Одноходовые и многоходовые теплообменники

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра: Физика и технология материалов и компонентов электронной техники

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

РУКОВОДИТЕЛЬ

Епифанова В. С.

СТУДЕНТ

Опалева М.Ю.

2009 г

Задание на проектирование

Рассчитать теплообменник для охлаждения хлороформа от tн = 55ъС до

tк = 20ъС. Расход хлороформа 10 т/час. Охлаждение производится водой tн = 10ъС, tк = 20ъС.

Содержание

Введение

1. Расчет расхода теплоты и расхода воды

2. Ориентировочный выбор теплообменника

3. Расчет коэффициента теплоотдачи для хлороформа

4. Расчет коэффициента теплоотдачи для воды

5. Определение коэффициента теплопередачи

6. Определение расчетной площади поверхности теплообмена

7. Сопоставление расчетной площади поверхности теплообмена с площадью поверхности выбранного теплообменника

8. Составление схемы процесса теплопередачи

9. Расчёт гидравлического сопротивления

10. Расчет диаметров условного прохода штуцеров при щ = 1,5 м/с

11. Механические расчеты основных узлов и деталей химических аппаратов. Расчет толщины обечаек

Вывод

Список использованных источников

Введение

Процессы теплообмена имеют большое значение в химической, энергетической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. В теплообменных аппаратах теплопередача от одной среды к другой через разделяющую их стенку обусловлена рядом факторов и является сложным процессом, который принято разделять на три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. На практике эти явления не обособлены, находятся в каком-то сочетании и протекают одновременно.

Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагревающая среда, и отдающие тепло, принято называть нагревающими агентами, а теплоносители с более низкой температурой, чем среда, от которой они воспринимают тепло, - охлаждающими агентами.

В химической промышленности применяют теплообменные аппараты различных типов и конструкций. К числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников относятся кожухотрубчатые теплообменники.

В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся сред движется внутри труб ( в трубном пространстве ), а другая - в межтрубном пространстве. Однохододовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными или горизонтальными. Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. Горизонтальные теплообменники изготавливают 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.

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на. Исходная смесь из промежуточной емкости 9 центробежным насосом 10 подается в теплообменник 5, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 1 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси XF.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 2. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка Xw, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состав XP, которая получается в дефлегматоре 3 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Затем жидкость направляется в делитель флегмы 4. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 6, и направляется в сборник дистиллята 11 при помощи насоса 10.

Из кубовой части колонны насосом 10 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в холодильнике остатка 7 и направляется в емкость 8.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравномерный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовой остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

1. Расчет расхода теплоты и расхода воды

Принимаем для трубного пространства индекс «1» (для хлороформа), для межтрубного- «2» (для воды).

Находим среднюю температуру воды:

t2 = 0,5(10 + 30) = 20 ъС,

среднюю температуру хлороформа:

t1 = t2 + ? tср = 20 + 16,4 = 36,4 ъС,

где ? tср - средняя разность температур, равная при противотоке носителей 16,4 К

Температурная схема:

Средняя разность температур:

С учетом потерь холода в размере 5% расход теплоты:

Q = 1,05G1*c1*(t1k-t1н) = 1,05*2,78*988,84*(55-20) = 100952 Вт

c1 = 0,236 ккал/кг*0С = 988,84 Дж/кг*К

- удельная теплоемкость хлороформа при t1 = 36,4 ъС (рис. XI (2)).

Расход хлороформа:

G1 = 10000 т/час = 2,78 кг/с.

Расход воды:

, где c2 = 4,19*103 Дж/кг*К

- удельная теплоемкость воды при t2 = 20 ъС (табл. XXXIX (2))

G2 = 1,20 кг/с.

Объемные расходы воды и хлороформа:

V1 = G1/с1

V1 = 2,78/1450 = 0,0019 м3/с,

V2 = G2/с2

V2 = 1,20/998 = 0,0012 м3/с,

где с1 =1450 кг/м3 - плотность хлороформа при t1 = 36,4 0С

с2 =998 кг/м3 - плотность воды при t2 = 200С

2. Ориентировочный выбор теплообменника

Для этого определим ориентировочно значение площади поверхности теплообмена, полагая

Кор = 250 Вт/м2*К

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей.

В теплообменных трубах Ш 25Ч2 мм холодильников по ГОСТ 15120-79 скорость течения хлороформа при Re1 > 10000 должна быть более:

,

где м1 = 0,5*10-3 Па*с - вязкость хлороформа при

Проходное сечение трубного пространства при этом должно быть менее:

S`1 = V1/щ1 = 0,0019/0,16 = 1,19*10-2 м3

Число параллельно работающих труб Ш25 х 2 мм объёмный расход при Re1 = 10 000:

Проверим возможность и целесообразность применения многоходового аппарата, вычислив среднюю разность температур, воспользовавшись соотношением (4.80(2)).

?tcp = е?t* ?tпр, где е?t - поправочный коэффициент к средней разности температур ?tпр, вычисленной для противотока, е = f(P,R).

P = (t2k - t2н)/( t1н - t2н),

P = (30 - 10)/( 55 - 10) = 0,44,

R = (t1н - t1к)/( t2к - t2н),

R = (55 - 20)/( 30 - 10) = 1,75.

?tcp = 0,85*16,4 = 13,9 0С

Применение многоходового аппарата будет сопровождаться небольшим снижением ?tcp (с 16,4 до 13,9К, т.е. в 1,2 раза). Следовательно применим многоходовой аппарат. теплообменник хлороформ штуцер деталь

Условию n < 34,5 и F < 24 м2 удовлетворяет (табл. 4.12 (2)) двухходовой теплообменник диаметром 325 мм с числом труб на один ход трубного пространства n = 28 (общее число труб 56).

3. Расчет коэффициента теплоотдачи для хлороформа

Скорость и критерий Рейнольдса для хлороформа:

щ1 = V1/S1 = 0,0019/(1*10-2) = 0,19 м/с

Re1 = , где м1 и с1 взяты при средней температуре хлороформа

t1 = t2 + ? tср = 20 + 13,9 = 33,9 ъС

Для теплового расчета примем tст1 = 30 ъС, tст2 = 25 ъС из условия, что

t1 > tст1 > tст2 > t2.

Коэффициент теплоотдачи для хлороформа рассчитываем по формуле.

Nu = 0,021*еl*Re0,8*Pr0,43*(Pr/Prст)0,25

Критерий Прандтля для хлороформа при 33,9 ъС:

Pr1 = c1м1/л1 = 900,85*0,52*10-3/0,135 = 3,47,

где л1 = 0,135 Вт/(м*К)

- коэффициент теплопроводности хлороформа (табл.ХХХ (2)), c1 = 0,215 ккал/(кг* ъС) = 900,85 Дж/(кг*К) (рис.ХI (2)).

Критерий Прандтля для хлороформа при tст1 = 30 ъС:

Prст1 = (c1м1/л1)tст1= 879,9*0,54*10-3/0,136 = 3,49,

Nu1 = 0,021*1*123210,8*3,470,43*(3,47/3,49)0,25 = 66,79

б1 = Nu1* л1/d1 = 66,79*0,135/0,021 = 429,4 Вт/(м2*К).

4. Расчет коэффициента теплоотдачи для воды

Скорость и критерий Рейнольдса для хлороформа:

щ2 = V2/S2 = 0,0012/(1,5*10-2) = 0,08 м/с

Re2 = , где м2 и с2 взяты при средней температуре воды

t2 = 0,5(10 + 30) = 20 ъС

Находим ориентировочное значение (Gr2Pr2).

При расчете теплоотдачи в случае Re < 10000, определяющая температура

t = 0,5*(tст2 + t2).

t = 0,5*(25 + 20) = 22,5 ъС,

в этом случае

?t2 = 25 - 20 = 5 ъС.

(Gr2Pr2) =*Pr2, Pr2 = 6,5

(Gr2Pr2) = *6,5 = 1,13*105

(Gr2Pr2) = 1,13*105 < 8*105,

Nu2 = 6,3*Pr20,43*(Pr2/Prст2)0,25

Nu2 = 6,3* 6,50,43*(6,5/6,1)0,25 = 14,3

б2 = Nu2* л2/d2 = 14,3*60,2*10-2/0,025 = 344 Вт/(м2*К).

5. Определение коэффициента теплопередачи

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны хлороформа, со стороны воды (табл. XXXI).

Коэффициент теплопроводности стали (табл. XXVIII).

Коэффициент теплопередачи равен:

Поверхностная плотность теплового потока равна:

q = K*?tcp

q = 265,02*13,92 = 3689,08 Вт/м2

Проверка значений tст1 и tст2:

?t1 = q/б1 = 3689,08/429,4 = 8,6 ъС

tст1 = t1 - ?t1 = 36,4 - 8,6 = 27,8 ъС

?t2 = q/б2 = 3689,08/344 = 6,2 ъС

tст2 = t2 + ?t2 = 20 + 6,2 = 26,2 ъС

Введение поправки в расчет б1,б2, К и q не требуется.

6. Определение расчетной площади поверхности теплообмена

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

Fp = 100952/3689,08 = 27,36 м2

С запасом 10%: Fp = 30,1 м2

Площадь поверхности теплопередачи одного аппарата по среднему диаметру труб при L = 4м:

F = р•dср•n•L = 3,14•0,021•56•4 = 16,18 м2

Число аппаратов:

N = Fp/F = 30,1/16,18 1,86

Принимаем N = 2.

7. Сопоставление расчетной площади поверхности теплообмена с площадью поверхности выбранного теплообменника

Запас площади поверхности теплообмена:

Запас площади поверхности теплообмена достаточен.

Принимаем два двухходовых кожухотрубчатых теплообменника с внутренним диаметром кожуха 325 мм, числом труб 56 и длиной труб L = 4 м.

Масса двух аппаратов: М = 2*820 = 1640 кг.

8. Составление схемы процесса теплопередачи

Схема процесса теплопередачи изображена на рис. 2.

9. Расчёт гидравлического сопротивления

Расчет гидравлического сопротивления кожухотрубчатых теплообменников производится по формулам, приведенным ниже.

Скорость жидкости в трубах:

В трубном пространстве местные сопротивления: вход в камеру и выход из неё, один поворот на 1800 и по два раза вход в трубы и выход из них.

Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:

?ртр = 678,3 Па

Число сегментных перегородок (табл. 2.7 (3)) х = 18, число рядов труб, омываемых в межтрубном пространстве m = 8 (табл. 4.12 (2)).

dмтр.ш = 0,1 м. (таб. 2.6 (3))

10. Расчет диаметров условного прохода штуцеров при щ = 1,5 м/с

1. Диаметр условного прохода штуцеров для межтрубного пространства:

2. Диаметр условного прохода штуцеров для трубного пространства:

Выбираем диаметры условного прохода штуцеров по табл. 2.6 (3) для двухходового теплообменника при Dкожуха = 325 мм.

dмтр = 0,1 м

dтр = 0,1 м

11. Механические расчеты основных узлов и деталей химических аппаратов. Расчет толщины обечаек

Главным составным элементом корпуса большинства химических аппаратов является обечайка. В химическом аппаратостроении наиболее распространены цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления, рациональным расходом материала и достаточной прочностью. Цилиндрические обечайки из стали, сплавов из основы цветных металлов и других пластичных материалов при избыточном давлении среды в аппарате до 10 МПа изготавливают вальцовкой листов с последующей сваркой стыков.

уд - допускаемое напряжение на растяжение для материала обечайки, МН/м2

Коэффициент ц учитывает ослабление обечайки из-за сварного шва и наличия неукреплённых отверстий. При отсутствии неукреплённых отверстий ц = цш, причём для стальных обечаек принимают цш = 0,7 - 1,0, в зависимости от типа сварного шва.

Определю толщину стенки сварной цилиндрической обечайки корпуса двухходового кожухотрубчатого теплообменника при следующих данных: материал обечайки - сталь марки Х18Н10Т, коррозионная проницаемость

П ? 0,1 мм/год запас на коррозию Ск определяется:

Охлаждение производится водой при атмосферном давлении. Внешний диаметр обечайки Dв = 0,325 м, отверстия в обечайки укреплённые, сварной шов - стыковой двусторонний (цш = 0,95) допускаемое напряжение для стали марки Х18Н10Т при 140 0С равно уд = 139 МН/м2.

Вывод

В данном курсовом проекте проведён расчёт и подобран теплообменник для охлаждения хлороформа от tн = 55ъС до tк = 20ъС водой tн = 10ъС, tк = 20ъС.

Установлен наиболее подходящий вариант теплообменника.

Поставленная задача решается применением двухходового кожухотрубчатого теплообменника принимаемого с учётом всех факторов (гидравлического сопротивления, площади пощади поверхности теплообмена, металлоёмкости, окончательной цены аппарата).

Но наиболее полно оптимизировать весь технологический процесс можно, если рассматривать отдельные его стадии (конденсация, ректификация и т.п.) не отдельно друг от друга, а считая их единым целым. В результате, сложность вычислений заметно усложняется, но применение ЭВМ позволяет и в этом случае оптимизировать технологический процесс.

Список использованных источников

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973, 750 с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1976, 552 с.

3. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование. - М.: Химия, 1974, 270 с.

Размещено на Allbest.ru

...