Кожухотрубчатый холодильник-конденсатор насыщенных паров толуола
Министерство
образования и науки Российской Федерации
Пермский
Государственный Технический Университет
Кафедра МАПП
Расчетно-пояснительная
записка
к курсовому
проекту
Кожухотрубчатый
холодильник-конденсатор насыщенных паров толуола
Выполнил студент гр. МАПП-07
Чекишева Е.А.
Проверил преподаватель:
Беляев В.М.
Пермь 2011
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОЖУХОТРУБЧАТОГО
ТЕПЛООБМЕННИКА
. ТЕПЛОВАЯ НАГРУЗКА АППАРАТА
. РАСЧЕТ ПЛОЩАДИ ТЕПЛООБМЕННИКА и
ПОДБОР КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
. УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ ПОВЕРХНОСТИ
ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
. ПЕРВАЯ ЧАСТЬ ТЕПЛООБМЕНА.
КОНДЕНСАЦИЯ ПАРОВ
.1 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ТРУБНОГО
ПРОСТРАНСТВА (ОБОРОТНАЯ ВОДА)
.2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ МЕЖТРУБНОГО
ПРОСТРАНСТВА (КОНДЕНСАЦИЯ ПАРОВ)
. ВТОРАЯ ЧАСТЬ ТЕПЛООБМЕНА. ОХЛАЖДЕНИЕ
КОНДЕНСАТА
. СУММАРНАЯ ПЛОЩАДЬ ТЕПЛООБМЕНА
. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
.1 РАССЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ ТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА (ОБОРОТНАЯ ВОДА)
.2 РАССЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ МЕЖТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА (КОНДЕНСАЦИЯ ПАРОВ)
.3 РАССЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ МЕЖТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА (КОНДЕНСАТ)
. МЕХАНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
кожухотрубчатый
теплообменник гидравлический тепловой
Введение
Теплообменные аппараты являются составной частью практически всех
технологических установок на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах.
Теплообменные аппараты используют для нагрева, испарения, конденсации,
охлаждения, кристаллизации, плавления и затвердевания, участвующих в процессе
продуктов, а также как парогенераторы или котлы-утилизаторы.
Среды, используемые для подвода или отвода, тепла называются
теплоносителями и хладагентами. В качестве теплоносителей могут быть применены
нагретые газообразные, жидкие или твёрдые вещества. Водяной пар как
теплоноситель используется главным образом в насыщенном состоянии - как
высокого давления, так и отработанный от паровых машин и насосов.
Кожухотрубчатые теплообменники изготовляют с поверхностью теплообмены
11-350 м2 для работы под давлением 2-25 атм. Трубные пучки выполняют
из стальных трубок диаметром 20 или 25 мм и длиной 2-6 м. Теплообменники этого
типа экономичны и имеют минимальное число соединений на прокладках. Основным
недостатком таких аппаратов является невозможность механической очистки
межтрубного пространства
По способу монтажа различают вертикальные, горизонтальные и наклонные
теплообменные аппараты. Вертикальные теплообменники занимают меньше места, но
они менее удобны при очистке. На нефтеперерабатывающих заводах наибольшее распространение
получили горизонтальные теплообменники.
Основные конструкции и параметры теплообменных аппаратов
Кожухотрубчатые теплообменники.
Кожухотрубчатые теплообменники - наиболее распространённый тип
теплообменной аппаратуры. Они могут использоваться в качестве холодильников,
конденсаторов и испарителей. По конструкции такие теплообменники представляют
собой полую ёмкость цилиндрической формы, называемой кожухом, внутри которой
расположен пучок от нескольких десятков до нескольких тысяч труб, называемых
теплообменными трубами. Трубы своими концами герметично закреплены в
основаниях, называемых трубными решётками и образуют, таким образом, трубное
пространство теплообменника. Остальное пространство теплообменника называют
межтрубным. Горячий и холодный теплоносители подаются, соответственно, в
межтрубное и трубное пространства, прямотоком или противотоком. Теплообмен
происходит через стенки теплообменных труб. Такие теплообменники могут быть
одно-, двух-, четырёх - и шестиходовыми, устанавливаться горизонтально или
вертикально. Поверхность теплообмена их может быть до 1000 м2.
1.
Тепловой баланс кожухотрубчатого теплообменника
В
межтрубном пространстве находится толуол (т.к. он - более чистое вещество), в
трубном - оборотная вода (как более грязное вещество). Движение фаз -
противоток (увеличение приводит к снижению теплоносителя , потребуется меньше охлаждающей воды, однако движущая
сила процесса будет уменьшаться, поэтому увеличивается F, применение
противотока экономически будет целесообразней).
2.
Тепловая нагрузка аппарата
Q -
общая тепловая нагрузка конденсатора
-
количество тепла при конденсации насыщенных паров
-
количество тепла при охлаждении конденсата
- расход
толуола (по заданию )
- теплота
испарения толуола ( по табл. ХLV [1] при =110,8 0С)
-
теплоёмкость конденсата (по рис. XI [1] при )
-
температура конденсации пара толуола, 0С
-
температура конденсата на выходе, 0С
Расход
оборотной воды:
где
G -массовый расход
Q - количество
теплоты ,
-
теплоёмкость оборотной воды (по рис. XI [1] при )
-
температура на выходе из теплообменника (примем для оборотной воды 350С)
- температура
на входе в теплообменник (задано для оборотной воды 150С)
Определяем
граничную температуру
Средняя
движущая сила для зоны конденсации насыщенного пара:
Средняя
движущая сила для зоны охлаждения конденсата:
3. Расчет
площади теплообменника и подбор коэффициентов теплопередачи
Площадь конденсации Fконд:
Задаёмся
коэффициентом теплопередачи Кконд = 300 (по табл. 4.8[1] )
Площадь
охлаждения Fохл:
Задаёмся
коэффициентом теплопередачи Кохл = 300
Общая
площадь теплообмена:
Для
обеспечения турбулентного течения воды при Re > 15000 скорость в трубах с dн
= 25x2мм должна быть больше w :
м/с,
= 25 - 2×2 = 21 мм - внутренний диаметр трубок
μ
= 0,89 мПа×с -
динамическая вязкость воды при Dtср в = (t2н
+ t2к)/2 = 25ºС ( по табл. VI [1])
ρ = 997 кг/м3 - плотность воды при Dtср = (t2н + t2к)/2 = 25ºС ( по табл. XXXIX [1])
в = Gв/ ρв =
16,62/997 = 0,0166 м3/с
Число труб 25x2 мм,
обеспечивающих объемный расход воды Vв = 0,0166 м3/с
при Re = 15000:
Задаваясь числом Re =
15000, определим соотношение n/z для холодильника-конденсатора из труб диаметром dн = 25х2 мм:
4.
Уточненный расчет поверхности теплопередачи
В соответствии с таблицей 4.12 [1] соотношение n/z принимает
наиболее близкое значение к заданному у холодильников-конденсаторов с диаметром
кожуха D = 600 мм, диаметром труб 25х2 мм,
числом ходов z = 4 и общим числом труб n = 206:
Выбираем
по ГОСТ 15121-79 кожухотрубчатый холодильник-конденсатор:
· F = 32 м2
· (число
ходов)
· dтруб = 25x2 мм
·
· Dкожуха =
· sсеч.
одного хода по трубам = 0,018 м2
· n = 206
(общее число труб)
5. Первая
часть теплообмена. конденсация паров
5.1 Расчет
параметров для трубного пространства (оборотная вода)
Критерий Рейнольдса:
Gводы - массовый расход воды, кг/с
-
количество ходов
-
количество труб
- диаметр
эквивалентный ()
-
динамическая вязкость воды (по табл. VI [1] : для 26,40С )
Критерий
Прандтля:
где
- теплопроводность воды (по табл. XXXIX
[1] : для 26,40С )
Критерий
Нуссельта:
Коэффициент
теплоотдачи для воды:
где
- определяющий линейный размер (), м
5.2 Расчет
параметров для межтрубного пространства (конденсация паров)
Коэффициент теплоотдачи паров толуола
-
коэффициент (при )
- длина
трубок, м
- число
трубок
-
плотность пленки конденсата ( по табл. XLIV[1] = 870 )
- расход
толуола ()
- теплопроводность
паров толуола (по рис. X [1] : для 110,80С )
-
вязкость толуола (по рис. V [1] для 110,80С )
Расчётный
коэффициент теплопередачи:
где
- загрязнение стенок со стороны конденсата (по табл. XXXI[1])
-
загрязнение стенок со стороны оборотной воды (по табл. XXXI [1] )
- толщина
трубок, м
-
теплопроводность материала стали (по табл. XXVIII [1] )
Расчетная
площадь теплообмена для охлаждения пара:
6. Вторая
часть теплообмена. охлаждение конденсата
.1 Расчет параметров для трубного пространства (оборотная
вода)
Критерий Рейнольдса:
где
Gводы -
массовый расход воды, кг/с
-
количество ходов
-
количество труб
- диаметр
эквивалентный ()
-
вязкость воды (по табл. VI [1] : для 16,370С )
Критерий
Прандтля:
Критерий
Нуссельта:
Коэффициент
теплоотдачи для воды:
где
- определяющий линейный размер (), м
6.2
Расчет параметров для межтрубного пространства (конденсат)
Критерий
Рейнольдса:
где
- расход толуола ()
-
наружный диаметр трубок ()
-
проходное сечение межтрубного пространства (по табл. 4.12 [1] )
-
вязкость толуола (по рис. V [1] для 800С )
Критерий
Прандтля:
где
- удельная теплоёмкость толуола,
-
теплопроводность толуола (по рис. Х [1] : для 800С )
Критерий
Нуссельта:
Коэффициент
теплоотдачи для толуола:
где
- определяющий линейный размер (), м
Расчётный
коэффициент теплопередачи :
где
- загрязнение стенок со стороны конденсата (по табл. XXXI
[1] )
-
загрязнение стенок со стороны оборотной воды (по табл. XXXI [1])
- толщина
трубок, м
-
теплопроводность материала стали (по табл. XXVIII [1] )
Расчетная
площадь теплообмена для охлаждения пара:
7.
Суммарная площадь теплообмена
Запас
по теплообмену:
8.
Гидравлический расчет кожухотрубного теплообменника
8.1
Рассчет гидравлического сопротивления для трубного пространства (оборотная
вода)
Скорость движения воды в трубах:
где
- расход оборотной воды, кг/с
- диаметр
трубки, м
-
плотность воды (по табл. XXXIX [1] при )
-
количество труб
- число
ходов
Коэффициент
трения:
где
- относительная шероховатость труб
Δ - высота выступов шероховатостей, м
Скорость
воды в штуцерах:
где
- диаметр условного прохода штуцеров (по табл. 2.6 [2]
)
Гидравлическое
сопротивление воды в трубном пространстве:
8.2
Рассчет гидравлического сопротивления для межтрубного пространства (конденсация
паров)
Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном
пространстве:
Число
сегментных перегородок:
(по
табл. 2.7 [2] при )
Скорость
потока в штуцерах:
где
- диаметр условного прохода штуцеров к кожуху (по
табл. 2.6 [2] )
-
плотность пленки конденсата (при )
Скорость
потока в наиболее узком сечении межтрубного пространства:
Гидравлическое
сопротивление толуола в межтрубном пространстве:
.3 Рассчет
гидравлического сопротивления для межтрубного пространства (конденсат)
Скорость потока конденсата в штуцерах:
где
- диаметр условного прохода штуцеров к кожуху (по
табл. 2.6 [2] )
-
плотность конденсата (по табл. ХХХIX [1] при )
Скорость
конденсата в наиболее узком сечении межтрубного пространства:
Гидравлическое
сопротивление конденсата в межтрубном пространстве:
9.
Механические расчеты
9.1 Расчет толщины обечайки
Принимаем
толщину обечайки 8 мм
где
D - наружный или внутренний диаметр обечайки, м
p - внутреннее
избыточное давление, МПа
-
допускаемое напряжение на растяжение для материала обечайки, МН/м2 ()
-
коэффициент, учитывающий ослабление обечайки из-за сварного шва, (для стали=1, т.к. берем обечайку, изготовленную из бесшовной
трубы )
Ск
- запас на коррозию, мм
Сокр
- прибавка округления толщины детали до номинального размера, мм
.2.
Расчет толщины днищ
где
R - радиус кривизны в вершине днища, м (для
эллиптических днищ R=D с H=0.25D)
, т.к.
днище берем днище, изготовленное штамповкой
Принимаем
толщину днища 8 мм
Заключение
По ГОСТу 15121-79 рассчитан и запроектирован кожухотрубчатый
конденсатор-холодильник для насыщенных паров толуола
Параметры кожухотрубчатого конденсатора:
· площадь
поверхности теплообмена
· запас по
поверхности теплообмена
· диаметр
кожуха
· число ходов
· трубы 25*2
мм
· длина труб
· число труб
· тепловая
нагрузка
· масса
Параметры паров толуола (межтрубное пространство):
Расход
Температура
на входе
Температура
на выходе
Гидравлическое
сопротивление конденсата
Гидравлическое
сопротивление пара
Параметры
оборотной воды (трубное пространство):
Расход
Температура
на входе
Температура
на выходе
Гидравлическое
сопротивление воды
Список
литературы
1. Примеры
и задачи курсу процессов и аппаратов химической технологии. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков,
А.А. Носков: М.: ООО «РусМедиаКонсалт», 2004. - 576 с.
2. Основные
процессы и аппараты химической технологи. Пособие по проектированию. Под ред.
Ю.И. Дытнерского, 3-е изд., стереотипное. М.: ООО ИД «Альянс», 2007 - 496с.
. А.А.
Лащинский. Конструирование сварных химических аппаратов: справочник. -
Л.:Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1981. - 382 с., ил.
4. А.Г.
Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для
вузов.-10-е изд., стереотипное, доработанное. Перепечатка с изд.1973г.- Москва:
ООО ТИД «Альянс», 2004.-753с.;