Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Теплообменный аппарат (ТО) - устройство, в котором осуществляется процесс передачи тепла от одного теплоносителя (рабочей среды) к другому. В качестве теплоносителя может применяться жидкость, пар или газ. В теплообменных аппаратах передача тепла от одной среды к другой обусловлена тремя составляющими теплообменного процесса: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Наибольшее значение для эффективной работы теплообменного аппарата имеет конвективный теплообмен, или теплоотдача, которая осуществляется при совокупном и одновременном действии теплопроводности и конвекции. Процессы теплообмена осуществляются в теплообменных аппаратах различных типов и конструкций.

В настоящее время все теплообменные аппараты, используемые в химической промышленности, подразделяются на определённые группы по следующим признакам: по назначению (нагреватели, испарители и кипятильники; холодильники, конденсаторы и т. д.), по режиму работы, по особенностям конструкции и т. д. Холодильники и конденсаторы служат для охлаждения потока или конденсации паров с применением специальных хладоагентов (вода, воздух, пропан, хлористый метил, фреоны и т. д.).

Поверхностные теплообменные аппараты можно разделить на следующие типы по конструктивным признакам:

а) кожухотрубчатые теплообменники (жёсткого типа; с линзовым компенсатором на корпусе; с плавающей головкой; с U-образными трубками);

б) теплообменники типа “труба в трубе”;

в) подогреватели с паровым пространством (рибойлеры);

г)конденсаторы воздушного охлаждения.

Теплообменные аппараты составляют исключительно многочисленную группу теплосилового оборудования, занимая значительные производственные площади и превышая зачастую 50% стоимости общей комплектации в теплоэнергетике, химической и нефтеперерабатывающей промышленности и ряде других отраслей. Поэтому правильный выбор теплообменников представляется исключительно важной задачей.

К настоящему времени среди используемого теплообменного оборудования можно выделить два наиболее распространенных типа аппаратов - кожухотрубные и пластинчатые.

Кожухотрубчатые теплообменники в настоящее время наиболее широко распространены, по некоторым данным они составляют до 80% от всей теплообменной аппаратуры.

Трубчатые теплообменники водят таким образом, чтобы во всех секциях находилось примерно одинаковое число труб.

Вследствие меньшей площади суммарного поперечного сечения труб, размещенных в одной секции, по сравнению с поперечным сечением всего пучка труб скорость жидкости в трубном пространстве многоходового теплообменника возрастает (по отношению к скорости в одноходовом теплообменнике) в число раз, равное числу ходов. Так, в четырехходовом теплообменнике скорость в трубах при прочих равных условиях в четыре раза больше, чем в одноходовом. Для увеличения скорости и удлинения пути движения среды в межтрубном пространстве служат сегментные перегородки.

Повышение интенсивности теплообмена в многоходовых теплообменниках сопровождается возрастанием гидравлического сопротивления и усложнением конструкции теплообменника. Это диктует выбор экономически целесообразной скорости, определяемой числом ходов теплообменника, которое обычно не превышает 5--6. Многоходовые теплообменники работают по принципу смешанного тока, что, как известно, приводит к некоторому снижению движущей силы теплопередачи по сравнению с чисто противоточным движением участвующих в теплообмене сред.

Одноходовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными или горизонтальными. Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. Горизонтальные теплообменники изготавливаются обычно многоходовыми и работают при больших скоростях участвующих в теплообмене сред для того, чтобы свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и плотностей, а также устранить образование застойных зон.

В данной курсовой работе рассмотрены основы процесса конденсации и охлаждения этилового спирта, представлены основные требования по выбору того или иного типа теплообменного аппарата. Согласно заданию на курсовую работу, в котором указаны компоненты бинарной смеси: этанол-вода, выбрана ТОА, и проведен его расчет по исходным данным, указанным в задании. Определены основные размеры аппарата и подобраны нормализованные конструктивные элементы.

теплообменный аппарат передача



1. Описание технологической схемы

теплообменный аппарат передача

Этанол из расходной емкости Е-1 с помощью насоса Н подается в трубное пространство кожухотрубного теплообменника Т. В межтрубное пространство теплообменника поступает охлаждающая вода, которая затем сбрасывается в линию оборотного водоснабжения. Охлажденный раствор из теплообменника поступает в приемную емкость Е-2.

Рисунок 1 Технологическая схема



2. Расчет теплообменного аппарата

2.1 Технологический расчет теплообменного аппарата

Для обеспечивающего теплоносителя - воды принимаем температуры на входе в теплообменник = 97 °С, на выходе = 25°С. На установку поступает этиловый спирт температурой 18⁰С необходимо произвести охлаждение вещества до 36 ⁰С. так как для достижения таких параметров нужно большое количество воды то экономически выгоднее установить перед теплообменником АВО которые понизят температура этилового спирта до 60⁰С.

Температура воды на выходе выбрана такой для обеспечения большего значения количества тепла, передаваемого от целевого теплоносителя к обеспечивающему, но данное значение нельзя превышать, потому что будет происходить заметное выделение растворенных в воде солей, загрязняющих теплообменные поверхности, что приводит к увеличению их термического сопротивления. В данном случае это крайне нежелательно. Давление воды на входе Р₂ = 0,4 МПа.

Вода является более коррозионной средой, чем этиловый спирт, поэтому следуя рекомендациям [1], направим воду в межтрубное пространство теплообменника, а этиловый спирт - в трубное.

Примем индекс «1» для горячего теплоносителя (этиловый спирт), индекс «2» - для холодного теплоносителя (вода).

Большая и малая разницы температур между горячим и холодным теплоносителем на концах теплообменника.



Рисунок 2 Схема движения теплоносителей

Предварительно найдем среднюю температуру воды

) = 0,5(36+25) = 30,5°С.

Среднюю температуру этилового спирта

,

где - среднелогарифмическая разность температур теплоносителей

= = = 70°С.

Дt_б=97-36=61 єС;

Дt_м=97-18=79 єС.

Средняя температура этилового спирта составила



= 97- 70= 27 °С.

Теплоемкости теплоносителей [2]

с₁ = 3056 Дж/(кг·К);

с₂ = 4190 Дж/(кг·К).

Расход этилового спирта

кг/с.

Без учета потерь тепла расход теплоты

) = 2,2 = 73955 Вт.

где -теплоемкость целевого теплоносителя;

-расход целевого теплоносителя;

-начальная и конечная температуры целевого теплоносителя.

Расход воды G₂ определим из уравнения теплового баланса теплообменника (без учета потерь тепла в окружающую среду)

) = );

Имеем

= = = 0,98 кг/с;

Объемные расходы теплоносителей



;

где с- плотность жидкости.

= 0,0012 м³/с;

= 0,022 м³/с.

Без учета потерь тепла расход теплоты

) = 0,98 = 295646 Вт

Для вынужденного движения теплоносителей, по данным [3], примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи:

= 800 Вт/.

При этом ориентировочное значение площади поверхности теплопередачи в теплообменнике

= = 1,32

= =5,27

Из табл. 2.3 в [3] с параметрами стандартных кожухотрубчатых теплообменников следует, что полученную величину обеспечивают теплообменники с диаметром кожуха 600 и 400 мм. В ссылке к табл. 2.3 [5] указано, что холодильники с диаметром кожуха 325 мм и более могут быть только с числом ходов Z по трубам 2, 4 и 6. Поэтому для правильности расчета нужно сделать поправку для многоходовых теплообменников.

В аппаратах с противоточным движением теплоносителей при прочих равных условиях больше чем в случае прямотока. При сложном взаимном движении теплоносителей промежуточные значения, которые учитывают, вводя поправку к среднелогарифмической разности температур для противотока.

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Раствор этанола направим в трубное пространство, так как по условию его давление равно 0,15 МПа, а воду - в межтрубное пространство. Выберем ориентировочное значение числа Рейнольдса равное Re_ср1 =15000 и Re_ср2=3000, что обеспечивает развитый турбулентный режим.

Скорость потока этилового спирта

= 0,722 м/с;

где -- внутренний диаметр труб теплообменника, равный 0,025м.

Число труб, обеспечивающих такой режим, должно быть

;

= 30;

т.е. число труб на один ход n/z<30;

По величине F, из числа стандартных подходят теплообменник «кожухотрубный»:

· поверхность теплообмена F = 65 м² ;

· длина труб L = 4,0 м;

· диаметр кожуха D = 600 мм;

· диаметр труб d = 25Ч2 мм;

· число ходов Z = 4;

· общее число труб n=206 шт.;

· число труб на один ход n/z=206/4;

· площадь сечения одного хода по трубам S_тр = 0,018 м²;

· площадь сечения потока между перегородками = 0,045 м².

2.2 Конструктивный расчет

Диаметр штуцера (условный проход d_у) на входе и выходе теплоносителей определяют по формуле:

где G - расход, кг/с, с - плотность теплоносителя кг/м³, щ_доп - допустимая скорость потока.

Диаметр штуцера А для ввода пара в аппарат:

-Допускаемая скорость потока в трубе: = 60 м/с

D_А = = 0,36м

Плотность = 0,789 [1].

По ГОСТ12830-67 примем D_А = 330 мм

Диаметр штуцера В для отвода конденсата:

-Допускаемая скорость потока в трубе: = 40 м/с



D_В = = 0,33 м

По ГОСТ12830-67 примем D_В =330 мм

2.3 Расчет гидравлического сопротивления аппарата

Задачей гидравлического расчета является определение потери давления потока этанола, перемещающегося в трубном пространстве теплообменника.

Рассчитаем скорость этанола в трубах согласно [3] при движении теплоносителя трубах

,

где G- массовый расход;

S_тр - площадь сечения одного хода по трубам.

Коэффициент трения

где е = /d_вн = 0,2/0,025 = 0,008 - относительная шероховатость;

= 0,2 мм - абсолютная шероховатость.



Примем диаметр Штуцера, равный 0,15 согласно [3, с. 56 табл 2.6]

где d_Ш-диаметр штуцера.

м/с.

В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, 3 поворота на 180 градусов, 4 входа в трубы и 4 выхода из них.

Рисунок 3 Распределение сопротивлений в трубном пространстве кожухотрубчатых теплообменников



.

Результаты гидравлического расчета показывают, что потеря давления потока этанола ?Р_ТР = 6202 Па меньше, чем допускаемая величина ДР_доп = 20000 Па (исходные данные). Следовательно, выбранный теплообменник полностью удовлетворяет всем условиям. Далее данное значение (?Р = 6202 Па) будет использовано для расчета и выбора вспомогательного оборудования--насоса.

2.4 Механические расчеты основных узлов и деталей теплообменника

Используемые теплоносители (этанол, вода) неагрессивны и поэтому теплообменник выполнен из углеродистых сталей. Давление теплоносителей в межтрубном пространстве Р_к=0,4 МПа, а в трубном Р_т=0,15 МПа.

Конструктивные параметры выбранного теплообменника: D = 600 мм; d = 25Ч2мм; z=4; n/z = 206/4; n=206 шт; F = 65м²; L = 4 м; S_мтр = 0,045 м²; S_тр = 0,018 м²; д_ст=2 мм; д_ст=3 мм.

Площадь сечения труб

Площадь сечения кожуха



Усилия, обусловленные температурными деформациями в теплообменнике, одинаковые для труб и кожуха из одинакового материала

где б_т-- коэффициент температурного линейного расширения углеродистой стали равен 11,9·10^-6 К^-1 [6];

Е-модуль нормальной упругости стали, равен 19,9·10¹⁰ Па [6];

t_К-температура стенки кожуха принята равной средней температуре этанола 47 єС (равенство t_K?t₁ выполняется при наличии малой разности температур окружающей среды и поверхности теплообменника);

t_ст-температура стенки теплопередающих труб, принята наименьшей из рассчитанных в тепловом расчете значений t_ст=26єС.

= 253327 Н.

Общее растягивающее усилие от действия давлений теплоносителей

=



Растягивающее усилие от действия давления, воспринимаемое трубами

Растягивающее усилие от действия давления, воспринимаемое кожухом

Напряжение, воспринимаемое в трубах

;

Напряжение, возникающее в кожухе

;



Нормативное допустимое напряжение для углеродистой стали Ст 3 составляет у_доп=146 МПа [6]. Можно видеть, что у_т и абсолютное значение у_к меньше у_доп. Это позволяет выбрать теплообменник типа Н с неподвижными трубными решетками и без компенсатора температурных деформаций. В этом случае необходимо дополнительно проверить на надежность крепления труб в трубных решетках по формуле

.

Принимая толщину трубной решетки В = 0,025 м, для левой части формулы получаем

Данная величина значительно меньше допустимого усилия для крепления труб вальцовкой в гладких отверстиях трубной решетки, которое равно Р_доп=15 МПа.



3. Расчет вспомогательного оборудования

Необходимо подобрать насос для перекачивания этила при температуре 18 єС из емкости в аппарат, работающий под избыточным давлением 0,15 МПа. Для создания оптимального напора и расхода перекачиваемой жидкости в химической промышленности используются центробежные насосы.

Определим напор по формуле

;

где ДP_n -давление обеспечиваемое в аппарате;

H_Г-геометрическая высота подъема жидкости;

h_n-потери напора во всасывающей линии.

;

где l-длина трубопровода;

л-коэффициент трения.

Пусть Н_Г=2м, w=0,5 м/с, l=6м

= 0,078 м.

= 20,628 м.

Затрачиваемая на перемещение жидкости мощность



(5.2);

где G-расход жидкости;

H-напор.

.

С учетом коэффициентов полезного действия насоса з_н и передачи з_пер при установившемся режиме работ

;

Мощность, потребляемая двигателем от сети, больше номинальной вследствие потерь энергии в самом двигателе

,

где з_дв-коэффициент полезного действия.

Двигатель к насосу устанавливается несколько большей мощности, чем потребляемая мощность, с запасом на возможные перегрузки

,



где в-коэффициент запаса мощности.

При известных значениях G, H и N_уст по каталогам или по таблицам в литературе [3,4,6] выбирается типоразмер насоса.

P_{нас пара}=101561,27 Па, а Р_атм=101325 Па.

Так как P_S>P_атм, то при всасывании насосом жидкости произойдет вскипание жидкости вследствие этого образуется паровая пробка. Из этого следует, что насос нужно устанавливать ниже уровня перекачиваемой жидкости, так чтобы насос был постоянно залит.

Насос удовлетворяющий расчетным данным-центробежный секционный насос, насос марки Х45/31.

Таблица 4 Характеристики насоса

Q, м3/ч	Напор, м	Частота вращ., об/мин	Мощность насоса, кВт	Мощность двигателя, кВт
45	31	2900	13	15



Заключение

В данной курсовой работе произведены тепловой, механический и гидравлический расчеты теплообменников. На основании этих данных, из каталога, было подобрано следующее оборудование для проведения процесса охлаждения этанола - холодильник.

В четырёходовой холодильник с параметрами:

-- диаметр кожуха 600 мм;

-- число труб 206;

-- длина труб 4 м;

-- поверхность теплообмена 65 м².

Поступает этил (массовый расход равен 2,2 кг/с). Там он охлаждается с 97°С до 25 °С. Охлаждающим теплоносителем служит вода

( массовый расход 25,324 кг/с), которая нагревается с 18 °С до 36 °С. Тепловая нагрузка со стороны этанола равна 1273282,4 Вт. При этом запас площади поверхности теплопередачи составил 20%.

В ходе гидравлического расчета определили потери давления потока ;

Из гидравлического расчета следует, что ДР_доп ?, а это означает, что теплообменник выбран верно.

Механический расчет показал, что растягивающие усилия не превышают допустимых и, как следствие, выбранный теплообменник не нуждается в дополнительном подборе компенсатора.

В качестве материала тепловой изоляции были выбраны маты минераловатные прошивные на стеклоткани, оптимальная толщина теплоизоляции составила от 0,07 до 0,1 м.

Также был подобран центробежный насос марки Х45/31.



Список используемой литературы

теплообменный аппарат передача

1 Поникаров И.И., Поникаров С.И., Рачковский С.В. Расчеты машин и аппаратов химических производств и нефтегазопереработки (примеры и задачи): Учебное пособие.-М.: Альфа-М,2008.-720с.

2 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов /Под ред.чл.-корр. АН СССР П.Г.Романкова. 10-е изд., перераб. и доп. - Л: Химия, 1987.-576с.

3 Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию /Г.С.Борисов и др. Под ред.Ю.И.Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. -М.:Химия,1991.-496с.

4 Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи. Учебное пособие для студентов вузов./И.В.Доманский и др. Под общей ред. В.Н.Соколова.Л.: Машиностроение, Ленингр.отд-ние. 1982. 364с.

5 Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. - Л.:Химия, 1991. - 352с.

6 Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Теплообменные аппараты и ректификационные установки: Учеб. пособие/ Ю. Я. Печенегов, Р. И. Кузьмина: Сарат. гос. ун-т им. Н. Г. Чернышевского. Саратов, 2010, 110 с.

7 Хижняков С.В. Практические расчеты тепловой изоляции (для промышленного оборудования и трубопроводов). Изд.3-е. перераб.-М.:Энергия, 1976. - 200с.

8 Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справ., Т.2. - Калуга: Изд-во Н.Бочкаревой, 2002. - 1028с.

Размещено на Allbest.ru

...