Расчет кожухотрубчатого теплообменника
МИНОБРНАУКИ
РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ
САМАРСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КУРСОВОЙ
ПРОЕКТ
По
дисциплине
«Процессы и
аппараты химической технологии»
на тему
РАСЧЕТ
КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
Студент
IV - ХТ - 2 Усова В.Д.
Преподаватель
Скороход А.А.
Самара
2012г.
ВВЕДЕНИЕ
Теплообменные аппараты - устройства, в которых
теплота переходит от одной среды к другой. Теплообмен между теплоносителями является
одним из наиболее важных и часто используемых в технике процессов, поэтому
теплообменники получили широкое применение в промышленности.
В зависимости от способа передачи тепла
различают две основные группы теплообменников:
1. Поверхностные теплообменники, в которых
перенос тепла между обменивающимся теплом средами происходит через разделяющую
их поверхность теплообмена - глухую стенку.
2. Теплообменники смешения, в которых тепло
передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.
Значительно реже применяют в химической
промышленности регенеративные теплообменники, в которых нагрев жидких сред
происходит за счет их соприкосновения с ранее нагретыми телами - насадкой,
заполняющей аппарат, периодически нагреваемой другими теплоносителями.
Поверхностные теплообменники наиболее
распространены , и их конструкции весьма разнообразны.
В химической технологии применяют
теплообменники, изготовленные из самых различных металлов (углеродистых и
легированных сталей, меди, титан и др.), а также из не металлических
материалов, например графита, тефлона и др. Выбор материала диктуется в
основном его коррозионной стойкостью и теплопроводностью.
Конструкции теплообменников должны отличатся
простотой, удобством монтажа и ремонта. В ряде случаев конструкция
теплообменника должна обеспечивать возможность меньшее загрязнение поверхности
теплообмена и быть легко доступной для осмотра и очистки.
Для теплообменников производят тепловой расчет.
Тепловой расчет теплообменных аппаратов может быть проектным и поверочным.
Проектные тепловые расчеты выполняют при проектировании новых аппаратов для
нахождения поверхности теплообмена. Поверочные тепловые расчеты выполняют при
известной поверхности нагрева теплообменника с целью определения количества
переданной теплоты и конечных температур рабочих жидкостей. При рассмотрении
теплообменных аппаратов с непрерывно изменяющейся температурой теплоносителей
различают аппараты:
· прямоточные
· противоточные
· перекрестного тока
· смешанного тока
Теплообмен и гидравлическое сопротивление
связаны со скоростью движения теплоносителей, то есть последняя должна
выбираться в некоторых оптимальных пределах, определяемых стоимостью
поверхности теплообмена аппарата данной конструкции и стоимостью затрачиваемой
энергии при эксплуатации аппарата. Чем больше скорости теплоносителей, тем выше
коэффициент теплопередачи и тем компактнее для заданной тепловой
производительности теплообменник, а значит меньше капитальные затраты, но при
этом растет сопротивление потоку и возрастают эксплуатационные затраты. При
проектировании теплообменных аппаратов необходимо решать совместно задачу
теплообмена и гидравлического сопротивления и найти наивыгоднейшие
характеристики.
Задачей конструкторов является разработка
теплообменных аппаратов с наименьшей затратой материала на единицу переносимой
в нем теплоты. Для этого нужно увеличивать значения Δtср
и К при одновременном уменьшении мощностей, необходимых на прокачку
теплоносителей.
В данном проекте я выбрал кожухотрубчатый
теплообменник. Эти теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых
поверхностных теплообменников.
В кожухотрубчатом теплообменники одна из
обменивающих теплом сред движется внутри труб (в трубном пространстве), а
другая в межтрубном пространстве.
Среды обычно направляют противотоком друг к
другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую
тепло, - в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды
совпадает с направлением, в котором стремиться двигаться данная среда под влиянием
изменения ее плотности при нагревании или охлаждении.
1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
Рис.1. Технологическая схема экстракционного
выделения ароматических углеводородов: 1-экстракционная колонна; 2-скрубер; 3-теплообменник;
4- колонна экстрактивной перегонки; 5-сепаратор; 6-колонна рекуперации
экстрагента
Исходную углеводородную фракцию подают в нижнюю
часть экстракционной колонны 1, где она движется вверх противотоком к
экстрагенту, вводимому в верхнюю часть колонны. Пространства под и над местом
ввода потоков играют роль сепараторов. Рафинат с верха колонны уносит некоторое
количество экстрагента, и для его рекуперации рафинат промывают в скрубере 2
водой, после чего используют как топливо.
Насыщенный экстрагент с низа колонны 1
подогревают в теплообменнике 3 горячим регенерированным экстрагентом и
направляют в колонну 4, где осуществляется экстрактивная отгонка ароматических
углеводородов с водой.
В сепараторе 5 воду отделяют и возвращают в
колонну 4, а смесь ароматических углеводородов подают на окончательную
ректификацию. Экстрагент с низа колонны 4 после охлаждения возвращают на
экстракцию, а часть его выводят на регенерацию в колонну 6, где от него
отгоняют излишнее количество воды и очищают от продуктов конденсации. Основной
фракцией является бензол и толуол.
2. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ АППАРАТА И ОБОСНОВАНИЕ
ЕГО ВЫБОРА
В данной работе рассчитываем конструкцию
вертикального кожухотрубчатого теплообменника жесткого типа при производстве
толуола.
Кожухотрубчатый вертикальный шестиходовой
теплообменник с неподвижными трубными решетками состоит из цилиндрического
корпуса, который с двух сторон ограничен приваренными к нему трубными решетками
с закрепленными в них греющими трубами. Пучок труб делит весь объем корпуса
теплообменника на трубное пространство, заключенное внутри греющих труб, и
межтрубное. К корпусу прикреплены с помощью болтового соединения два днища. Для
ввода и вывода теплоносителя и хладоагента корпус и днища имеют патрубки. Вода
вводится в трубное пространство, проходит по трубкам и выходит из
теплообменника через патрубок в верхнем днище. Жидкость направляется в
межтрубное пространство теплообменника, омывает снаружи трубы и выводится из
корпуса теплообменника через патрубок.
Вертикальные теплообменники более просты в
эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. Отвод конденсата из
трубного пространства конструктивно упрощается.
Рис. 2 - Шестиходовой кожухотрубчатый
теплообменник: 1 - корпус; 2 - трубная решетка; 3 - трубы; 4,,5-крышки, 6-
перегородки 7 - перегородки межтрубном пространстве;
. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
. Определение средней разности температур.
Средняя разность температур для противоточной
схемы движения:
˚ 80˚
˚60˚
;
Средняя разность температур рассчитывается по
формуле:
Для дальнейших расчетов потребуются
найти средние температуры конденсата и сырья. Так как температуры отличаются не
более чем в два раза, то среднюю разность температур можно приближенно
определить как среднеарифметическую между ними.
Средняя температура воды:
Средняя температура толуола:
. Определение свойств
теплоносителей.
Свойства насыщенного водяного пара и
парового конденсата берем из справочной литературы (Примеры и задачи по курсу
процессов и аппаратов). Все полученные значения сводим в таблицу.
Направим воду в трубное пространство
теплообменника, а толуол - в межтрубное. Оборотная вода, насыщенная кислородом
воздуха, будет вызывать коррозию трубного пучка и крышек аппарата, корпус
корродировать не будет, что также более выгодно.
Трубное пространство. Вода:
Плотность [4, стр. 512]:
Теплоемкость [4, стр. 562]:
Вязкость [4, стр. 556]:
Теплопроводность [4, стр. 561]:
Плотность [4, стр. 512]:
Теплоемкость [4, стр. 562]:
Вязкость [4, стр. 556]:
Теплопроводность [4, стр. 561]:
Теплофизические свойства потоков
Таблица 1
Свойство
|
Сырьё(толуол)
|
Теплоноситель(вода)
|
Средняя
температура, 0С
|
77
|
90
|
Плотность,
кг/м3
|
811
|
965
|
Теплоемкость,
Дж/(кг∙К)
|
1759,5
|
3771
|
Вязкость,
Па∙с
|
0,3283∙10-3
|
0,315∙10-3
|
Теплопроводность,
Вт/(м∙К)
|
0,1279
|
0,680
|
3.
Определение тепловой нагрузки и расхода горячей воды.
Тепловую нагрузку Q
в соответствии с заданными технологическими условиями находим из уравнения:
Требуемый теоретический расход
горячей воды составит:
4. Приближенная оценка коэффициента
теплопередачи и ориентировочной поверхности теплообмена.
Практика обследования огромного
числа теплообменных аппаратов позволила собрать сведения о фактических
значениях коэффициентов теплопередачи для разных случаев теплообмена. Нам
остается лишь выбрать интересующий случай теплообмена и принять рекомендуемое
значение коэффициента теплопередачи. При передачи теплоты от воды к
органическому веществу рекомендуется диапазон значений коэффициента
теплопередачи .[1,стр 47].
Принимаем коэффициент теплопередачи Кор = 150 . Тогда ориентировочная площадь
поверхности теплопередачи согласно уравнению
Составит
Теперь по значениям ориентировочной
поверхности теплопередачи выбираем кожухотрубчатый теплообменник жесткого типа
со следующими характеристиками:
поверхность теплопередачи ;
диаметр кожуха ,
общее число труб ;
длина труб ;
площадь трубного пространства ;
площадь межтрубного пространства
(вырез перегородки) ;
число ходов
число рядов труб по вертикали
. Определение коэффициента
теплоотдачи для горячей
воды (трубное пространство)
Определим объемный расход
теплоносителя:
Определим среднюю скорость воды в
трубах трубного пучка:
Значение критерия Рейнольдса для
трубного пространства определим по уравнению:
Определим значение критерия Прандтля
для воды при 90˚C [4, стр. 563]
Для определения критерия Нуссельта
используется уравнение [5, стр.284]:
Gr =5,41*106
Тогда коэффициент теплоотдачи буден
равен:
Определение коэффициента
теплопередачи для
нагреваемого сырья (межтрубное пространство) Определим объемный расход сырья.
Значение критерия Рейнольдса для
межтрубного пространства определим по уравнению:
Режим движения - ламинарный.
Определим значение критерия Прандтля
по уравнению:
Для определения критерия Нуссельта
воспользуемся уравнением [5, стр.285]:
Тогда коэффициент теплоотдачи будет равен:
. Определение коэффициента
теплопередачи.
Считаем, что аппарат будет изготовлен
из обычной углеродистой стали, имеющей коэффициент теплопроводности λст=17,5
Вт/(м×К). Учтем
также появление в процессе эксплуатации аппарата загрязнений как со стороны
нагреваемого сырья rзаг.2=1/5800 Вт/(м2·К), так со стороны горячей воды
rзаг.1=1/2900 Вт/(м2·К).
Тогда коэффициент теплопередачи
будет равен:
где и - коэффициенты для межтрубного и
трубного пространств;
- термическое сопротивление стенки
трубы, зависит от её толщины и коэффициента теплопроводности
материала .
требуется выбирать теплообменник с
большей площадью.
. Определение расчетной площади
поверхности теплопередачи и запаса площади.
Расчётную поверхность теплопередачи
определим по формуле:
Данный запас превышает рекомендуемый
нормами технологического проектирования 30%, поэтому выбираем другой аппарат.
Запас не удовлетворяет рекомендуемой норме технологического проектирования
(10-30%), поэтому выбираем другой аппарат.
К установке принимается
теплообменник со следующими характеристиками:
поверхность теплопередачи ;
диаметр кожуха ;
общее число труб
длина труб ;
число ходов z=1
. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
. Число ходов z=2
Число труб n=618 шт.
Длина труб L=3 м
. Расчет
гидравлического сопротивления трубного пространства
Рассчитываем скорость воды в трубах
теплообменника:
. Находим коэффициент трения:
4. Коэффициенты местных сопротивлений потоку,
движущемся в трубном пространстве:
ζ1=1,5 -
входная и выходная камеры;
ζ2=2,5 -
поворот между ходами;
ζ3=1,0 - вход
в трубы и выход из них;
. Скорость воды в штуцерах
Местное сопротивление на входе в
распределительную камеру и на выходе их нее следует рассчитывать по скорости
жидкости в штуцерах. Диаметр штуцера нормализованных кожухотрубчатых
теплообменников при диаметре кожуха D=800
мм, dтр.ш.=150 мм.
Рассчитываем скорость воды в штуцерах:
. Рассчитываем гидравлическое
сопротивление трубного пространства:
7. Расчет гидравлического сопротивления межтрубного
пространства
Рассчитываем скорость воды в межтрубном
пространстве теплообменника
. Находим коэффициент трения λ2 :
Коэффициенты местных сопротивлений
потоку, движущемся в межтрубном пространстве:
ζ1=1,5 - вход
и выход жидкости;
ζ2=1,5 -
поворот через сегментную перегородку;
. Выписываем из табл.1 и 2 число
сегментных перегородок nп и диаметр штуцеров для межтрубного пространства. Для
теплообменника с диаметром кожуха D=800мм, число сегментных перегородок nп=6,
диаметр штуцеров dмтр.ш.=250мм
10. Число рядов труб омываемых водой в
межтрубном пространстве
. Число сегментных перегородок из
табл.2,7
x=6м.
. Гидравлическое сопротивление в
межтрубном пространстве:
ВЫВОД
В результате технологического
расчета был выбран двухходовой кожухотрубчатый теплообменник жёсткого типа со
следующими характеристиками:
поверхность теплопередачи ;
диаметр кожуха ;
общее число труб ;
длина труб ;
число ходов z = 1;
Тепловой нагрузкой коэффициентом
теплопередачи гидравлическим
сопротивлением трубного пространства гидравлическим сопротивлением
межтрубного пространства
вертикальный кожухотрубчатый теплообменник жесткий
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/
под ред. Ю.Д. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1991. 496 с.
.
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/
под ред. Ю. И. Дытнерского. М.: Химия, 1983. 272 с.
.
Расчет теплообменных аппаратов: Метод. указание к курсовому и дипломному
проектированию/ Самар.политехн.ун-т ; Сост. В.Д. Измайлов, В.В. Филиппов
Самара, 2006, 108 с.
.
Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов
и аппаратов химической технологии: Учеб. пособие для вузов/ под ред. П. Г.
Романкова. 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. 576 с.
.
Основные процессы и аппараты химической технологии : учебник для вызов/под ред.
А.Г. Касаткина 11-е изд., перепич. с изд. 1973г.-М.: ООО ТИД «Альянс»,
2005.-753 с.