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 (η): 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.