Г л а в а 13

_________________________________________________________________

ОФОРМЛЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ХИМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

_________________________________________________________________

13.1. ОФОРМЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА

Большинство химических процессов протекает с выделением или поглощением тепла. Достаточно часто в реакторе необходимо держать режим, близкий к изотермическому, поэтому приходится предусматривать теплообмен между реакционной массой и теплоносителем. Чаще всего теплообмен происходит через разделяющую теплоносители стенку, т. е. рекуперативно.

Теплообменными поверхностями обычно являются наружные поверхности аппаратов, снабженные рубашками. Если наружные поверхности реакторов недостаточны, то при невысокой вязкости получаемых продуктов внутри аппаратов устанавливают дополнительные поверхности: змеевики, стаканы.

С точки зрения удобства обслуживания, очистки реактора и простоты его конструкции предпочтительнее наружные теплообменные элементы (рубашки и приварные элементы). 0днако их поверхность теплообмена ограничена наружной поверхностью аппарата. Кроме того, коэффициент теплоотдачи к наружным теплообменным элементам примерно в 2 раза ниже, чем к внутреннему змеевику.

Конструкция теплообменных рубашек зависит от параметров теплоносителей или хладоагентов. При давлениях обогревающей или охлаждающей среды 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 с вмятинами и, например, каркасные.

Рубашки. Как правило, их приваривают к корпусу реактора или делают съемными, когда приварка невозможна (например, для аппаратов, изготовленных из чугуна), а также, когда необходим постоянный контроль за поверхностью теплообмена. Различают: гладкие рубашки, змеевиковые, с вмятинами, каркасные.

Гладкие рубашки. Такая рубашка по своей конструкции повторяет по форме обогреваемый реактор (рис. 13.1).

293

Рис. 13.1. Гладкая рубашка для емкостного аппарата:

1 –корпус реактора; 2 – крышка реактора; 3 – днище реактора; 4 – корпус рубашки; 5 – днище

рубашки;6 – фланцы

Рис. 13.2. Конструкция разъемного

крепления рубашки к корпусу аппарата:

1 – корпус реактора; 2 – обечайка рубашки; 3 – фланец реактора; 4 – прокладка; 5 – фланец рубашки

Рубашки выполняются из стали и стандартных выпуклых днищ. Обычно рубашку приваривают на 80−150 мм ниже соединения с корпусом, но в некоторых случаях, когда коэффициент заполнения аппарата невелик, а обогрев или охлаждение верхней незаполненной его части нежелательны, рубашку делают небольшой по высоте.

В пространство между корпусом реактора и рубашкой подается теплоноситель. Пар подают в нее через верхний штуцер, а конденсат отводят через нижний. Жидкие теплоносители обычно вводят через нижний штуцер, а выводят через верхний.

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

Крепление гладких рубашек к корпусу реакторов может быть разъемным и неразъемным.

Разъемное крепление применяют для аппаратов, работающих в тяжелых условиях, когда необходимо периодически контролировать поверхность нагрева, очищать ее. Конструкция разъемного крепления рубашки к корпусу представлена на рис. 13.2.

Недостатком такой конструкции является наличие дополнительного фланцевого соединения, что ведет к увеличению расхода материалов и веса реактора. К котлу приваривается фланец 3, к которому на болтах крепится рубашка. Этот второй фланец 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.

294

Рис. 13.3. Крепление рубашки к корпусу аппарата с коэффициентом заполнения, равным единице

Рис. 13.4. Неразъемное крепление рубашки к корпусу:

а – сферическим переходом; б – плоским кольцом

Если требуется, чтобы рубашка полностью покрывала боковую поверхность реактора, то ее крепят прямо к фланцу аппарата, как показано на рис. 13.3.

Более простым и надежным является неразъемное соединение крышки реактора с обечайкой рубашки сваркой, которую осуществляют с помощью отбортовки (рис. 13.4,а) или приварного кольца (рис. 13.4,б).

Крепление рубашек кольцами экономически выгодно в условиях мелкосерийного и индивидуального производства, так как это не требует применения дорогостоящей оснастки.

Недостатком конструкции 13.4,б является высокая концентрация напряжений в месте приварки кольца к корпусу и к рубашке, а также повышенный расход металла и увеличение веса реактора.

Поэтому более удобны плавные конические переходы, называемые воротниками, которые являются и компенсаторами температурных удлинений (рис. 13.4,а). Кстати, этот компенсатор необходим и тогда, когда конус изготовлен из стали Х18Н10Т, а корпус рубашки из стали Ст3.

Для изготовления воротников требуется специальная оснастка, что экономически выгодно при серийном их производстве.

При больших давлениях в рубашке, особенно при отсутствии крепления рубашки к днищу аппарата, когда уравновешиваются силы давления, стремящиеся вытолкнуть корпус аппарата из рубашки, это соединение не применимо.

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.

295

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 металла корпуса. Поэтому, когда среда обладает значительной агрессивностью или требуется высокая чистота продукта, приварка рубашки из стали Ст3 к корпусу аппарата из стали ХI8H9T, например, без промежуточной детали из нержавеющей стали, недопустима.

Змеевиковая рубашка. Она представляет собой спираль из прокатного профиля, 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 устройства.

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 цилиндрический 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 (рис. 13.5,а) или полутруб (рис. 13.5,б.). Возможно также применение приварных элементов из проката − швеллеров (рис. 13.5,в) или уголков (рис. 13.5,г). Минимальное расстояние между приварными элементами определяют из условий доступа к сварным швам.

Рис. 13.5. Реактор со змеевиковой рубашкой

На практике обычно не бывает необходимости устанавливать теплообменные элементы очень близко, так как благодаря хорошей теплопроводности металла участки стенки, прилегающей к приварному элементу, также участвуют в теплообмене.

296