Эксплуатация теплообменного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Саратовский Государственный Университет им. Н.Г. Чернышевского

Кафедра нефтехимии и техногенной безопасности

Расчетно-пояснительная записка

к курсовому проекту по курсу «Процессы и аппараты химической технологии»

на тему: теплообменный аппарат

Усова Дарья Вячеславовна



Задание на проектирование

Задание на курсовой проект

по курсу «Процессы и аппараты химической технологии»

студентки гр. 331 Усовой Дарьи Вячеславовны

1.Разработать проект: «Теплообменный аппарат»

2. Исходные данные:

Теплоноситель

целевой этилацетат

обеспечивающий вода

Назначение аппарата холодильник

Расход целевого теплоносителя 20кг/ч

Температура целевого теплоносителя

начальная 77

конечная 32

Давление (абс.) целевого теплоносителя

на входе в аппарат 0,1МПА

Допустимая потеря давления в аппарате

для целевого теплоносителя Р 0.015МПА

3.Дополнительные задания и указания:

Определить тепловую мощность теплообменника при другом размещении теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах, отличном от первоначально принятого.



Введение

В большинстве процессов нефтеперерабатывающей промышленности используется нагрев исходного сырья, а также применяемых при его переработке растворителей, реагентов, катализаторов и др. Полученные в результате того или иного технологического процесса целевые продукты или полуфабрикаты обычно требуется охлаждать до температуры, при которой возможны их хранение и транспортировка.

На современном нефтеперерабатывающем заводе на изготовление аппаратов, предназначенных для нагрева и охлаждения, затрачивается до 30% общего расхода металла на все технологические установки. Высокая эффективность работы подобных аппаратов позволяет сократить расход топлива и электроэнергии, затрачиваемой на тот или иной технологический процесс, и оказывает существенное влияние на его технико-экономические показатели. Поэтому изучению устройства и работы этих аппаратов, а также освоению методов их расчета необходимо уделять особое внимание.

В аппаратах, где идет нагрев или охлаждение, происходит теплообмен между потоками, при этом один из них нагревается, другой охлаждается. Поэтому их называют теплообменными аппаратами.

Теплоноситель -- жидкое или газообразное вещество, применяемое для передачи тепловой энергии. На практике чаще всего применяют воду (в виде газа или жидкости), глицерин, нефтяные масла, расплавы металлов (Sn, Pb, Na, К), воздух, азот (в том числе жидкий), фреоны (в случае использования фазовых переходов обычно называют хладагентами) и др.

Теплообменный аппарат-- устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя теплоносителями, имеющими различные температуры.

Классификация теплообменных аппаратов

Применительно к нефтеперерабатывающей промышленности, теплообменные аппараты классифицируются по таким основным признакам: по способу передачи тепла и назначению.

В зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на следующие группы.

Поверхностные теплообменные аппараты, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами осуществляется через поверхность, разделяющую эти среды.

Аппараты смешения, в которых один поток нагревается за счет использования тепла другого, получаемого в процессе и подлежащего охлаждению.

В зависимости от назначения аппараты делятся на следующие группы.

Нагреватели ,испарители, кипятильники, в которых нагрев или нагрев и частичное испарение осуществляется за счет использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов и специальных теплоносителей( водяной пар, пары даутерма).

Холодильники и конденсаторы, предназначенные для охлаждения жидкого потока или конденсации и охлаждения агента (вода, воздух, пропан). Охлаждение и конденсация в этих аппаратах являются целевыми процессами, а нагрев охлаждающего агента- побочным.

Кристаллизаторы, предназначенные для охлаждения соответствующих жидких потоков, сопровождающегося выделением кристаллов вещества.

Кожухотрубчатые теплообменники

Широкое распространение получили кожухотрубные теплообменники. Данные аппараты применяются для осуществления теплообмена потокам веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях:

пар-жидкость;

жидкость-жидкость;

газ-газ;

газ-жидкость.

Классическая схема кожухотрубчатого теплообменника показана на рисунке

Конструкция аппарата включает пучок труб, который располагается внутри цилиндрического корпуса. Корпус кожухотрубного аппарата чаще всего сварен из листовой стали, реже изготовлен методом литья.

Трубки подгоняются к двум трубным решеткам посредством вальцевания или сварки. Способ подгонки зависит от типа конструкционного материала. Длина труб, как правило, составляет 2-7 метром. Трубки, составляющие пучок, располагаются в шахматном порядке, по вершинам равностороннего треугольника. Теплообменники данного типа оснащается двумя крышками со штуцерами. Крышки являются съемными и предназначены для входа и выхода теплоносителей, который течет по трубам. Межтрубное и трубное пространство разделяются. Второй теплоноситель находится в межтрубном пространстве, которое также имеет входной и выходной штуцеры. Для удобства очистки, по трубам течет вещество, которое содержит твердые включения. Вещество находится под воздействием высокого давления и обладает агрессивным свойствами, что способствует предохранению труб от коррозии. Коэффициент теплоотдачи со стороны межтрубного пространства является более низким, т.к. площадь проходного сечения межтрубного пространства значительно больше общего суммарного сечения труб. При этом, объемные расходы теплоносителей одинаковы. Чтобы устранить описанное явление, увеличивают скорость движения теплоносителя посредством размещения различных перегородок в межтрубном пространстве. Кожухотрубные теплообменники могут располагаться в вертикальном или горизонтальном положении в зависимости от местных условий. Такие аппараты могут соединяться последовательно, если есть необходимость удлинить пути теплоносителей. Параллельное соединение используется в случаях, если размещение необходимого числа труб в одном корпусе невозможно.

Многоходовые теплообменные аппараты используются с целью увеличения скорости и интенсификации теплового обмена посредством удлинения теплоносителей.

Цель курсового проекта состоит в выполнении определенных расчетов, исходя их которых, необходимо подобрать стандартный теплообменный аппарат для охлаждения целевого теплоносителя - этилацетата.

Расчет теплообменных аппаратов

Основные условные обозначения

с - удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг*К)

D - диаметр кожуха, м;

- внутренний диаметр теплообменных труб, м;

- внешний диаметр труб,м;

F- поверхность теплопередачи, ;

G - массовый расход теплоносителя, кг/с;

g- ускорение свободного падения, м/;

K -коэффициент теплопередачи, Вт/(;

L- длина теплообменных труб, м;

M- масса,кг;

n- число труб, число параллельных потоков;

р- давление, Па;

p- гидравлическое сопротивление, Па;

Q- тепловая нагрузка, Вт;

q- удельная тепловая нагрузка, Вт/;

- термическое сопротивление слоя загрязнений, ;

S- площадь поперечного сечения потока, ;

t- температура, ;

r- удельная массовая теплота конденсации, Дж/кг;

z- число ходов в теплообменниках;

- динамический коэффициент вязкости, Па*с;

-поверхностное натяжение, Н/м;

-коэффициент теплоотдачи, Вт/;

- коэффициент объемного расширения,;

-толщина стенки, м;

- плотность, кг/;

-коэффициент полезного действия;

- коэффициент теплопроводности, Вт /(мК);

-коэффициент местного сопротивления;

-кинематический коэффициент вязкости,

Re=-критерий Рейнольдса;

Nu=l/ - критерий Нуссельта;

Pr= -критерий Прандтля;

Gr=(g/ )/ -критерий Грасгофа.

Индексы: н- начальное значение параметра, к- конечное значение параметра,

ст- стенка, тр- трубное пространство, мтр - межтрубное пространство.

В начале расчета зададим начальную температуру для обеспечивающего теплоносителя =20.Конечная температура для обеспечивающего теплоносителя =32.

Определим наибольшую и наименьшую разность температур теплоносителей у концов теплообменного аппарата.

=77-32=45

Так как вода имеет меньшее изменение температуры в теплообменном аппарате, чем этилацетат, то среднюю температуру воды рассчитываем как среднеарифметическое температур входа в аппарат и выходы из него:

=0,5(32+20)=26.

Определим значение средней разности температур для противотока. Для этого вычислим отношение к

==3,75.

Поскольку отношение , то вычислим по формуле для среднеарифметической разности температур:

24,97

Определим среднюю температуру целевого теплоносителя этилацетата:

= +;

=26+25=51

По данным из источника теплоемкость воды при 26

составляет 4184,6 Дж/кгК. По данным источника теплоемкость этилацетата при температуре 51 составляет 2031,7 Дж/кгК.

Теплообмен идет без изменения агрегатного состояния теплоносителей. Определим значение тепловой нагрузки Q, то есть количества тепла, которое отдает этилацетат.

Q= (),

где - массовый расход этилацетата, кг/c ( по условию 20 );

Q=5,562095(77-32)=524170 Вт.

Используя уравнение теплового баланса, вычислим расход обеспечивающего теплоносителя:

()= ();

==10,44 кг/с

Используя данные из источника ,примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи

Кпр= 410 Вт/(. При этом значении коэффициента, ориентировочное значение площади поверхности теплопередачи в теплообменнике:

= ;

==51,2.

Для обеспечения эффективного теплообмена целесообразно выбрать теплообменный аппарат с развитым турбулентным течением теплоносителя, то есть число Рейнольдса должно быть Re10000. Этилацетат направим в трубное пространство, а воду в межтрубное. Возьмем значение Re=10000, вычислим число труб n, приходящихся на один ход Z:

=;

Для труб диаметром 20x2 мм, имеем:

= =137;

Для труб диаметром 25х2мм, имеем:

==104.

Из источника следует, что найденным параметрам и , соответствует теплообменник со следующими характеристиками:

площадь поверхности теплообмена F , 57

диаметр кожуха D, мм 600

диаметр труб d,мм 25 х 2

число ходов Z 2

общее число труб n, шт. 240

длина труб L, м 3

площадь сечения одного хода по трубам , 0,042

площадь сечения потока между перегородками, 0,045

В ссылке указано, что холодильники диаметром 325 мм и более могут быть только с числом ходов 2, 4,6. Средняя движущая сила в многоходовых теплообменниках меньше, чем в одноходовых. Это следствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей. Так как для выбранного теплообменного аппарата Z>1, то необходимо уточнить величину средней разности температур tср.

=,

где - поправка на сложные схемы тока теплоносителей.

Для вычисления поправки нужно найти следующие параметры:

Р= ;

R= ;

Р== 0,79;

R==0,27;

Так как R, то:

= ,

где з=;

=;

з ==1,035;

==0,556;

==0,804;

.

Уточним среднюю температуру этилацетата:

=26+20,1=46,1.

Уточним площадь поверхности теплопередачи:

= ;

==63,6 .

Площадь поверхности изменилась, поэтому подбираем другой теплообменник. Его конструктивные характеристики:

площадь поверхности теплообмена F , 78

диаметр кожуха D, мм 800

диаметр труб d,мм 20 х 2

число ходов Z 6

общее число труб n, шт. 618

длина труб L, м 2

площадь сечения одного хода по трубам, 0,02

площадь сечения потока между перегородками, 0,07

Для дальнейших расчетов необходимо знать физические свойства теплоносителей, а именно: теплоемкость, динамический коэффициент вязкости, плотность, теплопроводность.

Физические свойства, характеризующие процессы переноса, в интервале давлений от 0,05 до 1,8 МПа слабо зависят от давления, что позволяет определять физические характеристики для любых значений давлений в названном интервале по номограммам и таблицам, приведенным в литературе для P= 1Па. Используя данные из источников

нашли физические характеристики. Они приведены ниже.

Параметр Этилацетат Вода

Средняя температура t, 46,1 26

Теплопроводность , Вт/м 0,1416 0,6104

Теплоемкость с, Дж/ 2074,05 4184,6

Динамический коэффициент вязкости 0,000339 0,000872

Число Прандтля Pr 4,96 6

Плотность 893,3 997

Проведем уточненный расчет для выбранного теплообменника.

Для целевого теплоносителя (этилацетата) определим критерий Рейнольдса:

=;

==13126,8

Так как число Re>10000( турбулентный режим), то критерий Нуссельта рассчитываем по формуле:

=0,023,

где критерий Прандтля, рассчитанный при температуре стенки.

Рассчитаем приблизительную температуру пристенного слоя:

;

Ниже приведены необходимые для дальнейших расчетов характеристики теплоносителей при температуре пристенного слоя

Параметр Этилацетат Вода

Средняя температура t, 35,6 35,6

Теплопроводность , Вт/м 0,1406 0,627

Теплоемкость с, Дж/ 2053,6 4180

Динамический коэффициент вязкости 0,00038 0,000726

Число Прандтля Pr 5,5 4,8

Критерий Нуссельта для этилацетата равен:

=0,023=83,4

Коэффициент теплоотдачи для этилацетата:

;

=732.

Рассчитаем критерий Рейнольдса для обеспечивающего теплоносителя(воды):

=;

==4131;

При движении теплоносителя в межтрубном пространстве, при значении Re>1000, применяют формулу :

=0,24;

=0,24(.

Коэффициент теплоотдачи для воды составляет:

;

2225,8 /.

На основании данныхпринимаем величину термического сопротивления слоя загрязнений стенок со стороны этилацетата

=0,00017 , со стороны воды =0,00034

В качестве материала кожуха, труб распределительных камер выбираем легированную сталь аустенитного класса 12Х18Н10Т. Толщину стенки труб ст принимаем равной 0,002м.

Чтобы определить коэффициент теплопередачи, нужно найти термическое сопротивление стенки :

= + +,

где - толщина стенки теплопроводящей поверхности, -коэффициент теплопроводности стали 12Х18Н10Т при 35,6 составляет 39

.

К;

К = 430 .

Проведем уточненный расчет коэффициента теплопередачи. Для этого определим удельную тепловую нагрузку:

q?=K?;

q?=430.

Найдем значения температур стенок -;

;;

=26+=30.

Ниже приведены важные характеристики теплоносителей при температуре стенки

Параметр Этилацетат Вода

Температура стенки 34 30

Теплопроводность , Вт/м 0,1411 0,618

Теплоемкость с, Дж/ 2045 4180

Динамический коэффициент вязкости 0,0004 0,000804

Число Прандтля Pr 5,8 5,44

Вычислим коэффициенты теплоотдачи с учетом поправки:

;

;

=723,3;

=2225,8=2162,84.

Определим коэффициент теплопередачи К по формуле:

К =425 .

Вычислим погрешность коэффициентов теплопередачи:

=1,3;

=2,9.

теплообменный нагреватель изоляция

Больше уточнение коэффициентов теплопередачи, коэффициентов теплопередачи, удельной тепловой нагрузки и других характеристик не требуется, так как погрешность между значениями коэффициентов теплопередачи не превышает 5%.

Определим требуемую площадь поверхности теплопередачи:

= ;

==60,5.

Так как Fпр Fтрб ( 63,6, то выбранный ранее теплообменник подходит для заданных условий работы.

Запас площади поверхности теплопередачи составляет:

,

=22,5%

Гидравлический расчет

Для выбранного стандартного теплообменника проведем расчет гидравлического сопротивления течению целевого теплоносителя (этилацетата).Для расчета гидравлического сопротивления в трубах предварительно найдем некоторые параметры.

Определим скорость движения этилацетата в трубах:

=м/с;

==0,32 м/с.

Вычислим коэффициент гидравлического трения для турбулентного течения в круглых трубах:

=0,11,

Где - абсолютная величина шероховатости для труб с незначительной коррозией,

??=0,110,0385

Из источника диаметр условного прохода штуцера

lля трубного пространства теплообменного аппарата с диаметром 800 мм с числом ходов по трубам 6 составляет 0,15м .

Определим скорость воды в штуцерах:

=;

==0,36

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве рассчитаем по формуле:

=+Z,

где Z -число ходов в теплообменнике;-потери давления при выходе потока из штуцера в распределительную камеру; -потери давления на входе потока из распределительной камеры в трубы теплообменника;

тр- потери давления на трение среды в трубах; -потери давления при выходе потока из труб;-потери давления при входе потока в штуцер теплообменника. Ниже приведены формулы для вычисления потерь давления местных сопротивлений.

Вид потерь давления Формула

1

1

1

1

тр

(L-длина трубы теплообменного аппарата, м).

Коэффициенты местных сопротивлений определяются видом сопротивления. Ниже приведены значения местных сопротивлени.

Вид местного сопротивления

Вход в распределительную камеру 1,0

Вход в трубы 1,0

Выход из труб 1,5

Выход из распределительной камеры 0,5

56,3;

==44,46;

=66,7;

28,13.

Вычислим потери давления на трение в трубах теплообменника:

тр=0,0385=214.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление в трубном пространстве по формуле:

=56,3+6(44,46+66,7+214)+28,13=2035Па.

По условию допустимая потеря давлений в аппарате для целевого теплоносителя не должна превышать 15000Па. Рассчитанное гидравлическое сопротивление составило, это меньше допустимого значения. Это доказывает, что выбранный ранее теплообменный аппарат соответствует заданным условиям.

Механический расчет

Используемые теплоносители ( вода и этилацетат) агрессивны, поэтому теплообменник выполнен из легированной стали. Конструктивные размеры выбранного аппарата:

площадь поверхности теплообмена F , 78

диаметр кожуха D, мм 800

диаметр труб d,мм 20 х 2

число ходов Z 6

общее число труб n, шт. 618

длина труб L, м 2,0

площадь сечения одного хода по трубам, 0,02

площадь сечения потока между перегородками, 0,07

толщина стенки труб ,м 0,002

толщина стенки корпуса м 0,005

Определим площадь сечения труб Sт:

=;

=3,14(0,02-0,002)0,002.

Определим площадь сечения кожуха:

=;

=3,14(0,8+0,005)

Вычислим усилия, обусловленные температурами деформации в теплообменнике (трубы одинаковые из одинакового материала):

+Р?= -Р?к=,

где - коээфициент температурного линейного расширения для легированной стали, равен 15,1;

Е-модуль нормальной упругости стали, равен 2,15Па (для коррозионно-стойких сталей)- температура стенки кожуха, равная средней температуре воды 26 -температура стенки теплопередающих труб, принята наибольшей из рассчитанных в тепловом расчета значений 34

+Р?= -Р?к==277285,8н.

Общее растягивающее усилие от действия давлений теплоносителей можно рассчитать по формуле:

= + = ,

где -давление теплоносителя в межтрубном пространстве, равное 2;

Па.

= +=0,785(=740889,3Н.

Определим растягивающее усилие от действия давления, воспринимаемое трубами:

=,

==627872,3Н.

Вычислим растягивающее усилие от действия давления, воспринимаемое кожухом:

-;

=740889,3-627872,3=113017 Н.

Определим напряжение, возникающее в трубах:

=;

==12930830Па=12,9МПа.

Определим напряжение, возникающее в кожухе:

=;

==70117300Па=70МПа.

Определим нормативное допускаемое напряжение стали по формуле:

,

где

; , составляет 160 МПа.

=0,9160=144МПа.

Напряжение, возникающее в трубах и кожухе теплообменного аппарата меньше, чем нормативное допускаемое напряжение стали:

т<;.

<.

Вышеизложенные расчеты позволяют выбрать теплообменник типа Н с неподвижными решетками и без компенсатора температурных деформаций. Также следует дополнительно проверить надежность крепление труб в трубных решетках по формуле:

Примем толщину трубной решетки В, равной (т.е. В=0,02м), для левой части формулы, получаем:

=1,3МПа.

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

Расчет тепловой изоляции

В качестве материала однослойной теплоизоляции выбрали асбест хризотиловый. Определим толщину изоляционного слоя. Температура на поверхности изоляции не должна превышать 50. За температуру стенки кожуха теплообменного аппарата принимаем среднюю температуру обеспечивающего теплоносителя 26.Температура окружающего воздуха равна 20.По изоляции наносится асбестоцементная штукатурка.

Использовав данные ,нашли коэффициент теплоотдачи .Для перепада температур между поверхностью изоляции и окружающим воздухом. Если .

Коэффициент теплоотдачи составляет 7,7

Вычислим коэффициент теплопроводности листов асбеста хризотилового по формуле :

=0,074+0,00014,

где =0,5;

=0,074+0,00014..

Чтобы определить толщину изоляционного слоя, воспользуемся данными

:

=,

где - диаметр изоляционной конструкции, м.

Рассчитаем по формуле:

=,

где D -диаметр изолируемого кожуха, м;

-средняя температура обеспечивающего теплоносителя.

==0,02

Выражение имеет вид функции .

По для 0,02.

Находим х=1,02, то есть

=1,02.

1,02=0,816.

Толщина изоляционного слоя

==0,008=8мм.

Определим потерю теплоты через изоляцию для цилиндрической стенки длиной 2м:

,

где А-переводной множитель, равен 0,86 ; -число часов работы теплоизолированного объекта в год( примем );

-длина цилиндрической стенки.

Q==0,177 .

Годовые затраты составят:

П=,

где-стоимость тепловой энергии ;

-стоимость единицы количества теплоизоляции с учетом монтажа ; -срок службы изоляции(примем =8лет);

=;

- плотность изоляции,.

П=14000,177+=1674



Расчет и выбор вспомогательного оборудования

В курсовой работе в качестве теплоносителей используются жидкости (этилацетат и вода),поэтому в качестве вспомогательного оборудования нужно подобрать насос.

Насос должен перекачивать этилацетат при t=46,1.Расход этилацетата составляет 5,56 кг?с=0,006.Длина трубопровода на линии всасывания 12м,на линии нагнетания 20м, геометрическая высота подъема 10м. На линии нагнетания имеются: 2 отвода под углом 45 с радиусом поворота 2 диаметра трубы,2 нормальных вентиля. На линии всасывания имеются: 2 отвода под углом 90 Диаметр условного прохода равен 150мм, толщина стенок 2мм,имеем трубу 154x2мм.

Найдем фактическую скорость этилацетата в трубе:

, где объемный расход этилацетат,- внутренний диаметр трубопровода, м.

==0,343.

Найдем критерий Рейнольдса :

Re=, где - плотность этилацетата при температуре 46,1- динамический коэффициент вязкости

Re==135530,53.

Режим движения этилацетата в трубе- турбулентный, поэтому можем использовать формулу для определения коэффициента гидравлического трения:

=0,11, где -шероховатость трубы, 0,0002м;

=0,11=0,023.

Определим сумму коэффициентов сопротивления для всасывающей линии

:

вход в трубу с острым краем 0,5

вентиль нормальный 4,4

отвод под углом 90 0,18

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии:

??=;

??=0,5+2

Найдем потерю напора во всасывающей линии:

=;

==0,069м.

Определим сумму коэффициентов сопротивления для нагнетательной линии

:

Выход из трубы 1

вентиль нормальный 4,4

отвод под углом 45 0,09

Сумма коэффициентов местных сопротивлений для нагнетательной линии:

??=;

??=1+2

Найдем потерю напора во всасывающей линии:

=;

==0,078м.

Общие потери напора равны:

=;

=0,069+0,78=0,147м.

Определим потребный напор насоса:

Н=, где

Н=0,147=32,3м.

Определим мощность насоса:

=;

=1696,2.

Выполним расчет мощности двигателя:

N=, где - коэффициент полезного действия;-коэффициент полезного действия передачи. В центробежных насосах вал электродвигателя обычно непосредственно соединяется с валом насоса, поэтому примем

N==3392,4 Вт3,4кВт.

По выбираем центробежный насос. В ходе расчетов был выбран насос со следующими техническими характеристиками: Q=5,5, H=34,4 и . Насос обеспечен электродвигателем АО2-52-2 номинальной мощностью 13кВт, Q, H и =0,89.

Размещено на Allbest.ru

...