Гидравлический расчет. " Процессы и аппараты химической технологии"

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине

" Процессы и аппараты химической технологии"

на тему:

"Теплообменник-нагреватель"

Выполнил: ст. гр. 331

Ковнев А. В.

Проверил: Печенегов Ю. Я.

Саратов

Форма

Министерство образования и науки РФ

Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского

Факультет: химический Кафедра: химическая технология нефти и газа

УТВЕРЖДАЮ:

Зав. кафедрой Р. И. Кузьмина

«___»_______________2008г.

ЗАДАНИЕ

ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ

по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»

Студенту 3 курса 331 группы химического факультета

Фамилия Ковнев Имя Алексей Отчество Владимирович

Время выдачи задания 12 февраля 2008 г.

Срок выполнения проекта 6 мая 2008 г.

Защита проекта назначена на мая 2008 г.

1. Тема проекта «Теплообменник - нагреватель»

2. Исходные данные к проекту:

Рассчитать кожухотрубчатый теплообменник нагреватель зная параметры:

Если есть значительное температурное удлинение труб, то выбрать стандартный компенсатор.

3. Содержание расчетно-пояснительной записки

Введение

1. Технологическая схема и её описание

2. Расчеты

3. Заключительная часть, содержащая выводы по выполняемому проекту

Список использованной литературы

4. Перечень графического материала:

1 лист – технологическая схема; 1 лист – общие виды, разрезы и сечения

5. Эксплуатация и техника безопасности

Руководитель проекта

Задание принял к исполнению______________________________________

(Дата и подпись студента)

Оглавление

Задание…………………………………………………………….2

Введение…………………………………………………………...4

1. Тепловой расчет……………………………………………….9

2. Гидравлический расчёт……………………………………….15

3. Механический расчет………………………………………....16

4. Выводы…………………………………………………………18

Список использованной литературы

Приложение

Введение

Теплообменниками называются аппараты, в которых происходит теплообмен между рабочими средами независимо от их технологического или энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, конденсаторы, пастеризаторы, испарители, деаэраторы, экономайзеры и др.).

Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом, и реакторы, в которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.

Классификация теплообменников возможна по различным признакам.

По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники–рекуператоры, в которых тепло передаётся через поверхность нагрева – твёрдую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.

По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:

а) жидкостно–жидкостные – при теплообмене между двумя жидкими средами;

б) парожидкостные – при теплообмене между паром и жидкостью (паровые

подогреватели, конденсаторы);

в) газожидкостные – при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха).

г) газово-газовые - при теплообмене между газом и газом и др.

По тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.

Многотрубный кожухотрубчатый теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическую камеру (кожух); таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством. Трубки закреплены в трубные решетки, ограничивающие камеру со всех сторон. К трубным решеткам крепятся распределительные коробки с патрубками для впуска рабочей жидкости, протекающей внутри трубок. Камера снабжена также патрубками для подвода и отвода второго рабочего тела.

Трубки латунные, медные или стальные применяются диаметром от 10 мм и выше; трубки имеют большие диаметры при вязких или загрязненных жидкостях. Для помещения в кожухе большей поверхности теплообмена и получения большего коэффициента теплоотдачи выгоднее применять трубки меньшего диаметра.

Трубные решетки могут быть наглухо приварены или приклёпаны к корпусу, одна из решеток может быть не соединена с камерой. В этом случае уплотнение достигается резиновым кольцом, зажимающим щель между корпусом и решеткой, линзовыми компенсаторами и U образными трубками.

Кожух теплообменника обычно стальной, цилиндрический. Иногда для обеспечения свободы температурного расширения кожуха и трубок на кожухе устраивают компенсатор.

Кожухотрубчатые теплообменники. Они достаточно просты в изго­товлении, отличаются возможностью развивать большую поверх­ность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе.

Один из теплоносителей проте­кает по трубам, другой по меж­трубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому пере­дается через поверхность стенок труб. Обычно теплоносители подают в противоток. Такое движение теп­лоносителей способствует более эф­фективному переносу теплоты, так как при этом происходит совпадение направления движения каждого теп­лоносителя с направлением, в котором стремится двигаться данный теплоноситель под влиянием изменения его плотности при нагревании или охлаждении (в вертикальных теплообменниках). Наибо­лее распространенный способ размещения труб в трубных решет­ках по вершинам правильных шестиугольников (рис. 1 а).

Рис. 1

При­меняются и другие способы размещения труб (рис. 1 б, в). Важно выбрать способ размещения, который обеспечит максимально воз­можную компактность поверхности теплообмена в аппарате.

Для обеспечения хорошей герметизации теплообменников, что предотвращает смешение теплоносителей, разработан ряд способов крепления труб в трубных решетках (рис. 2). Наибольшее рас­пространение получил способ крепления развальцовкой (рис. 2 а, б). Способ крепления труб с помощью сальниковых уплотнений (рис.2 г) сложен и дорог, поэтому широкого распространения не получил. Сваркой (рис. 2 в) трубы крепятся в случае, если мате­риал, из которого они изготовлены, не поддается развальцовке, а также при большом давлении теплоносителя в межтрубном пространстве теплообменника.

Шаг размещения труб S при их закреплении развальцовкой выбирают в зависимости от наружного диаметра dн труб в пределах: S= (1.25-1.3)*dн

а б в г

Рис. 2. Способы крепления труб в трубных решетках:

а-развальцовка; б-развальцовка в отверстиях с канавками; в-сварка,

г-сальниковые уплот­нения

Одноходовой теплообменник, т. е. в этом теплообменнике оба теплоносителя, не изменяя направления, движутся по всему сечению (один по трубному, другой по межтрубному), в других случаях 2,4,6-ти ходовые теплообменники. Когда скорость движения теплоносителя невелика и, следовательно, низки коэффи­циенты теплоотдачи, целесообразно использовать многоходовые теплообменники по трубному пространству.

В многоходовом по трубному пространству теплообменнике (рис. 3) с помощью поперечных перегородок 2, установленных в крышках теплообменников, трубный пучок разделен на секции, или ходы, по которым последовательно движется теплоноситель. При этом число труб в каждой секции обычно примерно одинаковое.

Рис. 3

Многоходовый (по межтрубному пространству) кожухотрубчатыи теплооб­менник: 1-кожух, 2-перегородки; Ι и ΙΙ -теплоносители

Очевидно, что в таких теплообменниках при одном и том же расходе теплоносителя скорость его движения по трубам увеличива­ется кратно числу ходов. Для увеличения скорости в межтрубном пространстве в нем устанавливают ряд сегментных перегородок 2 (рис. 3). В горизонтальных теплообменниках эти перегородки являются одновременно промежуточными опорами для труб.

Увеличение скорости движения теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах теплообменника влечет за собой увели­чение его гидравлического сопротивления и усложнение конструк­ции теплообменника. В таких случаях необходимо определить экономически целесообразную скорость движения теплоносителя. Следует отметить, что в многоходовых теплообменни­ках по сравнению с противоточными движущая сила процесса несколько снижается в результате того, что они работают по принципу смешанного тока.

Если разность температур труб и кожуха достаточно велика (больше

50 °С), то трубы и кожух удлиняются существенно 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 разностях температур труб и кожуха более 50 °С и значительной длине труб применяют теплообменники нежесткой конструкции, в которых возможно перемещение труб по отноше­нию к кожуху аппарата.

На (рис. 4) представлены некоторые конструкции кожухотрубчатых теплообменников с компенсацией неодинаковости темпера­турных удлинений труб и кожуха.

Рис. 4.

Кожухотрубчатые теплообменники с компенсацией неодинаковости темпе­ратурных удлинений труб и кожуха:

а - теплообменник с линзовым компенсатором (полужесткая конструкция);

б - аппарат с плаваю­щей головкой;

в - аппарат с U-образными трубами; 1- кожухи; 2-трубы; 3-линзовый компенса­тор; 4-плавающая головка; Ι и ΙΙ- теплоносители

На (рис. 4) а показана схема теплообменника с линзовым ком­пенсатором 3 на корпусе. В этом аппарате температурные деформа­ции компенсируются осевым сжатием или расширением компенса­тора. Теплообменники с линзовыми компенсаторами применяют при небольших температурных деформациях (не более 10-15 мм) и невысоких давлениях в межтрубном пространстве (не более 0,5 МПа).

Теплообменник с плавающей головкой (рис. 4 б) применяют при значительных относительных перемещениях труб и кожуха, поскольку в нем одна из трубных решеток не соединена с кожухом и может свободно перемещаться вдоль оси при температурных удлинениях.

В теплообменнике с U-образными трубами (рис. 4 в) оба конца труб закреплены в одной трубной решетке, что позволяет трубам свободно удлиняться. В аппаратах этого типа, так же как и в аппарате с плавающей головкой, наружные стенки труб доволь­но легко очищать от накипи и загрязнений при выемке всей трубчатки из кожуха. Однако в этом аппарате усложняется монтаж труб, затруднена очистка их внутренних стенок.

Элементные теплообменники представляют собой ряд последо­вательно соединенных одноходовых кожухотрубчатых теплообменников (элементов), что позволяет существенно повысить скорость движения теплоносителей в межтрубном и трубном пространствах без использования перегородок. Теплоносители последовательно проходят через все элементы. В межтрубных пространствах эле­ментных теплообменников можно создавать большие давления, так как диаметр кожуха элементов мал. В этих теплообменниках процесс протекает практически при чистом противотоке. Однако элементные теплообменники, по сравнению с многоходовыми кожухотрубчатыми, при одинаковой поверхности теплопередачи более громоздки и требуют большего расхода металла на их изготов­ление.

Задачей настоящего проекта является: расчет и выбор теплообменника из числа стандартных теплообменников для нагрева при заданных условиях.

Тепловой расчет

Теплообменник работает в условиях высокого давления, коррозионной среды и высоких температур. Конструкция теплообменника должна быть компактной, простой и надёжной в работе. В соответствии с этими требованиями выбираем кожухотрубчатый теплообменник с легированными стальными цельнотянутыми трубами, диаметр, длина и другие параметры принимаются согласно сортамента.

Исходя из коррозиционной активности хлорбензола, принимаем, что нагреваемый хлорбензол проходит по трубам, а водяной пар по межтрубному пространству.

Физические свойства теплоносителей при их средних температурах:

Хлорбензол:

плотность жидкости r= 1029 кг/м³,

теплопроводность l = 0,117 Вт/(м×К),

вязкость жидкости m = 0,36*10^-3 Па×с,

теплоемкость жидкости c = 1508 Дж/(кг×К),

Водяной пар:

удельная теплота конденсации r = 2120000 Дж/(кг*К),

Стенка:

теплопроводность стали l_ст = 46,5 Вт/(м×К),

тепловая проводимость загрязнений 1/r_загр.≈ 5800 Вт/(м²×К),

со стороны пара

тепловая проводимость загрязнений 1/r_загр.≈ 5800 Вт/(м²×К),

со стороны хлорбензола

теплопроводность l = 0.1095Вт/(м×К),

вязкость m =0.275*10^-3 Па×с,

теплоемкость c = 1655 Дж/(кг×К),

Температурная схема:

151,7— 151,7

30 → 130

Δt_б=121,7 Δt_м=21,7;

Рис. 5

Средняя разность температур:

Δt_ср=(Δt_б-Δt_м)/ln(Δt_б/Δt_м)=(121,7-21,7)/ln(121,7/21,7)=58^oC=58^oK; ¹

Средняя температура хлорбензола:

t₂=t₁-Δt_ср=151.7-58=93.7^oC;

Расход хлорбензола:

G₂=20000/3600=5.55 кг/с;

Объёмный расход хлорбензола:

V₂=G₂/p₂=5.55/1029=0.00539 м³/с;

Расход тепла на нагрев хлорбензола:

Q=G₂c₂(t_2к-t_2н)=5,55*1508*(130-30)=836940 Вт;

1 - [2, c 226]

Расход сухого греющего пара с учётом 5% потерь теплоты:

G₁=1.05Q/r=1.05*836940/2120*10³=0.4 кг/с;

Ориентировочно определяем величину площади поверхности теплообмена:

F=Q/K*Δt_ср=836940/500*58=28.86 м²;

Скорость течения хлорбензола при Re₂>10000 должна быть больше ω₂`:

ω₂`=10000μ₂/d₂p₂=10000*0.36*10^-3/0.021*1029=0.166 м/с;

Число труб 25х2 мм, обеспечивающих объёмный расход хлорбензола при Re₂=10000:

n`=V<sub>2</sub>/0.785d<sub>2</sub><sup>2</sup> ω<sub>2</sub>`=0.00539/0.785*0.021²*0.166=93.8;

Выбираем шестиходовой теплообменник:

F =31 м²,

D =600 мм,

N =196, (в одном ходе 32,6)

L =2 м,

S_т=1,1*10² м²,

S_м=4,5*10² м²,

n_p=14.

Значение критерия Re₂:

Re₂=10000*(n`/n)=10000*(93.8/32.6)=28773;

Критерий Приндтля для хлорбензола при 93⁰C:

Pr₂=c₂*μ₂/λ₂=1508*0.36*10^-3/0.117=4.64;

Вычисляем критерий Нусельта:

Nu₂=d_{вн. тр}*Re₂^0.8*Pr₂^0.43*(Pr₂/Pr_ст.₂)^0.25ε_l=0.021*28773^0.8*4.64^0.43*1.05*1=157;

Отношение (Pr₂/Pr_ст.₂)^0.25 принято равным 1,05 (с последующей проверкой).

Вычисляем коэффициент теплоотдачи:

α₂=Nu₂*λ₂/d_вн=157*0.117/0.021=874 Вт/(м²*К);

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб:

В нашем случае известноG₁ =0,4 кг/с и N=196. Поэтому используем зависимость α₁=f(n, L, G) с учетом влияния примеси воздуха 0,5%

α₁=2.02*ε*ε_г* B_t(n/G₁)^1/3L^1/3=2.02*0.62*0.6*1132*(196/0.4)^1/3*L^1/3=6706

где ε-коэффициент для шахматного расположения труб в пучке и при числе рядов труб по вертикали np=14, ε=0,62; ε_г –коэффициент, зависящий от содержания воздуха в паре ε_г=0,6; B_t=1132.

Зададимся длиной труб равной 2 м. Имеем:

α₁ = 6706*2^1/3 = 8447 Вт/(м²*К);

Рассчитываем тепловую проводимость загрязнений:

со стороны греющего пара 1/r_загр.1≈ 5800 Вт/(м²*К),

со стороны хлорбензола 1/r_загр.2≈ 5800 Вт/(м²*К)

1/∑ст=1/1/5800+0,002/46,5+1/5800=2580 Вт/(м²*К);

Коэффициент теплопередачи:

K=1/1/α₁+1/∑r_ст+1/α₂=1/1/8447+1/2580+1/874=606 Вт/(м²*К);

Поверхностная плотность теплового потока:

q=K*Δt_ср=606*58=35148 Вт/м²;

Проверяем принятое значение (Pr₂/Pr_ст.₂)^0.25. Определяем:

Δt₂=q/α₂=35148/874=40^oC;

t_ст.2=t₂+Δt₂=93+40=133^oC;

Pr_ст.2=c_ст.2μ_ст.2/λ_ст.2=1655*0.275*10^-3/0.1095=4.15;

Следовательно:

(Pr₂/Pr_ст.₂)^0.25=(4,64/4,15)^0,25=1,028;

Было принято (Pr₂/Pr_ст.₂)^0.25=1,05. Разница ~ 2%. Расчет K закончен.

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

F_р=Q/K*Δt_ср=836940/606*58=23,81 м²;

Коэффициент теплоотдачи α₁=8447 >> α₂=874 Вт/(м²*К), поэтому расчетным диаметром при определении поверхности труб следует принять d_вн=0,021 м.

Аппарат с =2 м имеет площадь поверхности теплообмена:

F=π*d*n*L=3.14*0.021*196*2=25.84 м²;

Запас площади поверхности теплообмена:

((25,84-23,81)/23,81)*100%= 8,52%;

Запас площади поверхности теплообмена достаточен.

Произведем уточненный расчет.

Уточняем скорость движения хлорбензола в трубном пространстве:

ω_в=G₁/ρ*S_т=5,55/1029*0,011=0,49 м/с;

Для определения уточненного критерия Рейнольдса находим значение d_э:

d_э=D²-n*d²_внешн./D+n*d _внешн=.0.6²-196*0.025²/0.6+196*0.025=0.043 м;

Уточненный критерий Рейнольдса:

Re_ут.=ω_в*d_э*ρ/μ=0.49*0.043*1029/0.36*10^-3=60225;

Критерий Нуссельта:

Nu=1.72*(d_э*Re_ут.)^0.6*Pr^0.33=1.72*(0.043*60225)^0.6*4.64^0.33=318;

Коэффициент теплоотдачи:

α=Nu*λ/d_э=318*0,117/0,043=865 Вт/(м²*К);

Коэффициент теплопередачи:

K=1/1/α₁+1/∑r_ст+1/α=1/1/8447+1/2580+1/865=601 Вт/(м²*К);

Площадь поверхности теплообмена:

F=Q/K*Δt_ср=836940/601*58=24 м²;

Таким образом, уточнённый расчёт поверхности теплообмена согласуется с ранее выполненным.

Запас площади поверхности теплообмена:

((25,84-24)/24)*100%=7,66%;

Уточненный расчёт закончен.

Гидравлический расчет

Скорость хлорбензола в трубном пространстве

ω_тр=G₁/S_тр*ρ=0,49 м/с; ¹

Коэффициент трения определяем по формуле:

λ=0,25*{lg[e/3,7+(6,81/Re_тр)^0,9]}^-2 =0,25*{lg[0,2*10^{- 3}/0,021*3,7+(6,81/60225)^0,9]}^-2 = 0,0386;

e=Δ/d=0,2/0,021=9,52 м;

где е-шероховатость труб, Δ-высота выступов шероховатостей

ω_тр.ш=G*z/(π*d_тр.ш²*ρ)=5,55*6/(3,14*0,15²*1029)=0,458 м/с;

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве равно:

Δp_тр=λ*(L*z/d)* (ω_тр²*p_тр/2)+[2,5*(z-1)+2*z]*(ω_тр²*p_тр/2)+3*(ω_тр.ш²*p_тр/2)=

0,0386*(82,5/0,021)*(0,49²*1029/2)+[2,5(6-1)+2*6]*

(0,49²*1029/2)+3*(0,458²*1029/2)=21998 ПА ≈ 0,02 мПА.

Гидравлический расчет закончен.

Так как ΔР_допол ≥ Δp_тр, то можно считать, что теплообменник для нагрева хлорбензола водяным паром выбран верно.

1 - [1, c 68]

Поиск по сайту: