Теплообменные аппараты

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

теплообменник кожухотрубный прямоток

Введение

1. Описание технологической схемы

2. Технологический расчет теплообменного аппарата

3. Гидравлический расчет

4. Конструктивный расчет

Заключение

Список литературы



Введение

Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.

В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубные и "труба в трубе". Их можно разделить на типы по конструктивным признакам:

а) кожухотрубные теплообменники (жесткого типа; с линзовым коденсатором на корпусе; с плавающей головкой; с U-образными трубками;

б) теплообменники «труба в трубе»;

в) подогреватели с паровым пространством;

г) конденсаторы воздушного охлаждения.

Одним самым распространенным типом теплообменников являются кожухотрубные теплообменники. Они представляют из себя пучок труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучок труб расположен внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой - в пространстве между кожухом и трубами.

Кожухотрубные теплообменники могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные.

Достоинствами кожухотрубных теплообменников являются: компактность; небольшой расход металла; легкость очистки труб изнутри, а недостатками - трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями; трудность очистки межтрубного пространства и трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

Кожухотрубные теплообменники могут использоваться как для нагрев, так и для охлаждения.

В качестве греющего агента в теплообменниках часто используется насыщенный водяной пар имеющий целый ряд достоинств:

- высокий коэффициент теплоотдачи;

- большое количество тепла, выделяемое при конденсации пара;

- равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре;

- легкое регулирование обогрева.



1. Описание технологической схемы

10% раствор CaCl₂ поступает в теплообменник Т-1, в котором нагревается горячим водяным паром. Количество поступающего 10% раствора CaCl₂ регистрируется датчиком FC-1. Температура раствора, выходящего из теплообменного аппарата Т-1, регистрируется прибором ТЕ-2.

После теплообменника Т-1 раствор поступает в емкость Е-1, снабженную мешалкой.

Помимо раствора соли на стадию приготовления инициатора приходят умягчённая вода, ронгалит, ТНФ и мыло канифоли. Раствор компонентов регистрируется датчиками FC-4,FC-5,FC-6 и FC-7 соответственно.

Уровень жидкости в емкости Е-1 регистрируется датчиком LC-3.

После Е-1 приготовленный раствор инициатора напарывается насосом Н-1 в реактор Р-1.

Помимо инициатора в реактор поступает углеводородная шихта, расход которой регистрируется датчиком FC-8. Давление в ректоре регистрируется датчиком РЕ-9; температура в реакторе регулируется датчиком ТЕ-11 (за счет циркуляции рассола).

Уровень в реакторе регистрируется датчиком LC-10.

После реактора Р-1 латекс направляется на брекетирование.

При обозначении элементов автоматизации используются следующие обозначения:

F - расход;

Т - температура;

P - давление;

L - уровень жидкости.

Второй идекс означает:

C - регулятор;

Е - регистратор.

2. Технологический расчет теплообменного аппарата

Горячий теплоноситель (водяной пар) t_1н=100⁰С, t_1к=40⁰С, G₁=22*10³ кг/ч.

Хладагент (CaCl₂,10%) t_2н=30⁰С, t_2к=95⁰С.

Р = 3,5 атм = 0,35 МПа

Определение поверхности стандартного теплообменного аппарата

Для определения поверхности стандартного теплообменного аппарата используем основное уравнение теплопередачи:

где, Q - тепловая нагрузка аппарата, кВт;

К - коэффициент теплопередачи, Вт/м²·К;

- средний температурный напор.

Расчет средней температуры теплоносителей

Их физические величины:

Плотность, кг/м³ ₁=980 ₂=1075,5

Вязкость, Па*с ₁=0,42*10^-3 ₂=0,855*10^-3

Удельная теплоемкость, Дж/кг*К с₁=4190 с₂=3623

Теплопроводность, Вт/м*К ₁=0,663 ₂=0,623

Расчет средней логарифмической разности температур при прямотоке и противотоке

Прямоток:

100>40

30>95

Противоток:

100>40

95<30

Расчёт тепловой нагрузки аппарата

Q = Q_конд + Q₁

Q₁ = G₁c₁(t_1н - t_1к)

Q_конд = G₁ · r_конд

где, r_конд = 2342 кДж/кг;

G₁ -массовый расход теплоносителя, кг/с(G₁=2200/3600)=6,11 кг/с);

с₁ - удельная теплоемкость водяного пара, Дж/(кг·К);

t1н и t1к - начальная и конечная температура теплоносителя.

Q_конд = 6,1111· 2342 = 14312,2 к Вт;

Q₁ = 6,1111 •4190•(100-40) = 1536330,54 кВт;

Q = 14312,1962+1536330,54= 1550642,74 кВт

Определение массового расхода хладагента (СаСl,10%)



G₂= Q/ c₂(t_2к - t_2н)

G₂ = 1550642,74/3623• (95-30) = 6,58 кг/с

G₂ = 6,58·3600=23704,59 кг/ч

Расчет ориентированной поверхности теплоносителя

Принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, Кор=800 Вт/м²•К [2. табл. 1]. Тогда ориентировочная поверхность теплообмена:

Для прямотока

Для противотока

где F - площадь теплопередающей поверхности, м²;

Q - тепловой поток в аппарате, Вт;

К - коэффициент теплопередачи, К_ор=const, Вт/м²·К [2. табл. 2.1]; ?t_ср - средняя разность температур между теплоносителями, °С,

(Выбираем наименьшую поверхность, т. е. прямоток)

Ориентировочный выбор теплообменника

Какой теплоноситель отправить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозийной активностью, способностью загрязнять поверхность теплообменника, расходом и др. В данном случае в трубное пространство с меньшим проходным сечением [2. табл. 2.3] целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом и поверхностью, т. е. водяной пар. Направляя поток холодной жидкости в межтрубное пространство, можно отказаться от теплоизоляции кожуха теплообменника.

Примем ориентировочное значение Re_ор=15000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах:

для труб диаметром d_н=202 мм:

для труб диаметром d_н=252 мм:

где, µ₁ - вязкость водяного пара, Па*с;

d_вн - внутренний диаметр труб, мм. Табличная величина труб теплообменников [2. табл. 2,3].

По справочным данным [2. Табл. 2.3] выбираем подходящий теплообменный аппарат, площадь поверхности которого сопоставима с ориентировочной площадью поверхности теплообмена:

F_ор=49 м²; D=600 мм; d_н=25х2 мм; z=4; n/z=206/4=51

где, F_ор - ориентировочная поверхность теплообмена;

D - диаметр кожуха, мм;

d_н - диаметр труб, мм;

n - Число труб, шт;

z - число ходов.

Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи

Расчет объемного расхода

V - объемный расход рабочей среды, м³/с; находят как:

V=

V₁ = = 0,0062 м³/с V₂ = = 0,0061 м³/с

Скорость теплоносителей

щ_тр - скорость рабочей среды, м/с; определяют, как:

в трубах:

щ_тр=

в межтрубном пространстве:

щ_мтр=

где f_тр - площадь проходного сечения трубного пространства выбранного аппарата; f_мтр = площадь проходного сечения межтрубного пространства выбранного аппарата.

щ₁ = щ₂ =

Расчет критериев

В трубном пространстве (СаСl₂)

Критерий Рейнольдса

Критерий Прандтля

Критерий Нуссельда

Для ламинарного движения

Nu₂ = 0,008Re₂^0,9Pr₂^0,43 = 0,008·3962^0,9·4,97^0,43 = 29,58

Коэффициент теплоотдачи для СаСl₂



₂ = = Вт/м²К

В межтрубном пространстве (водяной пар)

Критерия Рейнольдса

Критерий Прандтля

Критерий Нуссельда

При турбулентном режиме движения потока, критерий Нуссельта рассчитывается по формуле:

Nu₁ = 0,021Re₁^0,8 Pr₁^0,43=0,02119833,33^0,82,65^0,43 =87,49

Коэффициент теплоотдачи для водяного пара

₁ = = Вт/м²К

Расчёт теплового сопротивления стенки



где,_ст = 0,002 м - толщина стенки трубки;

_ст = 17,5 Вт/мК - теплопроводность нержавеющей стали[1 c.529];

r₁ = r₂ = 2900 мК/Вт - тепловое сопротивление загрязнений стенок, (примем, что вода хорошего качества) [1 c. 531];

Коэффициент теплопередачи

Требуемая поверхность

= 33 м²

Для выполнения условия:

Устанавливаем выбранный стандартный аппарат. Общая поверхность теплообмена F_ст = 49 м².

Запас поверхности теплообмена составляет:



4. Гидравлический расчет

Расчёт коэффициента трения для трубного пространства

= 0,05

где,

е = /d_вн = 0,2/21 = 0,0095 - относительная шероховатость стали,

= 0,2 мм - абсолютная шероховатость стали,

d_вн = 21 мм, внутренний диаметр трубы.

Скорость СаСl₂ в штуцерах теплообменника

щ_шт ==

Гидравлическое сопротивление трубного пространства

где lтр - длина теплообменной трубы, м; n - число ходов по трубному пространству; тр - коэффициент местного сопротивления; Wтр и Wшт - скорости потоков в трубах и штуцерах. [10. с. 29]

L - длина одного хода, м;

n - число ходов.



Па

Выбор стандартного насоса для СаСl₂

Н = + h = + 3 = 36 мм

Объемный секундный расход

Q_в.п. = = = 0,0061 м³/с

Из таблицы выбираем центробежный насос Х45/54. Технические характеристики насоса: Объёмный расход: 1,25м³/с; напор: 42 м ст. ж.; обороты: 48,3 с^-1; КПД: 0,88; тип двигателя: АО2-71-2; мощность 22 кВт [2 c.38].

Гидравлический расчет (водяного пара) межтрубного пространства

Число рядов труб омываемых в межтрубном пространстве [2. с. 69]



Скорость потока водяного пара в штуцерах в кожухе

щ_шт ==

Расчёт гидравлического сопротивления в межтрубном пространстве

Eu = b(2,7 + 1,7 m)Re^-0,28 = 0,83(2,7 + 1,7= 0,81

= = 723 Па

где Eu - критерий Эйлера; b- поправочный коэффициент, учитывающий угол между осью трубы и направлением движения потока; для кожухотрубчатых теплообменников b = 0,83; k - число поперечных перегородок; m - число рядов труб в пучке.

Эти сопротивления значительно меньше допустимого условием задачи, значит, выбранный теплообменник подходит.

Выбор стандартного насоса для СаСl₂

Н = + h = + 3 = 39,5 м

Объемный секундный расход

Q_СаCl2 = = = 0,0062 м³/с

Из таблицы выбираем центробежный насос Х45/54. Технические характеристики насоса: Объёмный расход: 1,25м³/с; напор: 42 м ст. ж.; обороты: 48,3 с^-1; КПД: 0,88; тип двигателя: АО2-71-2; мощность 22 кВт [2 c. 38].

где, Q_в.п - объемный расход водяного пара;

Н - напор;

h - высота установки теплообменника, произвольное значение 3 м.

5. Конструктивный расчет

Задачей гидравлических расчетов является расчет фактических скоростей движения теплоносителей в теплообменнике и его гидравлического сопротивления.

Расчёт диаметров штуцеров

При выборе стандартного теплообменника конструктивный расчет сводится к определению диаметра и подбора штуцеров.

м

Принимаем диаметр штуцеров для водяного пара: = 200 мм для CaCl₂:



Заключение

Мой был рассчитан на основе ГОСТа 15122-79 теплообменный кожухотрубный аппарат по данным расчета выбранная из справочника марка условно обозначается 600ТНГ-0,1-М1-25Г-3-4 где, 600- диаметр кожуха, мм; Т - теплообменник; 0,1 - условное давление в трубах и кожухе МПа; М1 - шифр теплообменных труб; 25 - диаметр теплообменных труб, мм; Г - трубки гладкие; 4 - длина труб, м; 4 - количество ходов по трубному пространству.



Список литературы

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - 10-е изд., доп. и перераб. -Л.: Химия, 1987. - 576 с.

2. Дытнерский. Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть вторая. - М.: Химия, 2005г. - 753 с.

3. Ануфриенко А.Л., Калекин В.С. Процессы и аппараты химической технологии. Гидравлические и тепловые процессы Учеб. пособие для практических занятий и самостоятельной работы студентов. Омск. Изд-во ОмГТУ, 2006. 124 с.

4. Зайцев И.Д., Асеев Г.Г. Физико-химические свойства бинарных и много компонентных растворов неорганических веществ. Справ. Изд. - М.: Чимия, 1988. 416 с.

5. Касаткин А.Г. Основные процесс и аппараты химической технологии. - изд. 12-е. - М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1961. - 830 с.

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

7. Калекин. В.С. Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии: Учеб. пособие. ОмГТУ, 2009/ - 248 c.

8. Калекин В.С. Процессы и аппараты химической технологии: Гидромеханические и тепловые процессы: Учеб. пособие. В 2 ч. - Омск: Издательство ОмГТУ, 2006. Ч. 1. - 212 с.

9. Рудин. М.Г. Краткий сбавочник нефтпереработчика. М.: ЦНИИЕЭнефтихим, 2004. - 336 с.

10. Савельев Н.И. Расчет и проектирование кожухотрубных теплообменных аппаратов: учеб пособие: Чебоксары. Изд. Чуваш. Ун-та. 2010. - 80 с.

Размещено на Allbest.ru

...