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

1. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

2. ТЕПЛОВАЯ НАГРУЗКА АППАРАТА

3. РАСЧЕТ ПЛОЩАДИ ТЕПЛООБМЕННИКА и ПОДБОР КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

4. УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

5. ПЕРВАЯ ЧАСТЬ ТЕПЛООБМЕНА. КОНДЕНСАЦИЯ ПАРОВ

5.1 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА (ОБОРОТНАЯ ВОДА)

5.2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ МЕЖТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА (КОНДЕНСАЦИЯ ПАРОВ)

6. ВТОРАЯ ЧАСТЬ ТЕПЛООБМЕНА. ОХЛАЖДЕНИЕ КОНДЕНСАТА

7. СУММАРНАЯ ПЛОЩАДЬ ТЕПЛООБМЕНА

8. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

8.1 РАССЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ ТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА (ОБОРОТНАЯ ВОДА)

8.2 РАССЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ МЕЖТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА (КОНДЕНСАЦИЯ ПАРОВ)

8.3 РАССЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ МЕЖТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА (КОНДЕНСАТ)

9. МЕХАНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

кожухотрубчатый теплообменник гидравлический тепловой

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 при =110,8 ⁰С)

— теплоёмкость конденсата (по рис. XI при)

— температура конденсации пара толуола, ⁰С

— температура конденсата на выходе, ⁰С

Расход оборотной воды:

где Gмассовый расход

Q — количество теплоты ,

— теплоёмкость оборотной воды (по рис. XI 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 F_конд:

Задаёмся коэффициентом теплопередачи К_конд = 300 (по табл. 4.8[1])

Площадь охлаждения F_охл:

Задаёмся коэффициентом теплопередачи К_охл = 300

Общая площадь теплообмена:

Для обеспечения турбулентного течения воды при Re > 15 000 скорость в трубах с d_н = 25×2мм должна быть больше w :

м/с,

d = 25 — 22 = 21 мм — внутренний диаметр трубок

? = 0,89 мПас — динамическая вязкость воды при t_{ср в} = (t_2н + t_2к)/2 = 25? С (по табл. VI [1])

? = 997 кг/м³ — плотность воды при t_ср = (t_2н + t_2к)/2 = 25? С (по табл. XXXIX [1])

Объемный расход воды:

V_в = G_в/ ?_в = 16,62/997 = 0,0166 м³/с

Число труб 25×2 мм, обеспечивающих объемный расход воды V_в = 0,0166 м³/с при Re = 15 000:

Задаваясь числом Re = 15 000, определим соотношение n/z для холодильника-конденсатора из труб диаметром d_н = 25×2 мм:

4. Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В соответствии с таблицей 4.12 соотношение n/z принимает наиболее близкое значение к заданному у холодильников-конденсаторов с диаметром кожуха D = 600 мм, диаметром труб 25×2 мм, числом ходов z = 4 и общим числом труб n = 206:

Выбираем по ГОСТ 15121-79 кожухотрубчатый холодильник-конденсатор:

· F = 32 м²

· (число ходов)

· d_труб = 25×2 мм

·

· D_кожуха =

· s_{сеч. 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:

G_воды — массовый расход воды, кг/с

— количество ходов

— количество труб

— диаметр эквивалентный ()

— динамическая вязкость воды (по табл. VI: для 26,4⁰С)

Критерий Прандтля:

где — теплопроводность воды (по табл. XXXIX: 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: для 110,8⁰С)

— вязкость толуола (по рис. V 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)

— толщина трубок, м

— теплопроводность материала стали (по табл. XXVIII)

Расчетная площадь теплообмена для охлаждения пара:

6. Вторая часть теплообмена. охлаждение конденсата

6.1 Расчет параметров для трубного пространства (оборотная вода)

Критерий Рейнольдса:

где G_воды — массовый расход воды, кг/с

— количество ходов

— количество труб

— диаметр эквивалентный ()

— вязкость воды (по табл. VI: для 16,37⁰С)

Критерий Прандтля:

где — теплопроводность воды (по табл. XXXIX: для 16,37⁰С)

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)

— вязкость толуола (по рис. V для 80⁰С)

Критерий Прандтля:

где — удельная теплоёмкость толуола,

— теплопроводность толуола (по рис. Х: 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)

— загрязнение стенок со стороны оборотной воды (по табл. XXXI [1])

— толщина трубок, м

— теплопроводность материала стали (по табл. XXVIII)

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 при)

— количество труб

— число ходов

Коэффициент трения:

где — относительная шероховатость труб

? — высота выступов шероховатостей, м

Скорость воды в штуцерах:

где — диаметр условного прохода штуцеров (по табл. 2.6)

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 при)

Скорость потока в штуцерах:

где — диаметр условного прохода штуцеров к кожуху (по табл. 2.6)

— плотность пленки конденсата (при)

Скорость потока в наиболее узком сечении межтрубного пространства:

Гидравлическое сопротивление толуола в межтрубном пространстве:

8.3 Рассчет гидравлического сопротивления для межтрубного пространства (конденсат)

Скорость потока конденсата в штуцерах:

где — диаметр условного прохода штуцеров к кожуху (по табл. 2.6)

— плотность конденсата (по табл. ХХХIX 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)

С_к — запас на коррозию, мм

С_окр — прибавка округления толщины детали до номинального размера, мм

9.2. 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 15 121−79 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

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.

3. 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.;