_расчет_теплообменника. Литературный обзор 1 Описание установки
 Скачать 362.5 Kb.
|
|
Литературный обзор 1 Описание установки Технология дегидрирования Catofin представляет собой циклический процесс, осуществляемый в реакторах периодического действия с неподвижным слоем алюмохромового катализатора, которые работают параллельно. Обычно процесс осуществляют короткими циклами «дегидрирование-регенерация» длительностью в 20-30 минут. В процессе используется алюмохромовый катализатор промотированный щелочью. На рисунке 1 представлена технологическая схема процесса Catofin, по которой осуществляется конверсия пропана в пропилен.  Рисунок 1 – Принципиальная технологическая схема процесса Catofin Температура в адиабатическом реакторе 590-650 °С, давление 0,3-0,5 бар. Подвод тепла с катализатором после ргенерации. Общая селективность процесса для системы пропан/пропилен составляет 86 мол.%. Конверсия пропана за один проход находится на уровне 50%, выход пропилена – 80-85%. Преимущества: - высокая однократная конверсия за проход и высокая селективность процесса; - использование относительно дешевого катализатора, большой срок его службы; - отсутствие рециркуляции водорода или пара для разбавления снижает энергозатраты, расходы по обслуживанию и общие капиталовложения; - многолетний опыт успешной промышленной реализации процесса. Недостатки: - цикличный режим проведения процесса и необходимость дополнительных усилий для обеспечения его непрерывной работы; - в состав применяемого катализатора входят токсичные соединения хрома. 2 Описание процесса На установке происходит процесс дегидрирования парафинов С3-С5 с получением соответствующих олефинов – сырья для ряда важнейших полимеров и продуктов органического синтеза (в т.ч. полипропилена, МТБЭ, мономеров СК и др.). Установка получения легких олефинов включает реакторный блок и блок разделения продуктов реакции. Система разделения продуктов, как правило, включает: криогенное концентрирование углеводородов в жидкой фазе и отделение газа, обогащенного водородом, фракционирование жидкой фазы для выделения продуктов крекинга (стабилизация продукта) и выделение концентрата олефинов методом экстрактивной ректификации (при необходимости). Дегидрирование – это химический процесс связанный с отщеплением атома водорода от органического соединения. Классификация реакций дегидрирования: 1) С-С дегидрирование парафинов. Образуются соединения с двойной С=С связью и в дальнейшем- диены. СН3 – СН2 – СН2 – СН3 → СН3 – СН2 – СН = СН2+Н2 →СН2 = СН – СН = СН2 +Н2 Боковые цепи аренов также могут дегидрироваться с образованием веществ типа стирола. 2) Дегидрирование по С-О связи - характерно для первичных и вторичных спиртов, из которых образуются альдегиды и кетоны. R–CH2OH →RCOH + Н2 ; R2CHOH → R2CO + Н2 3) Дегидрирование по С – N связи. Характерными примерами явл-ся отщепление Н2 от первичных аминов с образованием нитрилов. 4) Дегидроциклизация, когда из парафинов путем замыкания цикла получаются арены.С6Н10 → С6Н6+ 2Н2 Это важнейший путь ароматизации узких фракций нефти. 5) Дегидроконденсация приводит к образованию ди- и полиядерных соединений. 2С6Н6 → дифенил 3 Теплообменники. Общие сведения Теплообменными аппаратами, теплообменниками, называются аппараты для передачи тепла от более нагретого теплоносителя к другому менее нагретому. Теплообменники как самостоятельные агрегаты или части других аппаратов и устройств широко применяются на химических заводах, потому что проведение технологических процессов в большинстве случаев сопровождается выделением или поглощением тепла. В нефтегазовой промышленности, как правило, выдвигаются особые требования к теплообменникам. Оборудование должно не только противостоять агрессивной среде, двухфазным средам, экстремальным давлениям и температурам, но и быть компактным. При конструировании следует обоснованно решать вопрос о направлении теплоносителей в трубное или межтрубное пространство. Например, теплоносители, загрязненные и находящиеся под давлением, обычно направляют в трубное пространство. Насыщенный пар лучше всего подавать в межтрубное пространство, из которого легче удалить конденсат. Чистка трубного пространства (в котором вероятнее всего будут выпадать загрязнения) легче, а живое сечение для прохода теплоносителя меньше. Вследствие этого в трубном пространстве можно обеспечить теплоносителю более высокие скорости и, следовательно, более высокие коэффициенты теплоотдачи. 4 Виды теплообменников
Они достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с поперечными перегородками в межтрубном пространстве, применяемые в химической, нефтяной и других отраслях промышленности, обозначаются индексами и классифицируются: • по назначению (первая буква индекса): Т – теплообменники; Х – холодильники; К – конденсаторы; И – испарители; • по конструкции (вторая буква индекса) – Н — с неподвижными трубными решетками; К — с температурным компенсатором на кожухе; П — с плавающей головкой; У — с U-образными трубами; ПК — с плавающей головкой и компенсатором на ней; • по расположению (третья буква индекса): Г – горизонтальные; В – вертикальные.
 Рисунок – Теплообменник с неподвижной трубной решеткой Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники — для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладоагентом) жидких и газообразных сред. Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников — также и из латуни. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали. Схема теплообменника с неподвижными трубными решетками приведена на рис. 6. В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3. Трубная решетка жестко соединена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 5, Кожух и камеры соединены фланцами. Рисунок 6. Теплообменник с неподвижной трубной решеткой Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой — в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб. Особенностью аппаратов типа Н является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с 19 20 этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции. Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители, например приваренные к кожуху продольные полосы или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверхности кожуха. Если площадь сечения трубного пространства (число и диаметр труб) выбрана, то в результате теплового расчета определяют коэффициент теплопередачи и теплообменную поверхность, по которой рассчитывают длину трубного пучка. Последняя может оказаться больше длины серийно выпускаемых труб. В связи с этим применяют многоходовые (по трубному пространству) аппараты с продольными перегородками в распределительной камере. Промышленностью выпускаются двух-, четырех- и шестиходовые теплообменники жесткой конструкции.
Если температурные напряжения, возникающие в стенках теплообменника или трубках, оказываются большими, то необходимо предусматривать температурную компенсацию.  Рисунок – Теплообменник типа К – с линзовым компенсатором Теплообменник типа К — С ЛИНЗОВЫМ КОМПЕНСАТОРОМ (Рис. 8) на корпусе. В этом аппарате температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением компенсатора. Теплообменники с линзовыми компенсаторами применяют при небольших температурных деформациях (не более 13-15 мм) и невысоких давлениях в межтрубном пространстве (не более 0.5 МПа). Для круглых элементов аппаратов, диаметр которых превышает 100 мм, обычно применяют линзовые компенсаторы, состоящие из одной и более линз. Линзы выполняют штампованными или из кольцевого тора, выполненного с прорезью, разрезными или сварными волнообразной формы. Одна линза компенсирует небольшие температурные деформации (4 – 5 мм), набор линз (не более четырех) позволяет компенсировать деформации до 15 мм. Линзовые компенсаторы применяют в вертикальных и горизонтальных аппаратах и трубопроводах при избыточном давлении, составляющем не более 1.6 МПа. Применение кожухотрубчатых теплообменников с температурным компенсатором на кожухе (линзовый компенсатор) ограничено предельно допустимым давлением в кожухе, равным 1,6 МПа. При большем давлении в кожухе (1.6—8,0 МПа) следует применять теплообменники с плавающей головкой или с U-образными трубами.
На рис. 8 изображен кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой, предназначенной для охлаждения (нагревания) жидких или газообразных сред без изменения агрегатного состояния. Не закрепленная на 24 кожухе вторая трубная решетка вместе с внутренней крышкой, отделяющей трубное пространство от межтрубного, образует так называемую плавающую головку Такая конструкция исключает температурные напряжения в кожухе и в трубах. Эти теплообменники, нормализованные в соответствии с ГОСТ 14246—79, могут быть двух- или четырехходовыми, горизонтальными длиной 3, 6 и 9 м или вертикальными высотой 3 м.  Кожухотрубнатые конденсаторы с плавающей головкой (ГОСТ 14247-— 79) отличаются от аналогичных теплообменников большим диаметром щтуцера для подвода пара в межтрубное пространство. Допустимое давление охлаждающей среды в трубах до 1,0 МПа, в межтрубном пространстве — от 1,0 до 2,5 МПа. Эти аппараты могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Диаметр кожуха от 600 до 1400 мм, высота труб 6,0 м. Теплообменники с постоянным диаметром по всей длине удобны при сборке. Сборка теплообменников с переменным по длине диаметром (рис.10) затруднена, так как плавающую головку (по габаритным размерам) в собранном виде невозможно поместить в кожух без трубчатки. Теплообменники с постоянным диаметром не имеют этого недостатка, так как плавающую головку можно собирать и разбирать вне и внутри кожуха. Кроме того, теплообменники с постоянным диаметром по длине предпочтительнее теплообменников с переменным диаметром потому, что при очистке их межтрубного пространства не приходится разбирать плавающую головку.  Рисунок – Теплообменник с плавающей головкой Для эффективной работы теплообменника желательно, чтобы средняя часть была выполнена с наименьшим диаметром; при этом обеспечивается наибольшая скорость продукта и, следовательно, создаются оптимальные условия для теплопередачи. Это и является причиной изготовления теплообменников с переменным диаметром по длине. Однако уменьшать диаметр средней части аппарата имеет смысл лишь при значительных размерах плаваю щей головки. При применении малогабаритной плавающей головки отпадает необходимость в изготовлении теплообменников переменного диаметра. Малогабаритная плавающая головка свободно располагается и в наименьшем сечении кожуха.
Теплообменники с U-образными трубами (тип У). В кожухотрубчатых аппаратах этой конструкции обеспечивается свободное удлинение труб, что исключает возможность возникновения температурных напряжений.  Рисунок – Теплообменник с U-образными трубами Такие аппараты (рис. 11) состоят из кожуха 2 и трубного пучка, имеющего одну трубную решетку 3 и U-образные трубы 1. Трубная решетка вместе с распределительной камерой 4 крепится к кожуху аппарата на фланце. Для обеспечения раздельного ввода и вывода циркулирующего по трубам теплоносителя в распределительной камере предусмотрена перегородка 5. Теплообменники типа У являются двухходовыми по трубному пространству и одно- или двухходовыми по межтрубному пространству. В последнем случае в аппарате установлена продольная перегородка, извлекаемая из кожуха вместе с трубным пучком. Для исключения перетекания теплоносителя в зазорах между кожухом аппарата и перегородкой у стенки кожуха устанавливают гибкие металлические пластины или прокладку из прорезиненного асбестового шнура, уложенную в паз перегородки. В аппаратах типа У обеспечивается свободное температурное удлинение труб: каждая труба может расширяться независимо от кожуха и соседних труб. Разность температур стенок труб по ходам в этих аппаратах не должна превышать 100 °С. В противном случае могут возникнуть опасные температурные напряжения в трубной решетке вследствие температурного скачка на линии стыка двух ее частей. Преимущество конструкции аппарата типа У — возможность периодического извлечения трубного пучка для очистки наружной поверхности труб или полной замены пучка. Однако следует отметить, что наружная поверхность труб в этих аппаратах неудобна для механической очистки. Поскольку механическая очистка внутренней поверхности труб в аппаратах типа У практически невозможна, в трубное пространство таких аппаратов следует направлять среду, не образующую отложений, которые требуют механической очистки. Теплообменники с U-образными трубами применяют для нагрева и охлаждения жидких или газообразных сред без изменения их. агрегатного состояния. Они рассчитаны на давление до 6,4 МПа, отличаются от теплообменников с плавающей головкой менее сложной конструкцией (одна трубная решетка, нет внутренней крышки), однако могут быть лишь двухходовыми, из труб только одного сортамента: 20Х2 мм. Поверхности теплообмена и основные параметры этих теплообменников приведены в ГОСТ 44245—79. 5 Кожухотрубный теплообменник типа ТК |