Расчет стандартного теплообменного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные условные обозначения

c - средняя массовая теплоемкость , Дж/кг·К;

D - диаметр кожуха, мм;

d - внутренний диаметр теплообменных труб, мм;

G - массовый расход теплообменника, кг/с;

L - длина теплообменных труб, мм;

l - определяющий размер в критериях подобия.

M - масса, кг;

n - число труб;

p - давление, Па;

Дp - гидравлическое сопротивление, Па;

Q - тепловая нагрузка, Вт;

r - термическое сопротивление слоя загрязнений, м³·К/Вт ;

S - площадь поперечного сечения потока, м²;

t - температура, °С;

Дt - разность температур стенки и теплоносителя, °С;

щ - скорость движения теплоносителя, м/с;

z - число ходов в кожухотрубных теплообменниках;

б - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²·К;

в - коэффициент объемного расширения;

д_ст. - толщина стенки теплопередающей поверхности, мм;

л - теплопроводность, Вт/м·К;

µ - динамическая вязкость, Па·с ;

с - плотность, кг/м³;

Re=щlс/µ - критерий Рейнольдса;

Nu=бl/л - критерий Нуссельта;

Pr=cµ/л - критерий Прандтля.

Индексы:

1 - теплоноситель с большей средней температурой (горячий);

2 - теплоноситель с меньшей средней температурой (холодный);

н - начальное значение; наружный размер; насос;

к - конечное значение; кожух;

ст - стенка;

т - теплообменник;

тр - трубное пространство;

мтр - межтрубное пространство;

ш - штуцер



1.Введение

теплообменник конструктивный гидравлический оборудование

Целью работы является расчет и подбор стандартного теплообменника с расходом G горячего теплоносителя с t_1Н, t_1К и холодного теплоносителя с t_2Н, t_2К. Подобрать технологическую схему, в которой возможно применение данного теплообменника.

Задачами работы подбор стандартного теплообменного аппарата, расчет его гидравлического сопротивление, его конструктивный расчет и выбор вспомогательного оборудования. Так же построение двух чертежей: общий вид теплообменного аппарата и технологическая схема процесса.

При проектировании и конструировании теплообменных аппаратов необходимо максимально удовлетворять многосторонние требования. Основными из них являются: соблюдений условий технологического процесса; низкое гидравлическое сопротивление аппарата; более высокий коэффициент теплопередачи; доступность поверхности теплопередачи для чистки; коррозийная устойчивость; экономическая выгода; технологичность конструкции с точки зрения ее изготовления.

Теплообменные аппараты подразделяются в зависимости от формы поверхности, вида теплоносителей, способа передачи теплоты (поверхностные или рекуперативные, смесительные или контактные и регенеративные).

Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами - как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.

Данный вид теплообменника может быть использован в качестве теплообменника, конденсатора, испарителя, холодильника.

Кожухотрубные теплообменники имеют множество положительных «качеств»:

достаточно просты в изготовлении;

имеют возможность развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате;

надежны в работе;

компактность;

легкость очистки труб изнутри.

Один из теплоносителей протекает по трубам, второй - по межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стенок труб.

К недостаткам кожухотрубных теплообменников можно отнести:

трудность очистки межтрубного пространства;

трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями;

трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

Кожухотрубные теплообменники могут быть расположены как горизонтально, так и вертикально. Так же подразделяются на теплообменники с неподвижными трубными решетками, с температурным компенсатором на кожухе.

Кожухотрубные теплообменники могут быть одна-, двух, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству.

Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников - также из латуни.

2.Описание технологической схемы

Рассмотрим процесс получения бутанола гидрированием кротонового альдегида. Ацетальдоль, подкисленный уксусной кислотой, поступает в колонну кротонизации Кл1, где происходит дегидратация альдоля в кротоновый альдегид. Последний в колонне Кл2 отгоняется в виде водного гетероазеотропа. В колоннах Кл1 и Кл2 поток взаимодействовал с водяным паром, поэтому кротоновый альдегид направляется в сепаратор-разделитель С1 для отделения от воды. Затем кротоновый альдегид испаряют в испарителе И1 и подают в реактор Р1 вместе с водородом, подаваемым компрессором К1.

Гидрирование проводят на медном катализаторе при большом избытке водорода. Реакция протекает с выделением тепла; тепло отводится за счет испарения парового конденсата в межтрубном пространстве реактора Р1.

Из реактора Р1 газообразный поток направляется в холодильник-конденсатор ХК1, после которого в сепараторе С2 бутиловый спирт-сырец отделяется от водорода и выводят из нижней части сепаратора С2. Водород из верхней части сепаратора С2 снова поступает на прием компрессора К1.

3.Технологический расчет аппарата

Уравнение теплового баланса:

Теплоемкости взяты при средних температурах потоков (по справочным данным):



Определим тепловую нагрузку:

Определим расход второго теплоносителя:

Определим разности температур теплоносителей на разных концах аппарата:

Определим средний температурный напор:

Данное значение средней движущей силы (среднего температурного напора) соответствует схеме взаимного движения теплоносителей - противоток.



Ориентировочная поверхность теплообмена аппарата:

Ориентировочная температура стенки трубок аппарата:

Физ-хим. свойство	Бутиловый спирт при температуре	Вода при температуре
	Т1ср =65°С	Тст = 49 °С	Т2ср = 32,5 °С	Тст = 49 °С
плотность с , кг/м3	774	786	993	988
вязкость µ , Па*с	0,00104	0,00141	0,00072	0,00055
Теплоемкость с, ккал/(кг*С)	0,37	-	0,998	0,999
теплоемкость с, Дж/(кг*С)	2820	2650	4175,6	4179,8
теплопроводность л, ккал/(м*ч*К)	0,125	0,127	0,53	0,55
теплопроводность л, Вт/(м*К)	0,1454	0,1477	0,6164	0,6397

Определим другие величины и параметры, которые не зависят от конструктивных особенностей теплообменного аппарата.

Определим объемный расход теплоносителей:



Определим критерий Прандтля теплоносителей при их средних температурах:

Определим критерий Прандтля теплоносителей при температуре стенки трубок:

Независимо от конкретного типа и конструкции аппарата, принимаем его материальное исполнение из стали. Теплопроводность стали

Термическое сопротивление загрязнений и принимаем по опытным данным :

для воды среднего качества ;

для органических жидкостей

Рассмотрим два варианта кожухотрубчатых холодильников:

а) с температурным компенсатором (тип ХК);

б) с плавающей головкой (тип ХП).

В трубное пространство аппарата направляем воду (так как она является более загрязненной средой, а трубное пространство проще чистить), а в межтрубное пространство - бутиловый спирт.

А) Кожухотрубчатый холодильник с температурным компенсатором (тип ХК):

Определим скорость теплоносителей в аппарате:

где для расчета скорости бутилового спирта в межтрубном пространстве взята площадь проходного сечения между перегородками

Определим число Рейнольдса для потоков в аппарате:

Определим критерий Нуссельта для потоков в аппарате:

так как то

так как то



Определим коэффициент теплоотдачи для потоков в аппарате:

Уточняем коэффициент теплопередачи в аппарате:

Уточняем необходимую поверхность теплообмена аппарата:

Выбираем длину трубок , тогда стандартный аппарат типа ХК имеет поверхность теплообмена , что удовлетворяет условию .

Определим запас поверхности теплообмена:

что является достаточным запасом для компенсации всех погрешностей в методиках расчета тепловых процессов, а также погрешностей при определении физико-химических свойств потоков.

Соответственно делаем вывод, что выбранный теплообменный аппарат подходит для данного процесса.

Исполнение аппарата по температурному пределу выбираем обыкновенное, выдерживающее температуры от минус 20 до плюс 100 °С

Обозначим стандартный шифр выбранного теплообменного аппарата для его заказа у Производителя :

Холодильник 600 ХКВ-6-10-М1-О/20-6-4 гр.Б ГОСТ 15120-79.

Масса выбранного аппарата М₀ = 3380 кг ,

Число сегментных перегородок x=18шт.

Общее число трубок n=334шт.

Б) Теплообменные аппараты типа ХП представлены в ГОСТ 14244-79:

Определим скорость теплоносителей в аппарате:

Определим число Рейнольдса для потоков в аппарате:

Определим критерий Нуссельта для потоков в аппарате:

так как то



так как то

Определим коэффициент теплоотдачи для потоков в аппарате:

Уточняем коэффициент теплопередачи в аппарате:

Уточняем необходимую поверхность теплообмена аппарата:

Выбираем длину трубок , тогда стандартный аппарат типа ХП имеет поверхность теплообмена , что удовлетворяет условию . Определим запас поверхности теплообмена:



Соответственно делаем вывод, что выбранный теплообменный аппарат подходит для данного процесса.

Исполнение аппарата по температурному пределу выбираем обыкновенное, выдерживающее температуры от минус 20 до плюс 200 °С.

Обозначим стандартный шифр выбранного теплообменного аппарата для его заказа у Производителя :

Холодильник 600 ХП-25-М1-О/20-6-Т-4 гр.Б ГОСТ 14244-79.

Учитывая, что в исходных материалах к курсовому проектированию недостаточно информации по аппаратам типа ХП, принимаем решение отказаться от данного аппарата.

Рассмотрев два варианта кожухотрубчатых холодильников:

с температурным компенсатором (тип ХК) и с плавающей головкой (тип ХП), отдаем свое предпочтение аппарату типа ХК.

4. Конструктивный расчет аппарата

Определим размеры штуцеров, задавшись желаемыми скоростями потоков в штуцерах (на основании рекомендуемых скоростей потоков):

Для достижения таких скоростей необходим диаметр штуцеров входа и выхода бутилового спирта:



и диаметр штуцеров входа и выхода воды:

Из стандартного ряда условных диаметров трубопроводов принимаем диаметр штуцеров входа и выхода бутилового спирта и диаметр штуцеров входа и выхода воды .

Уточним скорости потоков при принятых диаметрах штуцеров:

Определим нагрузки на опоры аппарата, исходя из условия необходимости гидроиспытания аппарата.

Общая нагрузка на опоры от аппарата, заполненного водой:

Учитывая, что аппарат устанавливается на двух опорах (), получаем нагрузку на каждую опору:



5.Расчет гидравлического сопротивления аппарата

Проведем расчет гидравлического сопротивления выбранного аппарата для каждого из потоков. Для бутилового спирта в межтрубном пространстве гидравлическое сопротивление определяется по формуле:

где m - число рядов труб, омываемых теплоносителем в межтрубном пространстве, равное:

Для воды в трубном пространстве гидравлическое сопротивление определяется по формуле:

где - коэффициент гидравлического сопротивления потока в трубном пространстве, при турбулентном режиме (по числу Рейнольдса) равный:



6.Расчет вспомогательного оборудования

Рассчитаем некий абстрактный насос, которым может перекачиваться бутанол.

Ввиду отсутствия необходимых исходных данных в курсовом проекте, принимаем все незаданные величины самостоятельно:

- перепад давления при перекачке ;

- давление в пункте назначения ;

- перепад высот между конечной и начальной точками перекачки .

Плотность бутанола около .

Подача насоса равняется расходу перекачиваемого этанола примерно W=26 м³/ч (определено ранее в курсовом проекте).

Напор насоса определяется по формуле:

Поэтому принимаем с запасом напор насоса 40 метров.

Определим механическую мощность двигателя насоса:

Поэтому принимаем с запасом электродвигатель насоса номинальной мощностью 5 кВт.

Рассчитаем некую абстрактную емкость, в которой может храниться некоторый запас этанола.

Ввиду отсутствия необходимых исходных данных в курсовом проекте, принимаем все незаданные величины самостоятельно:

- требуемое время нахождения продукта в емкости ;

- коэффициент использования емкости .

Требуемый объем:



Список используемой литературы

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

Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Пособие по курсовому проектированию.-М.: Химия, 1991. - 496 с.

Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической технологии

Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Справочник., Калуга - 2002. Кн.1.807с.

Размещено на Allbest.ru

...