Работа технологического оборудования

ВВЕДЕНИЕ
Теплообменники являются неотъемлемой частью нашей жизни. Они находят свое применение там, где необходимо охлаждение или нагрев жидкостей или газов. В последние годы значительно увеличилась роль теплообменников в областях эффективного использования энергии и применения новых видов энергии.
Актуальность темы данной работы определяется необходимостью модернизации технологического процесса путем замены устаревшего теплообменного оборудования для снижения затрат на производство.
Цель проекта – спроектировать работу технологического оборудования, обосновать возможность и целесообразность замены аппаратов.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить задачи:
проанализировать возможность применения пластинчатых теплообменников для модернизации процесса нагрева жирных кислот водяным паром;
на основе классификации аппаратов выбрать наиболее подходящий тип пластинчатого теплообменника, изучить его принцип действия, рассмотреть правила эксплуатации и технику безопасности при работе с данным аппаратом;
спроектировать работу технологического оборудования в соответствии с правилами техники безопасности;
провести технологический расчет аппарата с обоснованием основных его размеров;
подобрать нормализованный пластинчатый теплообменник.
Объект исследования – технологический процесс нагрева жирных кислот водяным паром.
Предмет исследования – теплообменный аппарат.
Методы исследования – анализ производственной документации и научной литературы.
Основная цель модернизации оборудования – снижение себестоимости продукции за счет более эффективного использования энергии.
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Общие сведения
Пластинчатые разборные теплообменники в последнее время широко распространены, так как отличаются интенсивным теплообменом, простотой изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и очистки от загрязнений.
Эти теплообменники состоят из отдельных пластин, разделенных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов . Пластины штампуются из тонколистовой стали толщиной 0,7…1,0 мм. Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточная часть пластин выполняется гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены в «елку».
К пластинам приклеиваются резиновые прокладки для герметизации конструкции; теплоносители направляются либо вдоль пластины, либо через отверстия в следующий канал. Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках осуществляется прямотоком, противотоком и по смешанной схеме. Поверхность теплообменного аппарата изменяется от 1 до 160 м2, число пластин – от 7 до 303. Температура теплоносителя ограничивается 150 0С (с учетом резиновой прокладки), давление – до 1,0 МПа.
Теплообменники можно применять для охлаждения и подогрева, в качестве рекуператоров тепла, конденсаторов, дефлегматоров, а также для теплообмена между двумя, тремя и большим количеством рабочих сред в компактных аппаратах с минимальной теплопередающей поверхностью. Такие аппараты пригодны для теплообмена с двух- и трехфазными рабочими средами.
В пластинчатых теплообменниках можно осуществлять теплообмен между рабочими средами жидкость – жидкость, пар – жидкость, пар + газ – жидкость, газ – газ. Разборные теплообменники могут работать с рабочими средами, в которых размер твердых частиц не превышает 4 мм. При отложении загрязнений на теплопередающих поверхностях можно периодически переключать каналы на такие рабочие среды, которые очищают поверхности от загрязнений без разборки аппарата.
Пластинчатые теплообменники наиболее эффективны при работе со средами малой вязкости, а также с растворами вязкостью до 60·10-2 м2/с.
Пластины устанавливаются на раму теплообменника, которая состоит из несущих штанг, подвижных и неподвижных плит с зажимным устройством. Неподвижная плита обычно прикреплена к полу, подвижная на скобе подвешена к верхней штанге и может перемещаться по ней. На плитах имеются штуцера для присоединения технологических трубопроводов.
На неподвижной плите штуцера съемные; их можно устанавливать в верхнем или нижнем положении.
При однопакетной компоновке пластин допускается установка всех четырех штуцеров на неподвижной плите.
На теплообменнике может быть установлено более четырех штуцеров, например, при необходимости отвода не сконденсировавшихся газов, слива продуктов и др.
В каталоге приведено описание теплообменников консольного типа (исполнение I), на двухопорной раме (исполнение II), на трехопорной раме с неподвижной опорой в середине рамы (исполнение III) и на двухопорной раме с промежуточной плитой (исполнение IV).
Конденсаторы имеют однопакетную компоновку пластин по стороне хода пара. Теплообменники с промежуточными плитами могут быть многопоточными, т.е. могут работать с двумя рабочими средами и более.
В каналах, составленных из пластин, имеются точки опоры, что позволяет выдерживать разность давления по обе стороны пластины, а также повышенное внутреннее давление в каналах.
Группа пластин, образующая систему каналов, в которых рабочая среда движется только в одном направлении, составляет пакет.
Один или несколько пакетов, сжатых между неподвижной и подвижной плитами, называют секцией. Пластины располагаются в пакете одна относительно другой под углом 180 градусов , причем все резиновые прокладки обращены в сторону подвижной плиты. В каждой пластине по углам имеются четыре отверстия для прохода рабочих сред. Промежуточные и концевые пластины могут иметь одно, два или три отверстия, количество которых определяется в соответствии со схемой компоновки пластин в теплообменнике.
Каждая пластина омывается двумя рабочими средами: с одной стороны – охлаждаемой, а с другой – нагреваемой, в результате чего между средами
происходит теплообмен. Среды, протекающие поперек гофров, турбулизуются, что способствует усилению теплообмена.
Расчет показывает, что при формах и размерах гофров, принятых для промышленных пластинчатых теплообменников, уже при Re ≥ 50…200 стабилизация потока нарушается. Нарушение стабилизации пограничного подслоя способствует повышению интенсивности теплоотдачи.
При определенной компоновке пластинчатых разборных теплообменников можно получить оптимальное количество каналов в пакете и пакетов в секции для каждой рабочей среды. Компоновку готового теплообменника можно изменить в соответствии с конкретным количеством каждой рабочей среды, имеющимся напором и заданным тепловым режимом. В таком случае гидромеханическую характеристику теплообменника можно приблизить к оптимальной.
Компоновку пластин в аппарате и направление движения рабочих сред изображают на схемах, составляемых в соответствии с тепловым и гидромеханическим расчетами. Схему простейшего пластинчатого теплообменника , состоящего из пяти пластин, формирующих по два параллельных канала для каждой рабочей среды, условно обозначают дробью Сх 2:2.
Теплообменные аппараты промышленного назначения имеют более сложные схемы компоновки каналов и теплопередающих поверхностей.
Количество чисел, приведенных в числителе, соответствует количеству последовательно соединенных пакетов (ходов) для охлаждаемой среды; знак + обозначает последовательное соединение; значение каждого числа 20 – количество параллельных межпластинных каналов в каждом пакете. В знаменателе приведены условные аналогичные обозначения для нагреваемой рабочей среды. Вертикальные стрелки показывают направление движения каждой рабочей среды в пакетах, горизонтальные стрелки – во всем аппарате.
Дополнительный канал по стороне хода нагреваемой рабочей среды в пакете, расположенном в начале либо в конце аппарата (в знаменателе дроби (см. пример выше) вместо числа 20 указано число 21), предназначен для охлаждения каналов, примыкающих к плитам рамы. Это позволяет за счет охлаждаемых каналов, расположенных в начале и в конце аппарата,
обеспечить тепловую защиту рамы и окружающей среды и эксплуатировать пластинчатые теплообменники без специальной тепловой изоляции аппарата.
Рабочая среда через входной штуцер поступает в продольный коллектор, образуемый угловыми отверстиями и прокладками сжатых в пакет пластин, и движется по нему до пластины с непросеченным угловым отверстием. Из коллектора рабочая среда проходит в межпластинные каналы через участки, на которых отсутствуют уплотнительные прокладки. Эти участки в каждом коллекторе расположены через одну пластину, благодаря чему образуется система горячих и холодных каналов. Пройдя межпластинные каналы, рабочая среда (жидкость) скапливается в противоположном коллекторе.
При заданном расходе жидкости, проходящей через аппарат, можно установить требуемую скорость движения ее по межпластинным каналам. Оптимальная скорость достигается за счет уменьшения (или увеличения) числа каналов в пакете.
Пакет всегда ограничен пластиной, имеющей неполное количество угловых отверстий (пластины 4, 5 и 6). Такие пластины называют граничными. Существует конструктивный вариант компоновки пластин, в котором пластины 4 и 6 имеют полное количество угловых отверстий, однако граничная пластина 5 всегда имеет непросеченное отверстие. Из первого пакета жидкость направляется по противоположному коллектору вдоль теплообменника до очередной граничной пластины, после чего 7 распределяется по каналам второго пакета в направлении, противоположном ее движению в первом пакете.
Рабочие среды движутся в аппарате, как правило, противотоком. Если расход одной рабочей среды значительно отличается от расхода другой среды, то для сохранения одинаковых гидравлических сопротивлений по стороне хода каждой среды и обеспечения оптимальных коэффициентов теплоотдачи применяются несимметричные схемы компоновок пластин . В этих схемах количество каналов в пакетах для первой и второй рабочих сред неодинаково.
При соответствующей компоновке пластин и использовании различных просечек угловых отверстий на них можно получить многосекционный аппарат . В нем теплообмен между одной рабочей средой и двумя другими рабочими средами происходит по зонам.
Для конденсации паров из смеси при наличии в паре несконденсировавшихся газов применяют схему компоновки .Парогазовая смесь в пакете m'1 (каналы 8, 6) охлаждается, и из нее выделяется конденсирующая фаза в виде жидкости. Несконденсировавшиеся газы из нижнего коллектора попадают в пакет m''1 (каналы 4, 2), охлаждаются в нем и отводятся через верхний штуцер на подвижной плите. Охлаждающая вода движется по каналам 1, 3, 5, 7, 9, скомпонованным в виде одного пакета m2. Четыре штуцера расположены на неподвижной плите. Такие конденсаторы парогазовых смесей работают с более высоким коэффициентом теплопередачи, чем стандартные кожухотрубчатые конденсаторы.
По расположению проходных отверстий для каждой рабочей среды различают пластины с диагональным расположением отверстий (пластины 0,5 с гофрами в «елку») и с односторонним расположением отверстий .Для каждой рабочей среды имеются четыре канала. После сборки пластины образуются две системы каналов, изолированных одна от другой. Каждая система соединена с двумя угловыми отверстиями. Каналы обеих систем в пакете чередуются. Для этого пакеты необходимо набирать из левых и правых пластин, отличающихся одна от другой расположением уплотнительных прокладок.
При сборке пакетов все правые пластины располагают относительно левых под углом 180 гдадусов в плоскости пластины.
Если большая уплотнительная прокладка охватывает два угловых отверстия, расположенных по диагонали пластины, то общее направление потока при движении жидкости в межпластинном канале будет диагональным .Равномерно распределенное, значительное гидравлическое сопротивление гофрированной части межпластинного канала способствует выравниванию скорости потока.
При использовании пластин с односторонним направлением потока штуцера входа и выхода для первой рабочей среды расположены по одну сторону аппарата, а для второй рабочей среды – по другую сторону. При четной компоновке пакетов в секции оба штуцера расположены вверху или внизу, при нечетной компоновке – один вверху, а второй внизу.
При использовании пластин с диагональным направлением потока рабочая среда направляется с одной стороны аппарата к другой . Если количество пакетов в секции по линии движения потока рабочей среды четное, то штуцера входа среды в аппарат и выхода из него расположеы с одной стороны вдоль аппарата (компоновка пластин типа 0,5 с гофрами в «елку»). При нечетном количестве пакетов в секции штуцера входа и выхода расположены с разных сторон аппарата.
При заданном расходе рабочих сред, проходящих через теплообменник, в зависимости от схемы компоновки пластин изменяются скорости движения сред в межпластинных каналах. Следовательно, имеется возможность регулировать гидравлическое сопротивление и коэффициент теплопередачи в аппарате. В каждом случае при составлении схем компоновок пластин необходимо рассчитать оптимальную схему.
Классификация пластинчатых теплообменников по схеме движения теплоносителей
I. Одноходовой пластинчатый теплообменник
Пластинчатый теплообменник, в котором направление движения каждого из теплоносителей постоянно и не меняется по всей длине теплообменника, называется одноходовыми (рисунок 1). Например, в классическом пластинчатом теплообменнике-испарителе кипящий фреон всегда движется по межпластинчатым каналам вверх. В классическом пластинчатом теплообменнике-конденсаторе конденсирующийся фреон всегда движется вниз. Соответственно теплоноситель (вода, рассол, гликоль и т.д.) в данных двух случаях всегда движется в направлении, противоположном направлению движения фреона.

Рисунок 1 – Расположение каналов потока в одноходовомтеплообменнике: каналы соединены параллельно
Таким образом, главной отличительной особенностью одноходового пластинчатого теплообменника является 100%-ный противоток теплоносителей. В случаях, когда разница температур двух теплоносителей достаточно мала целесообразно применить многоходовой пластинчатый теплообменник.
Пластинчатый паянный теплообменник одноходовой имеет стандартное размещение присоединений (рисунок 2):
Т1 – вход греющей среды;
Т2 – выход греющей среды;
Т3 – вход нагреваемой среды;
Т4 – выход нагреваемой среды.

Рисунок 2 – Схема одноходового пластинчатого теплообменника
II. Многоходовой пластинчатый теплообменник
Многоходовой пластинчатый теплообменник применяется в случаях, когда необходимо достичь небольшой разницы температур между теплоносителями. В таком теплообменнике патрубки располагаются как на передней неподвижной так и на нажимной торцевой плите. В многоходовом пластинчатом теплообменнике потоки меняют направление в одном или нескольких ходах (рисунок 3). Это может привести к следующим явлениям.
Конденсатор, как правило, может работать с нагрузкой от 100 % до 0 %. Однако в случае восходящего потока это не так в связи с возможностью затопления конденсатора. В результате при малых нагрузках поток будет неустойчивым, что, в свою очередь, приведет к проблемам в управлении. Поэтому конденсатор должен быть спроектирован так, чтобы поток в последнем ходе был направлен вниз, по крайней мере, если конденсатор должен работать при очень низкой нагрузке по сравнению с расчетной.

Рисунок 3 – Расположение каналов потока в двухходовомтеплообменнике: система каналов, разделенных на две последовательно соединенные группы
Испаритель не может работать нормально при нагрузке намного ниже номинальной из-за затопления каналов и задержки масла. Следовательно, нисходящий поток мог бы исправить этот недостаток. Однако возникает другая опасность, заключающаяся в разделении фаз при низкой скорости потока - жидкость будет проходить через первые каналы, а пар - через последний.
Чтобы уменьшить эту опасность, в первом ходе, где поток имеет самую низкую скорость, он должен двигаться вверх. Такая схема теплообменников очень хорошо подходит для реверсивных чиллеров. Поток хладагента меняет свое направление при реверсировании, когда кондиционер превращается в испаритель, и вышеупомянутое требование выполняется в обоих случаях.
Рассмотрим рисунок 4:

Рисунок 4 – Схемы потоков в пластинчатых теплообменниках
На рисунке 4 показана только одна сторона. Другая сторона является симметричным отражением относительно горизонтальной оси, т.е. имеет такие же газовыпускные и сливные отверстия. Число проходов не обязательно должно быть одинаковым на обеих сторонах.
А, Б. Газовыпускными и сливными отверстиями служат обычные соединительные патрубки.
В, Г. Для каждой стороны на передней или задней плите необходимо установить дополнительный газовыпускной или сливной патрубок.
Д, Е. Для каждой стороны на передней и задней плитах необходимо установить дополнительный газовыпускной и дополнительный сливной патрубок.
Ж, З. На одной из секций невозможно установить газовыпускной или сливной патрубок при любом расположении патрубков.
И, К. На одной из секций невозможно установить газовыпускной и сливной патрубки при любом расположении патрубков.
На рисунке 5 представлен теплообменник, двухходовой по воде и одноходовой по хладагенту.

Рисунок 5 – Многоходовой теплообменник
Такая многоходовая схема имеет следующие основные свойства:
Допускается только один входной и один выходной патрубки.
Стороны независимы. Можно иметь разное число ходов на каждой стороне, но не все варианты являются разумными.
Общее количество водных каналов на один больше, чем каналов хладагента, т.е. каждый канал хладагента окружен водными каналами.
В исключительных случаях – обычно, при малом перепаде температур между средами – каждый ход отделяется от соседних пустым холодильным каналом. В этом случае водных каналов больше, чем холодильных, на число ходов.
В случае несимметричной группировки каналов – неравного числа ходов на сторонах пластинчатого теплообменника – в одних группах каналов теплоносители будут двигаться в противотоке, в других группах в прямотоке, независимо от расположения входных патрубков.
В случае симметричной группировки каналов – равного числа ходов на сторонах пластинчатого теплообменника – в каждом ходе будет пластина с противотоком в соседних каналах. Это может создать проблемы, если на ход приходится малое количество каналов при условии малого перепада температур.
Соединение соседних ходов имеет либо форму буквы U, либо перевернутой буквы U. Это означает, что при останове системы в нижней части U-образных секций может остаться жидкость, а при пуске в верхней части перевернутых U-образных секций может остаться газ.
Чтобы полностью выпустить газ или слить жидкость из такого ППТО, необходимы дополнительные выпускные отверстия. Возможные варианты их расположения приведены на рисунке 4. Поскольку пластинчатые теплообменники с более чем тремя ходами практически не применяются в холодильной технике, то проблем с выпуском газа и сливом жидкости не возникает. В нормальном режиме работы для предотвращения образования газовых пузырей необходимо, чтобы перепад давлений в каждом ходе был не меньше гидростатического давления, определяемого перепадом высот.
Применение многоходовых ППТО обусловлено, в основном, следующими причинами:
· Положение патрубков. Двухходовая схема дает возможность расположить патрубки на одной линии с трубами для теплоносителей.
· Меры борьбы с замерзанием или загрязнением.
· Обеспечение режимов с большой термической длиной.
· Более полное использование доступного перепада давлений.
III Многоконтурный пластинчатый теплообменник
Иногда возникает необходимость в двух независимых контурах на одной из сторон. В основном это происходит в следующих двух случаях:
а) Среда должна быть нагрета или охлаждена в два этапа, причем на каждом этапе на второй стороне используются разные среды. Одним из примеров такого применения может быть переохладитель/перегреватель пара и испаритель. В этом случае один двухконтурный пластинчатый теплообменник может заменить два отдельных теплообменника. Хладагент испаряется виспарительной секции, затем поступает в секцию перегревателя пара/переохладителя.
Другой пример - это охладитель перегретого пара/конденсатор. В секции охладителя перегретый пар отдает в контур водопроводной воды явную теплоту, а в секции конденсации пар конденсируется с помощью охлаждающей воды.
б) В целях регулирования тепловой мощности, особенно в случае испарителя, контур хладагента разделяется на два номинально одинаковых контура. При полной нагрузке работают оба контура, при низкой нагрузке один контур отключен.
Возможно несколько конструкций пластинчатых теплообменников с двухконтурной схемой одной из сторон, например:
1) двухконтурный одноходовой пластинчатый теплообменник 
Это обычный пластинчатый теплообменник (рисунок 6), в котором соединительные патрубки одной из сторон расположены как на передней, так и на задней плитах. Перекрыв проходные отверстия хотя бы на одной из пластин, разделим эту сторону на два независимых контура. Для такого разделения можно использовать любую пластину, но чаще всего встречаются разбиения 50/50 и 33/67. Другая сторона остается одноходовой, часть среды на этой стороне контактирует с первым из контуров противоположной стороны, а другая часть – со вторым контуром.

Рисунок 6 – Двухконтурный одноходовой пластинчатый теплообменник 
В случае испарителя с двумя контурами хладагента такая конструкция чревата опасностью замерзания воды. Когда один контур отключен, вода проходит через эту секцию, не охлаждаясь. Вода на выходе из теплообменника представляет собой смесь охлажденной и неохлажденной воды. Если температура такой водной смеси используется потом для управления, например, регулирующим клапаном, низкотемпературным реле и т.п., это может привести к тому, что температура охлажденной воды опустится ниже нуля, т.е. ниже точки замерзания, хотя температура смеси будет выше нуля.
Отсюда следует, что такие методы управления тепловой мощностью допустимы только в системах, где одновременно работают все контуры. Одним из примеров является термосифонный испаритель, в котором хладагент проходит по одноконтурной стороне и охлаждает два жидкостных контура. Даже если один из жидкостных контуров будет отключен, то оставшийся контур будет работать без проблем.
2) двухконтурный двухходовой пластинчатый теплообменник
На рисунке 7 показан пластинчатый теплообменник с двумя контурами теплоносителя по стороне 1 и двухходовым контуром по стороне 2. Как и в предыдущем случае, соединительные патрубки одной из сторон расположены и на передней, и на задней плитах. Установив хотя бы одну пластину без проходных отверстий на этой стороне, можно создать два контура. Каналы на другой стороне соединены по двухходовой схеме, так что каждый ход соответствует одному контуру противоположной стороны.
в аппарате может быть не более двух независимых контуров.
два контура/хода необязательно должны иметь одинаковоечисло каналов.
каждый из двух контуровдолжен быть одноходовым, с одним входом и одним выходом.
стороны не зависят друг от друга.

Рисунок 7 – Двухконтурный двухходовой пластинчатый теплообменник
Принцип работы пластинчатого теплообменника заключается в следующем. Пространство между пластинами заполняется попеременно нагреваемой средой и теплоносителем. Очередность регулируют прокладки. В одной секции они открывают путь теплоносителю, а в другой – нагреваемой среде.
В процессе работы скоростного пластинчатого теплообменника интенсивная передача энергии происходит во всех секциях, кроме первой и последней. Жидкости движутся навстречу друг другу. Теплоноситель подается сверху, а холодная среда – снизу. Визуально принцип работы пластинчатого теплообменника представлен на размещенной ниже схеме (рисунок 8).

Рисунок 8 – Принцип работы пластинчатого теплообменника
Чем больше пластин, тем лучше. По этому принципу наращивают эффективность пластинчатых теплообменников.
Эксплуатация и ремонт аппаратов
1. Требования к установке
Правила и нормы установки теплообменников пластинчатого типа для его успешной работы и обслуживания:
Должен быть свободный доступ к аппарату для его осмотра. Пластины и болты должны легко сниматься.
Трубопроводы, идущие к прибору, требуют сторонней опоры или подвеса, но не должны опираться на сам агрегат. Это вызовет проблемы.
Расстояние от рамы ПТО к вырезке для манометров и термометров должно составлять не менее 100 мм.
Должны быть установлены предохранительные клапаны, которые выдерживают испытательное давление аппарата, на обеих сторонах. Это защитит ПТО от перепадов давления.
Задняя прижимная плита должна двигаться по всей длине верхней и нижней направляющих во время разборки.
2. Процедура запуска
Теплообменник заполняется водой. Воздух, находившийся внутри, выходит через специальный кран. Сначала жидкость двигается по нагреваемой, а потом по греющей стороне. При запуске нужно проконтролировать стабильные условия (температура, давление в сети). Это обеспечит сохранность прокладок и пластин. Прокладки из EPDM выдерживают температуру до 150 градусов Цельсия, а образцы, изготовленные из Viton, работают при температуре среды до 180 градусов Цельсия. Максимальное давление теплосетей должно быть меньше максимального рабочего давления, указанного в паспорте прибора.
ВНИМАНИЕ! Во время первого использования ПТО повышать температуру можно не более чем на 25 градусов в час. А при следующих пусках/остановках температуру сбавляют/увеличивают максимум на 10 градусов в минуту, а давление – на 10 бар. В случае пренебрежения этими правилами гарантия будет отменена.
3. Эксплуатация теплообменника
При эксплуатации нужно учитывать рабочие параметры пластинчатого теплообменника (температура, давление, среда, расход) и следовать им. Они указаны в спецификации.
Прежде чем запустить оборудование, убедитесь в соответствие всех его действительных параметров с указанными заводским. А также проверьте наличие всех защитных кожухов, в том числе и изоляции.
В системе, к которой осуществляется подключение, не должно быть резких и неожиданных перепадов температуры и давления. Чем медленней наращивается/сбавляется температура и давление в ПТО, тем фактический срок эксплуатации уплотнителей будет больше. При использовании прибора нужно проводить мониторинг всех скачков показателей и записывать их в специальный журнал. Понижение напора и теплоотдачи свидетельствует о засорении прибора.
При пуске нужно открыть воздушные клапаны и вентили, находящиеся за теплообменником (аналогичные спереди агрегата должны быть закрыты). Только после запуска насоса следует медленно открывать передние приспособления, а при полном выходе воздуха соответствующие клапаны закрыть. Это гарантирует стабильность давления.
4. Отключение теплообменника
Главное правило - все делать медленно, ведь при быстром изменении возникнут перепады давления, что приведет к появлению течей и деформации прокладок. При отключении следует постепенно закрывать шаровой кран или регулирующий клапан, который расположен на подающей греющую среду трубе, одновременно охлаждая агрегат до 40 градусов Цельсия. Затем необходимо полностью закрыть вышеуказанные отверстия. Если использовать данный пластинчатый теплообменник не планируется более месяца, т воду в нем нужно слить, а сам аппарат высушить и почистить.
5. Вывод из эксплуатации и хранение теплообменника
Наиболее опасно время простоя такого оборудования, так как есть вероятность появление коррозии. В зависимости от способа очистки аппарата пластины перед (CIP-очистка) или после (ручная очистка) их изъятия очистить и промыть. В первом случае пластины чистят перед изъятием, то есть их промывают специальным средством внутри рамы. Во втором способе пластины моют и чистят отдельно от прибора. Важно после просушки заново зажать пакет пластин так, чтобы ни они, ни модули не были под давлением, но плотно прилегали друг к другу.
Нужно замерять и запомнить расстояние между передней и задней плитой, чтобы при возобновлении работы ПТО стянуть их до того же замера.
Сохранность теплообменного оборудования гарантируют постоянные нормальные условия. Лучше избегать воздействия окружающей среды. В помещение, где он находится, должно быть чистое, без присутствия кислот или растворителей, озона и приборов порождающее его (электросварка).
6. Обслуживание теплообменника
Теплообменник пластического типа меньше подвержен загрязнению, нежели другие типы, и самоочищается. Это происходит благодаря турбулизации потоков жидкости в образованных каналах между пластинами. Но так как используемая вода редко отличается чистотой и качественностью, то полностью от отложений в оборудовании не избавиться.
Если перепады давления увеличились больше чем на 20% или мощность упала больше 10% в сравнение с показателями в спецификации прибора, следует проверить ПТО на загрязнение отложениями. Чистку необходимо предоставить профессионалам!
Помимо регулярного очищения пластин, нужно следить за резьбовыми соединениями: смазывать, надевать защитные чехлы. Важно чтобы резьба не была деформирована, и на ней не было посторонних веществ (налета, грязи, краски).
Если используется теплоизоляция, она должна поддаваться частичному демонтажу. Это позволит проводить регулярный внешний осмотр.
Частота осмотров зависит от многих факторов (состав протекающих веществ, место установки, нагрузка аппарата, температура жидкостей, технические характеристики), но минимум раз в год прибор следует чистить. Это послужит профилактикой, если не лечением.
При исполнении всех требований эксплуатации теплообменник будет служить долго и надежно. Необходимо будет менять только прокладки и уплотнители, поскольку они имеют свой срок годности и снашиваются.
Течь устраняют подтяжкой пластин до размера, указанного на заводской табличке. Делают это при отсутствии давления на прибор.
Если агрегат не уплотняется, хотя дозатяжка была осуществлена, нужно заменить уплотнители до минимального размера затяжки. Причина такому явлению служат высокие температуры при эксплуатации, они ускоряют старение и изнашивание прокладок.
2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТА С ОБОСНОВАНИЕМ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ
Рассчитать и подобрать нормализованный пластинчатый теплообменник для нагрева жирных кислот водяным паром. Определить гидравлическое сопротивление аппарата.
Исходные данные. Теплота парообразования r1 = 2135 кДж/кг; температура пара t1 = 163 °С; плотность воды на линии насыщения р1 = 917 кг/м3; динамическая вязкость воды на линии насышения μ1 = 0.000183 Па·с; теплопроводность воды на линии насыщения λ1 = 0,690 Вт/(м·K); давление пара Р= 0,71 МПа; расход жирных кислот G2= 22.3 т/сут = 0,25 кг/с; плотность кислот р2 — 932 кг/м3; динамическая вязкость кислот μ2 = 0,00025095 Па·с; теплоемкость кислот с2=2327,0 Дж/(кг·К); теплопроводность λ2= 0,16 Вт/(м·К); начальная температура кислот t2н= 32°С; конечная t2к = 127°С; t=t2н+t2к2=75°С.
Определим последовательно:
Тепловую нагрузку аппарата
Q=G2c2t2к-t2н=0.25∙2327127-32=55266.3Вт
Расход пара
G1=Qr1=55266.32135=0.0258кг/с Среднюю разность температур
∆tср=t1-t2н-(t1-t2к)ln⁡(t1-t2нt1-t2к)=163-32-(163-127)ln⁡(163-32163-127)=95ln⁡(3,64)=73,5°∁Примем ориентировочное значение коэфициента теплопередачи Кор = 120 Вт/(м2·К) и вычислим орентировочную требуемую плошаль поверхности
Fор=QKор∆tср=55266.3120∙73.5=6.27м2Так как теплообменники с пластинами, имеющими поверхность теплообмена 0,2 м2, более металлоемкие, выбираем теплообменник с пластинами площадью поверхности f= 0,3 м2.
Теплообменники с близкой поверхностью при f= 0,3 м2 имеют число пластин 12-20. Целесообразно провести уточненный расчет следующих вариантов:
Вариант 1: F=5м2; N=20; f= 0,3 м2;
Вариант 2: F=3м2; N=12; f= 0,3 м2;
Где F- площидь теплообменника; N-число пластин; f-площадь пластины;
Конструктивные харрактеристики разборных пастинчатых теплообменников: габаритные размеры пластины: длина 1370мм; ширина 300мм; толщина 1мм; эквивалентный диаметр канала dэ=80мм; поперечное сечение канала S= 0,0011м2; приведенная длина канала L=1,12м; диаметр условного прохода штуцеров Dу=65мм.
Проведем расчета варианта 1:
Скорость жирных кислот по каналам
ω2=G2ρ2∙N2S=0.25932∙10∙0.0011=0.0243м/сЧисло РейнольдсаRe2=ω2∙dэ∙ρ2μ2=0.0243∙0.008∙9320.00025095=791.97>100Следовательно, режим тербулентный, для этого случая находим
Nu=α∙Re6∙Pr0.43∙(PrPrст)0.25α2=Nuλ2dэТогда
α2=λ2dэ0.1Re20.73Pr20.33(PrPrст)0.25Где α=0,1, b=0,73, для турбулентного режима; тогда
Pr2=C2μ2λ2=2327∙0.000250950.16=3.649Принимая Pr=Prст, получаем
α2=0.160.008∙0..1∙791.970,73∙3.6490,43=455.9Вт/м2∙КДля определения коэфициента теплоотдачи от пара примем, что ∆t=(tконд-tст)≥10°∁, тогда в каналах приведенной длиной L=1,12м получим
Re1=G1Lμ1F=0.0258∙1.120.000183∙5=31.6Коэффициент теплоотдачи определяем поα1=λ1LαRe0.7Pr0.4Гдеα=322 зависит от площади пластины; Pr=1,11 число Прандтля.
Следовательно
α1=0.6901.12∙322∙31.60.7∙1.110.4=2319.5Вт/(м2∙К)Термическим сопротивлением загрязненный со стороны пара можно принебречь. При толщине пластин из нержавеющей стали 1мм, λст=17,5Вт/(м·К) определим сумму термических сопротивлений стенки пластины и загрязнений со стороны жирных кислот
∑δλ=1∙10-317,5+15800=0,000229(м2∙К)/Вти коэффициент теплопередачи
K=(1α1+1α2+∑δλ)-1=(12319.5+1455.9+0.000229)-1=350.4Вт/(м2∙К)Проверим правильность допущения, принятого относительно ∆t∆t=K∆tсрα1=350,4∙73,52319.5=11,1°∁>10°∁Условие выполняется.
Требуемая площадь поверхности теплопередачи
F=QK∙∆tср=55266.3350.4∙73,5=2,15м2Таким образом, теплообменник наминальной поверхностью Fln=5м2 подходит с запасом
∆=5-2,122,12100=136%Проведем расчет варианта 2
Скорость жирных кислот по каналам
ω2=G2ρ2∙N2S=0.25932∙6∙0.0011=0,0406м/сЧисло Рейнольдса
Re2=ω2∙dэ∙ρ2μ2=0,0406∙0.008∙9320.00025095=1206,3>100Следовательно режим турбулентный. Для этого случая можно использовать
α2=λ2dэαRe2bPr20.43(PrPrст)0.25Где α=0,1, b=0,73, для турбулентного режима; тогда
α2=0.160.008∙0.1∙1206,30,73∙3.6490,43=490.9Вт/м2∙КДля определения коэфициента теплоотдачи от пара примем, что ∆t=(tконд-tст)≥10°∁, тогда в каналах приведенной длиной L=1,12м получим
Re1=G1Lμ1F=0.0258∙1.120.000183∙3=52.6Подставляя
α1=λ1LαRe0.7Pr0.4Гдеα=322 для пластины 0,3м2, находим коэфициент теплоотдачи.
α1=0.6901.12∙322∙52.60.7∙1.110.4=3313.6Вт/(м2∙К)И коэфициент теплопередачи с учетом загрязнений
K=(1α1+1α2+∑δλ)-1=(13313.6+1490.9+0.000229)-1=389.4Вт/(м2∙К)Проверим правильность принятого допущения относительно ∆t∆t=K∆tсрα1=389.4∙73,53313.6=8.6°∁>10°∁Условие не выполняется. Принимаем первый вариант.
3 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С АППАРАТОМ
Каждая теплообменная установка представляет собой источник повышенной опасности, так как при эксплуатации данный агрегат вырабатывает пар или воду, имеющий повышенную температуру. Стоит еще подчеркнуть, - работа теплообменника связана с повышенным давлением, что также является потенциальным источником опасности. По вышеуказанным причинам, эксплуатацию, ремонт и обслуживание данных установок следует производить согласно требованиям техники безопасности, принятой для данной отрасли.
К эксплуатации и ремонту вышеуказанных агрегатов допускаются только лица, имеющие определённый опыт работы, прошедшие соответствующее обучение с проверкой качества усвоенных знаний и возраст не менее 18 лет.
При установке теплообменника требуется правильно подготовить основание, а во время проведения сварочных работ обеспечить наличие заземления. Перед пуском аппарата в обязательном порядке производится проверка правильности монтажа трубопроводов и герметичности соединений.
При эксплуатации теплообменника периодически проводится очистка его пластин, и проверка герметичности соединений. Промывка теплообменников производится с определённой периодичностью, несмотря на то, что в какой-то степени теплообменники способны к самоочистке. Принудительная промывка проводится по следующим причинам:
Накопление малорастворимых загрязнений, которые имеют тенденцию к коксованию, что значительно затрудняет последующий процесс очистки;
Профилактические работы всегда проводятся быстрее и обходятся дешевле, нежели устранение последствий;
Пренебрежение регулярной очисткой может привести к повреждению или полному выходу из строя теплообменного аппарата.
Перед ремонтом теплообменник необходимо отключить от подводящих и отводящих трубопроводов, полностью освобождают его от пара и воды, и после разрешения начальника цеха, где находится данный агрегат, приступают к его ремонту. Предварительно запирают открывающую арматуру и устанавливают предупредительные таблички.
При отключении теплообменника от трубопроводов требуется тщательно соблюдать очерёдность действий, установленную для данного вида работ.
О каждом этапе действий производится запись в соответствующем журнале, причём начальник смены должен лично убедиться в безопасности места работы. По окончании ремонтных работ также производится запись, убираются таблички и производятся необходимые работы для введения теплообменника в строй.
Все горячие части оборудования, трубопроводы, прикосновение к которым может вызвать ожоги должны иметь тепловую изоляцию.
Температура на поверхности изоляции при температуре окружающего воздуха 25 °С должна быть не выше 45 °С. Окраска, условные обозначения, размеры букв и расположение надписей должны соответствовать требованиям стандартов.
Все горячие участки поверхностей оборудования и трубопроводов, находящиеся в зоне возможного попадания на них легковоспламеняющихся, горючих, взрывоопасных или вредных веществ, должны быть покрыты металлической обшивкой для предохранения тепловой изоляции от пропитывания этими веществами.Элементы оборудования, расположенные на высоте более 1,5 м от уровня пола (рабочей площадки), следует обслуживать со стационарных площадок с ограждениями и лестницами.
Лестницы и площадки должны быть ограждены перилами высотой не менее 1,0 м с бортовым элементом по низу перил высотой не менее 0,14 м.
Задвижки и вентили, для открывания которых требуются большие усилия, должны быть снабжены обводными линиями и механическими или электрическими приводами.
На штурвалах задвижек, вентилей и шиберов должно быть указано направление вращения при открывании или закрывании их.
Движущиеся части производственного оборудования, к которым возможен доступ работающих, должны иметь механические защитные ограждения. Защитные ограждения должны быть откидные (на петлях, шарнирах) или съемные, изготовленные из отдельных
Эксплуатация, техническое обслуживание, периодические испытания и освидетельствование теплообменных аппаратов должно осуществляться в соответствии с требованиями НТД и КД на изделия. Не допускается эксплуатация теплообменных аппаратов после истечения срока очередного их освидетельствования или выявления дефектов, угрожающих нарушением надежной и безопасной работы, при отсутствии или неисправности элементов их защит и регуляторов уровня. В паспорте теплообменного аппарата должна быть произведена запись с указанием причины запрета к эксплуатации.
Все трубопроводы и теплообменные аппараты должны иметь в верхних точках воздушники, а в нижних точках и застойных зонах - дренажные устройства.
Места слива воды из дренажных трубопроводов должны быть вынесены на безопасное расстояние. Исправность предохранительных клапанов, манометров и другой арматуры теплообменного аппарата должен обеспечивать обслуживающий персонал в соответствии с инструкцией по обслуживанию теплообменных аппаратов.
С теплообменных аппаратов и трубопроводов, отключенных для ремонта, необходимо снять давление и освободить их от пара и воды. С электроприводов отключающей арматуры - снять напряжение, а с цепей управления электроприводами - предохранители.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной курсовой работе были рассмотрены пути модернизации технологического процесса нагрева жирных кислот водяным паром. Изучены основные виды теплообменников, в частности пластинчатый теплообменник, правила эксплуатации и техника безопасности при работе с данным аппаратом. Приведена классификация пластинчатых теплообменников, описан принцип их действия, указаны области применения, достоинства и недостатки.
Анализ литературных источников позволил сделать вывод, что пластинчатый теплообменник – один из наиболее широко используемых аппаратов, так как он отличается интенсивным теплообменом, простотой изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и легкостью очистки от загрязнений.
Кроме того, пластинчатые теплообменники универсальны: в них можно осуществлять теплообмен между рабочими средами жидкость - жидкость, пар - жидкость, пар + газ - жидкость, газ - газ. Разборные теплообменники могут работать также с рабочими средами, в которых размер твердых частиц не превышает 4 мм. При отложении загрязнений на теплопередающих поверхностях можно периодически переключать каналы на такие рабочие среды, которые очищают поверхности от загрязнений без разборки аппарата.
Для подбора нормализованного пластинчатого теплообменника с целью нагрева жирных кислот водяным паром проведен технологический расчет аппарата, определены и обоснованы основные его размеры. Полученные параметры аппарата приведены ниже:
температура пара t1 = 163 °С;
давление пара Р= 0,71 МПа;
расход кислот G2 = 22,3 т/сут (0,25 кг/с);
начальная температура кислот t2н = 32°С;
конечная температура кислот t2к = 127°С;
тепловая нагрузка аппарата Q=55266,3 Вт;
расход пара G1=0,0258 кг/с (92,88 кг/ч);
коэфициент теплоотдачи от кислот α2=455,9 Вт/м2∙К;
коэфициент теплоотдачи от пара α1=2319,5 Вт/м2∙К;коэффициент теплопередачи K=350,4 Вт/(м2∙К);
требуемая площадь поверхности теплопередачи F=2,15 м2;
запас поверхности теплообмена ∆ =136 %.
Так как теплообменники с пластинами, имеющими поверхность теплообмена 0,2 м2, более металлоемкие, выбираем теплообменник на 5 м2 с пластинами площадью поверхности 0,3 м2 в количестве 20 штук. Конструктивные характеристики разборных пастинчатых теплообменников: габаритные размеры пластины: длина 1370 мм; ширина 300 мм; толщина 1 мм; эквивалентный диаметр канала dэ = 80мм; поперечное сечение канала S = 0,0011м2; приведенная длина канала L=1,12м; диаметр условного прохода штуцеров Dу = 65мм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1) Баранов, Д. А. Процессы и аппараты химической технологии: учебник / Д. А. Баранов. - Санкт-Петербург: Лань, 2020. – 408 с. - ISBN 978-5-8114-4984-2. - URL: https://e.lanbook.com/reader/book/130186/#1(дата обращения 28.12.2019). - Текст: электронный.
2) Дытнерский, Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов. В 2 частях. Часть 1. Массообменные процессы и аппараты. / Ю. И. Дытнерский. - Москва: Альянс, 2015. – 368с. - ISBN 978-5-91872-073-8. – Текст: непосредственный.
3) Дытнерский, Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов. В 2 частях. Часть 2. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. / Ю. И. Дытнерский. - Москва: Альянс, 2015. – 400 с. - ISBN 978-5-91872-076-9 – Текст: непосредственный.
4) Поникаров, И. И. Машины и аппараты химических производств и нефтепереработки: учебник / И. И. Поникаров, М. Г. Гайнуллин.- Санкт-Петербург: Лань, 2019. – 604 с. - ISBN 978-5-8114-4095-5. – Текст: непосредственный.
5) Поникаров, И. И. Расчеты машин и аппаратов химических производств: учебное пособие / И. И. Поникаров, С. И. Поникаров, С. В. Рачковский.- Санкт-Петербург: Лань, 2018. – 716 с. - ISBN 978-5-8114-2383-5. – Текст: непосредственный.
6) Сарданашвили, А. Г. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа: учебное пособие / А. Г. Сарданашвили, А. И. Львова. - Санкт-Петербург: Лань, 2019. – 256 с. - ISBN 978-5-8114-3990-4. – Текст: непосредственный.
7) Ухин. Б. В. Гидравлика: учебник / Б. В. Ухин, А. А. Гусев. - Москва: ИНФРА-М, 2019. – 432 с. - ISBN 978-5-16-101050-1. - URL: http://znanium.com/bookread2.php?book=1026900(дата обращения 27.12.2019). - Текст: электронный.