Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Тепловой расчет

2. Гидравлический расчет

3. Конструктивный расчет

4. Проверочный расчет

Заключение

Список литературы



Введение

Теплообменные аппараты применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от процессов теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

1.поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через поверхность стенки;

2.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;

3.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:

1.кожухотрубные;

2.оросительные;

3.погруженные;

4."труба в трубе".

Одним из самых распространенных типов теплообменников являются 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 15121-79, теплообменники могут быть двух- четырех- и шестиходовыми по трубному пространству.

Достоинствами кожухотрубных теплообменников являются:

1.компактность;

2.небольшой расход метала;

3.легкость очистки труб изнутри.

Недостатки:

1.трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями;

2.трудность очистки межтрубного пространства;

3.трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

Кожухотрубные теплообменники могут использоваться как для нагрева, так и для охлаждения.

В качестве греющего агента в теплообменниках часто используется насыщенный водяной пар, имеющий целый ряд достоинств:

1.высокий коэффициент теплоотдачи;

2.большое количество тепла, выделяемое при конденсации пара;

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

4.легкое регулирование обогрева.

Целью данного курсового проекта является расчёт и выбор стандартного кожухотрубного испарителя. Холодный теплоносителем является уксусная кислота, горячим - анилин. Так как уксусная кислота является агрессивным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей целесообразно выбрать нержавеющую сталь 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632 - 72), которая используются для изготовления деталей химической аппаратуры работающей в агрессивных средах при температурах до 600 єС.

1. Тепловой расчет

1.1 Определение поверхности стандартного теплообменного аппарата

Для определения поверхности стандартного теплообменного аппарата используем основное уравнение теплопередачи:

где,

Q - тепловая нагрузка аппарата, кВт;

К - коэффициент теплопередачи, Вт/м²·К;

- средний температурный напор.

Для нахождения теплофизических свойств, рассчитываем среднею температуру для веществ, исходя из начальных и конечных температур горячего теплоносителя (анилина) и холодного теплоносителя (уксусной кислоты).

Давление составляет 0,2 МПа.; G₁ = 20000 кг/ч = 5,6 кг/с

t_1н = 30^оС- начальная температура холодного теплоносителя (уксусн. к-ты);

t_1к =118^оС- конечная температура холодного теплоносителя (уксусн. к-ты).

горячего теплоносителя (анилина);

t_2н = 90^оС- начальная температура горячего теплоносителя (анилина);

t_2к = 140^оС- конечная температура горячего теплоносителя (анилина);

Составляем схему изменения температур в теплообменнике:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. Схема изменения температур в теплообменнике

1.2 Средняя разность температур

Для процесса нагревания

30 ⁰С 118 ⁰С

90 ⁰С 140⁰С

t_б = 60⁰С t_м =22⁰С

Среднюю разность температур рассчитаем по формулам:

Средняя температура в теплообменном аппарате составит:

так как t_б/t_м = 60/22 = 2,7 > 2 то средняя разность температур:



Средняя температура уксусной кислоты:

Средняя температура анилина:

Зная средние температуры систем, находим физические величины для искомых веществ, при данных температурах:

Физические величины	Уксусная Кислота (74?)	Анилин (115?)
Плотность , кг/м3	983,5	932,8
Теплоёмкость С, Дж/кг·К	2470	2510
Динамическая вязкость , Па·с	0,000453	0,000590
Коэффициент теплопроводности , Вт/м·К	0,162	0,163

1.3 Расчёт тепловой нагрузки аппарата

Так как в заданном нам процессе происходит изменение агрегатного состояние вещества, то тепловая нагрузка находится по формуле:

Q₁= G₁(i-c₁*t_1к)=5,6*(925575-2470*118)=3546418,4 Вт.

где, i-- энтальпия образовавшегося пара равная

i=t_кип*c=143,5*6450= 925575 (T^о при 0,2 МПа)

Удельная теплоемкость пара уксусной кислоты при постоянном давлении 6,45 кДж/кг*град.

с₁- теплоемкость уксусной кислоты Дж/(кгК),

G₁- массовый расход уксусной кислоты кг/ч.

Определяем массовый расход анилина:

Q = Q₁ = Q₂

G₂c₂(t_2к - t_2н)= G₁c₁(t_1н - t_1к)

G₂= G₁c₁(t_1н - t_1к)/c₂(t_2к - t_2н)

G₂ = Q₁/ c₂(t_2к - t_2н)= 3546418,4/2510*(140-90)= 28,3кг/с.

1.4 Расчет ориентировочной поверхности теплообмена

Целесообразно агрессивные и химически активные жидкости пускать в трубное пространство кожухотрубных теплообменников, в то время как не агрессивные жидкости - в межтрубное.

Руководствуясь данным требованием, анилин проходит в межтрубном пространстве, а уксусная кислота движется по трубам.

Для наилучшего теплообмена между горячим и холодным теплоносителями принимаем ориентировочное значение критерия Рейнольдса (Re_ор) 15000, соответствующее развитому турбулентному режиму движения.

где,

µ₁ - вязкость уксусной кислоты;

d_вн - внутренний диаметр труб. Табличная величина труб теплообменников, принимаем равным 21 мм (для испарителей).

Принимаем также ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, от жидкости к жидкости (К_ор), 300 Вт/м²•К.

Для определения поверхности стандартного теплообменного аппарата используем основное уравнение теплопередачи:

F_орн= Q/K = 3546418,4 / 300 *41= 288,3 м²;

1.5 Выбор основных конструктивных размеров аппарата

В связи с тем, что ориентировочная поверхность теплообменного аппарата получается очень большая, мы берем испаритель кожухотрубный в количестве 2 шт. и делим поверхность пополам. Следовательно, F = 144,15м². Также мы делим пополам все параметры, из чего следует, что G₁= 2,8кг/с, G₂=14,15кг/с, Q = 1773209,2 Вт.

В кожухотрубных испарителях в трубном пространстве кипит жидкость ( уксусная кислота), а в межтрубном течет теплоноситель (анилин). Согласно ГОСТ 15119-79 эти теплообменники могут быть только вертикальными, одноходовыми с трубками диаметром 25x2 мм.

Выбираем теплообменник с близкой рассчитанной площадью:

Диаметр кожуха (D)=800мм= 0,8 м

Наружный диаметр труб (d_н )=25 мм = 0,025 м

Толщина стенки = 2 мм = 0,002 м

Число ходов (Z) = 1

Общее число труб = 465

Длина труб (l)= 4 м

Внутренний диаметр труб (d_вн)= 0,021 м

F=146 м²



1.6 Уточнённый расчёт теплообменного аппарата

Расчёт уточнённого критерия Рейнольдса (Re₁)

Уточняем критерий Re:

Режим движения анилина в трубном пространстве - переходный.

1.7 Определения коэффициента теплоотдачи для уксусной кислоты

₁ = Nu₁₁/d_вн,

где,

₁ - теплопроводность уксусной кислоты;

Nu₁ - критерий Нуссельта.

Режим движения - переходный, в этом случае критерий Нуссельта рассчитывается по формуле:

Nu₁ = 0,008Re₁^0,9Pr₁^0,43

Критерий Прандтля рассчитываем по формуле:

6,9

Nu₁ = 0,008^0,96,9^0,43 = 56,4

₁ = 56,4/0,021= 435,09 Вт/м²К



1.8 Определения коэффициента теплоотдачи для анилина

₂ = (Nu₂₂)/d_э

Расчет критерия Рейнольдса для межтрубного пространства

Определяем скорость движения анилина при средней температуре (t_ср):

где,

D - внутренний диаметр аппарата, м;

d - наружный диаметр труб, м;

₂ - плотность анилина, кг/м³.

Эквивалентный диаметр трубы рассчитываются:

Критерий Прандтля рассчитываем по формуле:

где,

с₂ - теплоемкость анилина, Дж/кгК.

₂ - вязкость анилина, Пас;

₂ - теплопроводность анилина, Вт/(мК).

Режим движения воды в межтрубном пространстве - турбулентный (Re₂ >10000), в этом случае критерий Нуссельта рассчитывается по формуле:

Nu₂ = 0,24Re₂^0,6Pr₂^0,36 = 0,24·^0,60,36 = 324,68

1.9 Расчёт теплового сопротивления стенки

где,

_ст = 0,002 м - толщина стенки трубки;

_ст = 17,5 Вт/мК - теплопроводность нержавеющей стали;

r₁=r₂=1/5800 мК/Вт-тепловое сопротивление загрязнений стенок;

(/) = 0,002/17,5 + 1/5800 = 2,8610^-4 мК/Вт.

стандартный кожухотрубный испаритель расчёт

1.10 Расчёт коэффициента теплопередачи

K = 1/(1/₁+(/)+1/₂) =

1/(1/ 435,08+2,8610^-4+1/2116,9) = 328,29 Вт/м²К



Средний температурный напор, при противотоке, определяется по формуле:

1.11 Расчёт поверхности теплообмена

F = Q/KT_ср = 3546418,4/328,29 = 285,03м²

Т.к. поверхность теплообмена большая, мы берем 2 теплообменных аппарата, для этого F делим пополам: 285,03/2= 142,5 м².

Для выполнения условия:

Устанавливаем 2 выбранных стандартных аппарата. Общая поверхность теплообмена (F_ст) составляет 146 м².

Запас поверхности составляет:

Масса теплообменника составит: 3720 кг.



2. Гидравлический расчет

Задачей гидравлического расчета является определение гидравлического сопротивления и выбор насоса для подачи жидкого теплоносителя (уксусной кислоты, анилина).

2.1 Расчет гидравлического сопротивления трубопроводов

Скорость уксусной кислоты в трубах:

Расчёт коэффициента трения для трубного пространства.

,

где,

е = /d_вн = 0,2/ = 9,5 - относительная шероховатость,

= 0,2 мм - абсолютная шероховатость.

= 0,25{lg [(9,5/3,7)+(6,81/)^0,9]}^-2 =1,49.

2.2 Расчёт скорости кислоты в штуцерах

_шт = G₁/(0,785d_шт²₁)



где,

d_шт =- диаметр стандартного штуцера для уксусной кислоты. См. конструктивный расчёт.

_шт = 2,8/(0,7850,2²983,5) = 0,09 м/с

2.3 Расчёт гидравлического сопротивления трубного пространства

2.5 Расчёт скорость анилина в штуцерах

= 0,25{lg [(8/3,7)+(6,81/)^0,9]}^-2 =2,23.

_{шт.анил.} = G _анил /(0,785d_шт² _анил)

где,d_шт - диаметр стандартного штуцера для воды. См. конструктивный расчёт.

_{шт.анил.} = 14,15/(0,7850,5²932,8) =0,077 м/с



3. Конструктивный расчет

3.1 Расчёт толщины обечайки

= DP/2 +C_к,

где,

D = 0,8 м - внутренний диаметр аппарата;

P = 0,2 МПа - давление в аппарате;

= 145 МН/м² - допускаемое напряжение для стали;

= 0,8 - коэффициент ослабления из-за сварного шва;

C_к = 0,001 м - поправка на коррозию.

= 0,80,2/21450,8 + 0,001 = 0,002 м

Согласно рекомендациям теплообменник работающий при давлении 0,2 МПа стандартная толщина обечайки (_ст) принимается 6 мм.

В химическом машиностроении используется эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 - 78 толщина стенки днища ₁ = =6мм.

3.2 Расчёт диаметров штуцеров

где,

G - массовый расход теплоносителя,

- плотность теплоносителя,

w - скорость движения теплоносителя в штуцере.

Скорость движения теплоносителя (уксусной кислоты) в штуцере:

Диаметр штуцера для уксусной кислоты:

Принимаем наиболее подходящий стандартный размер штуцера, исходя из расчётного диаметра. d_укс.ст. = 500 мм.

Скорость движения теплоносителя (анилина) в штуцере:

Диаметр штуцера для анилина:

Принимаем наиболее подходящий стандартный размер штуцера, исходя из расчётного диаметра. d_{анил.ст.} = 200 мм.



3.3 Расчёт максимальной массы аппарата

Вертикальные аппараты, устанавливаемые в помещении, монтируются на подвесных лапах или на стойках. Мы выбираем подвесные лапы, для расчета их нагрузки нужно рассчитать максимальный вес аппарата.

P_max = G_a+G_в

где,

G_a = 3720 кг - стандартная масса выбранного аппарата;

G_в - масса анилина заполняющего аппарат.

P_max =3720+188 = 3908 кг

Нагрузка на одну опору рассчитывается по соотношению:

где, е = расстояние от стенки аппарата до лапы;

₁=1_{, 2}=1- коэффициенты; М - момент (можно принять равным 0).

3.4 Расчет тепловой изоляции

Принимаем температуру наружной поверхности стенки t_ст.в = 40 С, температуру окружающего воздуха t_в = 20 С, тогда толщина стекловолокнистой изоляции:

,

где,

_из = 0,09 Вт/мК - коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала

_в - коэффициент теплоотдачи от наружной стенки корпуса в окружающую среду.

_в = 8,4+0,06t_в = 8,4+0,0620 = 9,6 Вт/м²К,

где t_в = (t_ст.в-t_в) = (40 -20) = 20 С.

Принимаем стандартную толщину тепловой изоляции 40 мм.

4. Поверочный расчет

Поверочный расчет испарителя с известной поверхностью теплопередачи заключается в определении конечной температуры (уточненной) горячего ( t_2к=140?С) и холодного теплоносителей (118?С).

Эффективность теплопередачи отнесённое к максимальному температурному перепаду, для бензола и воды определяется по формулам

;

Число единиц переноса для анилина и уксусной кислоты определяется по формулам:

;

Тогда эффективность теплопередачи в пересчёте на стандартный теплообменник, при противотоке имеет вид:

;

0,87

Таким образом, исходя из эффективности теплопередачи, для уксусной кислоты и анилина рассчитываем реальные конечные температуры для теплоносителя и хладагента по формулам:

Т.к. полученный теплообменник - испаритель взят в количестве 2 шт, то полученные значения температур необходимо увеличить в 2 раза, из чего следует, что полученная погрешность температур 5-15)⁰ , что должно соответствовать требованиям. Расчет верен.



Заключение

В данном курсовом проекте был рассчитан кожухотрубный теплообменник- испаритель. А также выбрана марка стали - нержавеющая сталь 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632 - 72) для высокой прочности аппарата. Были определены его конструктивные параметры (диаметр аппарата 800 м; количество труб в аппарате 465 шт; диаметр внутренних труб 0,021 мм; длина труб 4,0 м; площадь поверхности 146 м²; число ходов 2; масса аппарата 3720кг. Также был рассчитан тепловой баланс (коэффициент теплопередачи К = 328,29 Вт/(м²К)), гидравлический расчет для уксусной кислоты и анилина. Рассчитан поверочный расчет и конструктивный (выбор штуцеров, опоры). В приложении представлены чертеж технологической схемы и сборочный чертеж аппарата.



Список литературы

1. Дытнерский. Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть вторая. - М.: Химия, 1995г. - 368с.

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

3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - 10-е изд., доп. и перераб. -Л.: Химия, 1987. - 576с.

4. Касаткин А.Г. Основные процесс и аппараты химической технологии. - изд. 7-е. - М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1961. - 830с.

5. Тимонин А. С., Основы конструирования и расчёта химико-технологического и природоохранного оборудования. Справочник в 2 томах, - Издательство Н. Бочкорёвой. - Калуга, 2002. - 1016с.

6. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - изд. 2-е., доп. и перераб. - М.: Химия, 1972. - 720с.

Размещено на Allbest.ru

...