Кожухотрубный теплообменник для охлаждения 28 т/ч нитробензола от 60 до 25 С

Кожухотрубный теплообменник для охлаждения 28 т/ч нитробензола от 60 до 25 С

Кожухотрубный теплообменник для охлаждения 28 т/ч нитробензола от 60 до 25 ºС

Введение

технологический кожухотрубный теплообменник гидравлический

Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через поверхность стенки;

регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;

смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубные, оросительные, погруженные и «труба в трубе».

Одним из самым распространенным типом теплообменников являются кожухотрубные теплообменики. Они представляют из себя пучек труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучек труб расположен внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой - в пространстве между кожухом и трубами.

Кожухотрубные теплообменники могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15121-79, теплообменники могут быть двух - четырех- и шестиходовыми по трубному пространству.

Достоинствами кожухотрубных теплообменников являются: компактность; небольшой расход метала; легкость очистки труб изнутри, а недостатками - трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями; трудность очистки межтрубного пространства и трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

Кожухотрубные теплообменники могут использоваться как для нагрев, так и для охлаждения.

При охлаждении в кожухотрубных теплообменниках в качестве хладоагента может использоваться речная или артезианская вода, а в случае, когда требуется получить температуру ниже 5 ºС применяют холодильные рассолы (водные растворы CaCl₂, NaCl, и др.).

1. Технологическая схема

Нитробензол из расходной емкости РЕ с помощью центробежного насоса Н подается в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменника ТО. В трубное пространство теплообменника поступает охлаждающая вода, которая затем сбрасывается в линию оборотного водоснабжения. Охлажденный нитробензол из теплообменника самотеком поступает в приемную емкость ПЕ.

Рис. 1. Технологическая схема

2. Выбор конструкционного материала

Так как нитробензол является агрессивным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600 ºС [4c59].

3. Тепловой и материальный расчет

3.1 Температурный режим аппарата

Принимаем противоточную схему движения теплоносителей.

Рис. 2. Схема движения теплоносителей

3.2 Средняя разность температур

Δt_б = t_1н - t_2к = 60 - 35 = 25 ºС

Δt_м = t_1к - t_2н = 25 -15 = 10 ºС

Так как отношение Δt_б/Δt_м = 25/10 = 2,5 >2, то

Δt_ср = (Δt_б - Δt_м)/ln(Δt_б/Δt_м) = (25 - 10)/ln (25/10) = 16,4 ºС

Средняя температура воды:

t_2ср = (t_2н + t_2н)/2 = (15 + 35)/2 = 25,0 ºC.

Средняя температура нитробензола:

t_1ср = t_2ср + Δt_ср = 25,0 + 16,4 = 41,4 ºС.

3.3 Тепловая нагрузка аппарата

Q = G₁c₁(t_1н - t_1к),

где с₁ = 1,91 кДж/кг∙К - теплоемкость нитробензола [3 c. 59]

G₁ - массовый расход нитробензола.

G₁ = 28000/3600 = 7,78 кг/с,

Q = 7,78∙1,91 (60 - 25) = 519,9 кВт.

3.4 Расход охлаждающей воды

G₂ = Q/c₂(t_2к - t_2н),

где c₂ = 4,19 кДж/кг∙К - теплоемкость воды [1 c. 537].

G₂ = 519,9/4,19 (35 -15) = 6,20 кг/с.

3.5 Ориентировочный выбор теплообменника

Нитробензол поступает в межтрубное пространство, а вода движется в трубном пространстве. Принимаем ориентировочное значение критерия Рейнольдса Re_ор = 15000, соответствующее развитому турбулентному режиму движения жидкости, при котором обеспечиваются наилучшие условия теплообмена.

Число труб приходящееся на один ход теплообменника:

n/z = G₂/0,785Re_орd_внμ₂,

где d_вн - внутренний диаметр трубок,

μ₂ = 0,89∙10^-3 Па∙с - вязкость воды при 25,0 ºС [1 c. 516].

для труб 20×2 d_вн = 0,016 м

n/z = 6,20/0,785∙15000∙0,016∙0,89∙10^-3 = 37.

Принимаем также ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К_ор = 300 Вт/м²∙К [1 c. 172], тогда ориентировочная поверхность теплообмена:

F_ор = Q/K_ор Δt_ср = 519,9∙10³/300∙16,4 =105,7 м².

Принимаем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена: 6-х ходовой с диаметром кожуха 600 мм и 316 трубками 20×2 [2 c. 51].

3.6 Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде

a₁= Nu₁l₁/d_вн,

где l₁ = 0,607 Вт/м×К - теплопроводность воды при 25°С [1 c. 565],

Nu₁ - критерий Нуссельта для нитробензола.

Фактическое значение критерия Рейнольдса:

Re₂ = G₂/[0,785d_вн(n/z)m₂ =6,20/[0,785×0,016 (316/6) 0,89×10^-3 =10531.

Режим движения турбулентный в этом случае критерий Нуссельта:

Nu₂ = 0,021Re₂^0,8Pr₂^0,42(Pr₂/Pr_ст2)^0,25,

где Рr₂ = 6,13 - критерий Прандтля для воды при 25,0 °С [1 c. 537].

Принимаем в первом приближении отношение (Pr₂/Pr_ст2)^0,25 = 1, тогда

Nu = 0,021×10531^0,8×6,13^0,43 = 75,6.

a₂ = 75,6×0,607/0,016 =2870 Вт/м²×К.

3.7 Коэффициент теплоотдачи от нитробензол к стенке

a₁= Nu₁l₁/d_н,

где l₁ = 0,151 Вт/м×К - теплопроводность нитробензол [1 c. 561],

Nu₁ - критерий Нуссельта для нитробензол

Re₁ = G₁d_н/S_мтрm₁,

где S_мтр = 0,048 м² - площадь сечения потока между перегородками,

m₁ = 1,41×10^-3 Па×с - вязкость нитробензол[1c516].

Re₁ = 7,78×0,020/(0,048×1,41×10^-3) = 2299.

В этом случае критерий Нуссельта:

Nu₁ = 0,24Re^0,6Pr₁^0,36(Pr₁/Pr_ст1),

где Pr₁ - критерий Прандтля для нитробензол.

Pr₁ = c₁μ₁/λ₁ = 1,91·1,41/0,151 = 17,8

Принимаем в первом приближении отношение (Pr₁/Pr_ст1)^0,25 = 1, тогда

Nu₁ = 0,24×2299^0,6×17,8^0,36 = 70,4.

a₁ = 70,4×0,151/0,020 = 531 Вт/м²×К.

3.8 Тепловое сопротивление стенки

где d_ст = 0,002 м - толщина стенки трубки;

l_ст = 17,5 Вт/м×К - теплопроводность нержавеющей стали [1 c. 529];₁=r₂=1/5800 м×К / Вт - тепловое сопротивление загрязнений cтенок;

S(d/l) = 0,002/17,5 + 1/5800 + 1/5800 = 4,6×10^-4 м×К / Вт.

.9 Коэффициент теплопередачи

K = 1/(1/a₁+S(d/l)+1/a₂) =1/(1/531+4,6×10^-4+1/2870) = 371 Вт/м²×К

3.10 Температуры стенок

t_ст1 = t_ср1 - КDt_ср/a₁ = 41,4 - 371×16,4/531 = 30,0 °С,

t_ст2 = t_ср2 + КDt_ср/a₂ = 25,0 + 371×16,4/2870 = 27,1 °С.

Уточняем коэффициенты теплоотдачи.

Критерий Прандтля для нитробензола при t_ст1 = 30,0 ® Pr_ст1 = 22,5

a_1ут = a₁(Pr/Pr_ст1)^0,25 = 531 (17,8/22,5)^0,25 = 501 Вт/м²×К.

Критерий Прандтля для воды при t_ст2 = 27,1 ® Pr_ст2 = 5,81

a_2ут = a₂(Pr/Pr_ст2)^0,25 = 2870 (6,13/5,81)^0,25 = 2909 Вт/м²×К.

Уточняем коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/501 +4,6×10^-4+1/2909) = 357 Вт/м²×К.

Температуры стенок:

t_ст1 = 41,4 - 357×16,4/501 = 29,7 °С,

t_ст2 = 25,0 + 357×16,4/2909 = 27,0 °С.

Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейших уточнений не требуется.

3.11 Поверхность теплообмена

F = Q/KDt_ср = 519,9×10³/357×16,4 = 88,8 м²

Выбираем теплообменник с ближайшей большей поверхность теплообмена: 6 - ходовой теплообменник с длиной труб 6 м, у которого поверхность теплообмена 119,0 м² [2 c. 51].

4. Конструктивный расчет

4.1 Толщина обечайки

d = DP/2sj +C_к,

где D = 0,6 м - диаметр греющей камеры аппарата;

P = 0,1 МПа - давление греющего пара;

s = 138 МН/м² - допускаемое напряжение для стали [2 c. 76];

j = 0,8 - коэффициент ослабления из-за сварного шва [2 c. 77];

C_к = 0,001 м - поправка на коррозию.

d = 0,6×0,1/2×138×0,8 + 0,001 = 0,002 м.

Согласно рекомендациям [4 c. 24] принимаем толщину обечайки d= 8 мм.

4.2 Днища

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 - 78 [4 c. 25], толщина стенки днища d₁ =d = 8 мм.

4.3 Фланцы

Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26-428-79 [4 c. 25]:

4.4 Штуцера

Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

d = ,

где G - массовый расход теплоносителя,

r - плотность теплоносителя,

w - скорость движения теплоносителя в штуцере.

Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1,5 м/с, тогда диаметр штуцера для входа и выхода нитробензола:

d_1,2 = (7,78/0,785×1,5×1183)^0,5 = 0,075 м, принимаем d_1,2 = 80 мм.

диаметр штуцера для входа и выхода воды:

d_3,4 = (6,20/0,785×1,5×997)^0,5 = 0,073 м,

принимаем d_3,4 = 80 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

4.5 Опоры аппарата

Максимальная масса аппарата:

G_max = G_a+G_в = 3380+1695 = 5075 кг = 0,050 МН,

где G_a = 3380 кг - масса аппарата [2 c. 56]

G_в - масса воды заполняющей аппарат.

G_в = 1000×0,785×0,60²×6 = 1695 кг

Принимаем, что аппарат установлен на двух опорах, тогда нагрузка приходящаяся на одну опору:

G_оп = 0,050/2 = 0,025 МН

По [5 c. 673] выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,025 МН.

4.6    Трубная решетка

Толщина трубной решетки

,

где k = 0,47 - вспомогательный коэффициент,

j - коэффициент ослабления решетки.

Число труб на стороне наибольшего шестиугольника найдем из соотношения:

z = 2 [(n-1)/3+0,25]^0,5 = 2 [(316-1)/3+0,25]^0,5 = 20

j = (D_п - zSd₀)/D_п = (0,62 - 20×0,020)/0,62 = 0,35

где D_п = 0,62 м - средний диаметр прокладки.

h = 0,47×0,6 (0,10/138×0,35)^0,5+0,001 = 0,014 м,

принимаем h = 30 мм.

Расположение труб в трубной решетке показано на рисунке

4.7 Расчет тепловой изоляции

Принимаем температуру наружной поверхности стенки t_ст.в = 40 °С, температуру окружающего воздуха t_в = 18 °С, тогда толщина стекловолокнистой изоляции:

,

где l_из = 0,09 Вт/м×К - коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала,

a_в-коэффициент теплоотдачи от наружной стенки корпуса в окружающую среду

a_в = 8,4+0,06Dt_в = 8,4+0,06×22 = 9,72 Вт/м²×К,

где Dt_в = t_ст.в - t_в = 40 - 18 = 22 °С.

d_из = 0,09 (60-40)/[9,72 (40 - 18) = 0,009 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 10 мм.

5. Гидравлический расчет

5.1 Скорость воды трубах

w_тр = G₂z/(0,785d_вн²nr₂) = 6,20×6/(0,785×0,016²×316×997) = 0,59 м/с.

5.2 Коэффициент трения

,

где е = D/d_вн = 0,2/0.016 = 0,0125 - относительная шероховатость,

D = 0,2 мм - абсолютная шероховатость.

l = 0,25 {lg[(0,0125/3,7)+(6,81/10531)^0,9]}^-2 = 0,046.

5.3 Скорость воды в штуцерах

w_шт = G₂/(0,785d_шт²r₂) = 6,20/(0,785×0,08²×997) = 1,24 м/с

5.4 Гидравлическое сопротивление трубного пространства

 0,046×6,0×6×0,59²×997/(0,016×2) +[2,5 (6-1)+2×6] 0,59²×997/2 + 3×1,24²×997/2 =24511 Па

5.5 Подбор насоса для воды

Объемный расход воды и напор, развиваемый насосом:

Q₂ = G₂/r₂ = 6,20/997 = 0,0062 м³/с,

Н = DР_тр/rg + h = 24511/997×9,8 + 6 = 8,5 м.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х45/21, для которого Q = 0,0125 м³ и Н = 13,5 м [2 c. 38].

5.6 Скорость нитробензола в межтрубном пространстве

w_мтр = G₁/(S_мтрr₁) = 7,78/(0,048×1183) = 0,14 м/с.

Скорость нитробензола в штуцерах межтрубного пространства:

w_шт = G₁/(0,785d_шт²r₁) = 7,78/(0,785×0,08²×1183) = 1,31 м/с

5.7 Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства

,

где х = 18 - число сегментных перегородок [2 c. 56],

m - число рядов труб.

m = (n/3)^0,5 = (316/3)^0,5 =10.

DР_мтр =10 (18+1) 1183×0,14²/(2×2299^0,2) + 1,5×18×1183×0,14²/2 + 3×1183×1,31²/2 = 3827 Па.

5.8 Подбор насоса для нитробензола

Объемный расход воды и напор, развиваемый насосом:

Q₁ = G₁/r₁ = 7,78/1183 = 0,0066 м³/с,

Н = DР_тр/rg + h = 3827/1183×9,8 + 6 = 6,3 м.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х45/21, для которого Q = 0,0125 м³ и Н = 13,5 м [2 c. 38].

Выполнен тепловой, материальный, гидравлический и конструктивный расчет кожухотрубного теплообменника для охлаждения 28 т в час нитробензола от 60 до 25 ºС водой с начальной температурой 15 и конечной 35 ºС. Определена средняя движущая сила процесса, расход охлаждающей воды (6,20 кг/с) и требуемая поверхность теплообмена. Выбран стандартный вертикальный теплообменник с поверхностью теплообмена 119 м², длиной труб 6,0 м и диаметром кожуха 600 мм. В результате гидравлического расчета определено гидравлическое сопротивление трубного (24511 Па) и межтрубного пространства (3827 Па) и подобраны насосы: для подачи воды - Х45/21; для подачи нитробензола - Х45/21.

Литература

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.: Химия, 1987, 576 с.

2.      Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1983. 272 с.

.        Теплофизические свойства газов, растворителей и растворов солей. Справочник /Сост. Е.М. Шадрина и др. Иваново. 2004.

.        Разработка конструкции химического аппарата и его графической модели. Методические указания. - Иваново, 2004.

5. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры - Л. «Машиностроение», 1975.