления потоков рабочих сред теплообменные аппараты подразделяются на (рис. 2.2.): а) прямоточные; б) противоточные; в) с однократным перекрестным током; г) с многократным перекрестным током; д)со сложной схемой движения потоков.

Рис. 2.2. Схемы взаимного движения потоков рабочих сред.

а — прямоток; б — противоток; в — однократный перекрестный ток; е — многократный перекрестный ток; д — сложные схемы движения рабочих сред.

В зависимости от агрегатного состояния хладагентов аппараты делятся на жидкостао-жидкостные, газожидкостные и газо-газовые при этом теплообменники могут работать как без изменения агрегатного состояния рабочих сред, так, и с изменением агрегатного состояния одного или обоих хладагентов.

Поведение хладагентов с точки зрения наличия или отсутствия фазового перехода чаще всего определяет назначение того или иного теплообменника и дает возможность классифицировать их и по этому принципу. В частности, могут быть выделены подогреватели, охлади тел и, испарители, конденсаторы, конденсаторы-испарители, осушители и т. д.

Большинство аппаратов газоразделительных установок, рефрижераторов и ожижителей эксплуатируется, как правило, в режиме, когда давление прямого потока существенно превышает давление обратной потока. В этом случае наблюдается заметное различие в значениях коэффициентов теплоотдачи с двух сторон разделительной стенки теплообменииков, что делает целесообразным осуществление дополнительных мер, обеспечивающих увеличение интенсивности переноса теплоты с той стороны поверхности теплообмена, где коэффициент теплеют дачи имеет меньшее значение.

Одним из известных способов интенсификации теплоотдачи является увеличение скорости потока за счет повышения мощности привод соответствующего насоса, компрессора или вентилятора. Однако та кой, способ не всегда оказывается возможным или целесообразным.

Существенное повышение эффективности теплообменного аппарата может быть достигнуто за счет оребрения поверхностей нагрева. Поверхности нагрева с односторонним оребрением часто используются в кожухотрубчатых и витых теплообменниках.

Существует большое число способов оребрения поверхностей нагрева. На рис. 2.3 изображены, например, некоторые выпускаемые про мышленностью типы сребренных поверхностей [73, 75]. При низких значениях коэффициентов теплоотдачи с обеих сторон разделительной стенки теплообменника в целях повышения компактности аппарата часто используют двухстороннее оребрение. Наиболее совершенным типом аппаратов с двухсторонним оребрением поверхностей нагрева являются пластинчато-ребристые, теплообменники, полудившие в низкотемпературных установках в последние годы широкое распространение. Конструктивные формы пластинчато-ребристых теплообменников весьма разнообразны. Однако все они набираются из паркетов, в каждом из которых чередуются плоские и гофрированные листы тонкого металла. Плоские листы и дополнительная гофрированная поверхность, выполняющая роль оребрения, изготавливаются из меди, и некоторых других высокотеплопроводных сплавов. В разных теплообменниках и даже в одном и том же аппарате могут, использованы различные типы оребрения.

Весьма перспективным способом интенсификации теплообмена со стороны кипящей жидкости и конденсаторах-испарителях является искание пористого покрытия поверхности нагрева, ение вопроса о применении в конкретной установке теплообмен-аппарата того или иного типа обычно зависит от целого ряда связанных обстоятельств. Главными требованиями, предъявляемые в этих случаях к теплообменному аппарату, являются соблюдения на данных условий процесса, высокая производительность и экономичность работы, малая масса, компактность, простота конструкции, надежность работы и удобство эксплуатации.

Первое требование — соблюдение заданных условий процесса — применительно к теплообменникам криогенных систем сводится по существу к необходимости обеспечения работы на заданном уровне температур и давлений рабочих сред и возможности регулирования этих параметров.

Высокая производительность теплообменного аппарата достигается соответствующим выбором скоростей рабочих сред, соответствующей конфигурацией поверхности нагрева, обеспечением по возможности более близких друг к другу значений коэффициентов теплоотдачи по обе стороны поверхности теплообмена, предупреждением загрязнения этой поверхности. В аппаратах, работающих с изменением агрегатного состояния хладагентов, большое значение имеет исключение факторов, ухудшающих конденсацию или кипение (удаление неконденсирующихся газов, обеспечение циркуляции кипящей жидкости, выбор соответствующих мест подвода и отвода пара и т. д.).

Малая масса, компактность, простота конструкции, надежность работы и удобство эксплуатации обеспечиваются посредством осуществления ряда мер, среди которых можно отметить надлежащий выбор конфигурации и компоновки поверхности нагрева, обеспечение необходимого теплообмена.

Рис. 2.20. Принципиальная схема кожухотрубного теплообменного аппарата.

3. Прямотрубные теплообменные аппараты. Прямотрубные рекуперативные, теплообменики в технике низких температур применяются установках для разделения газовых смесей изготавливаются, как правило, в виде кожухотрубных аппаратов (рис. 2.20), которые состоят из пучка труб 1, концы которых крепятся в трубных решетках 2. Трубы с трубными решетками заключены в кожух 3 с крышками 4. Один из хладагентов поступает в трубное пространство и выходит из него через патрубки, установленные на крышках. Для подвода и отвода второго хладагента, проходящего по межтрубному пространству, служат патрубки, размещенные в верхней и нижней частях кожуха. Если разность температур трубок и кожуха невелика, аппараты выполняются жесткой конструкции. В противном случае используется нежесткая конструкция, которая обеспечивает компенсацию термических деформаций кожуха и трубок. С этой целью используют, например, линзовые компенсаторы на корпусе или сальниковое уплотнение между кожухом и одной из трубных решеток. Для уменьшения гидравлического сопротивления аппарата по межтрубному пространству и улучшения условий внешнего обтекания труб диаметр корпуса теплообменников в местах ввода и вывода рабочей сфедаилшгда несколько увеличивают. Используют сегментные или концентрические, состоящие из чередующихся плоских колец и дисков, перегородки. Перегородки обоих типов имеют отверстия для труб. Характер движения потоков газа в межтрубном пространстве с установленными в нем поперечными перегородками показан на рис. 2.22.

Уменьшение проходного сучения межтрубного пространства может быть также достигн^о\ад_':сче^ установки внутренней рубащки и стягивания рядов труб, расположенных по окружности, проволокой с целью уменьшения зазора между ними. На рис. 2.23 показан детандерный

Рис. 2.22. Схемы теплообменных аппаратов с сегментными (а) и концентрическими (б) перегородками. теплообменник воздухоразделительной установки (ВРУ) АКт-16-1. Интенсификация процесса теплообмена в межтруЗном пространстве осуществляется за счет использованид-'рубашкй и потгеречнцх перегородок, л

Теплообменник предназначен для вымораживания двуокиси углерода из потока воздуха, который проходит по межтрубному пространству. Давление обоих потоков 6 МПа.

Равномерность обтекания пучка труб газом в кожухотрубных теплообменниках зависит от способа размещения труб в трубной решетке. Чаще всего разбивку осуществляют по сторонам правильных шестиугольников или по концентрическим окружностям (рис. 2.24). В первом случае общее число труб, заключенных внутри шестиугольника,

Материалами для изготовления труб служат медь, нержавеющая сталь или алюминиевые сплавы. Толщина стенок труб по условиям прочности и коррозионной стойкости должна быть не менее 0,5 мм для медных трубок и 1,5 мм для стальных. Трубные решетки изготавливают из стали или из железомарганцевой латуни. Трубы в трубных решетках крепят с помощью пайки мягким припоем или аргонодуговой', сварки.

4. Витые теплообменные аппараты _

Наибольшее распространение в установках криогенной техники получили витые теплообменники, отличающиеся достаточно высокой технологичностью, большой компактностью, относительно малым гидравлическим сопротивлением. Компактность 5Т, м2/м3, этих аппаратов достигает нескольких сотен, а в отдельных случаях — нескольких тысяч,.. эсЬгЬе.ктивность р.т = 0.95-4-0.97. Схема аппарата витого типа приведена на рис. 2.31. Основным элементом теплообменника являются гладкие трубы 2, навитые в несколько слоев на полый заглушенный сердечник 1. На внешней поверхности обечайки 4, изготавливаемой из листового металла, уста-' навливаются патрубки 5' для подвода и отвода теплоносителя. Зазор между соседними слоями труб, необходимый для прохода газа, обеспечивается несколькими продольно установленными прокладками 3, выполненными в виде медных или латунных полос толщиной 1—3 мм. Концы труб после намотки выводятся в отверстия коллекторов 6 и опаиваются. Поток высокого давления направляют, как правило, в трубы, а обратный поток низкого давления движется противопотоком в межтрубном пространстве.

При изготовлении витых теплообменников применяют плотную, разреженную или шаговую навивку гладких труб на сердечник (рис. 2.32). Аппара-,ты с плотной навивкой наиболее компактны и просты в изготовлении. В теплообменниках с разреженной и шаговой навивкой обеспечиваются лучшие условия теплоотдачи в межтрубном пространстве. Как видно из рис. 2.32, шаговая навив'ка выполняется без дистанционных прокла-до'к, и каналы для прохода теплоносителя в этом случае образуются вследствие чередования правой и левой намоток от одного ряда к другому.

Для повышения скорости движения потока в межтрубном пространстве витые теплообменники при большом числе труб изготовляются многозаходными. В этом случае живое сечение уменьшается за счет снижения числа слоев навивки. Количество заходов ,труб увеличивается от ряда к ряду примерно пропорционально росту, среднего диаметра навивки. При выполнении этого условия длина всех труб оказывается примерно одинаковой, и, таким образом, обеспечивается приблизительное равенство гидравлических сопротивлений и расходов в них.

Витые гладкотрубные аппараты различаются не только по способу навивки труб на сердечник,* но также и по количеству потоков тепло- . носителей, участвующих в теплообмене, типу коллекторов, значениям и рабочих давление На рис. 2.33 приведен схематический чертеж двухпоточного витого* многоходового теплообменника, используемого в ВРУ КтА-12-2. Избыточное рабочее давление газов в теплообменнике равно 0,6 МПа. Поверхность нагрева аппарата выполне-. на из 240 трубок диаметром 10x1 мм и длиной около 34 м каждая, изготовленных, как и корпус, из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Концы трубок с помощью аргонодуговой сварки вварены с шагом 14 м(м в коллекторы фланцевого типа.

Для организации теплообмена одновременно между несколькими рабочими средами используются более сложные конструкции трех- и многопоточных теплообменных аппаратов. На рис; 2.34 показано устройство трехпоточного теплообменника установки К-0,04. Пстерхность теплообмена этого аппарата выполнена из теплообменных элементов типа «труба * в трубе», по внутренним трубкам которых движется кислород, сжатый до давления 16,5 МПа, а по • кольцевому зазору проходит поступающий на разделение воздух при давлении 10— 12 МПа. С внешней стороны трубы омываются потоком азота, отбираемого из верхней части ректификационной колонны. В аппарате применены кольцевые коллекторы из меди, в которые вварены муфты соответствующего размера для крепления в них на пайке труб малого (5X1 мм) и большого (10x1,5-мм) диаметров.

На рис. 2.35 показан коллектор фланцевого типа, разработанный для трехпо-точного теплообменника высокого давления. Схема расположения коллекторов в аппарате с секцией труб для дополнительного (третьего), потока показана на рис. 2.36. Для уплотнения крышек коллекторов в теплообменниках, работающих при повышенных давлениях, как правило, используются прокладки из отожженной меди, или алюминия.

Стремление к уменьшению суммарной наружной поверхности элементов и узлов криогенных установок с целью снижения внешних тёплопритоков привело к созданию многосекционных аппаратов, используемых вместо двух или нескольких последовательно включенных теплообменников. На рис. 2.37 изображен двухсекционный переохладитель ожиженных газов (азота и кубовой жидкости) ВРУ К/г-12 (БР-1), перерабатывающий 62 тыс. м3/ч воздуха. Кубовая жидкость после адсорберов поступает в нижнюю часть переохладителя при давлении 0,58 МПа, где охлаждается до температуры 96 К за счет подогрева отходящего из верхней колонны газообразного азота (р—0,14 МПа). В трубах верхней секции переохладителя происходит охлаждение сжиженного азота, отводимого из конденсатора нижней ректификационной колонны при давлении 0,58 МПа.

Одним из недостатков витых теплообменников, выполненных из гладких труб, являются худшие условия теплоотдачи в межтрубном пространстве по сравнению с теплоотдачей в трубах. В частности, в аппаратах высокого давления коэффициенты теплоотдачи прямого и обратного газообразных потоков могут различаться в 3—5 раз, а при течении в трубах ожиженных газов — в 8—10 раз. Увеличение наружной поверхности труб за счет оребрения позволяет существенно улучшить тепловые характеристики аппарата при одновременном снижении его массы и габаритов. В современных теплообменниках для этих целей используются медные трубы с поперечными спиральными ребрами, изготовленные методам холодной прокатки. Профиль такой трубы и способы ее навивки на сердечник показаны на рис. 2.38.

Наиболее распространенными способами намотки труб являются способы, показанны на рис. 2.38,6 и 'в.. Роль дистанционных прокладок в этом случае выполняют ребра. Дл*я увеличения скорости рабочей сре-•, ды в межтрубном пространстве и улучшения условий обтекания оребренных труб потоком газа в зазоры между трубами часто укладывают хлопчатобумажный шнур.

5. Пластинчато-ребристые теплообменники

Пластинчато-ребристые теплообменники относятся к аппаратам с двухсторонним оребренйем поверхностей нагрева. Эти теплообменные аппараты отличаются высокими тЩГ^со^ш^ габарит^ми"% эксплуатационными характеристиками. ^Компактность их достигает 1500— 2500 -м2/м3 (в отдельных случаях до 7000 — 8000 м2/м3) и обычно превосходит компактность трубчатых поверхностей нагрева.

Теплообменники пластинчато-ребристого типа отличаются высокой термодинамической эффективностью, оценивающейся по способности к передаче теплоты при минимальных температурных напорах и минимальных потерях давления потоков теплоносителей, участвующих в теплообмене. Температурная недорекуперация в пластинчато-ребристых аппаратах, энергетические потери от которой покрываются на самом низком температурном уровне, может составлять всего 2,5 — 3 К против 4 — 7 К для аппаратов других типов. ЕетЖ-утаггБТ^^
.давдвния7-«-а-н-римЂрг, увеличение недорекуперации всего на 1 К и давле-
нС^у^ПУ^ электроэнергии на 2 — 3%^.то становится понятным существующее ^:тд„емле«*ге^кг"широком)ыш^шн>^о- "^ в . Эти теплообменники изготавливаются, как правило, из-^еше&Б^ и легких алюминиевых сплавов, имеют малую массу, что в сочетании с низкой удельной теплоемкостью металла дает возможность заметно сократить продолжительность пускового периода и периода отогрева криогенной установки. Теплообменники технологичны, достаточно просты, обладают высокой поперечной теплопроводностью — все это позволяет создавать многопоточные конструкции, совмещающие функции нескольких теплообменников.

При серийном изготовлении стоимость единицы площади поверхности теплообмена пластинчато-ребристых аппаратов значительно ниже, чем у теплообменников других типов.С^р4*еаашй-недостатком пластинчато-ребристых теплообменников является сравнительно невысокая прочность конструкции. В настоящее вре^я промышленностью теплообменники выпускаются на давление не более 3,0—4,0 МПа. Один и тот же принцип компоновки поверхностей нагрева в виде многослойного'пакета, состоящего из плоских лроставочных листов одинакового формата толщиной 0,5—1,5-мм, между которыми расположена гофрированная насадка, выполненная из металлической фольги толщиной 0,1—0,5 мм. На 100 мм ширины пакета приходится от 40 до 70 ребер. Высота гофра (длина ребра) составляет 3—15 мм/С двух противоположных концов проставочных листов одинакового формата устанавливаются боковые уплбтнительные проставки, изготовленные из проката различного профиля. Таким образом, две любые соседние пластины пакета образуют отдельный, сребренный гофрированной насадкой канал для прохода газа, ^д^менты такого канала в разобранном сташшшэм*а~~ф?к^-&&8~а. По схеме движения теплоносителей пакеты ' разделяются на прямоточные, противоточные или с-перекрестным током (рис. 2.43,6, в).

Соединение элементов пакета осуществляется пайкой в вакуумных печах, печах в атмосфере инертного газа или в ванне с расплавленной солью. В качестве припоя используется алюминий с присадкой кремния, который понижает температуру плавления алюминия. После пайки пакет очищают, проверяют на прочность и плотность и приваривают остальные элементы конструкции (коллекторы, ребра жесткости и т. д.) аргонодуговой сваркой.

В технике низких температур применяется пластинчато-ребристые теплообменники с различном типом оребренияГгладкимЦ непрерьЫны-ми, волнистыми непрерывными, прерывистцми, чешуйчатыми, шиповыми и перфорировацйыми ребрами (рис. 2.44)\^Некоторые тйзды гофрированных насадов различным, оребрением приведены на рис. 2.45.

Оребрение - сложной геометрии применяется для интенсификации процесса теплоотдачи в каналах теплообменных .аппаратов. В каналах с гладкими непрерывными ребрами имеет место безотрывное течение теплоносителя. Турбулизирующее'действие волнистых.ребер увеличивает коэффициент теплоотдачи а. Наличие разрывов поверхности в каналах с прерывистыми, чешуйчатыми и перфорированными ребрами обусловливает периодическое разрушение пограничного слоя и еще большее улучшение условий теплоотдачи. Нем чаще расположены разрывы, тем интенсивнее теплоотдача, но и выше гидравлическое сопротивление аппарата. Однако потеря давления в этом случае, соответствующая передаче единицы количества теплоты, все же меньше, чем при наличии гладких непрерывных ребер.

"Исследования показывают, что наиболее перспективными для в использования в криогенной технике являются прерывистые ребра с'малым расстоянием между прорезями. Геометрические характеристики некоторых пластр1^т^ьр^риЂть1х поверхностей!4Э^З-р^с4^ в &ЂСР и используемых в криогенной технике, представлены в табл. 2г12. Высокие технико-экономические показатели пластинчато-ребристых теплообменников обусловливают широкие возможности их применения в низкотемпературных установках различного назначения. В первую очередь это относится к ВРУ, где они могут широко использоваться не только как подогреватели или охладители, но и в качестве реверсивных аппаратов (вместо регенераторов) и конденсаторов-испарителей,

По реверсивные пластинчато-ребристые теплообменники имеют сущесрвен мфНД1шцб массу и габариты, меньшие теплопритоки из оцружающей среды, большую продолжительность периода дутья, вследствиечего снижаются потери воздуха при переключениях. -

Важным преимуществом реверсивных теплообменников является также низкая и одинаковая для всех выходящих потоков температурная недорекуперация. Выравнивание температур теплоносителей.па• сечению происходит за счет высокой поперечной теплопроводности цельнопат яной конструкции аппарата. В.^анадо^ гичных по назначению регенерУгор.ах' недорекуперация по чистому потоку, как правило, и 2-^—3 оаза выше недо-рекуперации,- по отбросному потоку. Это объясняется низкими значениями коэффициента теплопередачи встроенного в наеъшную насадку змеевика.Сопоставление характеристик блока реверсивных плас-шнчатых аппа^ ратов и/регенераторо&/со встроешгиши трубч/йтыми поверхностями нагрева для/ВРУ, производящей 8000 м/7ч чистого азота, прив-едено_д. тябл^'^Д'В многопоточных теплообменниках (рис. 2.47),для нереверсивных каналов используется, как правило, 2-образная компоновка с боковым подводом и отводом теплоносителей. Коллекторы переключающихся потоков размещаются обычно на торцевой стороне аппарата. Между коллекторами и пакетом теплообменной поверхности устанавливаются распределители, которые служат для равномерной подачи газа к каналам пакета. В двухпоточных теплообменниках распределители по одному из потоков в большинстве слуттооп ^^з1С1ггрт1^ют (оис. 2.48). Геометрические характеристики оре-бренных теплообменных поверхностей легко рассчитываются по известным
6. Регенеративные теплообменные аппараты.

В отличие от рекуперативных теплообменников регенераторы отно-{сятся к классу аппаратов, л^раббтающих в нестационарном режиме. По-|верхностью теплообмена в регенераторах .служит теплоаккумулирую-^цая Масса, называемая нас&дкой, которая попеременно омывается пороками теплого и холодного газа. Вступая в контакт с теплым газом, |насадка нагревается, после чего отдает аккумулированную теплоту пороку холодного газа.

^; Из:за специфических условий теплообмена между потоками в ряде Случаев более выгодным оказШае^^^=^ использование регенераторов по сравнению; с рекуператорами. В частности, их применение целесообразно в некоторых схемах ВРУ и газовых холодильных машин (ГХМ). Следует учитывать также, что регенераторы отличаются от других типов теплообменников более высокими значениями удельной площади поверхности 5Т (компактность насадки регенераторов ВРУ составляет 1000—2000 м2/м3, у регенераторов ГХМ значение 5Т может достигать 104—105 м2/м3). Это устройства, в которых передача теплоты от одного теплоносителя к другому происходит с помощью насадки. Процесс теплообмена осуществляется в 2 стадии. Первоначально через насадку пропускается горячий теплоноситель (нагревание). Затем пропускается через эту же насадку холодный теплоноситель (охлаждение).

Простейшая схема регенератора.

Наиболее распространёнными являются воздухонагревательные регенеративные установки (ВРУ) и холодильно-газовые машины (ХГМ). И первые, и вторые в качестве насадки используют базальтовую насыпную насадку с диаметром частиц от 4 до 14 мм, либо сетчатую насадку, выполненную из материала высокой температуропроводности (бронза, латунь).

Характеристикой регенеративных аппаратов является их компактность: это отношение площади поверхности насадки к занимаемому объёму. Так для ВРУ эта характеристика достигает. Для ХГМ эта величина составляет . В качестве насадки при высоких температурах применяют огнеупорные кирпичи различной формы.

Регенераторы большинства печей имеют периоды нагрева и охлаждения (они равноценны).

Элементы насадки нагреваются и охлаждаются при граничных условиях 2-ого рода (q=const). Степень аккумулирования теплоты насадки оценивается коэффициентом аккумуляции теплоты (?): это отношение теплоты аккумулированной насадкой к тому количеству теплоты, которое могло бы аккумулироваться.

В смесительных аппаратах теплообмен происходит при непосредственном контакте теплоносителей (двух сред). В промышленности такие аппараты носят название градирня или скруббер. Они применяются для осушки или увлажнения газов от пыли (взвешенных частиц).

По конструктивным особенностям смесительные аппараты подразделяются на:

· Камерные;· Насадочные;· Каскадные;· Струйные;· Плёночные подогреватели.

Характеристикой насадки является поверхность, отнесённая к единице объёма S, м2/м3. Следующей характеристикой насадки является её свободный объём V, м3/м3.

Преимущества насадочных смесительных аппаратов:

· Значительно уменьшает объём;· Значительно увеличивает поверхность соприкосновения фаз.

Недостатки: при запыленных потоках газа пылевые частицы осаждаются на поверхности насадки, что требует очистки.

Каскадный смесительный аппарат. Струйные смесительные аппараты.

Скорость выхода из сопла 1-ой ступени до 15 м/с.

Смесительный аппарат плёночного типа.

Они используются в выпарных станциях для выпаривания раствора. Скорость воды на выходе их сопла 3-4 м/с. Недостатком аппарата является повышенное качеств воды. Диаметр аппарата до 600мм и высота до 2,7м 7. Низкотемпературная ректификация.Низкотемпературная ректификация (НТР) основана на охлаждении газового сырья до температуры, при которой система переходит в двухфазное состояние, и последующем разделении образовавшейся газожидкостной смеси без предварительной сепарации в тарельчатых или насадочных ректификационных колоннах. НТР по сравнению с НТК позволяет проводить разделение углеводородных смесей с получением более чистых индивидуальных углеводородов или узких фракций.Примесь бензина или Других низкокипящих фракций в более тяжелых фракциях (при нечеткой ректификации) резко повышает разницу в температурах их вспышки в открытом и закрытом тиглях.Поэтому применяют перегонку с дефлегмацией или с ректификацией.Еще большей четкостью разделения характеризуется перегонка с ректификацией.Ректификация осуществляется и ректификационных колонках.Основой ректификации является контакт между восходящим потоком паров и стекающим вниз конденсатом — флегмой.Для успешного ведения процесса ректификации необходимо возможно более тесное соприкосновение между паровой и жидкой фазами.1) низкотемпературная ректификация — для сжиженных газов и фракций углеводородов, кипящих при температуре ниже 20° С;Л,' ; Низкотемпературная ректификация. По окончании перегонки подсчитывают выход этих продуктов в весовых процентах и затем перегоняют в аппарате низкотемпературной ректификации.Нагрев в колбе и охлаждение газа в конденсаторе ведут так, чтобы получить необходимое для ректификации количество орошения.Предусмотрена двухступенчатая ректификация с целью анализа газа и более тяжелых углеводородов,б) работающие с ректификацией (аппараты ГрозНИИ, ЦИАТИМ-58, АРН-2; помимо этого для выделения индивидуальных углеводородов и узких нефтяных фракций — аппараты четкой и сверхчеткой ректификации — Казанского, ЦИАТИМ-56, АЧР).Аппараты четкой ректификации (АЧР, Казанского и др.Для такой ректификации требуются аппараты с числом теоретических тарелок 50—100.Точность метода зависит от степени совпадения четкости ректификации в лабораторных и в заводских условиях, от того, насколько кривые разгонки ближе подходят к прямым линиям, насколько узка отбираемая фракция и как точно физико-химические свойства подчиняются правилу аддитивности.Циклогексан получают либо четкой ректификацией из легкого бензина, либо гидрированием химически чистого бензола.В настоящее|время промышленное применение получили четыре метода выделения нестабильного газового бензина: компрессионный, абсорбционный, адсорбционный, низкотемпературная конденсация или ректификация.Из процессов низкотемпературного отбензинивания промышленное применение получили раздельные или комбинированные процессы низкотемпературной конденсации и низкотемпературной ректификации.По методу низкотемпературной ректификации (рис.Достоинство низкотемпературной конденсации по сравнению с ректификацией заключается в том, что: 1) не весь газ, а только его сконденсированная часть проходит ректификационную колонну, что позволяет уменьшить ее диаметр; 2) содержание метана и этана в конденсате невелико, поэтому температура вверху колонны может быть более высокой, что уменьшает расход холода, и 3) сравнительно невысокиеПреимущества низкотемпературной ректификации следующие: 1) высокое извлечение целевых углеводородов из жирных газов; 2) гибкость процесса: изменяя температуру вверху колонны, можно в широких пределах изменять глубины извлечения пропана.Применение низкотемпературной ректификации рекомендуется при глубоком извлечении пропана и этана и выделении редких газов.Принципиальная схема установки низкотемпературной ректификации:Другой способ извлечения гелия основан на постепенном охлаждении природного газа и последовательной его перегонке с окончательной ректификацией в гелиевой колонне при температуре минус 170° С.Таким образом, промышленные процессы перегонки нефти основаны на сочетании перегонки с одно- и многократным испарением и последующей ректификацией паровой и жидкой фаз.Первичная переработка нефти для нефтяной фракции построить кривые разгонки с однократным испарением (ОИ) и с четкой ректификацией (НТК), то видно, что по кривой ОИ температура начала кипения выше, а конца кипения ниже, чем по кривой ИТК (рис.Использование в промышленности принципа перегонки с однократным испарением в сочетании с ректификацией паровой и жидкой фаз позволяет достигать высокой четкости разделения нефти на фракции, непрерывности процесса и экономичного расходования топлива на нагрев сырья.Для ректификации жидкой части сырья в нижней части ректификационной колонны под нижнюю тарелку необходимо вводить тепло или какой-либо испаряющий агент.Для хорошей ректификации жидкой фазы внизу колонны необходимо, чтобы примерно 25% ее переходило в парообразное состояние.
8. непрерывное испарение (прямоточная схема)

9. непрерывное испарение (противоточная схема)

10. Непрерывная конденсация (прямоточная схема)

11. непрерывная конденсация (противоточная схема)
12. Ректификация бинарной смеси.

Сущность и принципы ректификации

Рассмотренными методами простой дистилляции жидкая смесь, как было показано, поддается разделению на множество фракций различного состава, но не может быть разделена на индивидуальные компоненты. Впрочем, если дистиллят, полученный в процессе простой дистилляции, подвергнуть вторично простой дистилляции, вновь образовавшийся дистиллят опять подвергнуть той же обработке и т. д., то после некоторого числа таких операций можно получить маленькое количество практически чистого низкокипящего компонента. Этим же путем можно получить также небольшое количество практически чистого высококипящего компонента. Помимо низкого выхода практически чистых компонентов и необходимости установки большого числа дистилляционных кубов и конденсаторов, осуществление описанного процесса потребовало бы значительных расходов тепла и холода на многократное частичное испарение жидкостей и конденсацию паров.

Рис. XI-5. Ректификация бинарной жидкой смеси:

а — схема процессов: 1—4 — дистилляционные кубы; 5 — поверхность нагрева; 6 — конденсатор; 7—10 — паровые потоки; 11 — 14 — перетоки жидкости: 15 — отвод дистиллята (целевого продукта); 16 — возврат части дистиллята в первый куб; 17 — отвод кубового остатка; 18 — приток исходной смеси; 19, 20 — вход и выход охлаждающей воды; б — диаграмма t — х, у процесса: 1—4 — теоретические тарелки.

Гораздо проще и со значительно меньшими расходами тепла и холода бинарная жидкая смесь может быть полностью разделена на практически чистые низкокипящий (А) и вышекипящий (В) компоненты по схеме, представленной на рис. XI-5, а. Представим себе ряд террасно расположенных и теплоизолированных дистилляционных кубов, из которых самый нижний, снабженный поверхностью нагрева, наполнен исходной бинарной жидкой смесью. При частичном испарении последней образующиеся пары равновесного состава поднимутся в конденсатор, откуда конденсат будет стекать в верхний дистилляционный куб. Следующая порция паров до попадания в конденсатор будет уже контактировать с первым конденсатом и, придя в равновесие с ним, обогатится низкокипящий компонентом, образовав, следовательно, второй конденсат, который богаче первого по концентрации низкокипящего компонента. При этом первый конденсат вытеснится во второй (считая сверху) дистилляционный куб, уступив свое место более богатому 514 второму конденсату. Продолжая процесс, мы заполним все дистилляционные кубы до определенного уровня бинарными жидкими смесями (фракциями) с концентрациями низкокипящего компонента, уменьшающимися от верхнего куба к нижнему. Совершенно очевидно, что в результате перемещения низкокипящего компонента снизу вверх его концентрация в жидкости нижнего куба будет непрерывно понижаться. При достаточно большом числе дистилляционных кубов может быть достигнуто предельное состояние системы, когда в верхнем кубе сосредоточится практически чистый низкокипящий компонент, а в нижнем — высококи-пящий. Начиная с этого момента часть дистиллята после конденсатора можно отводить в качестве целевого продукта, обязательно возвращая остальную часть в верхний куб для поддержания в нем концентрации низкокипящего компонента, обеспечивающей требуемый равновесный состав уходящих паров (дистиллята). Очевидно, для сохранения стабильного режима в систему необходимо непрерывно вводить поток исходной бинарной смеси, отводя из нижнего куба вышекипящий компонент (кубовый остаток). Исходную смесь, естественно, вводят в тот промежуточный дистилляционный куб, где содержится жидкая смесь того же состава.

Температура кипения бинарной жидкой смеси взаимно растворимых компонентов, как известно, падает с ростом концентрации низкокипящего компонента (рис. XI-5, б). Следовательно, пары, образовавшиеся в любом дистилляционном кубе, контактируя с менее нагретой жидкостью соседнего вышерасположенного куба, конденсируются здесь, вызывая частичное испарение жидкости за счет выделившегося тепла конденсации. Благодаря такому совмещению процессов конденсации и испарения отпадает надобность в конденсаторах и испарителях при каждом кубе; вся система обслуживается одним конденсатором (после верхнего куба) и одним испарителем (в самом нижнем кубе).

В идеальном случае температуры жидкости и пара при их контакте в каждом кубе выравниваются, составы обеих фаз становятся равновесными, низкокипящий компонент (более летучий) диффундирует из жидкости в пар, а выше кипящий — из пара в жидкость. Такой однократный контакт жидкости и пара, завершающийся достижением фазового равновесия, называется, как уже отмечалось равновесной ступенью, или теоретической тарелкой. В нашем примере (рис. XI-5) число теоретических тарелок равно числу последовательно соединенных дистилляционных кубов. На рис. XI-5, б изображены в диаграмме t—x, у изотермы, соответствующие отдельным теоретическим тарелкам. Рассмотренный процесс разделения жидкой смеси называется ректификацией.

В технике каскад отдельных дистилляционных кубов заменяется барботажными, насадочными и пленочными колоннами, подробно описанными в главе X. Для осуществления процесса ректификации в отличие от абсорбции эти колонны снабжаются внутренними или выносными дистилляционными кубами (см. рис. XI-1, б) и конденсаторами.

На рис. XI-6 показана схема ректификационной установки, состоящей из колонны с выносным дистилляционный кубом (кипятильной камерой), конденсаторов и холодильников дистиллята

и кубового остатка. Узел конденсации показан в двух возможных вариантах. По первому из них пары, уходящие из колонны, полностью конденсируются в одном конденсаторе 3, откуда часть конденсата возвращается в колонну для поддержания постоянного состава

Рис. XI-6. Схема ректификационной установки:

/ — ректификационная колонна; 2 — выносной днстнлляцнонный куб; 3,4 — кон¬денсаторы; 5 — холодильник дистиллята; 6 — холодильник кубового остатка; 7,8 — вход греющего пара н выход конденсата; 9 — вход исходной смеси; 10 — пар из колонны; // — возврат дистиллята в ко¬лонну; 12, 13 — вход и выход дистиллята нз холодильника; 14, 15 — вход и выход охлаждающей воды; 12 — выход обога¬щенного дистиллята; 16 — поток пара; 17 — поток флегмы.

паров, а остальная часть охлаждается в холодильнике и отво¬дится в качестве конечного продукта (дистиллята). По вто¬рому варианту в конденсаторе 3 конденсируется лишь та часть паров, конденсат которых возвращается в колонну. Пар, обра¬зующий дистиллят, конденсируется в отдельном конденсаторе 4, откуда дистиллят отводится через холодильник (движение дистиллята показано пунктирными линиями). Совершенно оче¬видно, что в результате частичной конденсации пара в конденса¬торе 3 остаточный пар поступает в конденсатор 4 с несколько более высокой концентрацией низкокипящего компонента. В этом некоторое преимущество второго варианта, сопряженного, однако, с небольшим усложнением схемы и обслуживания установки.
13. конденсационные, отгонные и комбинированные колонны.

14. Определение числа тарелок в ректификационной колонне.

Рассмотрим процессы тепломассообмена, происходящие в верхней части колонны; тарелки, которые имеют лишь по одному колпачку (в реальных колоннах их бывает до 30).

Флегма (жидкая бинарная смесь), параметры которой определяются (т.11) на фазовой диаграмме, имеет концентрацию по летучему компоненту (Х11) и подаётся по патрубку (а) в колонну из дефлегматора. В колонне флегма вступает в тепломассообмен с паром, состояние которого определяется (т.8) – этот пар поступает из последней тарелки. В результате образуется влажный пар или смесь (состояние в (т.С1)). Эта смесь сепарируется на сухой пар (т.10), который уходит в дефлегматор через патрубок (б), а флегма (т.9) опускается вниз по перепускному патрубку на 2-ую сверху тарелку, где вступает в тепломассообмен с паром (состояние в (т.6)). В результате образуется смесь (т.С2). После разделения этой смеси флегма (т.7) и пар (т.8) и т.д.

Т.о. по мере опускания вниз содержание летучего компонента в флегме уменьшается, а пары, поднимающиеся по колонне вверх, вступающие в контакт с флегмой, обогащаются летучим компонентом. В этом и состоит принцип ректификации.

Графоаналитический метод, используемый для определения числа тарелок в ректификационной колонне, предусматривает ряд допущений:

1. Предполагается, что смесь вводится в колонну подогретой до температуры кипения жидкости на тарелке, на которую поступает смесь и за счёт тепла, выделяющегося при конденсации 1-ого моля пара испаряется 1 моль жидкости. При этом количество молей пара поднимающегося по колонне вверх и количество флегмы, стекающей вниз, остаётся постоянным для всех тарелок, изменяется лишь состав пара и флегмы;

2. Принимается, что конденсат в дефлегматоре имеет тот же состав, что и пар, поднимающийся с верхней тарелки колонны;

3. Теплота, необходимая для парообразования подводится к основанию колонны с помощью глухого пара так, что конденсат греющего пара не разжижает жидкости в нижней части колонны.

Для расчёта примем следующие обозначения:

Xn и Xm – молекулярное процентное содержание летучего компонента в жидкости на данной тарелке колонны в верхней части (Xn) и в нижней (Xm) (нумерация тарелок идёт сверху вниз);

Yn и Ym – молекулярное процентное содержание летучего компонента в парах, поднимающегося n-ой тарелки.

Должны быть заданы величины:

XF и Xd – молекулярное процентное содержание летучего компонента в готовом продукте (Xd) и в исходной смеси (XF);

R – число молей флегмы, поступающей в верхнюю часть колонны;

R' – число молей флегмы, поступающей в нижнюю часть колонны;

W – количество кубового остатка в молях, т.е. то что удаляется из колонны;

V – число молей пара, выходящего из последней тарелки колонны.

Все параметры рассчитываются на 1 моль готового продукта.

Для упрощения расчётов необходимо составить схему колонны с указание всех материальных потоков.

Пар в количестве (V) с концентрацией (у2) поступает со 2-ой тарелки на 1-ую. С 1-ой тарелки на 2-ую спускается флегма в количестве R с концентрацией (х).

При определении числа тарелок надо знать флегмавое число R. Если его изменять, то будет меняться положение рабочих линий. Если , отбор дистиллята, т.е. готового продукта не производится и рабочая линия NF совпадёт с диагональю, тогда говорят, что колонна работает сама на себя. Движущая сила процесса, определяемая отрезком будет максимальной.

С уменьшением R – уменьшается движущая сила процесса, а она определяется расстоянием между рабочей линией и равновесной линией. Дальнейшее уменьшение R ведёт к совпадению (т.F) с (т.F). Это положение рабочей линии соответствует минимальному значению R, т.е. обозначается.
15. Принципиальные схемы ректификационных колонн. Конденсационные колонны.

Для повышения холодильного коэффициента и уменьшения расхода охлаждающей воды между генератором и абсорбером устанавливают ТА, в качестве генератора или ректификационная установка.

Применяется переохлаждение жидкого аммиака.

генератор; конденсатор; вентиль; испаритель; абсорбер; перепускной вентиль; насос; теплообменник; дефлегматор.

В теплообменнике происходит передача тепла от горячего слабого раствора, выходящего из генератора, к холодному крепкому раствору из абсорбера. Благодаря этому крепкий раствор поступает в генератор подогретым. В результате уменьшаются затраты тепла в генераторе. Слабый раствор охлаждается, следовательно, уменьшается количество тепла, отводимого из абсорбера.

В генераторе при кипении выделяется не только аммиак, но и водяной пар. При низких температурах крепкого раствора содержание водяных паров мало. Но по мере обеднение раствора и повышения его температуры количество водяных паров становится значительнее. Так при давлении 10 ата=1 МПа и температуре 1200С концентрация аммиака 82% и 18% паров воды. Эти водяные пары конденсируются и превращаются в воду, следовательно, жидкость испаряется в испарителе при уменьшенном давлении. В конденсаторе и испарителе вода из водяного пара, имея низкую температуру, начинает поглощать пары аммиака, следовательно, уменьшается количество жидкого аммиака, производящего холод. Также при поглощении выделяется тепло, которое также уменьшает холодопроизводительность установки. Т.о. для борьбы с этими явлениями и для повышения холодопроизводительности применяется ректификация паров. Для чего на встречу выходящей из генератора паровой смеси направляют богатый аммиаком раствор. Между ними происходит тепломассообмен. В процессе тепломассообмена пары аммиака обогащаются летучим компонентом, а раствор не летучим, т.е. водой. В таких установках содержание водяного пара может достигать в парах, поступающих в конденсатор, величину менее 1%.

Ректификация абсорбционной холодильной установки осуществляется различными способами. Например, при помощи холодного раствора до его поступления в теплообменник или с помощью дефлегматора, охлаждающегося водой. Кроме того, до поступления паров в дефлегматор концентрация аммиака в парах в колонне значительно повышается. При этом колонна составляет одно конструктивное целое с генератором.

В ректификационной колонне процесс ректификации пара, уходящего из генератора в конденсатор, осуществляется за счёт соприкосновения его с крепким раствором из теплообменника и обогащённой аммиаком флегмой, поступающей из дефлегматора. Обогащение флегмы происходит вследствие частичной его конденсации в дефлегматоре с помощью охлаждающей воды или крепким раствором. Недостатком использования охлаждающей воды является увеличение расхода греющего пара в генераторе.
16. Принципиальные схемы ректификационных колонн. Отгонные колонны.

17. Аппараты с двукратной ректификацией.

18. Аппараты с двукратной ректификацией для помещений с ограничением по высоте.

19. аппараты с промежуточным отбором вещества.

20. Типы и конструкции тарелок ректификационных колонн.

Тарельчатые колпачковые колонны (рис. а) наиболее часто применяют в ректификационных установках. Конструктивная схема устройства колпачка и обозначения основных размеров приведены на рис. а.

Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования ее уровня на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др. Расчет основных размеров колпачков и некоторые рекомендации изложены в методике расчета тарельчатых колпачковых колонн.

Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобчатые, S-образные, чешуйчатые, провальные и другие конструкции тарелок. В расчетах необходимо учитывать особенности конструкций тарелок.

Клапанные тарелки (рис. 6) показали высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем. Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10—15% площади сечения колонны. Скорость пара достигает 1,2 м/с. Клапаны изготовляют в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним (рис. б) или нижним (рис. в) ограничителем подъема.

Тарелки, собранные из S-образных элементов, обеспечивают движение пара и жидкости в одном направлении, способствуя выравниванию концентрации жидкости на тарелке. Площадь живого сечения тарелки составляет 12—20% от площади сечения колонны. Коробчатое поперечное сечение элемента создает значительную жесткость, позволяющую устанавливать его на опорное кольцо без промежуточных опор в колоннах диаметром до 4,5 м.

Чешуйчатые тарелки подают пар в направлении потока жидкости. Они работают наиболее эффективно при струйном режиме, возникающем при скорости пара в чешуях свыше 12 м/с. Площадь живого сечения составляет 10% площади сечения колонны. Чешуи бывают арочными и лепестковыми; их располагают на тарелке в шахматном порядке. Простота конструкции, эффективность и большая производительность — преимущества этих тарелок.

Пластинчатые тарелки собраны из отдельных пластин, расположенных под углом 4—9° к горизонтам. В зазорах между пластинами проходит пар со скоростью 20 — 50 м/с. Над пластинами установлены отбойные щитки, уменьшающие брызгоунос. Эти тарелки отличаются большой производительностью, малым сопротивлением и простотой конструкции.

К провальным относят тарелки решетчатые, колосниковые, трубчатые, ситчатые (плоские или волнистые без сливных устройств). Площадь живого сечения тарелок изменяется в пределах 15—30%. Жидкость и пар проходят попеременно через каждое отверстие в зависимости от соотношения их напоров. Тарелки имеют малое сопротивление, высокий к. п. д., работают при значительных нагрузках и отличаются простотой конструкции.

Прямоточные тарелки обеспечивают длительное контактирование пленки жидкости с паром, движущимся со скоростью 14— 45 м/с. Площадь живого сечения тарелки достигает 30%.

21. Аппараты для очистки от механических примесей.

22. Очистка газовых смесей от СО2. Аппарат с горизонтальными барабанами.

23. Конструкции аппаратов для очистки от СО2. Аппарат с горизонтальными барабанами.

24. Вертикальные декарбонизаторы.

25. Скруберные установки.




26. Очистка газа от СО2 с помощью раствора моноэтаноламина.

В настоящее время в промышленной практике применяются в основном три метода очистки газа от СО2: водная, щелочная (NаОН или Nа2СОз) и моноэтаноламиновая.

Очистка газа водой осуществляется под давлением 12-30 атм и при этом степень очистки не превышает 80%. Метод требует больших расходов электроэнергии. Очистка газа щелочью является дорогостоящей операцией и поэтому применяется лишь для поглощения малых концентраций СО2. Наиболее совершенной является моноэтаноламиновая очистка, которая находит все более широкое применение.

Исследовали следующие методы: поглощение СО2 водноаммиачным раствором с одновременным полученим углеаммонийных солей; поглощение СО2 суспензией СаSO4 в аммиачной воде с одновременным получением сульфата аммония; поглощение СО2 раствором гидросульфида кальция с выделением в газовую фазу сероводорода; интенсификация процесса очистки газа от СО2 раствором моноэтаноламина в ротационных аппаратах, совместное поглощение СO2, Н2 и других кислых компонентов из коксового газа торфоаммиачным поглотителем в аппаратах с кипящим слоем. В первых двух случаях продукты очистки - углеаммонийные соли и сульфат аммония - являются удобрениями для сельского хозяйства. Третий метод является одной из стадий процесса синтеза тиомочевины. В последнем методе получается комбинированное органоминеральное удобрение.

Комбинирование процесса очистки газов от СО2 с получением углеаммонийных солей.

В настоящее время назрела необходимость в рационализации метода очистки синтез-газа от СО2. Сущность предлагаемого метода заключается в комбинировании процессов очистки азотоводородной смеси от СО2 с получением углеаммонийных солей. В этом случае поглощение СO2 из газа осуществляется водным раствором аммиака (или совместное поглощение NНз и СО2 водой) до компрессии газа.

По этому методу около 50% аммиака, производимого в системе, связывается с углекислотой, образуя углеаммонийные соли, а оставшиеся 50% NНз используются в качестве жидкого удобрения (в виде чистого аммиака или его водного раствора). Таким образом, получается короткая схема производства связанного азота. Еще более рационально совместить процесс синтеза аммиака с очисткой газа от СО2 и с производством мочевины. В этом случае вся продукция может быть получена в виде мочевино-углеаммонийных удобрений.

Поглощение СО2 водноаммиачной суспензией гипса с получением сульфата аммония. Одним из рациональных методов очистки азотоводородной смеси от СО2 является совмещение этого процесса с конверсией СаSO4 в сульфат аммония. Перспективность этого метода в том, что наряду с улавливанием СО2 из газа вырабатывается ценное удобрение без затрат на него дефицитной серной кислоты.

Так как конверсия гипса и абсорбция СО2 в обычных условиях протекает медленно, то для интенсификации этих процессов применены горизонтальные аппараты ротационного типа, в которых обеспечивалось интенсивное перемешивание газовой и жидкой фаз. По своей конструкции эти аппараты аналогичны механическим абсорберам с большим числом оборотов.

При осуществлении этого процесса в условиях высокотурбулентного режима при 30-35° С и атмосферном давлении можно осуществить практически полное поглощение СO2 из газа.

Абсорбция СО2 раствором гидросульфида кальция в условиях высокотурбулентного режима. В некоторых производствах (синтез тиомочевины и др.) в качестве побочного продукта (или отхода производства) получается гидросульфид кальция, который может быть использован, как эффективный поглотитель углекислого газа с одновременным выделением в газовую фазу сероводорода

Са (НS)2 + СО2 + Н2О = СаСОз + 2Н2S.

Полученный таким образом сероводород может быть использован для получения тиомочевины, серной кислоты, элементарной серы и других ценных продуктов.

Интенсификация абсорбции СО2 раствором моноэтаноламина в механических абсорберах. Поглощение СО2 из газов моноэтаноламином нашло широкое применение в технике. Этим путем осуществляется получение чистого СО2, или очистка технологических газов от СO2, или сочетание того и другого.

С целью интенсификации процесса абсорбции СО2 раствором моноэтаноламина насадочные аппараты заменялись горизонтальными механическими абсорберами с большим числом оборотов.

В условиях высокотурбулентного режима, создаваемого в механических абсорберах, скорость абсорбции CO2 раствором моноэтаноламина резко возрастает.

Совмещение процесса очистки азотоводородной смеси от СО2 с получением аммиачной селитры. Помимо непосредственного получения и применения углеаммонийных солей процесс очистки азотоводородной смеси от СО2 может быть совмещен с получением аммиачной селитры и чистого CO2.

Образование аммиачной селитры протекает при взаимодействии углеаммонийных солей с азотной кислотой по уравнениям

NH4НСО3 + НNОз = NH4NO3 + Н2О + СО2;

(NH4)2 СОз + 2 HNO3 = 2 NH4 NO3 + 2H2O + СО2.

Выделяющаяся по этой реакции углекислота может быть применена для синтеза мочевины и других технологических целей, а аммиачная селитра - в виде жидких удобрений, или в виде твердой соли после выпарки и грануляции.

Помимо указанных здесь методов разработан способ комплексной очистки коксового газа от H2S, СО2 и других кислых компонентов торфощелочным поглотителем в аппаратах с кипящим слоем. Этот процесс осуществляется непрерывно и одностадийно в одном аппарате.
27. Осушка воздуха.

Осушка воздуха требуется практически всегда после того как отделены мелкие капли и основные механические примеси. Осушка воздуха наиболее дорогостоящая часть подготовки воздуха. Стоимость осушки воздуха при достижении точки росы -20-40° С составляет более 20% от общей стоимости выработки сжатого воздуха, а осушка воздуха до +3° С - менее 10%.

Осушка воздуха основана на конденсации влаги при соприкосновении воздуха с холодной поверхностью. При процессе осушки воздух c помощью вентилятора подается из помещения на испаритель (радиатор, который находится при пониженной температуре). При этом воздух охлаждается, влага из воздуха конденсируется и стекает в поддон. После отделения влаги воздух нагревается входным воздухом через дополнительный теплообменник. Энергия затрачивается только на преодоление неидеальности теплообменников и на конденсацию воды. От качества теплообменников зависит эффективность осушителя и эксплуатационная стоимость.

Одним из основных параметров системы осушки воздуха является наличие системы регулирования производительности холодильного контура и стабильность работы осушителя (при отклонении от стандартных условий). Многие дешевые системы осушки воздуха не оборудованы таким контуром.

Когда компрессорная станция (централизованное снабжение сжатым воздухом) находится в другом здании, для избежания замерзания воды в трубопроводах в зимнее время необходимы системы адсорбционной осушки.

Основной сложностью при выборе и эксплуатации систем осушки воздуха является высокая стоимость измерения параметров воздуха на выходе из блока осушки воздуха. Зачастую такой измеритель дороже самой осушки воздуха и не устанавливается на системы малой производительности.

Главной характеристикой системы осушки воздуха является производительность. Она определяет сколько воды в единицу времени сможет удалить осушитель воздуха (при определенной температуре и влажности воздуха).


3.1. Принцип действия и устройство регенераторов

В связи с тем, что условия работы ВРУ и ГХМ различны, существенно отличается также и устройство регенераторов этих установок.

В ВРУ применение регенераторов обеспечивает не только охлаждение прямого потока воздуха до необходимой температуры, но и делает возможным эффективную очистку его от влаги и двуокиси углерода путем вымораживания последних на насадке.

Для того, чтобы процессы тепло- и массообмена^в регенераторах протекали непрерывно, для каждой пары взаимодействующих потоков газа («воздух — азот» или «воздух — кислород») необходимо иметь не менее двух аппаратов.

Схема включения регенераторов ВРУ показана на рис. 3.1. В течение первого периода сжатый компрессором до давления около 0,6 МПа прямой поток воздуха проходит через насадку регенератора / и нагре-' шает ее, охлаждаясь при этом до температуры, близкой к температуре насыщения. Обратный поток холодного газа (в рассматриваемом случае—азот), давление которого составляет, как правило, 0,12— 0,13 МПа, омывает в это время насадку регенератора 2, охлаждая ее до определенной температуры. Температура обратного потока после регенератора достигает значения "Твоего лишь на несколько градусов ниже начальной температуры воздуха.

По истечении 3—9 мин, соответствующих продолжительности периода (полуцикла), с помощью системы клапанов осуществляется переключение потоков: охлаждаемый воздух поступает в «холодный» регенератор 2, а азот — в «теплый» регенератор /.

Пары воды и двуокись углерода, содержащиеся в прямом потоке воздуха в массовых количествах, примерно равных 5-10"1 и 5-10~2%
соответственно, при охлаждении конденсируются и кристаллизируются? на поверхности холодной насадки, а затем, во втором полуцйкле, испаряются и возгоняются вследствие малых парциальных давлений рн^ и рсо в обратном потоке газа и выносятся из регенераторов.

Недостатком регенераторов является наличие системы клапанов,, усложняющих их конструкцию и эксплуатацию, а также потери сжатого воздуха при переключении потоков.

Главным элементом регенераторов, определяющим в основном эффективность их работы, является насадка.

В регенераторах современных ВРУ применяются насадки двух типов: диски из алюминиевой гофрированной ленты (рис. 3.2) и насыпная насадка из базальта или-кварцита с размерами гранул 4—14 мм.

В табл. 3.1 приведены характеристики насадок из гофрированной алюминиевой ленты [100].

Для уменьшения осевой теплопроводности насадки на алюминиевой ленте в ряде случаев делают продольные прерывистые прорези, число • которых может быть различным в зависимости от высоты дисков. Длина каждой прорези обычно составляет 50 мм, а интервал между ними / 10 мм. Расстояние между рядами прорезей по высоте диска выбирают равным 8—12 мм.

Корпус регенератора, внутри которого укладываются диски из алюминиевой ленты, выполняется сварным из листовой хромоникелевой детали толщиной 10—12 мм. Для того, чтобы исключить смещение насадки, диски размещаются между решетками и стягиваются болтами.





В азотных регенераторах в средней части насадки устраивается зазор, в зоне которого в корпус вварен штуцер для вывода петлевого воздуха (рис. 3.3) с целью предотвращения забиваемости регенератора кристаллами СО2 (см. § 3.6).

Насадка регенераторов обычно выполняется секционированной, состоящей из трех-четырех поясов. Верхний пояс заполняется дисками из алюминиевой ленты с крупными гофрами с целью увеличения живого сечения и уменьшения гидравлического сопротивления для прохода теп-лсцх) газа, имеющего наибольший удельный объем. В направлении •к холодному концу удельный объем проходящего через регенератор газа уменьшается, поэтому уменьшаются и размеры гофра каждого из расположенных ниже поясов Насадки. В нижнем поясе часто используют насыпную' каменную насадку, которая обеспечивает более высокую очистку воздуха от примесей по сравнению с дисковой насадкой, что объясняется протеканием процесса адсорбции газообразных компонентов воздуха на поверхности гранул базальта или кварцита.

Экспериментально установлено, что наиболее эффективной является насадка из ленты толщиной 0,65 мм, высотой 50 мм, с шагом рифления 5—6 мм, углом наклона гофра 60°, количеством прорезей в ленте, равным 6, и расстоянием между прорезями 8—9 мм.



В ряде крупных установок применяется лента шириной 115 мм с девятью рядами прорезей.

Регенераторы с насыпной каменной насадкой менее эффективны, чём! с дисковой. Однако их применение в схемах ВРУ дает возможность получать .часть продуктов разделения (азота и кислорода), не загрязненных примесями. Это достигается путем использования встроенного в насадку змеевика, через который отводится часть обратного потока, не участвующего в процессе удаления из объема регенератора возгоняемых СО2 и Н2О.

На рис. 3.4 показано устройство регенератора со встроенными змеевиками и каменной насадкой. Регенератор состоит из металлического корпуса 1, внутри которого смонтирован змеевик 2 из алюминиевых труб. Положение змеевика фиксируется кольцом, приваренным к внутренней поверхности ко'рпуса. Гранулы базальта или кварцита засыпаются в корпус регенератора-через штуцер 7. Объем насадки сверху и снизу ограничен дырчатыми о'бечайкой 4 и конусом 5, обтянутыми сеткой 6 из нержавеющей стали. Сетки выполняют роль фильтра и недопускают попадания в поток газов мелких камней и пыли. Удаление насыпной насадки 3 из регенератора осуществляется через штуцер <§. Взаимодействующие прямой и обратный потоки газов поступают в насадку и отводятся из нее через штуцера 12 и 13. При этом часть обратного потока подается в змеевик через штуцер 10 и в чистом виде выхо-

дит из регенератора через штуцер 11. Отбор петлевого воздуха осуществляется через коллектор 9. Вследствие низкого коэффициента теплоотдачи к наружной поверхности труб, отложения на них кристаллов воды и двуокиси углерода и малых значений температурного напора между внешним и внутренним потоками газов (в большей степени это относится к периоду холодного дутья) интенсивность теплопередачи через стенку змеевика низка. Это приводит к увеличению размеров змеевика и, следовательно, регенератора в целом в 5—б раз по сравнению с регенератором с насадкой из алюминиевой ленты. По этой же причине недорекуперация чистых продуктов в 2—3 раза больше недорекупера-ции обратного потока, проходящего через каменную насадку.

Продолжительность дутья вследствие большой массы насьщной насадки возрастает до 9—10 мин; что заметно снижает взаимные перетоки газов при переключении потоков, облегчает работу системы клапанов и упрощает условия регулирования температурного режима регенераторов.

Используемые в регенераторах в качестве материала насадки базальт и кварцит обладают высокой прочностью, малой истираемостью, большой плотностью и теплоемкостью (табл. 3.3).

Средние свободный объем и плотность насыпных каменных насадок практически не зависят от размера гранул и примерно равны 0,42 м3/м3 и 1740 кг/м3.

Удельная площадь поверхности насадки. 5Т, являющаяся функцией среднего размера гранул с1, может быть найдена х: помощью экспериментально установленной зависимости, представленной на рис. 3.5.




Живое сечение для прохода газа в каменных насадках в среднем в 1,5 раза меньше, чем в дисковых. Вследствие этого для получения приемлемых гидравлических сопротивлений скорость потока газа при нормальных условиях, отнесенная к полному сечению генератора, должна быть уменьшена в 2—2,5 раза (1—1,2 м/с). Соответственно и диаметр корпуса регенератора с насыпной насадкой должен быть увеличен по сравнению с регенератором, насадка которого выполнена из алюминиевой ленты. Изменение температуры каменной насадки АГН за период т обычно лежит в пределах 35—45 К.


Рис. 3.5. Зависимость удельной поверхности 5Т насыпных насадок от размера гранул и.

Как указывалось ранее (§ 2.9), регенераторы с насыпной насадкъй по своим технико-экономическим показателям уступают пластинчато-ребристым реверсивным теплообменникам, использование которых в ВРУ

в целях получения чистых продуктов разделения предпочтительнее.
Необходимо однако, учитывать, что применение реверсивных тепло
обменников требует более высокой надежности системы переключе
ния газовых потоков и автоматической стабилизации температурного
режима из-за повышенной опасности попадания больших- количеств

Роль тепломассобменных аппаратов в низкотемпературной технике
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации