Кожухотрубный теплообменник

Аннотация Введение

1. Технологическая схема

2. Выбор конструкционного материала

3. Тепловой расчет

3.1 Температурный режим аппарата

3.2 Ориентировочный выбор теплообменника

3.3 Теплообменник с диаметром кожуха 400 мм и 181 трубками 20Ч2

3.4 Теплообменник с диаметром кожуха 600 мм и 240 трубками 25Ч2

3.5 Теплообменник с диаметром кожуха 1000 мм и 174 трубками20Ч2

4. Конструктивный расчет

4.1 Толщина обечайки

4.2 Днища

4.3 Штуцера

4.4 Опоры аппарата

4.5 Расчет тепловой изоляции

4.6 Трубная решетка

5. Гидравлический расчет

5.1 Скорость воды в трубах

5.2 Коэффициент трения

5.3 Скорость воды в штуцерах

5.4 Гидравлическое сопротивление трубного пространства

5.5 Подбор насоса для воды Выводы Литература

Аннотация

В данном курсовом проекте проведен расчет кожухотрубчатого теплообменника для охлаждения нитробензола производительностью 22 000 кг/час. Выполнен материальный, тепловой, гидравлический и конструктивный расчеты, определены движущая сила процесса, тепловая нагрузка, расход охлаждающей воды.. Выбран стандартный теплообменник, подобраны нормализованные конструктивные элементы и насос для подачи воды. Расчетно-пояснительная записка изложена на 24 страницах текста, включает 5 рисунков, 2 таблицы, список использованной литературы из 4 наименований.

Теплообменник, теплообменный аппарат— устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. Применяется в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве Кожухотрубные теплообменники. Они представляют из себя пучок труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучок 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 15 121–79, теплообменники могут быть двухчетырех — и шестиходовыми по трубному пространству.

Достоинствами кожухотрубных теплообменников являются: компактность; 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.

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

Технологическая схема

Нитробензол поступает в трубное пространство теплообменника ТО. В межтрубное пространство с помощью центробежного насоса ЦН подается охлаждающая вода. За счет нагревания воды, в трубах происходит охлаждение нитробензола. Из аппарата нитробензол поступает в приемную емкость ПЕ, а вода сбрасывается в канализацию или используется в качестве оборотной.

Рис. 1. Технологическая схема установки для охлаждения нитробензола

2. Выбор конструкционного материала

Так как нитробензол является корозионно активным веществом, то в качестве конструкционного материала выбираем сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632–72, устойчивую в агрессивных средах при температурах до 600? С.

3. Тепловой расчет

3.1 Температурный режим аппарата

Начальная температура воды t2н = 24 °C, конечная t2к = 40 єС.

Начальная температура нитробензола t1н = 60 єС, конечная t1к = 38єС.

Запишем уравнения теплового баланса для тепловой нагрузки

Q = G1+ c1(tк-t1к)

G1 — массовый расход нитробензола

G1 = 22 000/3600 = 6,1 кг/с с1= 1,427 кДж/кг-теплоемкость нитробензола

Q = 6,1· 195 + 1,427· (60 — 38) = 191,503 кВт Расход охлаждающей воды

G2 = Q/c2(t2k — t2H) = 191,503/4,19(40 — 24) = 2,86 кг/с Средняя разность температур:

Дtб = tк — tх = 60 — 20 = 20 єС Дtм = tк1- t2к = 38- 24 = 14 єС Так как отношение Дtб/Дtм = 20/14 = 1,4 < 2, то Дtср = (Дtб + Дtм)/2 = (20 + 14)/2 = 17 єС Средняя температура воды:

t2ср = 0,5(24+ 40) = 32 єC.

Средняя температура нитробензола

t1ср =0,5(60+ 38)= 49 єС.

3.2 Ориентировочный выбор теплообменника

Охлаждающая вода поступает в межтрубное пространство, а нитробензол охлаждаются в трубном пространстве. Принимаем ориентировочное значение критерия Рейнольдса Reор = 12 000, соответствующее развитому турбулентному режиму движения жидкости, при котором обеспечиваются наилучшие условия теплообмена.

Число труб, приходящееся на один ход теплообменника:

n/z = 4G1/3,14•Reорdвнм2,

где dвн — внутренний диаметр трубок, м2 = 0,246•10−3 Па•с — вязкость нитробензола при 49єС [1 c. 537].

для труб 25Ч2 dвн = 0,021 м

n/z = 4•6,1/3,14•12 000•0,021•0,246•10−3 = 126.

Принимаем также ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор=460−900 Вт/м2•К, тогда ориентировочная поверхность теплообмена для зоны конденсации:

Fор = Q/Kор Дtср = 191,503•103/(460−900)•17 =(12,51−24,48)м2

Теперь целесообразно провести уточненный расчет следующих вариантов.

1К: D=400 мм; dн=20Ч2 мм; z=1; n/z=181/1=181;

2К: D=600мм; dн=25Ч2 мм; z=2; n/z=240/2=120;

3К: D=1000мм; dн=20Ч2 мм; z=6; n/z=1044/6=174;

3.3 Теплообменник с диаметром кожуха 400 мм и 181трубками 20Ч2

Коэффициент теплоотдачи от стенки к нитробензолу:

a2 = Nu2l2/dвн, где l2 = 0,635 Вт/мЧК — теплопроводность нитробензола при 32,0 ?С [1c.537],

Nu2 — критерий Нуссельта для воды.

Фактическое значение критерия Рейнольдса:

Re2 =G2/[3,14dвн (n/z)m2 ]=

2,90Ч0,02/0,025Ч0,6533Ч10−3 Ч= 3551.

Режим движения турбулентный в этом случае критерий Нуссельта:

Nu2 = 0,021Re20,8Pr20,42(Pr2/Prст2)0,25,

где Рr2 = 4,3 — критерий Прандтля для воды при 32,0 °С [1c.537].

Принимаем в первом приближении отношение (Pr2/Prст2)0,25 = 1, тогда

a2 = (0,635/0,02)Ч0,24(3551)0,6 Ч (4,3)0,36= 1730 Вт/м2ЧК.

Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке:

m1 = 0,246Ч10−3 ПаЧс — вязкость нитробензола [1c.516],

l1 = 0,148 Вт/(мЧК) — теплопроводность [1c.561]

Физико-химические свойства нитробензола взяты при температуре 60°С

Re=4G1/[3,14dвн (n/z)m1 ]=

=4Ч6,1/3,14Ч0,016Ч181Ч 0,246Ч10−3 =10 907,5

a1 = (0,148/0,016)Ч0,029Ч (10 907,5)0,8Ч (0,24)0,4= 2042 Вт/(мЧК).

Тепловое сопротивление стенки:

где dст = 0,002 м — толщина стенки трубки;

lст = 17,5 Вт/мЧК — теплопроводность углеродистой стали [1 c.529];

r1 = r2 = 1/2900 мЧК/Вт — тепловое сопротивление загрязнений стенок [1 c/531];

S (d/l) = 0,002/17,5 + 1/2900 + 1/2900 = 8,4Ч10−4 мЧК/Вт.

Коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/a1+S (d/l)+1/a2) =

1/(1/2042+8,4Ч10−4+1/1730) = 523,56 Вт/м2ЧК Поверхность теплообмена:

F = Q/KDtср = 191,503Ч103/524Ч17 = 21,49 м²

Выбираем теплообменник с ближайшей большей поверхностью теплообмена: 1 ходовой теплообменник с длиной труб 2 м, у которого поверхность теплообмена 23 м² [2 c.51].

3.4 Теплообменник с диаметром кожуха 325 мм и 100 трубками 20Ч2

Зона конденсации.

Фактическое значение критерия Рейнольдса:

Re2 = G2/[0,785dвн (n/z)m2 =

13,1/[0,785Ч0,016(100/1)0,954Ч10−3 = 10 932.

Принимаем в первом приближении отношение (Pr2/Prст2)0,25 = 1, тогда

Nu = 0,021Ч109 320,8Ч6,630,43 = 80,6.

a2 = 80,6Ч0,602/0,016 = 3033 Вт/м2ЧК.

Коэффициент теплоотдачи от CCl4 к стенке:

a1 = 3,78Ч0,096[14 782Ч0,020Ч100/(0,472Ч10−3Ч1,67)]1/3 = 642 Вт/(мЧК).

Коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/a1+S (d/l)+1/a2) =

1/(1/3033+4,6Ч10−4+1/642) = 426 Вт/м2ЧК Температуры стенок:

tст1 = tк — КDtср/a1 = 74,5 — 426Ч55,0/642 = 38,0 °С,

tст2 = tср2 + КDtср/a2 = 22,0 + 426Ч55,0/3033 = 29,7 °С.

Температура пленки конденсата:

tпл = (tк+tст1)/2 = (74,5+38,0)/2 = 56,3 °С.

a1 = 3,78Ч0,104[15 232Ч0,020Ч100/(0,610Ч10−3Ч1,67)]1/3 = 652 Вт/(мЧК).

Критерий Прандтля для воды при tст2 = 29,7 ® Prст2 = 5,45 [1c.537]

a2ут = a2(Pr/Prст2)0,25 = 3033(6,63/5,45)0,25 = 3185 Вт/м2ЧК.

Уточняем коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/3185+4,6Ч10−4+1/652) = 433 Вт/м2ЧК.

Температуры стенок:

tст1 = 74,5 — 433Ч55,0/652 = 38,0 °С,

tст2 = 22,0 + 433Ч55,0/3185 = 29,5 °С.

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

Поверхность теплообмена:

F = Q/KDtср = 330,3Ч103/433Ч52,5 = 14,5 м²

Выбираем теплообменник с ближайшей большей поверхность теплообмена: 1 ходовой теплообменник с длиной труб 3 м, у которого поверхность теплообмена 19,0 м² [2 c.51].

3.5 Двухходовой теплообменник с диаметром кожуха 400 мм и 100 трубками 25Ч2

Фактическое значение критерия Рейнольдса:

Re2 = G2/[0,785dвн (n/z)m2 =

13,1/[0,785Ч0,021(100/2)0,954Ч10−3 = 16 660.

Принимаем в первом приближении отношение (Pr2/Prст2)0,25 = 1, тогда

Nu = 0,021Ч166 600,8Ч6,630,43 =112,9.

a2 =112,9Ч0,602/0,021 = 3237 Вт/м2ЧК.

Коэффициент теплоотдачи от CCl4 к стенке:

a1 = 3,78Ч0,096[14 782Ч0,025Ч100/(0,472Ч10−3Ч1,67)]1/3 = 692 Вт/(мЧК).

Коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/a1+S (d/l)+1/a2) =

1/(1/3237+4,6Ч10−4+1/692) = 452 Вт/м2ЧК Температуры стенок:

tст1 = tк — КDtср/a1 = 74,5 — 452Ч55,0/692 = 38,6 °С,

tст2 = tср2 + КDtср/a2 = 22,0 + 452Ч55,0/3237 = 29,7 °С.

Температура пленки конденсата:

tпл = (tк+tст1)/2 = (74,5 + 38,6)/2 = 56,6 °С.

a1 = 3,78Ч0,104[15 232Ч0,025Ч100/(0,610Ч10−3Ч1,67)]1/3 = 702 Вт/(мЧК).

Критерий Прандтля для воды при tст2 = 29,7 ® Prст2 = 5,45 [1c.537]

a2ут = a2(Pr/Prст2)0,25 = 3237(6,63/5,45)0,25 = 3400 Вт/м2ЧК.

Уточняем коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/3400+4,6Ч10−4+1/702) = 459 Вт/м2ЧК.

Температуры стенок:

tст1 = 74,5 — 459Ч55,0/702 = 38,5 °С,

tст2 = 22,0 + 459Ч55,0/3400 = 29,4 °С.

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

Поверхность теплообмена:

F = Q/KDtср = 330,3Ч103/459Ч52,5 = 13,7 м²

Выбираем теплообменник с ближайшей большей поверхность теплообмена: 2 ходовой теплообменник с длиной труб 2 м, у которого поверхность теплообмена 16,0 м² [2 c.51].

Характеристика теплообменников:

Окончательно выбираем одноходовой теплообменник с диаметром кожуха 325 м с 100 трубкой 20Ч2 мм, с поверхностью теплообмена 19 м², так как он имеет наименьшие габариты и наименьшую массу из рассмотренных аппаратов.

кожухотрубный теплообменник гидравлический конструктивный

4. Конструктивный расчет

4.1 Толщина обечайки:

d = DP/2sj +Cк,

где D = 0,3 м — внутрений диаметр аппарата;

P = 0,10 МПа — давление в аппарате;

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

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

Cк = 0,001 м — поправка на коррозию.

d = 0,3Ч0,10/2Ч138Ч0,8 + 0,001 = 0,003 м.

Согласно рекомендациям [3 c.24] теплообменник изготовляется из труб диаметром 325ґ12, т.о. толщина обечайки d= 12 мм.

4.2. Днища

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533– — 78 [3 c.25], толщина стенки днища d1 =d = 12 мм.

Рис. 2. Днище теплообменника

4.3 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 = 2,0 м/с, скорость пара в штуцере 20 м/с, тогда диаметр штуцера для входа паров CCl4

Плотность паров CCl4 при температуре конденсации:

где М = 154 — молекулярная масса CCl4

Т0, Р0 — температура и давление в нормальных условиях.

r1 = 154Ч273Ч101/(22,4Ч350Ч101) = 5,4 кг/м3.

d1 = (1,67/0,785Ч20Ч5,4)0,5 = 0,141 м,

принимаем d1 = 150 мм;

диаметр штуцера для выхода конденсата:

d2 = (1,67/0,785Ч2,0Ч1478)0,5 = 0,026 м,

принимаем d2 = 25 мм;

диаметр штуцера для входа и выхода воды:

d3,4 = (13,1/0,785Ч2,0Ч998)0,5 = 0,091 м,

принимаем d3,4 =100 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12 820–80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

Рис. 3. Фланец штуцера

4.4 Опоры аппарата

Максимальная масса аппарата:

Gmax = Ga+Gв = 735+212 = 947 кг = 0,009 МН, где Ga = 735 кг — масса аппарата [2 c.56]

Gв — масса воды заполняющей аппарат.

Gв = 1000Ч0,785Ч0,302Ч3,0 = 212 кг Принимаем, что аппарат установлен на двух опорах, тогда нагрузка, приходящаяся на одну опору:

Gоп = 0,009/2 = 0,0045 МН По [4 c.673] выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,01МН.

Рис. 4. Опора аппарата

4.5 Расчет тепловой изоляции

Принимаем температуру наружной поверхности стенки tст. в = 40? С, температуру окружающего воздуха tв = 18? С, тогда толщина стекловолокнистой изоляции:

где lиз = 0,09 Вт/мЧК — коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала,

aв — коэффициент теплоотдачи от наружной стенки корпуса в окружающую среду

aв = 8,4+0,06Dtв = 8,4+0,06Ч22 = 9,72 Вт/м2ЧК,

где Dtв = tст. в — tв = 40 — 18 = 22 °C.

dиз = 0,09(77−40)/[9,72(40 — 18) = 0,016 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 20 мм.

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[(100−1)/3+0,25]0,5 = 12

j = (Dп — zSd0)/Dп = (0,32 — 12?0,020)/0,32 = 0,25

где Dп = 0,32 м — средний диаметр прокладки.

h = 0,47Ч0,3(0,1/138Ч0,25)0,5+0,001 = 0,008 м,

принимаем h = 30 мм.

Расположение труб в трубной решетке показано на рисунке

5. Гидравлический расчет

5.1. Скорость воды в трубах

wтр = G2z/(0,785dвн2nr2) = 13,1Ч1/(0,785Ч0,0162Ч100Ч998) = 0,65 м/с.

5.2. Коэффициент трения

где е = D/dвн = 0,2/16 = 0,0125 — относительная шероховатость,

D = 0,2 мм — абсолютная шероховатость.

l = 0,25{lg[(0,0125/3,7)+(6,81/10 932)0,9]}-2 = 0,045.

5.3 Скорость воды штуцерах:

wшт = G2/(0,785dшт2r2) = 13,1/(0,785Ч0,1002Ч998) = 1,67 м/с

5.4 Гидравлическое сопротивление трубного пространства:

= 0,045Ч3,0Ч1Ч0,652Ч998/(0,016Ч2)+[2,5(1−1)+2Ч1]0,652Ч998/2 + 3Ч1,672Ч998/2 = 6375 Па

5.5 Подбор насоса для воды

Объемный расход воды и напор, развиваемый насосом:

Q2 = G2/r2 = 13.1/998 = 0,0131 м3/с, Н = DРтр/rg + h = 6375/998Ч9,8 + 3 = 3,7 м.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х90/19, для которого Q = 0,025 м³ и Н = 13,0 м [2 c.38].

Выводы

Выполнен тепловой, материальный, гидравлический и конструктивный расчет кожухотрубного теплообменника для конденсации и охлаждении 6 т/ч CCl4. Определена средняя движущая сила процесса, расход охлаждающей воды и требуемая поверхность теплообмена для горизонтального и вертикального расположения труб. Выбран стандартный одноходовой теплообменник с поверхностью теплообмена 19 м², длиной труб 3 м и диаметром кожуха 325 мм. В результате гидравлического расчета определено гидравлическое сопротивление трубного пространства и подобран насос для подачи воды — Х160/29/2.

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

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

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

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