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 2012 г.

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? tср 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;

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

1. Определение средней разности температур.

Средняя разность температур для противоточной схемы движения:

100? 80?

94 ?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:

2. 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]:

Межтрубное пространство: толуол Плотность [4, стр. 512]:

Теплоемкость [4, стр. 562]:

Вязкость [4, стр. 556]:

Теплопроводность [4, стр. 561]:

Теплофизические свойства потоков Таблица 1

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

5. 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.

Определим среднюю скорость толуола:

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:

7. Определение коэффициента теплопередачи.

Считаем, что аппарат будет изготовлен из обычной углеродистой стали, имеющей коэффициент теплопроводности? ст=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.

8. 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

4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

1. Число ходов z=2

Число труб n=618 шт.

Длина труб L=3 м

2. Расчет гидравлического сопротивления трубного пространства Рассчитываем скорость воды в трубах теплообменника:

3. Находим коэффициент трения:

4. Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемся в трубном пространстве:

?1=1,5 — входная и выходная камеры;

?2=2,5 — поворот между ходами;

?3=1,0 — вход в трубы и выход из них;

5. 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:

6. Рассчитываем гидравлическое сопротивление трубного пространства:

7. Расчет гидравлического сопротивления межтрубного пространства Рассчитываем скорость воды в межтрубном пространстве теплообменника

8. Находим коэффициент трения ?2 :

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемся в межтрубном пространстве:

?1=1,5 — вход и выход жидкости;

?2=1,5 — поворот через сегментную перегородку;

9. 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

9. Скорость толуола в штуцерах :

10. Число рядов труб омываемых водой в межтрубном пространстве

11. Число сегментных перегородок из табл.2,7

x=6м.

12. 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

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.

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

3. 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.

4. 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.

5. Основные процессы и аппараты химической технологии: учебник для вызов/под ред. А. Г. Касаткина 11-е изд., перепич. с изд. 1973 г.-М.: ООО ТИД «Альянс», 2005.-753 с.