Иерархия основных классов технологических процессов

Иерархия основных классов технологических процессов 7 СОЦИАЛЬНЫЕ 7 Развитие общества в пространстве и во времени 6 БИОЛОГИЧЕСКИЕ 6 Биологическое превращение вещества в пространстве и во времени 5 ХИМИЧЕСКИЕ 5 Химическое превращение вещества в пространстве и во времени 4 МАССООБМЕННЫЕ 4 Перемещение массы вещества в пространстве и во времени 3 ТЕПЛОВЫЕ 3 Перемещение тепла в пространстве и во времени 2 ГЕТЕРОГЕННЫЕ 2 Перемещение двух или более фаз в пространстве и во времени 1 МЕХАНИЧЕСКИЕ 1 Перемещение тел в пространстве и во времени 3 ТЕПЛОВЫЕ процессы 3 Перемещение тепла в пространстве и во времени 2 ГЕТЕРОГЕННЫЕ 2 Перемещение двух или более фаз в пространстве и во времени 1 МЕХАНИЧЕСКИЕ 1 Перемещение тел в пространстве и во времени 3 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ. ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ Пусть дано тело t1 с температурой t1 Первый закон Если t1 ≠ t2 То теплообмен между телами есть t1 t2 Второй закон Если t1  t2 , то И тело t2 с температурой t2 направление тепла t1 t2 3 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ. ТЕПЛООТДАЧА 3.1 СПОСОБЫ ТЕПЛООБМЕНА СУЩЕСТВУЮЩИЕ В ПРИРОДЕ (ОБЕКТИВНЫЕ) Пусть дано t1 и t2. t1  t2 Первый способ t1 t2 Теплопроводность Перенос тепла от молекулы к молекуле в кристаллической решетке. Зависит от свойства материала. Второй способ Конвекция t1 t2 Перенос тепла за счет перемешивания молекул. Зависит от скорости перемешивания. Различают естественную и вынужденную Третий способ Радиация t1 t2 Перенос тепла за счет квантов. Зависит от разности температур, степени черноты и степени прозрачности тел 3 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ. ТЕПЛООТДАЧА 3.1 Способы теплообмена существующие в природе Пусть дано t1 и t2. t1  t2 t1 t2 И теплопроводность и конвекция t1 t2 и радиация Существуют одновременно как три пути теплоотдачи t1 t2 3 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ. ТЕПЛООТДАЧА Конвекция t1>t2 Радиация t1 t2 Теплопроводность F Количество тепла отдается конвекцией ! Qк= αк∙F∙(t1 - t2). Qp= αp∙F∙(t1 - t2). Количество тепла отдается радиацией! Количество тепла отдается Qт= αт∙F∙(t1 - t2), теплопроводностью ! где a к , αр , αт – коэффициенты теплоотдачи конвекцией, радиацией и теплопроводностью соответственно. F – поверхность теплообмена; t1-t2 - температурный напор или движущая сила процесса. 3 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ. ТЕПЛООТДАЧА Конвекция t1>t2 Радиация t1 t2 Теплопроводность F Сколько всего тепла отдается от t1 до t2! Q= Qк + Qр+ Qт , подставляя значения соответствующие Q, получим Q= (αк +αp+ αт) ∙F∙(t1 - t2) или получим основное уравнение теплоотдачи Q = α∙F∙(t1 - t2) , где a= αк +αp+ αт - коэффициент теплоотдачи 3 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА t1 1 среда t’1 2 среда t’2 t2 3 среда Сколько всего тепла отдается от t1 до t2? через 1 среду через 2 среду через 3 среду Q = α1∙F∙(t1 – t’1) или Q /(α1∙F) = t1 – t’1 Q = α2∙F∙(t’1 – t’2) или Q /(α2∙F) = t’1 – t’2 Q = α3∙F∙(t’2 – t2) или Q/( α3∙F) =t’2 – t2 Просуммируем полученные уравнения Q /F ∙ (( 1/α1) + ( 1/α2) + ( 1/α3)) = t1 – t2, получим основное уравнение теплопередачи Q = К∙F∙(t1 – t2) где α1 , α2 , α3 – коэффициенты теплоотдачи в 1, 2, 3 средах. K= 1/(1/α1 +1/α2+ 1/α3) - коэффициент теплопередачи. 3.1 СПОСОБЫ ТЕПЛООБМЕНА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ (СУБЕКТИВНЫЕ) Горячий 3.1.1 Смешение Теплый Холодный Преимущества: 1 Самая простейшая конструкция. 2 Простота в регулировании. Недостатки: 1 Не всегда можно смешивать потоки. Например, регулирование температуры на выходе из печи пиролиза используется этот метод. Пиролиз углеводородного сырья осуществляется при температуре прядка 900 0С. Для получения целевых продуктов, например, этилена время пребывания сырья в зоне высоких температур не должно превышать более 1 – 2 минут (из за протекания побочных реакций). Для резкого снижения температуры, можно в поток продуктов пиролиза на выходе из печи впрыскивать воду. Последнее дает возможность резко снизить температуру до 400 0С. Но при этом низкая степень утилизации тепла процесса пиролиза и в дальнейшем требуется проводить осушку продуктов пиролиза. 3.1.2 Регенеративный способ теплообмена Преимущество: потоки не смешиваются Недостатки: сложное аппаратурное оформление, при непрерывном процессе Холодное Горячее Используется, например, в каталитическом крекинге углеводородного сырья. Имеем реактор, регенератор. Температура в реакторе порядка 450 0С. Дымовые Температура в регенераторе порядка 600 0С. газы Циркуляция катализатора осуществляется по схеме. Азот + 6000С воздух Температура в реакторе снижается за счет подачи сырья и расхода тепла на пиролиз. Тепло в реактор вносится только с катализатором. Продукты крекинга 4500С Сырье Температура в регенераторе поддерживается за счет сжигания отложенного в реакторе кокса. 3.1.3 Рекуперативный теплообмен (теплообмен через поверхность) Преимущества: потоки не смешиваются, процесс непрерывный, Недостатки: сложное аппаратурное оформление. Принципиальные схемы поверхностных теплообменников показаны на следующих слайдах АППАРАТ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Охлаждаемый продукт Виды оребрения труб ТЕПЛООБНИК ТИПА “ТРУБА В ТРУБЕ” Батарейный теплообменник, стоящий из элементов «труба в трубе» ТЕПЛООБНИК ТИПА “ТРУБА В ТРУБЕ” • ТЕПЛООБНИК ТИПА “ТРУБА В ТРУБЕ” • Распределительная камера разборного теплообменника типа «труба в трубе» Кожухотрубчатый теплообменник с жесткозакрепленными трубками Крышка Корпус Крышка Разности температур между теплоносителями в трубном и Трубки Трубные решетки Основные элементы конструкции теплообменника и технологические потоки: По трубному пространству По межтрубному пространству межтрубном пространстве не более 50 С. Кожухотрубчатый теплообменник с жесткозакрепленными трубками Принципиальная схема Вход горячего продукта Выход горячего продукта Выход холодного продукта Вход холодного продукта Различные способы крепления трубок в трубной решетке А, Б, В  развальцовка; Г, Д  электросварка; Е  заливка оловом КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Способы размещения труб в трубной решетке По вершинам правильных шестиугольников По концентрическим окружностям По вершинам квадратов Кожухотрубчатый теплообменник с двумя линзовыми компенсаторами Линзовые компенсаторы в разрезе КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С линзовыми компенсаторами Кожухотрубчатый теплообменник с U образными трубками Общий вид Задняя крышка U образные трубки Перегородка Конструкция передней части и технологические потоки: По трубному пространству Конструкция задней части По межтрубному пространству КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С U образными трубками Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой Общий вид Конструкция задней части Задняя крышка Кожух Перегородка Конструкция передней части и технологические потоки: По трубному пространству Плавающая головка Трубки По межтрубному пространству КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С плавающей головкой Типы перегородок в межтрубном пространстве теплообменников СПИРАЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Теплообменники с плоскими поверхностями нагрева (пластинчатые) Пакет пласти н Вывод продукт а Вывод питания Распредел ительные трубки Ввод продукта Лаз Ввод газа Ввод питания ОБЩИЙ ВИД КИПЯТИЛЬНИКА (“РЕБОЙЛЕРА”) Вид в разрезе распределительной головки Вид кипятильника в разрезе ОБЩИЙ ВИД КИПЯТИЛЬНИКА (“РЕБОЙЛЕРА”) В ДЕЙСТВИИ Направление основных потоков: - Жидкость из колонны - Пары в колонну - Остаток Оросительный теплообменник