ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ОЖИЖЕНИЯ СМЕШАННЫХ ПАРОВ
HEAT EXCHANGER FOR LIQUEFYING MIXED VAPOURS

Изобретение относится к конструкциям теплообменных аппаратов для ожижения - охлаждения с конденсацией смешанных паров различных продуктов. Ожижение - охлаждение с поверхностной конденсацией производится холодоносителем через промежуточные стенки труб теплообменного аппарата после подачи в него смешанных паров, образовавшихся при нагреве и совместном испарении летучих компонентов из сложных смесей. Нагрев, испарение с последующим ожижением сложных смесей используются в основном в процессах перегонки - дистилляции сложных смесей жидких продуктов, каждый из которых обладает различной летучестью паров, т.е. различной упругостью паров.
Известна конструкция-аналог - теплообменный аппарат, используемый для охлаждения и конденсации в установке простой перегонки-дистилляции (см. Касаткин А.Г. «Основные процессы и аппараты химической технологии». М., 1961 г., с.558, рис.382 - установка перегонки и с.388, рис.276 - более подробное описание конструкции использованного в установке теплообменного аппарата - спиральнонавитого трубчатого теплообменника). Теплообменный аппарат, изображенный на рис.276, представляет один из вариантов исполнения спиральнонавитого змеевикового теплообменника с трубой - змеевиком, размещенным в одной - общей внутренней полости. Внутрь спиральнонавитой трубы теплообменника направляют парофазные - ожижаемые - конденсируемые компоненты. В полость, где размещена спиральнонавитая труба, подается охлаждающая вода. Выход спиральнонавитой трубы - змеевика соединен с тремя параллельно установленными емкостями - приемниками для приема различных сконденсированных компонентов. Поступление различных сконденсированных компонентов в разные приемники реализуется переключающей арматурой, установленной на линиях подачи - распределения в каждый приемник.
Работа аппарата-аналога, состоящего из одного теплообменного аппарата в виде спиральнонавитого теплообменника в составе установки простой перегонки, состоит в том, что при нагреве перегоняемой смеси - в кубе колонны, начинается испарение первого летучего компонента. Пары первого летучего компонента поступают в спиральнонавитую трубу аппарата, расположенную в полости с проточной охлаждающей водой, и в результате охлаждающего пары теплообмена они конденсируются на ее внутренней поверхности и отводятся в один из приемников. Так как перегонка в аналоге дискретна - производится порциями загружаемой в куб жидкой смеси, то со всеувеличивающейся температурой нагреваемой смеси - с увеличением температуры в кубе колонны перегонки начинается испарение других - 2-го, затем 3-го компонентов смеси, которые отводятся в другие приемники. Выведение различных сконденсированных - летучих компонентов в различные приемники в конструкции-аналоге осуществляется переключением - подключением сконденсированного потока к линии выведения в конкретный приемник, собирающей именно этот компонент. Т.е. компонент, испаряемый именно в данный момент времени при данной температуре в кубе колонны.
Недостатком конструкции-аналога является отсутствие автомеханического покомпонентного отвода - разведения общего сконденсированного потока летучих на потоки с различными составляющими компонентами и автомеханической подачи их в различные приемники. Или другими словами, - сокращенно - отсутствие дифференцированного ожижения парофазной смеси. Применение аналога вообще невозможно, когда смесь состоит из жидких компонентов, имеющих лишь незначительные различия температур испарения, и испаряющихся одновременно, вследствие общего перегрева жидкого продукта в кубе колонны. Имеющееся ручное и даже автоматическое подключение - и отключение - переключение линии подачи сконденсированных компонентов в приемники является инерционным. Из-за отмеченных выше причин, - одновременного испарения компонентов с мало различающимися температурами испарения, а также инерции переключений и конденсации разных компонентов на стенках одного и того же трубного змеевика, - в приемники частично попадают компоненты другого состава. Из-за чего в чистом виде отдельные компоненты сложной смеси в конструкциях-аналогах, выделить невозможно.
Наиболее близким по технической сущности решением, принятым за прототип, является схемная конструкция реализации дифференцированного ожижения с поверхностной конденсацией, используемая в установке простой перегонки- дистилляции, включающая два последовательно установленных теплообменника, две конденсационные секции, соединенные трубными перемычками (см. Касаткин А.Г. «Основные процессы и аппараты химической технологии». М., 1961 г., с.558, рис 383). В конструкции прототипа - первым теплообменником, принимающим поток испаренных летучих компонентов - из двух последовательно установленных теплообменников-секций, является теплообменник по рис.238-239, с.353 классического кожухотрубчатого типа, который включает проходной трубный пучок с двумя трубными решетками. Далее по ходу парового потока смеси компонентов, после трубной перемычки - второй секцией - установлен спирально-навитой (змеевиковый) теплообменник ранее описанной конструкции в разделе аналоги, т.е. конструкции по рис.276, с.388. Причем первый теплообменник - секция установлен прямо на верхней части куба колонны - как шлемовый элемент аппарата.
Работа конструкции, принятой за прототип, заключается в том, что после начала испарения в кубе колонны летучих компонентов они поступают сначала в трубки первой секции - шлемового - классического кожухотрубчатого теплообменника. На внутренней поверхности трубок возникают:- поверхностная- пленочная конденсация первого летучего компонента и сползание - стекание пленки вниз под действием силы тяжести. Более подробно механизм пленочной конденсации описан в известной работе - Циборовский Я. Процессы химической технологии. Ленинград., Гос. научн.-техн. изд-во хим. лит-ры, 1958 г., с.462. Сконденсировавшаяся в первом кожухотрубчатом теплообменнике часть паров летучих компонентов сразу самотеком возвращается обратно в колонну, т.е. является орошающей флегмой, изменяющей состав последующего конденсируемого компонента во втором теплообменнике (обогащение дистиллята). Пары второго летучего компонента конденсируются во второй секции - спиральнонавитой трубе - змеевике второго теплообменника. Таким образом, по схемной - двухсекционной конструкции прототипа - с использованием двух последовательно соединенных трубной перемычкой конденсационных секций теплообменников осуществлено разделение конденсируемого потока с дифференцированием - выделением уже двух отдельных компонентов различного состава. Хотя один из них - первый и возвращается обратно - в колонну перегонки.
Недостатком аппарата для ожижения смешанных паров, принятого за прототип и состоящего из последовательного набора двух конденсационных секций - двух отдельных теплообменников, соединенных трубной перемычкой, является повышенная металлоемкость конструкции, включающей два раздельно установленных теплообменника и повышенное гидравлическое сопротивление общей конструкции движению потока летучих компонентов. Повышенное гидравлическое сопротивление тракта движению потока летучих компонентов в наборе из двух отдельных конденсационных секций - теплообменников обусловлено наличием неоднократных сужений и расширений потока. Т.е. таких зон как: выход потока в верхние штуцеры на крышках предыдущих теплообменников; движение потока через суженные трубные перемычки; выход из штуцеров на нижних крышках последующих теплообменников, а также вход потока в теплообменные трубки каждой трубной решетки каждого из последующих теплообменников.
Целью заявляемого технического решения является снижение металлоемкости аппарата для ожижения смешанных паров и снижения его гидравлического сопротивления по тракту движения летучих компонентов, состоящего по меньшей мере из двух последовательно соединенных конденсационных секции - теплообменников, за счет выполнения их в виде единотрубного секционного аппарата без использования крышек и трубных перемычек и в том числе без гидравлических сопротивлений: сужений-расширений.
Указанная цель достигается тем, что в известном теплообменном аппарате для ожижения смешанных паров, включающем по меньшей мере две последовательно соединенные теплообменные секции, теплообменные секции выполнены как единотрубный аппарат, где в начало каждой теплообменной секции введены камеры сбора конденсата, оснащенные патрубками вывода его, причем внутри камер в теплообменных трубках выполнены отверстия или разрывы. В аппарате оси отверстий в теплообменных трубках, выполненные в камерах сбора и вывода конденсата, расположены под острым углом, способствующим стеканию конденсатной пленки. В разрывах теплообменных трубок, выполненных в камерах сбора конденсата, образовавшиеся торцы трубок каждой последующей секции снабжены устройствами вывода конденсата за зону трубного парового потока. Устройства вывода конденсата за зону трубного парового потока выполнены в виде развальцовок образовавшихся торцов трубок каждой последующей камеры. Нижние перегородки камеры сбора конденсата выполнены изогнутыми, причем уклоны направлены к патрубку или патрубкам вывода конденсата. Внутренняя поверхность фланца камеры сбора конденсата выполнена с уклонами, направленными к патрубку или патрубкам вывода конденсата. Устройства вывода конденсата за зону трубного парового потока включают надетые и приваренные к фигурным торцам трубок плоские или выгнутые кольца с шириной, по меньшей мере равной сумме: толщины стенки теплообменной трубки - t, максимальной толщины пленки - Δ и катету шва приварки - к. На стенках теплообменных трубок в местах отверстий в камерах сбора выполнены проточки или развальцовки.
Заявляемое техническое решение поясняется Фиг.1-6.
На Фиг.1 представлен поперечный разрез предложенного теплообменного аппарата для ожижения паров смешанных потоков в виде единотрубного секционного аппарата, состоящего из трех последовательно соединенных непосредственно друг с другом теплообменных секций. В начало каждой теплообменной секции введены камеры сбора конденсата. Внутри камер в теплообменных трубках выполнены разрывы. Камеры оснащены патрубками вывода конденсата.
На Фиг.2 приведен фрагмент поперечного разреза одной из камер сбора конденсата. Внутри камеры в показанной одной теплообменной трубке выполнены отверстия с осями, расположенными под острым углом £, способствующим стеканию пленки.
На Фиг.3 - представлен вид сверху на нижнюю изогнутую перегородку камеры сбора конденсата или фланец с отфрезерованной внутренней поверхностью. Стрелками показаны направления - уклоны для стекания конденсата к патрубкам вывода конденсата. Теплообменные трубки условно не показаны. Количество принятых патрубков на одной перегородке или фланце - 4.
На Фиг.4 изображен фрагмент с теплообменной трубкой, выполненной внутри камеры с разрывом. Образовавшийся в разрыве торец трубки последующей секции снабжен устройством вывода конденсата за зону трубного парового потока, выполненным в виде развальцовки образовавшегося торца трубка каждой последующей секции. На Фиг.5 то же, что и на Фиг.4, но с устройствами вывода конденсата за зону трубного парового потока, включающими надетые и приваренные к фигурным торцам трубок плоские кольца с шириной колец, равной сумме: толщины стенки теплообменной трубки - t, максимальной толщины пленки - Δ и катету шва приварки - к.
На Фиг.6 - то же самое, что и на Фиг.2, но в местах расположения отверстий на стенках теплообменных трубок выполнены развальцовки.
На Фиг.7 - то же самое, что и на Фиг.5, но приваренные к трубкам кольца - выгнутые.
Конструкция предложенного теплообменного аппарата для дифференцированного ожижения смешанных паров, путем охлаждения и поверхностной конденсации паров смешанного потока состоит из установленного, например, на верхнем фланце дистилляционной колонны 1 Фиг.1, корпуса аппарата 2 с тремя последовательно соединенными теплообменными секциями 3; 4; 5. Вначале каждой из трех теплообменных секций 3; 4; 5 введены камеры сбора конденсата 6; 7; 8. Камеры сбора конденсата 6;7;8 оснащены патрубками вывода конденсата 9. В варианте, принятом на Фиг.3, показаны четыре патрубка вывода конденсата 9 и соответственно площадь перегородки разделена на четыре сектора с различными уклонами - каждый к своему патрубку. Каждая теплообменная секция, как обычный классический теплообменник - снабжена патрубками ввода 10 и вывода 11 охлаждающего носителя и перегородками 12 для увеличения протяженности пути движения холодоносителя в теплообменной секции 3; 4; 5. Нижние перегородки 13 и 14 и внутренняя поверхность фланца 15, являющегося трубной решеткой -приваренного к корпусу аппарата 2, выполнены с уклонами. При этом, - перегородки 13 и 14 -изогнуты, а внутренняя поверхность фланца 15 - отфрезерована так, что уклоны направлены к патрубкам вывода конденсата 9. Направления уклонов - направления стекания конденсата показаны на Фиг.3 стрелками. Количество патрубков вывода может быть любое, - соответственно по их числу, выполняется и число плоскостей, выполненных с уклонами. В камерах сбора конденсата 6; 7; 8 теплообменные трубки 16 выполнены с разрывами 17 Фиг.1; 4; 5; 7 или с отверстиями 18 Фиг.2; 6. В местах разрыва 17 теплообменных трубок 16 в камерах сбора конденсата 6; 7; 8 торцы трубок 16 каждой последующей теплообменной секции снабжены устройствами вывода конденсата за зону трубного парового потока в виде развальцовок 19 Фиг.4, или включающими надетые и приваренные к фигурным торцам плоские 20 Фиг.5 или выгнутые 21 Фиг.7 кольца с шириной, по меньшей мере равной сумме: толщины стенки теплообменной трубки - t, максимальной толщины пленки - Δ и катету шва приварки - к. В местах выполнения отверстий 18 теплообменные трубки 16 могут быть выполнены с развальцовкой 22 Фиг.6. Вместо развальцовок 22 могут быть выполнены проточки. Оси отверстий 18 Фиг.2; 6 расположены под острым углом £, способствующим стеканию конденсата.
Работа предложенной конструкции поверхностного теплообменника заключается в следующем. Перед началом перегонки - нагрева жидкой смеси продуктов в кубе колонны дистилляции 1- куб колонны условно не показан, - в межтрубные пространства теплообменных секций 3; 4; 5 подают один - например оборотную воду или несколько охлаждающих агентов - например конденсат, оборотную и захоложенную, воды. С началом нагрева жидкой смеси - в кубе колонны - начинается испарение летучих компонентов. Испаренные и нагретые летучие компоненты из колонны 1 через отверстие фланца 15 аппарата 2 начинают поступать в начале в теплообменные трубки 16 первой теплообменной секции 3. Сконденсировавшаяся в жидкую фазу в теплообменных трубках 16 первой теплообменной секции 3 часть паров летучих фракций сползает вниз до разрывов 17 Фиг.1; 4; 5; 7 (на Фиг.4; 5; 7 - нет фланца, - показана одна из перегородок) или отверстий 18 Фиг.2; 6 (фланец тоже не показан). После чего, образовавшийся конденсат, через отверстия 18 или по устройствам вывода конденсата в виде развальцовок 19 Фиг.4; плоских колец 20 Фиг.5 или изогнутых колец 21, надетых и приваренных к фигурным торцам, Фиг.7 стекает на нижнюю - внутреннюю отфрезерованную с уклонами поверхность фланца 15 первой камеры сбора конденсата 6. Далее, по выфрезерованным уклонам, конденсат выводится через патрубки вывода конденсата 9. Развальцовки 19 торцев теплообменных трубок 16 Фиг.4 или надевание и приварка к фигурным торцам: - плоских 20 Фиг.5 или выгнутых 21 Фиг.7 - колец, а также развальцовки 22 Фиг.6 теплообменных трубок 16 являются устройствами вывода конденсата за зоны трубного парового потока, предотвращающими эффект срывного возврата конденсата. Эффект срывного возврата образовавшегося конденсата паровым потоком, - обратно - вверх трубок 16 - подвешивание его - вреден и опасен, т.к. способствует нестационарности - образованию в теплообменных трубках 16 жидких и паровых пробок и соответственно гидравлических ударов. Второй летучий компонент конденсирующийся - ожижаемый на внутренней поверхности трубок 16 во второй теплообменной секции 4 жидкой пленкой сползает опять также до разрывов 17 теплообменных трубок 16 Фиг.1; 4; 5; 7 или до отверстий 18 Фиг.2; 6. Затем конденсат также, как описано выше, попадает на нижнюю изогнутую перегородку 14 вместо фланца 15 первой теплообменной секции 3, - и по уклонам стекает к патрубкам вывода конденсата 9. В третьей теплообменной секции 5 процесс проходит полностью идентично вышеописанному. Разница процессов конденсации по теплообменным секциям 3; 4; 5 состоит в том, что после конденсации первой летучей фракции в первой по ходу смешанного потока теплообменной секции 3 уменьшается общая температура потока, уменьшается удельный объем - расход потока. Поэтому, даже при использовании одного и того же холодоносителя, подаваемого во все три теплообменные секции, достигается дифференцированное ожижение фракций. Если к тому же варьировать и температуру холодоносителя, используя, например, разные холодоагенты, а также рассчитывать необходимую длину каждой теплообменной секции в отдельности, можно подобрать любой диапазон дифференцированного ожижения продуктов, как по границам температурного интервала, так и по набору конденсатов внутри границ.
Сравнивая предложенное решение с известным решением, принятым за прототип, можно отметить следующее. По конструктивному решению прототипа теплообменники в соединенной схемной конструкции с дифференцированной конденсацией летучих компонентов, образно выражаясь, установлены последовательно - раздельно. В отличие от этого, в предложенном решении размещенные теплообменные секции установлены последовательно - слитно в виде единотрубного аппарата. За счет этого, предложенным решением исключена необходимость использования крышек теплообменников, в том числе заказа эллиптических днищ аппаратов, изготавливаемых на специальном прессовом оборудовании только на нескольких предприятиях России - применительно к диаметрам- метр и более метра. Неиспользование крышек в слитно установленных теплообменных секциях единотрубного аппарата снижает общую металлоемкость оборудования, используемого для конденсации. Более того, выполнение последовательно соединенных секций как единотрубного аппарата, т.е. с теплообменными трубками одного и того же диаметра во всех теплообменных секциях исключает сложности и удешевляет закупку и ремонт, в сравнении с аппаратами, использующими неунифицированные трубные элементы. Снижено гидравлическое сопротивление суммарного теплообменного тракта, проходимого потоком паровой смеси летучих компонентов, за счет исключения неоднократного повторения в прототипе участков сопротивления с:
- резким расширением на выходе потока из теплообменных трубок каждого теплообменника -теплообменной секции - под свою крышку; -резким сужением при входе в выходной штуцер крышки и следовании по трубной перемычке;
- резким расширением на выходе из штуцера под крышку последующего теплообменника- теплообменной секции, а также неоднократное - по числу теплообменников - теплообменных секций - преодоление суммирующихся сопротивлений трубных решеток. В предложенном решении гидравлическим сопротивлением в единотрубном аппарате с последовательно-слитным набором теплообменных секций можно считать сопротивление только одного теплообменника с однократным расширением - сужением и сопротивлением одной решетки. То есть использование предложенного решения позволяет снизить гидравлическое сопротивление тракта практически во столько раз, сколько теплообменных секций устанавливается в наборе.