Теплообменник «труба в трубе» для нагрева 7 т/ч 20% раствора NaOH от 15 до 75С конденсатом с начальной температурой 105 град. С, конечной 55 град. С

Теплообменник труба в трубе для нагрева 7 т/ч 20% р-ра NaOH от 15 до 75 С конденсатом с начальной температурой 105 єС, конечной 55 єС

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» .

Теплообменник «труба в трубе» включают несколько расположенных друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы большего диаметра и концентрически расположенной внутри нее трубы меньшего диаметра. Внутренне трубы элементов соединены друг с другом последовательно; так же связаны между собой наружные трубы. Для возможности очистки внутренне трубы соединяются при помощи съемных калачей.

Благодаря небольшому поперечному сечению в этих теплообменниках легко достигаются высокие скорости теплоносителей в как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При значительных количествах теплоносителей теплообменник составляют из нескольких параллельных секций, присоединяемых к общим коллекторам.

Преимущества теплообменников «труба в трубе» :

— высокий коэффициент теплопередачи в следствии большой скорости

обоих теплоносителей;

— простота изготовления.

Недостатки этих теплообменников:

— громоздкость;

— высокая стоимость ввиду большого расхода металла на наружные

трубы, не участвующие в теплообмене;

— трудность очистки межтрубного пространства.

Теплообменники «труба в трубе» могут использоваться, как для нагревания, так и для охлаждения.

Нагревание обычно производится или горячей водой или насыщенным водяным паром, который запускается в межтрубное пространство и конденсируется на поверхности внутренней трубы.

Использование водяного пара в качестве греющего агента имеет следующие достоинства:

— высокий коэффициент теплоотдачи;

— большое количество тепла, выделяемое при конденсации пара;

— равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре;

— легкое регулирование обогрева.

При охлаждении в теплообменниках «труба в трубе» в качестве хладоагента может использоваться речная или артезианская вода, а в случае, когда требуется получить температуру ниже 5−20°С применяют холодильные рассолы (водные растворы СаС12, NaCl, и др.).

1. Технологическая схема

Рис. 1 Теплообменник «труба в трубе». Технологическая схема Керосин, из расходной емкости РЕ, с помощью центробежного насоса Н подается в трубное пространство элемента Э теплообменника «труба в трубе». В межтрубное пространство теплообменника подается греющий пар, который конденсируется на наружной поверхности внутренних труб и в виде пленки конденсата стекает вниз и сбрасывается в линию конденсата. Раствор подогретый за счет теплоты конденсации греющего пара самотеком поступает в приемную емкость.

2. Выбор конструкционного материала

Так как водный раствор NaОН является коррозионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632–72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600 С.

теплообменник аппарат температура гидравлический

3. Материальный и тепловой расчет

3.1 Температурный режим аппарата

Принимаем противоточную схему движения теплоносителей.

Пар поступает в межтрубное пространство, а раствор двигается по внутренней трубе Рис. 2 Схема движения теплоносителей

3.2 Средняя разность температур

Дtм = t1н — t2к = 105 — 75 = 30 єС Дtб = t1к — t2н = 55 — 15 = 40 єС Так как отношение Дtб/Дtм = 40/30 = 1,3 < 2, то Дtср = (Дtб + Дtм)/2= (40 + 30)/2 = 35 єС Средняя температура конденсата:

t1ср = (t1н + t1к)/2 = (105+55)/2 = 80 єС Средняя температура раствора:

t2ср = t1ср — tcр = 80 — 35 = 45 С.

3.3 Тепловая нагрузка аппарата:

Q = 1,05G2c2(t2н — t2к),

где с2= 3,61 кДж/кг•К — теплоемкость раствора [1 c.248]

G2- массовый расход раствора.

1,05 — коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду.

G2 = 7000/3600 = 1,94 кг/с,

Q = 1,051,94•3,61(75 — 15) = 441,2 кВт.

3.4 Расход конденсата:

G1= Q/с1(t1н — t1к),

где с1 = 4,19 кДж/кг· К — теплоемкость воды при 80 єС [1c.537].

G1 = 441,2/4,19(105−55) = 2,11 кг/с.

3.5 Выбор основных конструктивных размеров аппарата

Принимаем, что аппарат изготовленный из труб 484 (внутренняя труба) и 764 (наружная труба)[2c. 61].

Рис. 3 Теплообменный элемент Оптимальные условия теплообмена возможны при турбулентном режиме движения (Re > 10 000). Поэтому скорость раствора в трубах должна быть больше w'2:

w'2 = Re22 / (dвн2) = 100 002,2910−3/(0,401 205) = 0,48 м/с где 2 = 2,2910−3 Пас — вязкость раствора [1 c.516],

2 = 1205 кг/м3 — плотность раствора [1c.512]

d2 = 0,040 — внутренний диаметр трубы.

Число параллельно работающих труб 484:

n` = G2/0,785dвн2w`22 = 1,94/0,7850,4 020,481205= 2,67

Для обеспечения устойчивого турбулентного режима движения воды принимаем n` = 2, тогда фактическая скорость раствора будет равна:

w2 = G2/0,785dвн2n`22 = 1,94/0,7850,40 221 205= 0,64 м/с.

Критерий Рейнольдса для раствора:

Re2 = w2d22/2 = 0,640,401 205/2,2910−3 = 13 490,

режим движения — турбулентный

3.6 Коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору

Критерий Нуссельта:

Nu2 = 0,023Re20,8Pr20,4(Pr2/Pr2ст)0,25

Критерий Прандтля

Pr2 = с/ = 3,612,29/0,677 = 12,2

= 0,677 Вт/мК — коэффициент теплопроводности [3c.55]

Примем в первом приближении (Pr2/Pr2ст)0,25 = 1, тогда

Nu2 = 0,23 134 900,812,20,4 = 126,0

2 = Nu22/dвн = 126,00,677/0,040 =2132 Вт/(м2K)

3.7 Коэффициент теплоотдачи от конденсата к стенке

Скорость воды в межтрубном пространстве

w1 = G1/[10,785(Dвн2 — dн2) n] =

= 2,11/9720,785(0,0682 — 0,0482)2 = 0,60 м/с, где 1 = 972 кг/м3 — плотность воды при 80 С [1c. 537],

Dвн = 0,068 м — внутренний диаметр большой трубы,

dн = 0,048 м — наружный диаметр малой трубы.

Критерий Рейнольдса для воды:

Re1 = w1dэ1/1,

где 1 = 0,35 510−3 — вязкость воды при 80 С [1c. 537],

dэ — эквивалентный диаметр межтрубного пространства.

dэ = Dвн-dн = 0,068 — 0,048 = 0,020 м

Re1 = 0,600,20 972/0,35 510−3 = 32 636

Режим движения — турбулентный.

Критерий Нуссельта:

Nu1 = 0,023Re10,8Pr10,4(Pr1/Pr1ст)0,25

Критерий Прандтля для воды Pr1 = 2,21 [1c. 537]

Примем в первом приближении (Pr1/Pr1ст)0,25 = 1, тогда

Nu1 = 0,23 326 360,82,210,4 = 129,0

1 = Nu11/dэ = 129,00,675/0,020 =4352 Вт/(м2K)

где 1=0,675 Вт/(мK) — теплопроводность воды при 80 С [1c. 537]

3.8 Тепловое сопротивление стенки

где = 0,004 м — толщина стенки

cт = 17,5 Вт/(мК) — теплопроводность нерж. стали [1c. 529]

r1=r2=1/5800 мК/Вт — тепловое сопротивление загрязнений [1c. 531]

= (0,004/17,5) + (1/5800) + (1/5800) = 5,7310−4 мК/Вт

3.9 Коэффициент теплопередачи

К = 1/(1/2132+ 5,7310−4 + 1/4352) = 786 Вт/(м2К)

3.10 Температура стенок

Со стороны раствора

tст2 = t2+ tср/2= 45,0 + 78 635,0/2132 = 57,9 С,-tttt

Prст2= 9,6 1ут =2132(12,2/9,6)0,25 =2263 Вт/(м2К).

Со стороны воды:

tст1 = t1 — Ktср/1 = 80,0 — 78 635,0/4352 = 73,7 С,-tttt

1 = 4352(2,21/2,43)0,25 = 4250 Вт/(м2К).

3.11 Уточненный расчет коэффициента теплопередачи

K = 1/(1/2263 + 5,7310−4+1/4250) = 800 Вт/(м2К) Проверяем температуру стенки

tст1 = t1 — Ktср/1 = 80,0 — 80 035,0/4250 = 73,4 Сtttt

tст2 = t2 — Ktср/2 = 45,0+ 80 035,0/2263 = 57,4 С Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейшего уточнения не требуется

3.12 Поверхность теплообмена

F = Q/(Ktср) =441,2103/(80 035,0) =15,75 м²

3.13 Выбор стандартного аппарата

По ГОСТ 8930–78 [2c. 61] выбираем стандартные неразборные элементы длиной 6,0 м, для которых поверхность теплообмена равна 0,90 м², тогда число элементов в одном ряду составит:

N = F/(nF1) =15,75/(20,90) = 8,75 принимаем N = 9

4. Гидравлический расчет

4.1 Коэффициент трения раствора трубах

Скорость раствора в трубах: w2 = 0,64 м/с Относительная шероховатость:

e2 = /dвн = 0,0002/0,040 = 0,0050

где = 0,0002 м — шероховатость труб [2c. 14]

Коэффициент трения. Так как выполняется условие:

10/е2 = 10/0,005 =2000 < Re2 < 560/e2 = 560/0,005 = 112 000

то коэффициент трения будет равен:

2 = 0,11(е2 + 68/Re2)0,25 = 0,11(0,005 + 68/13 490)0,25 = 0,035

4.2 Сумма местных сопротивлений

= 1 + 2 + 43 = 0,5 + 1,0 + 80,154 = 2,73

где 1 = 0,5 — вход в трубу [2c.14]

2 = 1,0 — выход из трубы

3 = АВ = 1,40,11 = 0,154 — отвод круглого сечения

4.3 Гидравлическое сопротивление трубного пространства

= (0,0356· 9/0,040 + 2,73)12050,642/2 =12 334 Па

4.4 Подбор насоса

Требуемый напор насоса Н = Р/(g) =12 334/(12 059,8) = 1,04 м Объемный секундный расход

Q = G/ = 1,94/1205= 0,0016 м3/с По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/30, для которого производительность Q = 2,410−3 м3/с, напор Н = 17 м [2c. 38].

4.5 Коэффициент трения для воды в межтрубном пространстве

Скорость воды в межтрубном пространстве w1= 0,60 м/с Относительная шероховатость:

e1= /dэ = 0,0002/0,020 = 0,0100.

Так как выполняется условие:

10/е1 = 10/0,010 = 1000 < Re1 < 560/e1 = 560/0,0100 = 56 000,

то коэффициент трения будет равен:

1 = 0,11(е1 + 68/Re1)0,25 = 0,11(0,0100 + 68/32 636)0,25 = 0,036

4.6 Сумма местных сопротивлений

=9(1 + 2) = 13,5

где 1 = 0,5 — вход в трубу [2c.14]

2 = 1,0 — выход из трубы

4.7 Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства

= (0,0366· 9/0,020 + 13,5)9720,602/2 =19 368 Па

4.8 Подбор насоса

Требуемый напор насоса Н = Р/(g) = 19 368/(9729,8) = 2,0 м Объемный секундный расход

Q = G / = 2,11/972 = 2,1710−3 м3/с По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/30, для которого производительность Q = 2,410−3 м3/с, напор Н = 17 м [2c. 38]

5. Конструктивный расчет

5.1 Соединение элементов

Соединение элементов между собой осуществляется с помощью калачей радиусом 100 мм изогнутых на 180.

5.2 Фланцы

Калачи и внутренне трубы снабжены плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12 820–80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

5.2 Опоры

Теплообменник крепится на сварном каркасе изготовленных из уголка № 5. Теплообменные элементы к опоре крепятся болтами с помощью хомутов

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.

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