Кожухотрубный теплообменник для конденсации.. Розрахункова робота з Інші. Робота № 400510

Кожухотрубный теплообменник для конденсации.

Інформація про навчальний заклад

ВУЗ:

Національний університет Львівська політехніка

Інститут:

Не вказано

Факультет:

Не вказано

Кафедра:

Не вказано

Інформація про роботу

Рік:

2015

Тип роботи:

Розрахункова робота

Предмет:

Інші

Завантажити

Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):

Кожухотрубный теплообменник для конденсации 8 т/ч паров анилина. Охлаждающий агент – вода c начальной температурой 20, конечной 35 С . SHAPE \* MERGEFORMAT Введение Конденсация паров может осуществляться либо охлаждением паров, либо охлаждением и сжатием одновременно. По способу охлаждения различают конденсаторы смешения и поверхностные конденсаторы. В конденсаторах смешения пар непосредственно соприкасается с охлаждающей водой и получающийся конденсат смешивается с последней. В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на наружной поверхности труб, омываемых с другой стороны водой или воздухом. Недостатком поверхностных конденсаторов является большая металлоемкость и большой расход охлаждающего агента. Последнее объясняется тем, что стенка, разделяющая участвующие в теплообмене среды, оказывает добавочное термическое сопротивление. Это вызывает необходимость повышения средней разности температур. В качестве поверхностных конденсаторов наиболее часто используются 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. В соответствии с ГОСТ 15121-79, теплообменники могут быть двух- четырех - и шестиходовыми по трубному пространству. Достоинствами кожухотрубных теплообменников являются: компактность; 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. Технологическая схема Пары анилина поступают в межтрубное пространство теплообменника ТО. В трубное пространство с помощью центробежного насоса ЦН подается охлаждающая вода. За счет нагревания воды на поверхности труб происходит конденсация паров анилина и конденсат самотеком поступает в приемную емкость ПЕ, а вода сбрасывается в канализацию или используется в качестве оборотной Пары анилина ЦН ТО ПЕ Оборотная вода Рис. 1 Технологическая схема установки для конденсации паров анилина Выбор конструкционного материала Так как анилин является корозионно активным веществом, то в качестве конструкционного материала выбираем сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, устойчивую в агрессивных средах при температурах до 600 С. 3. Тепловой и материальный расчет 3.1. Температурный режим аппарата. Температура и теплота конденсации анилина: tк =184 С [1 c.541], rк = 436 кДж/кг [1 c.542]. Начальная температура воды t2н = 20 С, конечная t2к = 35 ºС. tк t2к t2н t F tм tб Рис. 2 Схема движения теплоносителей 3.2. Средняя разность температур: Δtб = tк – t2н =184 – 20 =164 ºС Δtм = tк – t2к =184 – 35 =149 ºС Так как отношение Δtб/Δtм =164/149 = 1,09 < 2, то Δtср = (Δtб + Δtм)/2 = (164+149)/2 = 156,5 ºС Средняя температура воды: t2ср = tк – Δtср =184 –156,5 = 27,5 ºC. 3.3. Тепловая нагрузка аппарата. Запишем уравнение теплового баланса: Q = G1rк = G2c2(t2к - t2н), где с2 = 4,19 кДж/кг∙К – теплоемкость воды [1 c.537] G1 и G2 - массовый расход паров анилина и воды. G1 = 8000/3600 = 2,22 кг/с, Q = 2,22436 = 969 кВт Из уравнения теплового баланса находим расход охлаждающей воды: G2 = Q/c2(t2к - t2н) = 969/4,19(35 – 20) = 15,4 кг/с. 3.5. Ориентировочный выбор теплообменника. Охлаждающая вода поступает в трубное пространство, а пары Анилина конденсируются. Принимаем ориентировочное значение критерия Рейнольдса Reор = 15000, соответствующее развитому турбулентному режиму движения жидкости, при котором обеспечиваются наилучшие условия теплообмена. Число труб приходящееся на один ход теплообменника: n/z = G2/0,785Reорdвнμ2, где dвн – внутренний диаметр трубок, μ2 = 0,842∙10-3 Па∙с – вязкость воды при 27,5 ºС [1 c. 537]. для труб 20×2 dвн = 0,016 м n/z = 15,4/0,785∙15000∙0,016∙0,842∙10-3 = 97. Принимаем также ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор = 500 Вт/м2∙К [1 c. 172], тогда ориентировочная поверхность теплообмена: Fор = Q/Kор Δtср = 969,0∙103/500∙156,5 = 12 м2. Принимаем по ГОСТ 15120-79 теплообменник с близкой поверхностью теплообмена: 2-х ходовой с диаметром кожуха 325 мм и 90 трубками 20×2 [2c.51]. Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде: 2 = Nu22/dвн, где 2 = 0,611 Вт/мК – теплопроводность воды при 27,5 С [1c.537], Nu2 – критерий Нуссельта для воды. Фактическое значение критерия Рейнольдса: Re2 = G2/[0,785dвн(n/z)2 = 15,4/[0,7850,016(90/2)0,84210-3 = 32360. Режим движения турбулентный в этом случае критерий Нуссельта: Nu2 = 0,021Re20,8Pr20,42(Pr2/Prст2)0,25, где Рr2 = 5,76 – критерий Прандтля для воды при 27,5 С [1c.537]. Принимаем в первом приближении отношение (Pr2/Prст2)0,25 = 1, тогда Nu = 0,021323600,85,760,43 = 180,8. 2 = 180,80,611/0,016 = 6904 Вт/м2К. 3.7. Коэффициент теплоотдачи от анилина к стенке: EMBED Equation.3 , где 1 = 872 кг/м3 – плотность анилина [1c.512], 1 = 0,3210-3 Пас – вязкость анилина [1c.516], 1 = 0,154 Вт/(мК) – теплопроводность [1c.561] Физико-химические свойства анилина взяты при температуре конденсации 184 С. 1 = 3,780,154[87220,02090/(0,32010-32,22)]1/3 = 724 Вт/(мК). 3.8. Тепловое сопротивление стенки: EMBED Equation.3 где ст = 0,002 м – толщина стенки трубки; ст = 17,5 Вт/мК – теплопроводность нержавеющей стали [1 c.529]; r1 = r2 = 1/5800 мК/Вт – тепловое сопротивление загрязнений сте- нок [1 c/531]; (/) = 0,002/17,5 + 1/5800 + 1/5800 = 4,610-4 мК/Вт. 3.9. Коэффициент теплопередачи: K = 1/(1/1+(/)+1/2) = 1/(1/6904+4,610-4+1/724) = 504 Вт/м2К. Температуры стенок: tст1 = tк – Кtср/1 = 184,0 – 504156,5/724 = 75,1 С, tст2 = tср2 + Кtср/2 = 27,5 + 504156,5/6904 = 38,9 С. Уточняем коэффициенты теплоотдачи. Температура пленки конденсата: tпл = (tк+tст1)/2 = (184+75,1)/2 =129,6 С. Физико-химические свойства анилина при температуре пленки 129,6 С. 1 = 922 кг/м3 – плотность [1c.512], 1 = 0,44010-3 Пас – вязкость [1c.516], 1 = 0,163 Вт/(мК) – теплопроводность [1c.561] 1 = 3,780,163[92220,02090/(0,44010-32,22)]1/3 = 716 Вт/(мК). Критерий Прандтля для воды при tст2 = 38,9  Prст2 = 4,43 [1c.537] 2ут = 2(Pr/Prст2)0,25 = 6904(5,76/4,43)0,25 = 7372 Вт/м2К. Уточняем коэффициент теплопередачи: K = 1/(1/7372+4,610-4+1/716) = 502 Вт/м2К. Температуры стенок: tст1 = tк – Кtср/1 = 184,0 – 502156,5/716 = 74,3 С, tст2 = tср2 + Кtср/2 = 27,5 + 502156,5/7372 = 38,2 С. Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейших уточнений не требуется. Поверхность теплообмена: F = Q/Ktср = 969,0103/502156,5 = 12,3 м2 Выбираем теплообменник с ближайшей большей поверхность тепло- Обмена: 2х ходовой теплообменник с длиной труб 3 м, у которого по- верхность теплообмена 17 м2 [2 c.51]. Конструктивный расчет 4.1. Толщина обечайки:  = DP/2 +Cк, где D = 0,3 м – внутрений диаметр аппарата; P = 0,1 МПа – давление в аппарате;  = 138 МН/м2 – допускаемое напряжение для стали [2 c.76];  = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва [2 c.77]; Cк = 0,001 м – поправка на коррозию.  = 0,30,1/21380,8 + 0,001 = 0,002 м. Согласно рекомендациям [3 c.24] теплообменник изготовляется из труб диаметром 32512, т.о. толщина обечайки = 12 мм. 4.2. Днища. Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [3 c.25], толщина стенки днища 1 = = 12 мм. 80 25 325 Рис. 3 Днище теплообменника 4.3. Штуцера. Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле: d = EMBED Equation.3 , где G – массовый расход теплоносителя,  - плотность теплоносителя, w – скорость движения теплоносителя в штуцере. Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 2,5 м/с, скорость пара в штуцере 25 м/с, тогда диаметр штуцера для входа паров анилина Плотность паров анилина при температуре конденсации: EMBED Equation.3 , где М = 93 – молекулярная масса анилина Т0, Р0 – температура и давление в нормальных условиях. 1 = 93273101/(22,4457101) = 2,48 кг/м3. d1 = (2,22/0,785252,48)0,5 = 0,183 м, принимаем d1 = 150 мм; диаметр штуцера для выхода конденсата: d2 = (2,22/0,7852,5922)0,5 = 0,035 м, принимаем d2 = 40 мм; диаметр штуцера для входа и выхода воды: d3,4 = (15,4/0,7852,5996)0,5 = 0,088 м, принимаем d3,4 = 80 мм. Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже: EMBED KompasFRWFile Рис. 5 Фланец штуцера Опоры аппарата. Максимальная масса аппарата: Gmax = Ga+Gв = 740+212 = 952 кг = 0,009 МН, где Ga = 740 кг – масса аппарата [2 c.56] Gв – масса воды заполняющей аппарат. Gв = 10000,7850,3023 = 212 кг Принимаем, что аппарат установлен на двух опорах, тогда нагрузка приходящаяся на одну опору: Gоп = 0,009/2 = 0,0045 МН По [4 c.673] выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,01МН. EMBED KompasFRWFile Рис. 6 Опора аппарата. 5. Гидравлический расчет 5.1. Скорость воды в трубах: wтр = G2z/(0,785dвн2n2) = 15,42/(0,7850,016290996) = 1,71 м/с. 5.2. Коэффициент трения: EMBED Equation.3 , где е = /dвн = 0,2/16 = 0,0125 – относительная шероховатость,  = 0,2 мм – абсолютная шероховатость.  = 0,25{lg[(0,0125/3,7)+(6,81/32360)0,9]}-2 = 0,041. Скорость воды в штуцерах: wшт = G2/(0,785dшт22) = 15,4/(0,7850,082996) = 3,07 м/с Гидравлическое сопротивление трубного пространства: EMBED Equation.3 = 0,0413,021,712996/(0,0162) + [2,5(2-1)+22]1,712996/2 + 33,072996/2 = = 34741 Па 5.5. Подбор насоса для воды. Объемный расход воды и напор, развиваемый насосом: Q2 = G2/2 = 15,4/996 = 0,015 м3/с, Н = Ртр/g + Н = 34741/9969,8 + 3 = 6,6 м. По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х90/19 [2 c.38], для которого Q = 0,025 м3 и Н = 13,0 м [2 c.20]. Литература Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с. Разработка конструкции химического аппарата и его графической мо- дели. Методические указания. – Иваново, 2004. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры – Л. «Машиностроение», 1975.

Розрахункова робота Інші

2015

Коментарі

Ви не можете залишити коментар. Для цього, будь ласка, або зареєструйтесь.

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

поділитись