Сравнительная оценка и выбор конструкций теплообменных аппаратов

Выбор наиболее подходящего для тех или иных условий теплообменного аппарата производится в соответствии с требованиями, которым он должен удовлетворять. При этом должны быть учтены: тепловая нагрузка аппарата, температурные условия процесса, физико-химические параметры рабочих сред, характер гидравлических сопротивлений, род материала и его защита от коррозии, расположение аппарата, взаимное направление движения рабочих сред, возможность очистки поверхности теплообмена от загрязнений, простота и компактность устройства и т.п.

В качестве паро- жидкостных подогревателей чаще всего используют многоходовые (по трубному пространству) кожухотрубные теплообменники. Они же часто используются и в качестве конденсаторов.

В качестве жидкостно-жидкостных или газо-газовых теплообменников лучшие результаты показывают элементные аппараты. Если установка элементных теплообменников оказывается слишком громоздкой (при больших поверхностях нагрева), то их можно заменить многоходовыми кожухотрубными аппаратами.

Использование трубчатых теплообменников рекомендуется также в тех случаях, когда при больших расходах рабочих сред нет необходимости в создании большого числа ходов в межтрубном пространстве аппаратов, либо если по температурным условиям необходима компенсация тепловых деформаций.

Область применения погружных, оросительных и аппаратов с рубашкой ограничивается установками с малыми тепловыми нагрузками (иногда периодического действия) или устройствами для нагревания или охлаждения веществ, оказывающих активное химическое воздействие на материал поверхности теплообмена, когда по своим механическим качествам эти материалы не допускают изготовления трубчатых или элементных аппаратов.

При выборе трубчатых теплообменников к аппаратам нежесткой конструкции (с подвижной трубной решеткой) рекомендуется прибегать лишь в случаях действительной необходимости, стараясь в первую очередь ограничиваться значительно более простыми теплообменниками. В элементных теплообменниках также следует избегать устройства подвижных трубных решеток, так как это приводит к значительному удорожанию аппаратов. Их используют в основном в реакционных и контактно-каталитических процессах, протекающих при высоких температурах, когда необходимо надежно обеспечить свободное удлинение всех труб, не считаясь с удорожанием аппарата и более трудным его монтажом.

Основными преимуществами спиральных и пластинчатых теплообменников являются компактность и высокая интенсивность теплообмена. Однако их применение ограничено небольшими разностями давлений и температур теплоносителей. Спиральные теплообменники используются для нагревания и охлаждения жидкостей, газов и паро-газовых смесей. Область применения пластинчатых теплообменников – процессы теплообмена между жидкостями и между жидкостью и паром.

Подвод и отвод рабочих сред рекомендуется выполнять с учетом простоты и удобства соединений аппарата с трубопроводами. Исключения составляют лишь устройства для отвода из паровых камер аппаратов неконденсирующихся газов и конденсата. Отвод конденсата производится всегда из нижней части паровой камеры.

Выбор направления движения рабочих сред необходимо производить так, чтобы вынужденное движение жидкости или газа по возможности совпадало с направлением свободного движения: при нагревании – снизу вверх, при охлаждении – сверху вниз. Взаимное направление движения рабочих сред в тех случаях, когда обе среды не изменяют своего агрегатного состояния, целесообразно большей частью выбирать по принципу противотока. При изменении агрегатного состояния одной из сред это не имеет значения.

При выборе пространства для движения рабочих сред (в трубках или межтрубном пространстве) необходимо учитывать условия теплообмена, возможность очистки поверхности теплообмена от загрязнений, давление и температуру рабочих сред, и их корродирующее воздействие на материал стенок аппаратов.

Большое значение при выборе типа теплообменника имеет стоимость изготовления аппарата, а также эксплуатационные расходы, складывающиеся из стоимости амортизации аппарата и стоимости энергии, затрачиваемой на преодоление гидравлических сопротивлений.

Некоторые из приведенных условий выбора теплообменника могут противоречить друг другу; в таких случаях следует выбирать те условия, которые дают наибольший технико-экономический эффект.

Список литературы к главе 8

1. Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А. и др. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. – М.: Логос; Высшая школа, 2002. – Кн. 1. 912 с.

2. Барановский Н.В., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. – М.: Машиностроение, 1973. – 288 с.

3. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1981. – 812 с.

4. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1995. – 768 с.

5. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергия, 1969. – 440 с.

6. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1971. – 784 с.

7. Кичигин М.А., Костенко Г.Н. Теплообменные аппараты и выпарные установки. – М.-Л.: Энергия, 1955. – 392 с.

8. Пери Дж. Справочник инженера-химика. Пер. с англ./Под ред. Н.М. Жаворонкова. – Л.: Химия, 1969. – 1144 с.

9. Стабников В.С., Баранцев В.И. Процессы и аппараты пищевых производств. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. – 328 с.

10. Товажнянский Л.Л., Анипко О.Б., Капустенко П.А. Теплопередача в аппаратах химической технологии. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2002. – 150 с.

11. Товажнянский Л.Л., Капустенко П.А., Хавин Г.Л, Арсеньева О.П. Пластинчатые теплообменники в промышленности. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2004. – 232 с.

12. Хоблер Т. Теплопередача и теплообменники. Пер. с польск./Под ред. П.Г. Романкова. – Л.: Госхиммздат, 1961. – 820 с.

Глава 9

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ИНТЕГРАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

Большинство стран в настоящее время испытывают острый дефицит в собственных энергетических ресурсах. В то же время, исходя из объемов производства на душу населения, потребление энергоресурсов во многих случаях на 30 – 50% больше, чем это необходимо по балансовым показателям производства. Эти цифры показывают наличие большого энергосберегающего потенциала в целом и в химических производствах в частности.

Вопросам энергосбережения всегда уделялось большое внимание, а с учетом непрерывного и ускоряющегося роста цен на основные виды топлива, задача сокращения потребления топливно-энергетических ресурсов приобретает все большую актуальность.

Предприятия химической промышленности являются крупными потребителями энергетических и материальных ресурсов, которые используются как в виде сырья для производства готовых продуктов, так и в виде энергии, необходимой для реализации технологических процессов.

Современное химическое производство обычно представляет собой совокупность большого количества аппаратов, машин и других устройств, имеющих сырьевые, энергетические, транспортные и информационные связи, поэтому рассматривать такой объект надо как систему.

Под системой понимают совокупность элементов и связей между ними, которые функционируют как единое целое.

Химико-технологическая система (ХТС) – совокупность аппаратов, машин, других устройств (элементов) и материальных, тепловых, энергетических и других потоков (связей) между ними, которая функционирует как единое целое и предназначена для переработки исходных веществ (сырья) в продукты.

Кроме поступающих извне, многие производства располагают внутренним теплом экзотермических процессов и вторичных энергоресурсов, использование которых может обеспечить значительное уменьшение энергозатрат на производство в целом.