52 Вопрос

Неотъемлемой частью любого технологического процесса получения химических продуктов являются теплообменные процессы. Процесс теплообмена может проводиться для различных целей − для нагревания, охлаждения, испарения или конденсации различных веществ. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. В качестве теплоносителей могут выступать жидкости, газы, твердые кусковые или сыпучие материалы. Процесс теплообмена может сопровождаться изменением агрегатного состояния одного или обоих теплоносителей или проводиться без этого изменения. Движущей силой процесса теплообмена является разность температур контактирующих теплоносителей. Теплообмен осуществляется за счет конвекции, теплопроводности и теплого излучения.

Аппараты или устройства, в которых происходит передача теплоты от одного (более нагретого) теплоносителя к другому (менее нагретому), называют теплообменными или теплообменниками. Теплообменники широко применяются в качестве самостоятельных агрегатов и элементов других аппаратов и устройств на большинстве химических заводов и в смежных отраслях промышленности. Удельный вес теплообменного оборудования на предприятиях химической промышленности, где почти все основные процессы химической технологии (выпаривание, ректификация, сушка и др.) связаны с необходимостью подвода или отвода теплоты, составляет в среднем 15−18%, в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности − 50%.

В большинстве случаев контактирующие среды в теплообменных аппаратах не смешиваются между собой и разделяются друг от друга листом (в спиральных и пластинчатых аппаратах и аппаратах с рубашкой) или стенкой труб (в кожухотрубчатых аппаратах), их движение осуществляется параллельно или противотоком по двум или более (при нескольких теплоносителях) пространствам аппарата.

Теплообменники классифицируются следующим образом:

• по принципу действия на:

• поверхностные, где передача теплоты осуществляется через стенку;

• смесительные, где теплообмен осуществляется при непосредственном соприкосновении теплоносителей;

• регенеративные, где теплопередача осуществляется циклически при попеременном нагревании и охлаждении специальной насадки;

• по назначению на:

  холодильники;	подогреватели;
  испарители;	конденсаторы;

• по направлению движения теплоносителей на:

  прямоточные;	противоточные;
  перекрестные;

• по конструктивным признакам и способу изготовления на аппараты:

• с поверхностью теплообмена из труб (кожухотрубчатые, «труба в трубе», оросительные, погружные змеевиковые, витые);

• из металлического листа (спиральные, с рубашками, пластинчатые, сотовые);

• из неметаллических материалов (с поверхностью теплообмена эмалированной, из стекла, фторопласта, графита).

Факторы влияющие на выбор типа и конструкции теплообменника, а также на схему его включения:

• количество передаваемого тепла (тепловая нагрузка);

• термодинамические параметры теплоносителей (температура, давление, объем и агрегатное состояние);

• физико-химические свойства теплоносителей (плотность, вязкость и т.д.);

• агрессивность теплоносителей по отношению к конструкционному материалу элементов конструкции теплообменника;

• степень загрязненности теплоносителя и характер отложений;

• свойства конструкционного материала элементов конструкции теплообменника (физико-механические, химические и др.);

• назначение аппарата и процессов, протекающие в нем (возможность проведения только теплообмена или одновременно и другого физико-химического процесса);

• напряжения, возникающие как в результате действия давления теплоносителей, так и разности тепловых удлинений разных деталей теплообменника;

• статический напор теплоносителей.

Количество передаваемого тепла является основным параметром для определения величины поверхности теплообмена. Оно дает конструктору косвенное указание и на выбор конструкции теплообменника (например, простой змеевик или кожухотрубный теплообменник).

Термодинамические параметры и физико-химические свойства теплоносителей влияют на величину коэффициента теплоотдачи  и коэффициента теплопередачи К и, следовательно, па величину и форму поверхности теплообмена. Температуры теплоносителей определяют среднюю разность температур  и поверхность теплообмена F, а также выбор тока теплоносителей. Объемы теплоносителей определяют сечения каналов теплообменников, вызывая применение одно- или многоходовых конструкций. При высоком давлении теплоносителей предпочтение отдается трубчатым теплообменникам; при этом в трубное пространство желательно направить теплоноситель с более высоким давлением, поскольку из-за малого диаметра трубы могут выдержать большее давление, чем корпус аппарата.

Агрессивность теплоносителей требует применения тех или иных конструкционных материалов, которые предопределяют форму и конструкцию теплообменника. Коррозионный теплоноситель в трубчатых теплообменниках целесообразно направлять по трубам, так как в этом случае при коррозионном изнашивании не требуется замена корпуса теплообменника. При использовании коррозионных теплоносителей предпочтительнее теплообменные аппараты изготавливать из полимерных материалов, например фторопласта и его сополимеров, обладающих уникальной коррозионной стойкостью.

Загрязненность теплоносителей вызывает применение мер, препятствующих отложению осадка, и выбор конструкции, облегчающей чистку загрязненных поверхностей. Если один из теплоносителей загрязнен или дает отложения, то целесообразно направлять его с той стороны теплообмена, которая более доступна для очистки (в змеевиковых теплообменниках это наружная поверхность труб, в кожухотрубчатых − внутренняя).

Назначение аппарата может вызвать появление дополнительных устройств, например мешалок для интенсификации тепло- и массообмена, сепарационных устройств в выпарных аппаратах и т.п.

Допустимая величина механических напряжений определяет необходимость температурной компенсации и конструкцию компенсирующего устройства.

Кроме выше перечисленных факторов к новой конструкции теплообменника предъявляют следующие требования: небольшие габаритные размеры при высокой производительности; высокий коэффициент теплопередачи; малое гидравлическое сопротивление; герметичность со стороны каждой среды; возможность сборки-разборки конструкции с целью ее ремонта и технического обслуживания (например, чистки).