Окончание табл. 4

4.КОНСТРУКТИВНЫЕ УЗЛЫ

4.1.Элементы поверхности теплообмена вертикальных котлов

Большинство химических процессов протекает с выделением или по- глощением тепла. Достаточно часто в реакторе необходимо держать режим, близкий к изотермическому, поэтому приходится предусматривать теплооб-

27

мен между реакционной массой и теплоносителем. Чаще всего теплообмен происходит через разделяющую теплоносители стенку, т.е. рекуперативно.

Теплообменными поверхностями обычно являются наружные поверхно- сти аппаратов, снабженные рубашками. Если наружные поверхности реакто- ров недостаточны, то при невысокой вязкости получаемых продуктов внутри аппаратов устанавливают дополнительные поверхности – змеевики, стаканы.

C точки зрения удобства обслуживания, очистки реактора и простоты его конструкции предпочтительнее наружные теплообменные элементы (ру- башки и приварные элементы). Однако их поверхность теплообмена ограни- чена наружной поверхностью аппарата. Кроме того, коэффициент теплоотдачи к наружным теплообменным элементам примерно в два раза ниже, чем к внут- реннему змеевику.

Рис. 1. Внешние теплообменные поверхности: а – аппарат с рубашкой;

б– аппарат снабженный змеевиками; в – аппарат со змеевиками залитыми в стенки;

г– аппарат снабженный рубашками с «вмятинами»

28

Реакционные аппараты имеют самые различные теплообменные устрой- ства. На рис. 1 приведены примеры внешних теплообменных поверхностей.

Применяются рубашки (а), змеевики приваренные к стенкам котла (1,б) или залитые в стенки котла (в) (нагревание по Фредеркингу), нагревание труб- ками Симка, нагревание посредством приваренных полутруб (2,б), железных приваренных секций, сварных стенок, называемых рубашками с «вмятинами»

(г).

Конструкции теплообменных рубашек зависят от параметров теплоноси- телей или хладоагентов. При давлениях обогревающей или охлаждающей сре- ды 0,8-0,9 МПа применяются гладкие рубашки, при давлениях до 2,7 МПа – змеевиковые рубашки, изготовленные из прокатных профилей: труб, уголков и т.п., а также рубашки со вмятинами и, например, каркасные.

Гладкие рубашки. Такая рубашка по своей конструкции повторяет по форме обогреваемый реактор (рис. 2). Рубашки выполняются из листовой стали и стан- дартных стальных выпуклых днищ. Обычно рубашку приваривают на 80-150 мм ниже соединения с корпусом, но в некоторых случаях, когда коэффициент за- полнения аппарата невелик, а обогрев или охлаждение верхней незаполненной его части нежелательны, рубашку делают небольшой по высоте.

.

В пространство между корпусом реактора и рубашкой подается теплоно- ситель. Пар подают в нее через верхний штуцер, а конденсат отводят через ниж- ний. Жидкие теплоносители вводят через нижний штуцер, а выводят через верх- ний.

Диаметр рубашки обычно принимают на 50-100 мм больше диаметра реак- тора. Таким образом, зазор между корпусом аппарата и рубашкой колеблется в пределах от 25 до 150 мм. Зазоры между стенками стараются сделать минималь- ными, чтобы увеличить скорость теплоносителя. Большие зазоры характерны для парообразных теплоносителей.

29

Рубашки стальных и чугунных аппаратов выполняются сварными из листовой стали и стальных выпуклых днищ. К остальным сварным котлам они крепятся различными методами. Крепление гладких рубашек к корпусу реакто- ров может быть разъемным и неразъемным.

Разъемное крепление применяют для аппаратов, работающих в тяжелых условиях, когда необходимо периодически контролировать поверхность нагре- ва, очищать ее. Конструкция разъемного крепления рубашки к корпусу представ- лена на рис. 3.

Недостатком такой конструкции является наличие дополнительного флан- цевого соединения, что ведет к увеличению расхода материалов и веса реактора. К котлу приваривается фланец 3, к которому на болтах крепится рубашка, фла- нец 3 приваривается на 50-100 мм ниже уровня жидкости в аппарате. Следует заметить, что фланец для крепления рубашки на чугунных аппаратах отливается заодно с корпусом. Этот способ крепления позволяет легко осуществить монтаж и демонтаж рубашки. Если требуется, чтобы рубашка полностью покрывала бо- ковую поверхность реактора, то ее крепят прямо к фланцу аппарата, как показа- но на рис. 4.

Более простым и надежным является неразъемное соединение крышки ре- актора с обечайкой рубашки сваркой, которую осуществляют с помощью от- бортовки (рис. 5, а) или приварного кольца (рис. 5, б).

Крепление рубашек кольцами экономически выгодно в условиях мелкосе- рийного и индивидуального производства, так как это не требует применения до- рогостоящей оснастки. Недостатком конструкции 5, б является высокая концен- трация напряжений в месте приварки кольца к корпусу и к рубашке, а также по- вышенный расход металла и увеличение веса реактора.

Поэтому более удобны плавные конические переходы, называемые ворот- никами, которые являются и компенсаторами температурных удлинений (рис. 5, а). Кстати, этот компенсатор необходим и тогда, когда конус изготовлен из стали Х18Н9Т, а корпус рубашки из стали Ст.З.

Для изготовления воротников требуется специальная оснастка, что эконо- мически выгодно при серийном их производстве.

30

При больших давлениях в рубашке, особенно при отсутствии крепления рубашки к днищу аппарата, когда уравновешиваются силы давления, стремя- щиеся вытолкнуть корпус аппарата из рубашки, это соединение неприменимо.

Наличие рубашки усложняет крепление нижнего спускного штуцера. При

небольшой разнице линейных удлинений рубашки и корпуса возможна приварка штуцера одновременно к корпусу и рубашке.

Для удаления инертных газов, создающих подушку, которая исключает часть теплообменной поверхности из процесса теплообмена, в верхней части рубашки предусматривается продувочный штуцер.

Гладкая рубашка изготавливается из углеродистой стали. Однако следует учитывать, что приварка углеродистой стали к корпусу из нержавеющей стали небольшой толщины (3-6 мм) может ухудшить антикоррозионные свойства ме- талла корпуса. Поэтому, когда среда обладает значительной агрессивностью или требуется высокая чистота продукта, приварка рубашки из стали Ст.З к корпусу аппарата из стали Х18Н9Т, например, без промежуточной детали из нержавеющей стали, недопустима.

Змеевиковая рубашка. Она представляет собой спираль из прокатного про- филя, приваренную к корпусу аппарата. Приваривать спираль виток к витку не следует, так как это ведет лишь к перерасходу металла, усложняет изготовление аппарата, повышает гидравлическое сопротивление теплообменного устройст- ва.

Участок внутренней поверхности корпуса между витками рубашки можно рассматривать как ребра, от шага змеевика зависит длина ребер. Такие аппараты легче, чем аппараты с гладкими рубашками, так как толщина корпуса и рубашки в первом случае меньше, чем во втором. Приварные элементы располагаются на поверхности аппарата по-разному — в виде спирали, навитой на цилиндриче- ский корпус аппарата, или зигзагообразно по образующей цилиндра.

В тех случаях, когда не требуется большой поверхности теплообмена или когда теплоноситель находится под большим давлением, применяют приварные теплообменные элементы в виде труб или полутруб (рис. 6). Возможно также применение приварных элементов из проката — швеллеров (рис. 6, б) или уголков. Минимальное расстояние между приварными элементами определяют из условий доступа к сварным швам.

Рис. 6. Реактор со змеевиковой рубашкой

31

На практике обычно не бывает необходимости устанавливать теплооб- менные элементы очень близко, так как благодаря хорошей теплопроводности металла участки стенки, прилегающей к приварному элементу, также участву- ют в теплообмене.

Преимуществом змеевиковых рубашек по сравнению с гладкими является также большая скорость теплоносителя, что позволяет интенсифицировать тепло- обмен со стороны теплоносителя к стенке рубашки, когда коэффициенты тепло- отдачи либо одинаковы, либо отличаются незначительно.

Недостаток змеевиковой рубашки - большой объем сварочных работ. Кро- ме того, приварка такой рубашки из углеродистой стали к корпусу из нержавею- щей стали толщиной меньше 5 мм резко снижает антикоррозионные свойства металла корпуса.

Рубашки с вмятинами. Такие рубашки имеют форму аппарата, но отлича- ются от нее рядом вмятин, которые расположены в определенном порядке (рис. 7). При значительном диаметре аппарата и повышенном давлении в рубашке толщина стенки аппарата, нагруженного наружным давлением, получается значи- тельной. Чтобы уменьшить толщину стенки, применяют рубашки с вмятинами.

Рис. 7. Рубашка с вмятинами

Для этого на их поверхности делают круглые отверстия, края которых отги- бают и приваривают к корпусу аппарата точечной сваркой. Корпус реактора ока- зывается жестко связанным с корпусом рубашки. Расстояние между корпусом рубашки и стенкой корпуса реактора – 20-30 мм. Шаг вмятин 120-200 мм (в зави- симости от давления). Рубашку с вмятинами применяют при давлениях в ней до

3-4 МПа.

При расчете аппарата на прочность стенку его можно рассматривать как состоящую из отдельных пластин, укрепленных анкерными связями. Это по- зволяет уменьшить толщину стенок аппарата и рубашки.

Интенсификация теплообмена в такой рубашке невелика по сравнению со змеевиковой рубашкой. Однако объем сварочных работ при изготовлении такой рубашки по сравнению со змеевиковой значительно меньше.

Недостатком такой конструкции рубашки является также большой объем работ по отбортовке отверстий, выполняемых вручную. Достоинство - возмож- ность значительно снизить толщину стенок корпуса реактора и рубашки.

32

Каркасная рубашка. Она приваривается к кольцам жесткости, выполнен- ным из уголков или полос. Расстояние между кольцами жесткости выбирается таким образом, чтобы обечайка корпуса в пролете между ними работала в усло- виях простого сжатия. Это позволяет изготовлять корпус реактора минимальной толщины, как и в случае со змеевиковой рубашкой. В каркасных рубашках ин- тенсифицируется теплообмен со стороны теплоносителей, но этот эффект ниже, чем при изготовлении змеевиков.

Змеевики и стаканы. Они устанавливаются внутри аппаратов при недоста- точной внешней поверхности и невысокой вязкости реакционной массы. Змееви- ки обычно изготовляют из стальных, алюминиевых, свинцовых труб. Витки змеевиков крепятся к специальным стойкам хомутиками (рис. 8,а) или отрезка- ми труб (рис. 8, б).

Рис. 8. Крепление змеевиков к стойкам

Трубы змеевиков (для входа и выхода теплоносителя) выводят из реактора через крышку и крепят так, как показано на рис. 9.

Рис. 9. Вывод змеевика через крышку аппарата:

1 – верхний фланец змеевика; 2 – нижний фланец змеевика; 3 – фланец штуцера; 4 – штуцер

Длинные змеевики применять невыгодно, так как в нижних витках при па- ровом обогреве может скапливаться конденсат, в результате чего значительная

33

часть поверхности змеевика не будет участвовать в процессе теплообмена. Из длинных змеевиков также затруднительно удалять инертные газы. Обычно змее- вики делят на несколько секций, включаемых параллельно, но это усложняет конструкцию.

Змеевики для обогрева котлов изготавливаются из стали, свинца, алю- миния и сплавов титана.

Стаканы изготовляют из листовой стали, и они могут применяться при бо- лее высокой вязкости, чем змеевики. Однако удельная поверхность теплообмена ниже, чем змеевика.

Методы обогрева. Обогрев реакторов жидкими и парообразными теплоноси- телями может быть местным, циркуляционным и смешанным.

При местном обогреве источник тепла находится непосредственно в рубаш- ке. Обычно он представляет собой пакет электрообогревательных элементов. При этом методе обогрева можно применять лишь гладкие рубашки. Обогрев элек- трическим током можно разделить на обогрев при помощи нагревателей элек- тросопротивления и индукционный обогрев. При индукционном обогреве сна- ружи или внутри аппарата устанавливается индуктор, вследствие чего стенка ап- парата равномерно разогревается.

При циркуляционном обогреве теплоноситель подогревается в котле и цир- куляционным насосом подается в рубашку, откуда обратно поступает в котел. Недостаток - наличие циркуляционной системы и трубопроводов, что обусловли- вает повышенное потребление тепла в окружающую среду.

Теплоносители.. Применяемые в химической промышленности теплоноси- тели должны отвечать следующим требованиям:

-достижение высоких температур при собственных низких давлениях;

-большая термическая устойчивость, определяющая рабочий диапазон тем- ператур;

-отсутствие корродирующего воздействия на материал оборудования;

-высокий коэффициент теплоотдачи к стенке поверхности теплообмена;

-высокий коэффициент полезного действия;

-большая удельная теплота испарения;

-отсутствие токсичных свойств, взрыво- и пожаробезопасность при экс- плуатации;

-доступность и низкая стоимость теплоносителя.

Рассмотрим некоторые виды теплоносителей.

Наиболее распространенными теплоносителями являются водяной пар, элек- трический ток, топочные газы и высокотемпературные органические теплоноси- тели (ВОТ).

Водяной пар. Это один из наиболее эффективных теплоносителей для на- гревания реакционных масс до 160-165 °С.

При избыточном давлении 0,81 МПа температура насыщенного пара 175 °С, теплота конденсации 2040 кДж/кг; при давлении 2,0 МПа температура насыщенного пара около 200 °С. Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке при конденсации колеблется от 3500 до 11500 Вт/(м2 • К) в зависимости от

34

скорости движения пара, его давления и средней разности температур между паром и стенкой.

Из турбин ТЭЦ, как правило, отбирают пар давлением 0,3 – 0,55 МПа. Пар более высокого давления (до 4,0 МПа) отбирают непосредственно из па- ровых котлов. В реакционных аппаратах пар высокого давления подают в пог- ружные или приварные змеевики, в рубашки со «вмятинами».

Внекоторых случаях применяют пар давлением примерно 0,05 МПа, кон- денсирующийся при 80 °С, что позволяет вести процесс с высокой эффектив-

ностью в мягких температурных условиях. Коэффициент теплоотдачи от «ва- куумного» пара к стенке составляет 2300 - 7000 Вт/(м2 • К).

При использовании насыщенного водяного пара в качестве теплоносите-

ля достигаются легкость и точность регулирования температуры в реакторе выбором необходимых параметров и расхода пара. Высокое значение удельной теплоты конденсации, коэффициента теплоотдачи при конденсации обеспечи- вает компактность теплообменных устройств. Элементы поверхности теплооб- мена, в которых используют насыщенный водяной пар, должны быть рассчита- ны на избыточное давление, что, в свою очередь, определяет их конструктив- ное оформление.

Втехнологии органического синтеза давление применяемого пара огра- ничено примерно 4,0 МПа и, следовательно, достигаемая при этом температу- ра- обогреваемой массы не превышает 220 – 230 °С.

Достижение более высоких температур обеспечивается применением то- почных газов, высококипящих органических теплоносителей (ВОТ), нитрит- нитратной смеси (для контактно-каталитических процессов) и электрообогрева.

Топочные газы. Их получают сжиганием природного газа, генераторного газа или мазута в токе воздуха в специальных печах, в которых установлены и реакционные аппараты. Температура топочных газов 500 – 800 °С, температу- ра реакционных смесей в аппаратах — 300 – 350 °С. При таком большом пере- паде температур через стенку возможны местные перегревы и пригорания ре- акционной массы к стенке аппарата. Чтобы избежать этих нежелательных про- цессов, аппаратуру часто не устанавливают непосредственно в печи, а помеща- ют в специальный кожух, свободный же объем заполняют свинцово- сурьмяным расплавом.

Большой перепад температур, низкое значение коэффициента теплоотда- чи, которое для топочных газов не превышает 25 Вт/(м2·К), затрудняют точное регулирование температуры в аппаратах. К недостаткам использования этого теплоносителя относятся также низкий коэффициент полезного действия (0,2- 0,3) и необходимость создания специальных печей для получения топочных газов.

Высококипящие органические теплоносители (ВОТ). В качестве ВОТ применяют органические жидкости, не разлагающиеся при высоких темпера- турах и не образующие смолистых пленок на поверхности теплообмена. В про-

мышленности органического синтеза часто используют эвтектическую смесь бифенила (26 мас. %) и дифенилового эфира (73,5 мас. %), называемую дифе-

35

нильной смесью (ДФС). Температура ее застывания 12,3 °С, смесь термически устойчива до 380 °С. При температуре 300 °С давление насыщенного пара ДФС равно 0,25 МПа, теплота парообразования 264 кДж/кг; при 350 оС эти по- казатели составляют соответственно 0,55 МПа и 247 кДж/кг. Для пленки пара ВОТ коэффициент теплоотдачи равен 1750 Вт/(м2 ·К).

Использование ВОТ требует создания специальных котельных для нагревания и испарения теплоносителей. При размещении таких котель- ных следует учитывать, что температура ВОТ значительно выше темпера- туры водяного пара при давлении 0,3-0,9 МПа, а энтальпия (980 - 1090 кДж/кг) примерно в 2 раза меньше, поэтому потери тепла в окружаю-

щую среду значительно больше при обогреве парами ВОТ. Это обусловливает необходимость приближения котельных ВОТ к потребителям и создания ло- кальных установок для отдельных производств. В отличие от водяного пара пары ВОТ могут проникать через прокладки, сальники и даже через сварные швы. Поэтому при проектировании такого способа теплообмена следует преду- сматривать минимальное число фланцевых соединений на трубопроводах. На трубах для паров ДФС применяют прокладки толщиной 0,5 – 1,5 мм из стали, алюминия меди и паронита специальных марок, устанавливают аммиачные вентили. Для жидкой холодной ДФС применяют стальные бесшовные трубы.

Вкачестве жидких ВОТ наряду с ДФС применяют дитолилметан, пред- ставляющий собой смесь о- и п-изомеров в соотношении 7:3, с температурой

кипения 289 °С; термостабильное масло НТ марки С, получаемое на основе арилсиликатов (темп. кип. масла 380 оС; тетраарилсиликаты (ТАС) марки ТАС-160 в интервале температур от -18 до 325 °С, марки ТАС-180 - от 10 до

325 °С.

Втабл. 5 приведены экспериментальные данные эффективности обогре- ва топочными газами и конденсирующим паром ВОТ.

Таблица 5

Сравнительные показатели обогрева топочными газами и паром ВОТ

В качестве теплоносителя и хладагента при температурах 300 – 450 °С широко используют нитрит-нитратную смесь - эквимольную смесь нитрита

36

калия и нитрата натрия. Температура плавления смеси 142 - 144° С; при ра-

бочих температурах расплав очень подвижен и при интенсивной циркуляции имеет высокий коэффициент теплоотдачи - 500 - 800 Вт/(м2 К). В условиях эксплуатации нитрит-нитратная смесь должна быть защищена от действия влаги, диоксида углерода, кислорода, что обеспечивается созданием над ней «подушки» из азота.

Электрообогрев является наиболее удобным способом нагревания. Он дает возможность достигать высоких температур, легко и точно их регулировать, КПД электрообогревателей достигает 95 %. Однако электроэнергия – весьма дорогой вид энергии. Поэтому электронагревательные печи омического или индук-

ционного нагрева применяют в промышленности тонкого органического синтеза в тех случаях, когда требуется строго выдерживать температур- ный режим при высоких температурах.

Хладагенты. В качестве хладагентов в промышленности тонкого органического синтеза применяют воду, холодильные рассолы, лед, ВОТ.

Пресная вода рек, озер, специальных запруд до подачи в теплообмен-

ную аппаратуру подлежит отстаиванию и фильтрованию от взвешенных в ней ила, песка, механических примесей. Начальная температура пресной воды в зависимости от климатических и погодных условий, характера во- доемов колеблется в пределах 4-30 оС. Выходящая из теплообменников во- да обычно поступает в водооборотный цикл. Она охлаждается воздухом в градирнях, отстаивается в бассейнах и возвращается в производство. Тем- пература воды из градирен примерно на 5 оС выше, чем из водоема. Потери воды в водооборотных циклах составляют около 5 %. Температура воды, охлажденной в пароэжекторных или аммиачных холодильных установках, должна быть не ниже 5 оС.

Кипящая вода, применяемая для отвода тепла при высоких темпера- турах, поступает под давлением в котлы-утилизаторы. Давление в котле

зависит от допустимой разности температур теплоносителя и реакционной массы. Если эта разность не лимитирована, давление в котле принимают та- ким, чтобы образующийся пар мог быть направлен в цеховые сети (избыточ- ное давление 0,3 или 0,9 МПа). Котлы-утилизаторы могут быть встроенными в реакционный аппарат или выносными. Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей воде в них составляет 2000-5800 Вт/(м2·К) в зависимости от диаметра труб, в которых происходит парообразование. Для питания котлов- утилизаторов применяют паровой конденсат, что позволяет избежать отложе- ния солей на теплообменных поверхностях.

Охлаждение реакционных масс до температур 5 – 10 °С и ниже достига- ется применением предварительно охлажденных (в холодильных аммиачных или фреоновых установках) холодильных рассолов или органических теплоно- сителей. Холодильные рассолы - это растворы хлоридов натрия или кальция в воде. В качестве хладагента, загружаемого непосредственно в реакционную массу при проведении процессов в водной среде, применяют лед. В настоящее время выпускают льдогенераторы, в которых получают чешуированный лед

37