Теплообменные процессы

Существуют два основных способа проведения тепловых процессов: путем непосредственного соприкосновения теплоносителей и передачей тепла через стенку, разделяющую теплоносители. Для этого в химической технологии применяются теплообменники различных типов и конструкций, изготовленные из разных металлов, сплавов (углеродистых и легированных сталей, меди, титана) и неметаллических соединений (тефлон, графит). Среди них выделяют трубчатые, змеевиковые, пластинчатые, оребренные, спиральные, блочные, шнековые и другие.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов: поверхностные (оба теплоносителя разделены стенкой), регенеративные (процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника), смесительные (теплообмен происходит при непосредственном смешении теплоносителей).

1 2

Рис. 3.4. Двухтрубчатый теплообменник:

1 – внутренние трубы, 2 – наружные трубы, 3 – калач, 4 – патрубок

а б в

Рис. 3.5. Кожухотрубчатые теплообменники с компенсирующими устройствами:

а – с линзовым компенсатором, б – с плавающей головкой, в – с U-образными трубками, 1 – компенсатор, 2 – подвижная трубная решетка, 3 – U-образные трубки

Рис. 3.6. Шнековый теплообменник:

1 – корпус, 2 – рубашка, 3, 4 – полые шнеки, 5 – сальники полых валов. Потоки: I – материал, II – теплоноситель

Рис. 3.7. Блочный теплообменник из графита:

1, 4 – прокладки; 2, 3 – отверстия для теплоносителя I; 5, 6 – отверстия для теплоносителя II. Потоки: I, II – теплоносители

Рис. 3.8. Конденсатор смешения (скруббер-холодильник):

1 – корпус, 2 – насадка. Потоки: I – ввод паров и газов, II – отвод газов, III – отвод дистиллята, IV – ввод воды, V – отвод воды

Рис. 3.9. Прямоточный конденсатор:

1 – корпус, 2 – крышка, 3 – распыливающее сопло, 4 – мокровоздушный насос, 5 – штуцер. Потоки: I – пар, II – вода, III – конденсат и газы

Рис. 3.10. Барометрический конденсатор

с сегментными полками:

1 – цилиндрический корпус, 2 – тарелка, 3 – барометрическая труба, 4 – колодец, 5 – гидравлический затвор. Потоки: I – входящие пары и газы, II – несконденсированные газы разложения и воздух, III – холодная вода, IV – сток воды в канализацию

Рис. 3.11. Подогреватель с паровым пространством (кипятильник):

I, II – теплоноситель, III, IV – нагреваемая жидкость, V – пары

Рис. 3.12.

Пародистиллятный

(парциальный) конденсатор:

I, II – пары, III – конденсат, IV, V – хладоагент

Выпаривание

К группе тепловых процессов относится выпаривание – процесс концентрирования жидких растворов путем испарения растворителя при кипении жидкости. В результате растворитель удаляется из всего объема раствора. Концентрированные растворы и твердые вещества, получаемые в результате выпаривания, легче и экономичнее перерабатывать, транспортировать и хранить. Кроме того, выпаривание часто применяется для выделения вещества-растворителя в чистом виде (при опреснении морской воды). Тепло для выпаривания можно получать от любых теплоносителей, однако самым распространенным является водяной (греющий, первичный) пар.

Процессы выпаривания проводятся под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления зависит от свойств выпариваемого раствора и возможности использования тепла вторичного пара.

Вторичный пар, отбираемый на сторону, называют экстра-паром. Применение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента вторичный пар самой выпарной установки, в результате снижается расход первичного греющего пара. Поэтому наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов (корпусов), в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус.

IV III 1 2 3 III II VI I V

Рис. 3.13. Многокорпусная прямоточная выпарная вакуум-установка:

1 – 3 – корпуса, 4 – подогреватель исходного раствора, 5 – барометрический конденсатор, 6 – ловушка, 7 – вакуум-насос. Потоки: I – исходный раствор, II – первичный греющий пар, III – вода, IV – вторичный пар, V – конденсат, VI – упаренный раствор

Рис. 3.14. Конструкции выпарных аппаратов:

а – змеевиковый выпарной аппарат, б – выпарной аппарат с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой; 1 – корпус, 2 – паровые змеевики, 3 – брызгоуловители, 4 – нагревательная камера, 5 – кипятильные трубы, 6 – циркуляционная труба, 7 – паровое (сепарационное) пространство. Потоки: I – исходный раствор, II – первичный пар, III – вторичный пар, IV – упаренный раствор, V – конденсат

Рис. 3.15. Выпарной аппарат с горизонтальной

выносной нагревательной камерой:

1 – корпус, 2 – нагревательная камера, 3 – брызгоуловитель. Потоки: I – исходный раствор, II – греющий пар, III – вторичный пар, IV – упаренный раствор, V – конденсат, VI – промывная вода

Рис. 3.16. Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения:

1 – нагревательная камера, 2 – труба вскипания, 3 – сепаратор, 4 – необогреваемая циркуляционная труба, 5 – отбойник, 6 – брызгоуловитель. Потоки: I – исходный раствор, II – первичный пар, III – вторичный пар, IV – упаренный раствор, V – конденсат