Рассчитать холодильник-конденсатор для конденсации насыщенного пара сероуглерода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Факультет химических технологий, промышленной экологии и биотехнологий

Кафедра Оборудование и автоматизация химических производств

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине «Основные процессы и аппараты химической технологии» на тему

Рассчитать холодильник-конденсатор для конденсации насыщенного пара сероуглерода

Выполнил студент гр.

ТТУМ-19-2бз Князева Е.Ю.

Проверил преподаватель

Загидуллин С.Х.



Содержание

• Введение
• 1. Расчёт теплообменника
• 1.1 Расчёт нормализованного теплообменного аппарата
• 1.1.1 Тепловая нагрузка аппарата
• 1.1.2 Требуемый расход охлаждающей жидкости
• 1.1.3 Средняя движущая сила теплового процесса
• 1.2 Ориентировочный выбор теплообменника
• 1.2.1 Ориентировочное значение поверхности теплообмена
• 1.2.2 Выбор нормализованного варианта конструкции аппарата
• 1.3 Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи
• 1.3.1 Режим движения жидкости по зоне конденсации
• 1.3.2 Критерий Прандтля для оборотной воды в зоне конденсации
• 1.3.3 Критерий Нуссельта для оборотной воды в зоне конденсации
• 1.3.4 Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде в зоне конденсации
• 1.3.5 Режим движения оборотной воды по зоне охлаждения
• 1.3.6 Критерий Прандтля для оборотной воды в зоне охлаждения
• 1.3.7 Критерий Нуссельта для оборотной воды в зоне охлаждения
• 1.3.8 Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде в зоне охлаждения
• 1.3.9 Коэффициент теплоотдачи от пара, сконденсирующегося на вертикально расположенных трубах
• 1.3.10 Режим движения сконденсировавшегося пара
• 1.3.11 Критерий Прандтля для сероуглерода в зоне охлаждения
• 1.3.12 Критерий Нуссельта для переходного режима
• 1.3.13 Коэффициент теплоотдачи от стенки к сероуглероду в зоне охлаждения
• 1.3.14 Сопротивления
• 1.3.15 Коэффициент теплопередачи для зон конденсации и охлаждения
• 1.3.16 Поверхность теплообмена для зоны конденсации
• 1.3.17 Поверхность теплообмена для зоны охлаждения
• 1.3.18 Суммарная поверхность теплообмена
• 2. Механические данные
• 3. Расчёт гидравлического сопротивления аппарата
• 3.1 Данные для расчёта гидравлического сопротивления трубного пространства
• 3.1.1 Скорость воды в трубах
• 3.1.2 Скорость воды в штуцерах
• 3.1.3 Коэффициент трения
• 3.1.4 Гидравлическое сопротивление трубного пространства
• 3.2 Данные для расчёта гидравлического сопротивления межтрубного пространства
• 3.2.1 Скорость сероуглерода в межтрубном пространстве
• 3.2.2 Скорость сероуглерода в штуцерах
• 3.2.3 Критерий Рейнольдса для межтрубного пространства
• 3.2.4 Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства
• 3.3 Общее гидравлическое сопротивление процесса теплообмена
• Выводы по работе
• Список использованных источников


Введение

теплообменный конденсация гидравлический сопротивление

Для создания и поддержания температурного режима на технологических объектах в энергетике, в химической, металлургической, нефтегазовой, пищевой и других отраслях промышленности, необходимо осуществлять подвод или отвод тепловой энергии от рабочей среды. Эту функцию выполняет теплообменное оборудование. Теплообменник - это устройство для передачи тепла от более нагретого теплоносителя (жидкого или газообразного) к более холодному. Теплообменники должны отвечать таким требованиям, как высокая тепловая производительность и экономичность в работе при обеспечении заданных технологических условий процесса, простота конструкции, компактность, удобство монтажа и ремонта, надежность в работе, соответствие требованиям охраны труда и техники безопасности

Процессы теплообмена осуществляются в теплообменных аппаратах различных типов и конструкций. По способу передачи тепла теплообменные аппараты делят на поверхностные и контактные. В поверхностных аппаратах рабочие среды обмениваются теплом через стенки из теплопроводного материала, а в контактных аппаратах тепло передается при непосредственном соприкосновении рабочих сред.

Теплообменные аппараты можно классифицировать по назначению:

подогреватели;

холодильники;

испарители;

конденсаторы;

дистилляторы;

сублиматоры;

плавители и т.п.

В качестве холодильников-конденсаторов используются различные поверхностные теплообменники с переносом тепла через разделяющую стенку:

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

2) теплообменники типа «труба в трубе»;

3) змеевиковые теплообменники (погружного и оросительного типа);

4) пластинчатые теплообменники;

5) спиральные теплообменники;

6) теплообменники с «рубашкой».

В настоящее время всё больше набирают популярность пластинчатые теплообменники, но самыми распространенными остаются кожухотрубчатые аппараты. Они применяются, когда требуется большая поверхность теплообмена, то есть, для испарения и конденсации теплоносителей в различных технологических процессах. Основной частью такого теплообменника является пучок труб закрепленных в трубных решетках. Одна из сред движется по трубкам, а другая - внутри корпуса между трубками.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть как в вертикальном исполнении, так и в горизонтальном. Вертикальные занимают меньше места, а горизонтальные способны работать при более высоких скоростях потоков теплоносителей.

Основные достоинства кожухотрубчатых теплообменников - это простота очистки трубного пространства и относительная простота обслуживания по сравнению, например, с пластинчатыми. Недостатками являются громоздкость при больших поверхностях теплообмена и большой расход материалов на изготовление деталей аппарата.



1. Расчёт теплообменника

В межтрубном пространстве находится насыщенный пар сероуглерода (т.к. он - более чистое вещество), в трубном - оборотная вода (как более грязное вещество). Движение фаз - противоток (увеличение приводит к снижению теплоносителя, потребуется меньше охлаждающей воды, однако движущая сила процесса будет уменьшаться, поэтому увеличивается F, применение противотока экономически будет целесообразней).

В качестве охлаждающего агента используется оборотная вода, имеющая начальную =20°С и конечную температуры воды =40°С.

Начальная температура пара сероуглерода соответствует температуре кипения (конденсации) сероуглерода и равна = 46,3 °С, конечную температуру определяем по заданию, так как известно, что сероуглерод следует отводить на 8 °С ниже температуры конденсации, =38,3 °С.

Расчёт теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи и выбор нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющего заданным технологическим условиям.

Для расчета теплового баланса определим основные характеристики сероуглерода и оборотной воды (охлаждающей жидкости) для заданных условий теплообмена, учитывая средние температуры :

Таблица 1

Физико-химические характеристики сероуглерода

Характеристика	Обозначение	Величина	Единица измерения
		При t=46,3	При tср=42,3
Плотность (табл. IV) [1]		1222,6	1229,2	кг/м3
Температура конденсации (табл. XLIV) [1]		46,3
Динамическая вязкость (табл.IX) [1]		0,2774	0,2854	мПас
Теплопроводность (рис.X) [1]		0,1535	0,158168	Вт/(мК)
Удельная теплоёмкость (рис.XI) [1]	c	1005,6	1026,5	Дж/(кгК)
Массовый расход	G	1,388	Кг/с
Удельная теплота конденсации (табл. XLV) [1].	r	350	кДж/кг

Таблица 2

Физико-химические характеристики оборотной воды

Характеристика	Обозначение	Величина	Единица измерения
		При =30,23	При =20,23
Плотность		995	998	кг/м3
Динамическая вязкость (табл.VI) [1]		0,797	1,000	мПас
Теплопроводность (рис.X) [1]		0,6154	0,5984	Вт/(мК)
Удельная теплоёмкость	c	4174	4183	Дж/(кгК)

Принимаем для межтрубного пространства индекс «1», для трубного - «2»

1.1 Расчёт нормализованного теплообменного аппарата

1.1.1 Тепловая нагрузка аппарата

Тепловую нагрузку зоны конденсации I определяем по уравнению:

где - массовый расход пара сероуглерода, ;

- удельная теплота конденсации пара сероуглерода, .

Подставив численные значения величин, получим:

(1.1)

Тепловую нагрузку зоны охлаждения II определяем по уравнению:

где - массовый расход пара сероуглерода, ;

- удельная теплоемкость сероуглерода при средней температуре зоны охлаждения, ) [1, c.562];

- начальная температура (конденсации) пара сероуглерода, °С;

- конечная температура (отведения конденсата) пара сероуглерода, °С

Подставив численные значения величин, получим:

(1.2)

Суммарная тепловая нагрузка в аппарате:

(1.3)

1.1.2 Требуемый расход охлаждающей жидкости

Расход охлаждающей жидкости определим из уравнения теплового баланса:

Или



Откуда получаем:

(1.4)

где Q - суммарная тепловая нагрузка, ;

- массовый расход оборотной воды, ;

- удельная теплоемкость оборотной воды, );

- начальная температура оборотной воды, °С;

- конечная температура оборотной воды, °С.

1.1.3 Средняя движущая сила теплового процесса

В процессе теплообмена движущая сила в аппарате будет изменяться, поэтому для теплообменного процесса вводят понятие - средняя движущая сила.

Средняя движущая сила потоков в аппаратах с противоточным движением теплоносителей определяется как среднелогарифмическая между большей () и меньшей () разностями температур теплоносителей на концах аппарата.

где - большая разность температур, °С;

- меньшая разность температур, °С.

Определим температуру, при которой отводится конденсат:



(1.5)

где - тепловая нагрузка зоны конденсации,

- массовый расход оборотной воды, ;

- удельная теплоемкость оборотной воды, );

- граничная температура оборотной воды, °С;

- конечная температура оборотной воды, °С.

Рисунок схема теплообмена

Для определения () и () в I зоне составим схему:

Отсюда получаем:

(1.6)

(1.7)

Подставив в выражение для численные значения величин, получаем:

(1.8)

Для определения () и () во II зоне составим схему:

Отсюда получаем:

(1.9)

(1.10)

Подставив в выражение для численные значения величин, получаем:

(1.11)

1.2 Ориентировочный выбор теплообменника

1.2.1 Ориентировочное значение поверхности теплообмена

Поскольку расчёт теплообменного аппарата - предварительный, то коэффициент теплопередачи можно принять, в соответствие с рекомендациями, изложенными в справочной литературе в таблице 4.8 [1], равным (из допустимого интервала 300-800, при теплопередаче от конденсирующегося пара органических жидкостей к воде, при вынужденном движении), тогда ориентировочное значение поверхности теплообмена определим из основного уравнения теплопередачи:

Ориентировочная поверхность теплообмена для зоны конденсации:

(1.12)

где - тепловая нагрузка зоны конденсации, Вт;

- средняя движущая сила для зоны конденсации, °С;

- ориентировочное значение коэффициента теплопередачи для зоны конденсации,

Ориентировочная поверхность теплообмена для зоны охлаждения:

(1.13)

где - тепловая нагрузка зоны охлаждения, Вт;

- средняя движущая сила для зоны охлаждения, °С;

- ориентировочное значение коэффициента теплопередачи для зоны охлаждения,

Суммарная поверхность теплообмена:

(1.14)

Принимая число Рейнольдса равным 10000 (что соответствует развитому турбуленному режиму течения), определим отношение числа труб к числу ходов n/z для конденсатора из труб 25х2 мм:

(1.15)

где n - число труб теплообменника;

z - число ходов по трубному пространству;

- расход оборотной воды, кг/с;

- внутренний диаметр труб теплообменника, м;

- динамическая вязкость воды при средней температуре, Па•с [1, с.514];

- ориентировочное значение критерия Рейнольдса.

1.2.2 Выбор нормализованного варианта конструкции аппарата

Исходя из значения и отношения , выбираем нормализованный вариант конструкции теплообменного аппарата со следующими параметрами (табл. 3).

Таблица 3

Параметры выбранного нормализованного теплообменного аппарата согласно требованиям ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79, 15122-79 (табл. 4.12) [1]

Параметр	Обозначение	Величина	Единица измерения
Площадь теплообмена	Fнорм.	90	м2
Длина теплообменных труб	L	3	м
Число теплообменных труб	n	384	-
Число ходов	z	6	-
Диаметр теплообменных труб	dн.		мм
Диаметр кожуха внутренний	Dн.	800	мм
Проходное сечение трубного пространства		0,022	м2
Проходное сечение межтрубного пространства		0,07	м2

1.3 Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи

Проведем уточненные расчеты коэффициентов теплопередачи и поверхности теплообмена для того, чтобы проверить, подходит ли для заданных параметров выбранный теплообменный аппарат.



1.3.1 Режим движения жидкости по зоне конденсации

(1.16)

где - расход оборотной воды, кг/с;

- внутренний диаметр труб теплообменника, м;

- динамическая вязкость воды при средней температуре в зоне конденсации, Па•с;

n - число труб теплообменника;

z - число ходов по трубному пространству.

1.3.2 Критерий Прандтля для оборотной воды в зоне конденсации

(1.17)

где - удельная теплоемкость оборотной воды, Дж/(кг•К);

- динамическая вязкость воды, Па•с;

- удельная теплопроводность воды, Вт/(м•К).

1.3.3 Критерий Нуссельта для оборотной воды в зоне конденсации

Так как критерий Рейнольдса находится в области 2300<Re<10000, то его можно приближенно рассчитать (с запасом) по графику зависимости от критерия Re при (GrPr)<8*10⁵. (рис.4.1) [1]

При проектировании теплообменников в расчёте коэффициентов теплоотдачи для нагревающихся жидкостей можно принимать =1, допуская небольшую погрешность в сторону уменьшения коэффициента теплоотдачи, т.е. в сторону запаса. Для охлаждающихся жидкостей, когда , с достаточной точностью можно принимать среднее значение , равное 0.93. [1, с.152]

Из графика следует, что , следовательно

=24*5,4^0,43*0,93=46.10925 (1.18)

1.3.4 Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде в зоне конденсации

(1.19)

где - критерий Нуссельта для турбулентного режима;

- удельная теплопроводность воды, Вт/(м•К);

d- внутренний диаметр труб теплообменника, м.

Все параметры определены при средней температуре воды в зоне конденсации (t=30,23°С).

1.3.5 Режим движения оборотной воды по зоне охлаждения

(1.20)

где - расход оборотной воды, кг/с;

- внутренний диаметр труб теплообменника, м;

- динамическая вязкость воды при средней температуре в зоне охлаждения, Па•с;

n - число труб теплообменника;

z - число ходов по трубному пространству.



1.3.6 Критерий Прандтля для оборотной воды в зоне охлаждения

(1.21)

где - удельная теплоемкость оборотной воды, Дж/(кг•К);

- динамическая вязкость воды, Па•с;

- удельная теплопроводность воды, Вт/(м•К).

1.3.7 Критерий Нуссельта для оборотной воды в зоне охлаждения

Так как критерий Рейнольдса 2300<Re<10000, то в этой области критерий Нусельта стоит считать по графику зависимости от критерия Re при (GrPr)< 8*10⁵. (рис.4.1) [1]

Из графика следует, что , следовательно

=19.5*6.99^0,43*0,93=41.85 (1.22)

1.3.8 Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде в зоне охлаждения

(1.23)

где - критерий Нуссельта для турбулентного режима;

- удельная теплопроводность воды, Вт/(м•К);

d- внутренний диаметр труб теплообменника, м.

Все параметры определены при средней температуре воды в зоне охлаждения (t=20,23°С).



1.3.9 Коэффициент теплоотдачи от пара, сконденсирующегося на вертикально расположенных трубах

(1.24)

- теплопроводность сероуглерода,

- плотность сероуглерода, кг/м³;

- наружный диаметр трубы, м;

n - число труб;

- динамическая вязкость сероуглерода, Па•с;

- массовый расход сероуглерода, кг/с.

Все параметры определены при температуре конденсации сероуглерода (t=46,3 °С).

1.3.10 Режим движения сконденсировавшегося пара

(1.25)

где - расход сероуглерода, кг/с;

- наружный диаметр труб теплообменника, м;

- динамическая вязкость сероуглерода при средней температуре в зоне охлаждения, Па•с;

n - число труб теплообменника;

z - число ходов по трубному пространству.



1.3.11 Критерий Прандтля для сероуглерода в зоне охлаждения

(1.26)

где - удельная теплоемкость сероуглерода, Дж/(кг•К);

- динамическая вязкость сероуглерода, Па•с;

- удельная теплопроводность сероуглерода, Вт/(м•К).

1.3.12 Критерий Нуссельта для переходного режима

Так как критерий Рейнольдса находится в области 2300<Re<10000, то его можно приближенно рассчитать (с запасом) по графику зависимости от критерия Re при (GrPr)< 8*10⁵. (рис.4.1) [1]

Из графика следует, что , следовательно

Nu=11.75*1.85^0,43*0,93=14.2439

1.3.13 Коэффициент теплоотдачи от стенки к сероуглероду в зоне охлаждения

(1.27)

где - критерий Нуссельта для переходного режима;

- удельная теплопроводность сероуглерода, Вт/(м•К);

- внутренний диаметр труб теплообменника, м.

Все параметры определены при средней температуре сероуглерода в зоне охлаждения (t=42,3 °С).



1.3.14 Сопротивления

Рассчитаем суммы термических сопротивлений стенки труб из стали и загрязнений со стороны воды и сероуглерода для каждой зоны теплообмена.

Зона конденсации I:

(1.28)

где - тепловая проводимость стенки, загрязненной со стороны сероуглерода в области конденсации, Вт/(м²•К); (по табл. XXXI [1])

- тепловая проводимость стенки, загрязненной со стороны оборотной воды, Вт/(м²•К); (по табл. XXXI [1])

- толщина стенки трубы, м;

- теплопроводность стенки трубы из нержавеющей стали, Вт/(м•К). [1 Таблица XXVIII с.529]

Зона охлаждения II:

(1.29)

где - тепловая проводимость стенки, загрязненной со стороны сероуглерода в области охлаждения, Вт/(м²•К); (по табл. XXXI [1])

- тепловая проводимость стенки, загрязненной со стороны оборотной воды в зоне охлаждения, Вт/(м²•К);

- толщина стенки трубы, м;

- теплопроводность стенки трубы из нержавеющей стали, Вт/(м•К). [1 Таблица XXVIII с.529]



1.3.15 Коэффициент теплопередачи для зон конденсации и охлаждения

(1.30)

(1.31)

1.3.16 Поверхность теплообмена для зоны конденсации

(1.32)

где - тепловая нагрузка зоны конденсации, Вт;

- значение коэффициента теплопередачи для зоны конденсации,

- средняя движущая сила для зоны конденсации, °С.

1.3.17 Поверхность теплообмена для зоны охлаждения

(1.33)

где - тепловая нагрузка зоны охлаждения, Вт;

- значение коэффициента теплопередачи для зоны охлаждения,

- средняя движущая сила для зоны охлаждения, °С.



1.3.18 Суммарная поверхность теплообмена

(1.34)

Таким образом, выбранный кожухотрубчатый холодильник-конденсатор подходит с запасом:

(1.35)



2. Механические данные

Крепление труб в трубных решетках осуществляется развальцовкой.

Толщина трубной решетки зависит от её конструкции и от конструктивной схемы аппарата. Наиболее распространенная конструкция - с неподвижными трубными решетками.

Диаметр условного прохода штуцеров определяем по таблице 2.6. [2, с. 55]

=150 мм

=250 мм

Число сегментных перегородок определяем по таблице 2.7. [2 с.56]:

х = 6.

Масса холодильника конденсатора по таблице 2.8. [2 с.56]: m = 3230 кг.

Поскольку разность температур между теплоносителями не превышает 50 °С, то температурная компенсация не применяется.



3. Расчёт гидравлического сопротивления аппарата

3.1 Данные для расчёта гидравлического сопротивления трубного пространства

3.1.1 Скорость воды в трубах

(3.1)

где - массовый расход оборотной воды, кг/с;

- диаметр трубы, м;

- плотность оборотной воды при средней температуре, кг/м³;

- количество труб;

- число ходов.

3.1.2 Скорость воды в штуцерах

(3.2)

где - массовый расход оборотной воды, кг/с;

- диаметр штуцера, м;

- плотность оборотной воды при средней температуре, кг/м³;

3.1.3 Коэффициент трения

(3.3)

где - скорость оборотной воды в трубах, м/с;

- внутренний диаметр труб, м;

- плотность оборотной воды при средней температуре, кг/м³;

- динамическая вязкость воды при средней температуре, Па•с.

(3.3)

где - относительная шероховатость труб; [1, c.519]

- критерий Рейнольдса для трубного пространства.

3.1.4 Гидравлическое сопротивление трубного пространства

(3.4)

где - коэффициент трения в трубном пространстве;

- длина труб теплообменника, м;

z - число ходов;

- внутренний диаметр труб, м;

- скорость оборотной воды в трубах, м/с;

- плотность оборотной воды при средней температуре, кг/м³;

- скорость оборотной воды в штуцерах, м/с.



3.2 Данные для расчёта гидравлического сопротивления межтрубного пространства

3.2.1 Скорость сероуглерода в межтрубном пространстве

(3.5)

где - массовый расход сероуглерода, кг/с;

- площадь сечения одного хода, м²;

- плотность сероуглерода при средней температуре, кг/м³;

3.2.2 Скорость сероуглерода в штуцерах

(3.6)

где - массовый расход сероуглерода, кг/с;

- диаметр штуцера, м;

- плотность сероуглерода при средней температуре, кг/м³;

3.2.3 Критерий Рейнольдса для межтрубного пространства

(3.7)

где - скорость сероуглерода в трубах, м/с;

- наружный диаметр труб, м;

- плотность сероуглерода при средней температуре, кг/м³;

- динамическая вязкость сероуглерода при средней температуре, Па•с.

3.2.4 Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства

(3.8)

где - число рядов труб, омываемое теплоносителем, которое приближенно можно определить по выражению с последующим округлением полученного значения в большую сторону до целой величины;

- число сегментных перегородок;

- скорость сероуглерода в межтрубном пространстве, м/с;

- плотность сероуглерода при средней температуре, кг/м3;

- скорость сероуглерода в штуцерах, м/с.

3.3 Общее гидравлическое сопротивление процесса теплообмена

(3.9)

где - гидравлическое сопротивление трубного пространства, Па;

- гидравлическое сопротивление межтрубного пространства, Па.



Заключение

По результатам расчета по ГОСТ 15119-79 выбран и запроектирован кожухотрубчатый теплообменник для конденсации паров насыщенного пара сероуглерода со следующими параметрами:

Параметры кожухотрубчатого конденсатора:

· Поверхность теплообмена: F = 90 м²;

· Запас по поверхности теплообмена: Д=20%

· Диаметр кожуха внутренний:;

· Количество ходов: ;

· Диаметр труб и толщина стенки труб:

· Длина труб: ;

· Общее число труб:

· Число труб на 1 ход

· Тепловая нагрузка ;

· Масса

· Параметры пара сероуглерода (межтрубное пространство):

· Расход ;

· Температура на входе ;

· Температура на выходе ;

· Гидравлическое сопротивление конденсата .

· Параметры оборотной воды (трубное пространство):

· Расход ;

· Температура на входе ;

· Температура на выходе ;

· Гидравлическое сопротивление воды .

Движение фаз - противоток. По выбранному теплообменнику сделан гидравлический расчет, определение сопротивления в трубном и межтрубном пространстве.

Список использованных источников

1. 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. П.Г. Романкова. 13-е изд., стер. М.: Альянс, 2006. 575 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Под. ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Альянс, 2007. 493.

3. Технологические процессы автоматизированных производств: Методические указания по выполнению курсовой работы. / Сост. В.Л. Долганов, И.Г.Ложкин, С.Х. Загидуллин, В.М. Беляев. Пермь: из-во Перм. нац. исслед. политехн. техн. ун-та, 2017. 35 с.

Размещено на Allbest.ru

...