Расчет теплообменного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет теплообменного аппарата

• Введение

дефлегматор кожухотрубный теплоноситель

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому для осуществления различных тепловых процессов, например, нагревания, охлаждения, кипения, конденсации или более сложных физико-химических процессов - выпарки, ректификации, абсорбции. Из-за разнообразия предъявляемых к теплообменным аппаратам требований, связанных с условиями их эксплуатации, применяют аппараты самых различных конструкций и типов, причем для аппарата каждого типа разработан широкий размерный ряд поверхности теплообмена. Широкая номенклатура теплообменников по типам, размерам, параметрам и материалам позволяет выбрать для конкретных условий теплообмена аппарат, оптимальный по размерам и материалам.

Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным теплообменным аппаратам, что обусловлено, прежде всего, надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, широким диапазоном применения по давлению, температурному режиму, потоковым средам, высокой ремонтопригодностью.

В кожухотрубном теплообменнике один из теплоносителей протекает по трубам, другой - по межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стеной труб.

Кожухотрубные теплообменники бывают одноходовыми, здесь оба теплоносителя не меняя направления движутся по всему сечению (один по трубному, другой по межтрубному), и многоходовыми, в которых потоки с помощью дополнительных перегородок последовательно меняют направление, тем самым, увеличивая коэффициент теплоотдачи и скорость потока.

Если разность температур труб и кожуха достаточно велика (св. 500С), то трубы и кожух удлиняются неодинаково, что приводит к значительным напряжениям в трубных решетках, нарушению плотности соединения труб с трубными решетками, а это может привести к смешению теплоносителей или деформации труб. Поэтому при значительной разнице температур труб и кожуха применяют теплообменники нежесткой конструкции, в которых возможно перемещение труб по отношению к кожуху аппарата.

• 1. Общие сведения о кожухотрубных теплообменных аппаратах

Кожухотрубные теплообменные аппараты могут использоваться в качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей.

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники - для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладагентом) жидких и газообразных сред. В соответствии с ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79 кожухотрубные теплообменники и холодильники могут быть двух типов: Н-с неподвижными трубными решетками и К-с линзовым компенсатором неодинаковых температурных удлинений кожуха и труб. Наибольшая допускаемая разность температур кожуха и труб для аппаратов типа Н может составлять 20-60 град, в зависимости от материала кожуха и труб, давления в кожухе и диаметра аппарата.

Рис. 1 Кожухотрубный двухходовый (по трубному пространству) холодильник:

1-крышка распределительной камеры; 2 - распределительная камера; 3 - кожух; 4 - теплообменные трубы; 5-перегородка с сегментным вырезом; 6 - линзовый компенсатор; 7 - штуцер; 8 - крышка

Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, 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 и из латуни. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали. Стандартный двухходовый по трубному пространству кожухотрубный холодильник изображен на рис. 1.

Кожухотрубные конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогрева жидкостей и газов за счет теплоты конденсации пара. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15121-79, конденсаторы могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. От холодильников они отличаются большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство. Требуемое значение коэффициента пропускной способности определяют в зависимости от расхода водяного конденсата G (в т/ч) и перепада давления Ар (в МПа) между давлением пара и давлением в линии отвода конденсата: ft = 0,575C/VAp.

В кожухотрубных испарителях в трубном пространстве кипит жидкость, а в межтрубном пространстве может быть жидкий, газообразный, парообразный, парогазовый или парожидкостной теплоноситель. Согласно ГОСТ 15119-79 эти теплообменники могут быть только вертикальными одноходовыми, с трубками диаметром 25X2 мм. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе.

Применение кожухотрубных теплообменников с температурным компенсатором на кожухе (линзовый компенсатор) ограничено предельно допустимым давлением в кожухе, равным 1,6 МПа. При большем давлении в кожухе (1,6-8,0 МПа) следует применять теплообменники с плавающей головкой или с U-образными трубами.

На рис. 2 изображен кожухотрубный теплообменник с плавающей головкой, предназначенной для охлаждения (нагревания) жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Не закрепленная на кожухе вторая трубная решетка вместе с внутренней крышкой, отделяющей трубное пространство от меж - трубного, образует так называемую плавающую головку. Такая конструкция исключает температурные напряжения в кожухе и в трубах. Эти теплообменники, нормализованные в соответствий с ГОСТ 14246-79, могут быть двух- или четырехходовыми, горизонтальными длиной 3, 6 и 9 м или вертикальными высотой 3 м.

Кожухотрубные конденсаторы с плавающей головкой (ГОСТ 14247-79) отличаются от аналогичных теплообменников большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство. Допустимое давление охлаждающей среды в трубах до 1,0 МПа. в межтрубном пространстве - от 1,0 до 2,5 МПа. Эти аппараты могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Диаметр кожуха от 600 до 1400 мм, высота труб 6,0 м.

Теплообменники с U-образными трубами (рис. 3) применяют для нагрева и охлаждения жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Они рассчитаны на давление до 6,4 МПа, отличаются от теплообменников с плавающей головкой менее сложной конструкцией (одна трубная решетка, нет внутренней крышки), однако могут быть лишь двухходовыми, из труб только одного сортамента: 20X2 мм.

Кожухотрубные испарители с трубными пучками из U-образных труб или с плавающей головкой имеют паровое пространство над кипящей в кожухе жидкостью. В этих аппаратах, всегда расположенных горизонтально, горячий теплоноситель (в качестве которого могут быть использованы газы, жидкости или пар) движется по трубам. Согласно ГОСТ 14248-79, кожухотрубные испарители могут быть с коническим днищем (рис. 2.6) диаметром 800-1600 мм и с эллиптическим днищем диаметром 2400-2800 мм. Последние могут иметь два или три трубных пучка. Допустимые давления в трубах составляют 1,6-4,0 МПа, в кожухе - 1,0-2,5 МПа при рабочих температурах от -30 до 450°С, т.е. выше, чем для испарителей с линзовым компенсатором. Испарители с паровым пространством изготовляют только двухходовыми, из труб длиной 6,0 м, диаметром 25X2 мм.

Рис. 2 Кожухотрубный теплообменник с плавающей головкой:

1-крышка распределительной камеры; 2-распределительная камера; 3-кожух; 4 - теплообмениые трубы; 5-перегородка с сегментным вырезом; 6 - штуцер; 7 - крышка плавающей головки; 8 - крышка кожуха

Рис. 3. Кожухотрубный теплообменник с U-образными трубами:

1-распределительная камера; 2-кожух; 3-теплообменные трубы; 4-перегородка с сегментным вырезом; 5 - штуцер

• 2. Расчет кожухотрубного теплообменника

Рассчитать и выбрать кожухотрубный дефлегматор для конденсации 17 т/ч метанола при давлении 6,3 атм.

Для нашего теплообменника возьмем нержавеющую сталь. Она достаточно устойчива к воздействию воды, имеет неплохой коэффициент теплоотдачи.

Расход метанола 17,0 т/ч или 4,72 кг/с;

Свойства метанола:

Температура конденсации метанола при 6,3 атм равна 120 град.

Теплота конденсации метанола:

Теплопроводность метанола

Плотность конденсата

Вязкость конденсата

Физико-химические свойства охлаждающей воды при средней температуре

Принимаем температуру воды на входе 30, а на выходе из конденсатора равную 60 . Тогда:

Физико-химические свойства воды при 45

Расчет и выбор конденсатора

1. Тепловая нагрузка аппарата:

2. Расход воды:

где - теплоемкость воды,

3. Средняя разность температур рассчитывается согласно схеме:

4. Выбор аппарата, расчет коэффициента теплопередачи:

В соответствии с табл. 2.1 примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи . Ориентировочное значение поверхности равно:

Задаваясь числом определим соотношение n/z для конденсатора из труб с наружным диаметром с толщиной стенок . [1]:

где n - общее число труб;

- число ходов по трубному пространству;

- внутренний диаметр труб, м;

- вязкость воды, .

В соответствии с табл. 2.9 примем аппарат со следующими параметрами:

- Диаметр кожуха 600 мм;

- Число ходов 1;

- Общее число труб 257;

- Поверхность теплообмена 122;

- Длина труб 6 м.

В соответствии с табл. 2.8 масса аппарата равна 3150 кг.

Проверяем число равно:

Определяем коэффициент теплопередачи к воде из следующего уравнения:

[1]:

где - критерий Нуссельта;

- критерий Прандля;

- критерий Прандля рассчитанный при температуре стенки;

где - теплопроводность воды,

Тогда, пренебрегая поправкой :

Коэффициент теплопередачи от пара, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб, определяем по уравнению:,

Сумма теоретических сопротивлений стенки труб и загрязнений со стороны воды и пара вычисляется согласно уравнению:

где - теплопроводность стенки трубы;

и среднее значение тепловой проводимости загрязнений стенок, соответственно со стороны паров конденсата и охлаждающей воды.

Принимаем следующее значение теплопроводностей:

-

-

-

Тогда:

Коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле:

Требуемая поверхность теплопередачи:

Как видно из таблицы 2.9, конденсатор с длиной труб 6 и площадью 122 подходит с запасом:

Вывод: принятый нами теплообменник подходит с запасом.

• 3. Расчет гидравлического сопротивления конденсатора

Расчет гидравлического сопротивления конденсатора в трубном пространстве производится по формуле:

где - коэффициент трения в трубах;

L - длина трубы;

и - скорость воды в трубах конденсатора и штуцерах, соответственно.

Скорость воды в трубах равна:

где - относительная шероховатость труб;

- высота выступов шероховатостей (= 0,2 мм).

Скорость воды в штуцерах равна:

Принимаем - диаметр штуцеров для подачи воды из таблицы штуцеров для нормализованных теплообменников для нашего дефлегматора = 200 мм (0,2 м)

Тогда гидравлическое сопротивление дефлегматора составит:

• Заключение

Мы рассчитали конденсатор - дефлегматор для конденсации паров метанола с расходом паров ().Был выбран по расчету дефлегматор, удовлетворяющий заданным параметрам с запасом 8,6% с параметрами: D=600 мм; F=122; n=257 шт.; z=1; =0,02 м; L=6 м. Рассчитано гидравлическое сопротивление дефлегматора.

• Список литературы

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А., «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии». Л.: Химия, 1983.

2. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и другие, «Основные процессы и аппараты химической технологии». М.: Химия, 1991

3. «Справочник химика» под ред. Никольского т. 3, Л.: Химия, 1971

4. Доманский И.В., Исаков В.П., Островский Г.М., «Машины и аппараты химических производств» Ч. 2: «Теплообменные и массообменные процессы». Ленинград: изд. Машиностроение, 1982

Размещено на Allbest.ru