Расчет кожухотрубчатого теплообменника

МИНОБРНАУКИ РФ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ  ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине

«Процессы и аппараты химической технологии»

на тему:

РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

 

 

 

 

 

 

 

Студент IV —  ХТ — 2 Усова В.Д.

Преподаватель Скороход А.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

Самара 2012

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Описание технологической  схемы                                                                  6стр.

2. Описание конструкций аппарата и обоснование его выбора                       8стр.

3. Технологический расчет                                                                                 10стр.

4. Гидравлический расчет                                                                                   20стр.

5. Вывод                                                                                                                24стр.                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

    Теплообменные аппараты – устройства, в которых теплота переходит от одной среды к другой. Теплообмен между теплоносителями является одним из наиболее важных и часто используемых в технике процессов, поэтому теплообменники получили широкое применение в промышленности.

В зависимости  от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

1. Поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между обменивающимся теплом  средами происходит через разделяющую их

     поверхность  теплообмена - глухую стенку.

2. Теплообменники смешения,  в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

    Значительно реже применяют в химической промышленности регенеративные теплообменники, в которых нагрев жидких сред происходит за счет их соприкосновения с ранее нагретыми телами -  насадкой, заполняющей аппарат, периодически нагреваемой другими теплоносителями.

Поверхностные теплообменники наиболее распространены , и их конструкции  весьма разнообразны.

    В химической технологии применяют теплообменники, изготовленные из самых различных металлов (углеродистых и легированных сталей, меди, титан и др.), а также  из не металлических материалов, например графита, тефлона и др. Выбор материала диктуется в основном его коррозионной стойкостью и теплопроводностью.

     Конструкции теплообменников должны отличатся простотой, удобством монтажа и ремонта. В ряде случаев конструкция теплообменника должна обеспечивать возможность меньшее загрязнение поверхности теплообмена и быть легко доступной для осмотра и очистки.

 

 Для теплообменников  производят тепловой расчет. Тепловой  расчет теплообменных аппаратов  может быть проектным и поверочным. Проектные тепловые расчеты выполняют  при проектировании новых аппаратов  для нахождения поверхности теплообмена.  Поверочные тепловые расчеты выполняют при известной поверхности нагрева теплообменника с целью определения количества переданной теплоты и конечных температур рабочих жидкостей. При рассмотрении теплообменных аппаратов с непрерывно изменяющейся температурой теплоносителей различают аппараты:

• прямоточные
• противоточные
• перекрестного тока
• смешанного тока

Теплообмен и гидравлическое сопротивление связаны со скоростью  движения теплоносителей, то есть последняя  должна выбираться в некоторых оптимальных  пределах, определяемых стоимостью поверхности теплообмена аппарата данной конструкции и стоимостью затрачиваемой энергии при эксплуатации аппарата. Чем больше скорости теплоносителей, тем выше коэффициент теплопередачи и тем компактнее для заданной тепловой производительности теплообменник, а значит меньше капитальные затраты, но при этом растет сопротивление потоку и возрастают эксплуатационные затраты. При проектировании теплообменных аппаратов необходимо решать совместно задачу теплообмена и гидравлического сопротивления и найти наивыгоднейшие характеристики.

Задачей конструкторов  является разработка теплообменных  аппаратов с наименьшей затратой материала на единицу переносимой  в нем теплоты. Для этого нужно  увеличивать значения Δt_ср и К при одновременном уменьшении мощностей, необходимых на прокачку теплоносителей.

В данном проекте я  выбрал кожухотрубчатый теплообменник. Эти теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников.

В кожухотрубчатом теплообменники одна из обменивающих  теплом сред движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая в межтрубном пространстве. 

Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу  вверх, а среду, отдающую тепло, - в  противоположном направлении. Такое направление движения  каждой среды совпадает с направлением, в котором стремиться двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или охлаждении.

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          

 

  1.ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

 

Рис.1. Технологическая схема экстракционного выделения ароматических углеводородов

1-экстракционная колонна; 2-скрубер; 3-теплообменник; 4- колонна  экстрактивной перегонки; 5-сепаратор; 6-колонна рекуперации экстрагента.

Исходную углеводородную фракцию подают в нижнюю часть экстракционной колонны 1, где она движется вверх противотоком к экстрагенту, вводимому в верхнюю часть колонны. Пространства под и над местом ввода потоков играют роль сепараторов. Рафинат с верха колонны уносит некоторое количество экстрагента, и для его рекуперации рафинат промывают в скрубере 2 водой, после чего используют как топливо. Насыщенный экстрагент с низа колонны 1 подогревают в теплообменнике 3 горячим регенерированным экстрагентом и направляют в колонну 4, где осуществляется экстрактивная отгонка ароматических углеводородов с водой. В сепараторе 5 воду отделяют и возвращают в колонну 4, а смесь ароматических углеводородов подают на окончательную ректификацию. Экстрагент с низа колонны 4 после охлаждения возвращают  на экстракцию, а часть его выводят на регенерацию в колонну 6, где от него отгоняют излишнее количество воды и очищают от продуктов конденсации. Основной фракцией является бензол и толуол.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ АППАРАТА И ОБОСНОВАНИЕ ЕГО ВЫБОРА

В данной работе рассчитываем конструкцию вертикального кожухотрубчатого теплообменника жесткого типа при производстве толуола.

Кожухотрубчатый вертикальный шестиходовой  теплообменник с неподвижными трубными решетками состоит из цилиндрического корпуса, который с двух сторон ограничен приваренными к нему трубными решетками с закрепленными в них греющими трубами. Пучок труб делит весь объем корпуса теплообменника на трубное пространство, заключенное внутри греющих труб, и межтрубное. К корпусу прикреплены с помощью болтового соединения два днища. Для ввода и вывода теплоносителя и хладоагента корпус и днища имеют патрубки. Вода вводится в трубное пространство, проходит по трубкам и выходит из теплообменника через патрубок в верхнем днище. Жидкость направляется в межтрубное пространство теплообменника, омывает снаружи трубы и выводится из корпуса теплообменника через патрубок.

Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и  занимают меньшую производственную площадь. Отвод конденсата из трубного пространства конструктивно упрощается.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2 - Шестиходовой кожухотрубчатый теплообменник

1 - корпус; 2 - трубная решетка; 3 - трубы; 4,,5-крышки, 6- перегородки 7 – перегородки межтрубном пространстве;

 

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

1. Определение средней разности температур.

Средняя разность температур для противоточной  схемы движения:

                                    

                                                   

100˚   

  80˚

94 ˚

60˚

                     ;

 

 

Средняя разность температур рассчитывается по формуле:

Для дальнейших расчетов потребуются найти средние температуры конденсата и сырья. Так как температуры отличаются не более чем в два раза, то среднюю разность температур можно приближенно определить как среднеарифметическую между ними.

 

 

Средняя температура воды:

 

Средняя температура  толуола:

2. Определение свойств  теплоносителей.

Свойства насыщенного водяного пара и парового конденсата берем из справочной литературы (Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов). Все полученные значения сводим в таблицу.

Направим воду в трубное  пространство теплообменника, а толуол – в межтрубное. Оборотная вода, насыщенная кислородом воздуха, будет  вызывать коррозию трубного пучка и  крышек аппарата, корпус корродировать  не будет, что также более выгодно.

Трубное пространство. Вода:

Плотность [4, стр. 512]:

Теплоемкость [4, стр. 562]:

Вязкость [4, стр. 556]:

Теплопроводность [4, стр. 561]:

Межтрубное пространство: толуол

Плотность [4, стр. 512]:

Теплоемкость [4, стр. 562]:

Вязкость [4, стр. 556]:

Теплопроводность [4, стр. 561]:

Теплофизические свойства потоков

Таблица 1

 

Свойство	Сырьё(толуол)	Теплоноситель(вода)
Средняя температура, 0С	77	90
Плотность, кг/м3	811	965
Теплоемкость, Дж/(кг∙К)	1759,5	3771
Вязкость, Па∙с	0,3283∙10-3	0,315∙10-3
Теплопроводность, Вт/(м∙К)	0,1279	0,680

 

3. Определение тепловой нагрузки и расхода горячей воды.

Тепловую нагрузку Q в соответствии с заданными технологическими условиями находим из уравнения:

Требуемый теоретический  расход горячей воды составит:

4. Приближенная оценка коэффициента теплопередачи и ориентировочной поверхности теплообмена.

Практика обследования огромного числа теплообменных аппаратов позволила собрать сведения о фактических значениях коэффициентов теплопередачи для разных случаев теплообмена. Нам остается лишь  выбрать интересующий случай теплообмена и принять рекомендуемое значение коэффициента теплопередачи. При передачи теплоты от воды к органическому веществу рекомендуется диапазон значений коэффициента теплопередачи .[1,стр 47]. Принимаем коэффициент теплопередачи К_ор = 150 . Тогда ориентировочная площадь поверхности теплопередачи согласно уравнению

Составит

Теперь по значениям  ориентировочной поверхности теплопередачи  выбираем кожухотрубчатый теплообменник жесткого типа со следующими характеристиками:

поверхность теплопередачи  ;

диаметр кожуха _,

общее число труб ;

длина труб ;

площадь трубного пространства ;

площадь межтрубного пространства (вырез перегородки) ;

число ходов

число рядов труб по вертикали

5. Определение коэффициента  теплоотдачи  для горячей воды (трубное пространство)

Определим объемный расход теплоносителя:

Определим среднюю скорость воды в трубах трубного пучка:

Значение критерия Рейнольдса для трубного пространства определим  по уравнению:

 

Определим значение критерия Прандтля для воды при 90˚C [4, стр. 563]

Для определения критерия Нуссельта используется уравнение [5, стр.284]:

Gr =5,41*10⁶

 

Тогда коэффициент теплоотдачи  буден равен: