Трехкамерный теплообменник для подготовки газовых проб для поточного анализа

Полезная модель относится к области технологического оборудования отбора и подготовки проб для газового анализа на кислород и оксиды и может использоваться в химической промышленности на стадии окисления циклогексана производства ε-капролактама в процессе непрерывного отбора проб из трубопроводов или реакторов, а так же найти применение в других отраслях промышленности.
Известно множество теплообменников (см. ТУ 3612-024-00220302-02).
Недостатками известных теплообменников является невозможность их использования при отборе и подготовке газовых проб из трубопроводов или реакторов на стадии окисления циклогексана производства ε-капролактама, так как циклогексан, являясь агрессивным компонентом, плохо отделяется при отборе и подготовке пробы из-за недостаточно развитого теплообмена и приводит в конечном итоге к выходу из строя газоанализаторов.
Другим аналогом является кожухотрубчатый теплообменник (патент RU №2329448, МПК F28D 7/16), содержащий кожух, трубные решетки и перегородки с пропущенными в них теплообменными трубами. Между поперечными перегородками установлены демпфирующие перегородки, содержащие пакеты прямолинейных прямоугольных пластин, установленных между рядами труб параллельно друг другу в одной поперечной плоскости теплообменника, и пакеты прямоугольных пластин прямоугольного поперечного сечения, установленных между рядами труб параллельно друг другу в другой поперечной плоскости теплообменника.
Недостатками данного теплообменника являются его громоздкость, обусловленная наличием дополнительных перегородок, большой массой и множеством сварных швов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой полезной модели является кожухотрубный теплообменный аппарат с винтовой перегородкой (К.А. Олесевич. и др. «Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик кожухотрубного теплообменного аппарата с винтовой перегородкой», Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, Серия «Машиностроение», 2007, №2, стр. 89-96, рис. 2). Теплообменник состоит из корпуса, винтовой перегородки, пучка теплообменных трубок, штуцеров, втулки и распределительной камеры.
Конструкция кожухотрубного теплообменного аппарата малоэффективна, так как не обеспечивает достаточный теплообмен внутри теплообменных труб и не использует рекуперацию тепла.
Технической задачей заявляемого трехкамерного теплообменника является обеспечение эффективности его конструкции, путем повышения теплообмена внутри теплообменных труб и использования рекуперации тепла при подготовке газовых проб реакционных газов из трубопроводов или реакторов окисления производства ε-капролактама для поточного анализа.
Поставленная техническая задача обеспечивается конструкцией трехкамерного теплообменника, содержащего корпус в виде трубы, днище, крышку, штуцеры для подвода и отвода теплоносителей, пучок теплообменных трубок, распределительную камеру и перегородки, при этом
распределительная камера образована циклоидальным днищем и в ней установлен рассекатель потока реагентов. Кроме того, он содержит рабочую камеру, состоящую из трубного пространства, межтрубного пространства и пучка теплообменных трубок. Рабочая камера снабжена линзовым компенсатором тепловых деформаций корпуса, а пучок теплообменных трубок оснащен матрицами, размещенными внутри каждой из них. В рабочей камере теплообменника расположена коаксиальная труба с установленной на ней контактной тарелкой, а внутри коаксиальной трубы размещена U-образная трубка отбора пробы с архимедовой спиралью. Теплообменник также содержит камеру подготовленной пробы, нижнюю перфорированную перегородку, отделяющую распределительную камеру от рабочей, и верхнюю перфорированную перегородку, отделяющую рабочую камеру теплообменника от камеры подготовленной пробы. Кроме того теплообменник снабжен пружинными опорами, индикатором температуры, расположенным на корпусе теплообменника снаружи и выполненным в виде стеклянной колбы, в которой размещена основная металлическая шкала, покрытая чувствительной термоиндикаторной краской, эталонная шкала и линейка.
Поверхности циклоидального днища, контактной тарелки и пучка теплообменных трубок выполнены гидрофобными.
Трехкамерный теплообменник выполнен с возможностью использования как на трубопроводе, так и на реакторе окисления ε-капролактама.
Новизна полезной модели заключается в том, что теплообменник устанавливается в вертикальное положение непосредственно на трубопроводе или реакторе для сепарации вредного компонента при конденсации. Это позволяет экономно осуществлять отбор пробы, так как возвращение циклогексана в жидком виде обратно в реактор существенно повышает эффективность его работы, учитывая, что отбор проб производится круглосуточно, а продуктом окисления, выходящим из
реактора, является жидкий циклогексан. Извлечение циклогексана в виде жидкости из реакционной газовой смеси повышает КПД реактора, так как увеличивается его производительность по продукту.
Использование теплообменника позволяет произвести комплексную подготовку пробы: отделить случайно залетевшие капли жидкости, охладить пробу до состояния насыщения, сконденсировать вредный компонент, охладить конденсат, отделить вредный компонент с помощью силы тяжести, произвести подогрев несконденсированной оставшейся пробы за счет рекуперации собственного тепла и направить ее на анализ.
Корпус теплообменника в виде трубы позволяет безопасно эксплуатировать аппарат, как сосуд под давлением, при высокой температуре.
Циклоидальное днище вертикального теплообменника выполнено с профилем в виде перевернутой циклоиды для обеспечения минимального времени скатывания капель жидкости в поле тяжести.
Крышка теплообменника имеет в сечении также циклоиду для унификации и позволяет конструктивно выполнить камеру подготовленной пробы, обеспечить доступ к внутреннему устройству теплообменника и установить сверху матрицы в пучок теплообменных трубок.
Пучок теплообменных трубок позволяет развить поверхность теплообмена за счет n-го количества трубок в пучке и исключить возможное захлебывание, благодаря увеличению сечения потока.
Распределительная камера необходима для снижения скорости потока газовой смеси за счет увеличения диаметра поперечного сечения и позволяет обеспечить безопасный отбор проб под высоким давлением, а также исключить вероятность гидравлического удара. Распределительная камера позволяет равномерно распределить реакционную газовую смесь по всем теплообменным трубкам и успокоить ее перед процедурой охлаждения, исключив тем самым заброс капельной влаги из трубопровода или реактора в камеру подготовленной пробы.
Рассекатель, установленный в распределительной камере, является направляющим элементом конструкции теплообменника, посредством которого у набегающего потока газовой смеси появляется горизонтальная составляющая скорости движения, для плавного обтекания контактной тарелки. Также рассекатель выполняет функцию отбойного элемента, защищая архимедову спираль от возможной деформации под высоким давлением.
Рабочая камера позволяет последовательно охладить поток реакционной смеси до состояния насыщения по циклогексану и сконденсировать его по закону Дж. Дальтона, затем быстро охладить сконденсированный циклогексан, после чего обеспечить противоточное движение и контакт двух фаз газ-жидкость благодаря силе тяжести.
Трубное пространство позволяет обеспечить в каждой трубке свою конденсацию циклогексана, который ручейками стекает вниз под действием силы тяжести.
Межтрубное пространство позволяет подавать в теплообменник холодный теплоноситель, с целью его циркуляции и теплосъема для охлаждения реакционной газовой смеси, что обеспечивает эффективную конденсацию и отделение вредного компонента.
Корпус теплообменника, являясь правильным круговым цилиндром, и работая как сосуд под давлением, выполнен с линзовым компенсатором для снижения напряжений в стенках при тепловом расширении пучка теплообменных трубок. Также линзовый компенсатор защищает места соединений теплообменных трубок и перфорированных перегородок от повреждения.
Матрицы устанавливаются в каждую теплообменную трубку по всей их длине, что позволяет перейти к турбулентному режиму течения, с целью эффективной конденсации паров циклогексана. Также матрицы предназначены для улавливания случайно залетевших снизу капель циклогексана, в качестве каплеуловителя.
Внутренняя коаксиальная труба является защитным чехлом для U-трубки, который позволяет избежать попадания капель жидкости на ее поверхность и обеспечить более эффективную рекуперацию тепла при подогреве пробы.
Контактная тарелка, выполненная из композита, защищает архимедову спираль от попадания на ее поверхность капель конденсата и представляет собой фигуру вращения, образованную кривой наискорейшего спуска - циклоидой.
U-образная трубка отбора пробы с архимедовой спиралью позволяет обеспечить рекуперацию тепла, за счет протекания пробы через наиболее горячую зону теплообменника. Переход в архимедову спираль позволяет добиться качественного подогрева пробы перед тем, как она покинет теплообменник и, таким образом, обеспечить рекуперацию тепла, в целях энергосбережения.
Камера подготовленной пробы заполняется уже готовой пробой, содержащей реакционную смесь с минимальной концентрацией циклогексана, при этом в данной зоне теплообменника наблюдается ярко выраженный баланс массы вещества пробы за счет оттока последней по U-образной трубке.
Нижняя перфорированная перегородка представляет собой тонкий металлический диск, предназначенный для крепления пучка теплообменных трубок с одной стороны.
Верхняя перфорированная перегородка представляет собой аналогично тонкий металлический диск, предназначенный для крепления пучка теплообменных трубок с другой стороны, соответственно.
Пружинные опоры работают на сжатие-растяжение в процессе эксплуатации и удерживают теплообменник при монтаже и демонтаже в случае ремонта.
Индикатор температуры представляет собой термометр, выполненный в виде стеклянной колбы, в которой размещена
основная металлическая шкала, покрытая чувствительной многопереходной термоиндикаторной краской, эталонная шкала и линейка. У колбы есть два вывода, которые подключаются в местах фланцевых соединений к теплообменнику. В результате явления теплопроводности на основной шкале индикатора температуры появляется температурное поле, которое визуально отображается краской в виде цветовой гаммы и показывает изменение температуры вдоль теплообменника. Из сравнения с эталонной шкалой можно сделать заключение о величине температуры в любом сечении теплообменника.
Внутренняя поверхность циклоидального днища - гидрофобная, с плохой смачиваемостью, для обеспечения эффекта скольжения жидкости вниз по циклоиде. В этом случае капли конденсата не прилипают к поверхности днища благодаря его влагоотталкивающим свойствам.
Внутренняя поверхность пучка теплообменных трубок - гидрофобная, для получения эффекта Лотоса и интенсификации теплообмена. Поверхность, обладающая данным свойством, обеспечивает преимущественно капельную конденсацию, а не пленочную, что позволяет сократить размеры теплообменника.
Внешняя поверхность пучка теплообменных трубок также гидрофобная, для исключения загрязнения, за счет эффекта самоочистки и, для обеспечения скольжения воды по поверхности, что в целом уменьшает гидравлическое сопротивление и увеличивает теплопередачу.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображено устройство теплообменника в аксонометрии.
На фиг. 2. показана аксонометрия внутренней коаксиальной трубы теплообменника и U-трубки.
На фиг. 3 представлен разрез теплообменной трубки с матрицей.
На фиг. 4 дан разрез днища теплообменника.
На фиг. 5 представлен разрез контактной тарелки.
На фиг. 6 дана аксонометрия, вид сверху и сечение индикатора температуры.
Теплообменник (фиг. 1), представляет собой многофункциональный аппарат, состоящий из корпуса 1 в виде трубы, циклоидального днища 2 (фиг. 4), внутренняя поверхность которого исключительно гидрофобная, выпуклой крышки 3, штуцера 4 входа реакционной газовой смеси, штуцеров 5 подключения воды, пучка теплообменных трубок 6, распределительной камеры 7, перегородок 8, позволяющих обеспечить обтекание холодным теплоносителем пучка теплообменных трубок 6, установленного рассекателя газового потока 9, рабочей камеры 10, являющейся главной энергообменной зоной, где протекают процессы тепло- и массообмена, трубного пространства 11 внутри каждой из трубок, межтрубного пространства 12, линзового компенсатора 13, выполненного, как и все элементы, из нержавеющего сплава, матриц 14 (фиг. 3) для интенсификации теплообмена, коаксиальной трубы 15 (фиг. 2), помещенной внутрь теплообменника, контактной тарелки 16 (фиг. 5), выполняющей функцию каплеотражателя, U-образной трубки 17 с архимедовой спиралью 18 (фиг. 2), камеры подготовленной пробы 19, в которой вредный компонент остался в минимальном количестве, нижней перфорированной перегородки 20, верхней перфорированной перегородки 21, предусмотренных пружинных опор 22, несущих вес конструкции теплообменника, индикатора температуры 23 со стеклянной колбой 24, основной металлической шкалы 25 индикатора температуры, эталонной шкалы 26, линейки 27, размещенной в колбе индикатора температуры (фиг. 6).
2
2
2
6
12
2
Работа трехкамерного теплообменника для подготовки газовых проб для поточного анализа осуществляется следующим образом. Реакционная газовая смесь из трубопровода или реактора с температурой 162…169°С и давлением 1,2 Мпа, содержащая в среднем 2.1% - O, 1.1% - СО, 0.65% - CO, 88.7% - N, 7% - СН и 0.45% - HO попадает в распределительную камеру 7 теплообменника, где снижая скорость и расширяясь, омывает архимедову
6
12
спираль 18 U-образной трубки 17, после чего затекает в кольцевой зазор между контактной тарелкой 16 и циклоидальным днищем 2 теплообменника и, распределяясь по трубкам, попадает в пучок теплообменных трубок 6 рабочей камеры 10; контактируя с холодной поверхностью в каждой трубке 6 в результате теплообмена газ быстро остывает до состояния насыщения по циклогексану и затем из него при точке росы ~75°С конденсируется циклогексан СН на внутренней поверхности теплообменных трубок 6 в виде мелких капель, отдавая скрытое тепло конденсации воде, текущей в межтрубном пространстве 12 теплообменника; образующийся в виде росы конденсат охлаждается до 62…69°С и под действием силы тяжести начинает ручейками стекать вниз, капая из трубок 6 на контактную тарелку 16, далее через кольцевой зазор между контактной тарелкой 16 и стенками циклоидального днища 2 жидкий циклогексан противотоком сливается обратно в трубопровод или реактор, двигаясь со скольжением, как по поверхности контактной тарелки 16, так и по внутренней поверхности циклоидального днища 2 теплообменника; в каждой теплообменной трубке 6 происходит своя конденсация, при этом оставшийся в трубном пространстве 11 основной газ, имея неравномерное распределение по объему всех компонентов смеси, перемешивается в матрицах 14 и через отверстия в верхней перфорированной перегородке 21 поступает в камеру 19 подготовленной пробы, откуда под давлением начинает заполнять U-образную трубку 17 и постепенно вытеснять нейтральный азот, оставшийся после продувки технологической линии; двигаясь в нижней части U-образной трубки 17, газ подогревается в области архимедовой спирали 18, омываемой горячей пробой и уже в подогретом состоянии покидает теплообменник; температура среды в теплообменнике определяется, согласно индикатору температуры 23. Сравнив цветовую гамму с эталонной шкалой можно сделать заключение о величине температуры в любом сечении теплообменника.
Суть полезной модели заключается в том, что благодаря повышенному теплообмену внутри теплообменных труб и использованию рекуперации тепла в трехкамерном теплообменнике, один из компонентов газовой смеси (в зависимости от состава) горячей пробы, отобранной из потока газа в трубопроводе или из реактора, конденсируется в пучке теплообменных трубок и под действием силы тяжести струйками стекает обратно в трубопровод или реактор, обеспечивая, таким образом, эффективную подготовку газовых проб реакционных газов для поточного анализа на стадии окисления циклогексана при производстве ε-капролактама.