Кожухотрубный теплообменник.. Розрахункова робота з Інші. Робота № 400511

Кожухотрубный теплообменник.

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 нагрева 10 т/ч толуола от 35 до 110 С. Греющий пар с давление 0,3 МПа. SHAPE \* MERGEFORMAT 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. По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов: - поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через поверхность стенки; - регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника; - смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей. В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубные, оросительные, погруженные и "труба в трубе". Одним из самым распространенным типом теплообменников являются кожухотрубные теплообменники. Они представляют из себя пучек труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучек 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; небольшой расход метала; 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. Технологическая схема Исходный толуол с помощью центробежного насоса ЦН подается в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменника ТО. В трубное пространство теплообменника поступает греющий пар, конденсирующийся на поверхности трубок, образовавшийся конденсат сбрасывается в линию оборотного водоснабжения. Нагретый за счет теплоты конденсации пара толуол из теплообменника самотеком поступает в приемную емкость ПЕ. EMBED KompasFRWFile Рис.1 Технологическая схема 2. Выбор конструкционного материала Так как толуол является агрессивным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632 – 72, которая используются для изготовления деталей химической аппаратуры работающей в агрессивных средах при температурах до 600 ºС [4c59]. 3. Тепловой и материальный расчет 3.1. Температурный режим аппарата. Температура конденсации насыщенного водяного пара при давлении Р=0,3 МПа tк = 133,5 С [1c.550]. t2к t2н tк EMBED MSGraph.Chart.8 \s Рис. 2 Схема изменения температур в теплообменнике. tб = tк – t2н = 133,5 – 35 = 98,5 С. tм = tк – t2к= 133,5 –110 = 23,5 С. так как tб/tм = 98,5/23,5 = 4,2 > 2 то средняя разность температур: Δtср = (Δtб – Δtм)/ln(Δtб/Δtм) = (98,5 – 23,5)/ln(98,5/23,5) = 52,3 ºС Средняя температура толуола: t2ср = t2к – tcр = 133,5 – 52,3 = 81,2 С. 3.2. Тепловая нагрузка аппарата: Q = 1,05G2c2(t2н – t2к), где с2 = 1,80 кДж/(кгK) – теплоемкость толуола [1c. 564], G2 = 10000/3600 = 2,78 кг/с – массовый расход толуола, 1,05 – коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду. Q = 1,052,781,80(110–35) = 394,1 кВт. Расход греющего пара: G1 = Q/r = 394,1/2163 = 0,182 кг/с, где r = 2208 кДж/кг – теплота конденсации пара при давлении 0,2 МПа. 3.3. Ориентировочный выбор теплообменника. Греющий пар конденсируется в межтрубном пространстве, а ацетон движется по трубам. 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 = 0,31∙10-3 Па∙с – вязкость толуола при 81,2 ºС [1 c. 516]. для труб 25×2 dвн = 0,021 м n/z = 2,78/0,785∙15000∙0,021∙0,31∙10-3 =36. Принимаем также ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор = 500 Вт/м2∙К [1 c. 172], тогда ориентировочная поверхность теплообмена: Fор = Q/Kор Δtср = 394,1∙103/500∙52,3 =15 м2. Принимаем 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 раствору 2 = Nu22/dвн, где 2 = 0,123 Вт/мК – теплопроводность толуола, Nu2 – критерий Нуссельта. Фактическое значение критерия Рейнольдса: Re2 = G2/[0,785dвн(n/z)2 = = 2,78/[0,7850,016(90/2)0,3110-3 = 15866 Режим движения турбулентный в этом случае критерий Нуссельта: Nu2 = 0,021Re20,8Pr20,42(Pr2/Prст2)0,25, где Рr2 = 4,3 – критерий Прандтля для ацетона при 81,2 С [1c.564]. Принимаем в первом приближении отношение (Pr2/Prст2)0,25 = 1, тогда Nu = 0,021158660,84,30,43 = 90,2. 2 = 90,20,123/0,016 = 693 Вт/м2К. 3.5. Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке EMBED Equation.3 , где 1 = 932 кг/м3 – плотность конденсата [1c.537], 1 = 0,20710-3 Пас – вязкость, 1 = 0,684 Вт/(мК) – теплопроводность Физико-химические свойства конденсата взяты при температуре конденсации 125 С. 1 = 3,780,684[93220,02090/(0,20710-30,182)]1/3 = 8952 Вт/(мК). 3.6. 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 = 1/5600 мК/Вт – тепловое сопротивление загрязнений сте- нок [1 c/531]; (/) = 0,002/17,5 + 1/5600 + 1/5600 = 4,610-4 мК/Вт. 3.7. Коэффициент теплопередачи: K = 1/(1/1+(/)+1/2) = 1/(1/8952+4,610-4+1/693) = 496 Вт/м2К. 3.8. Температуры стенок: tст2 = tср2 + Кtср/2 = 81,2 + 49652,3/693 =118,6 С. Уточняем коэффициенты теплоотдачи. Критерий Прандтля для раствора при tст2 =118,3  Prст2 = 3,6 2ут = 2(Pr2/Prст2)0,25 = 693(4,3/3,6)0,25 = 724 Вт/м2К. Уточняем коэффициент теплопередачи: K = 1/(1/8952+4,610-4+1/724) = 512 Вт/м2К. Температура стенки: tст2 = 81,2 + 51252,3/724 =118,2 С. Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейших уточнений не требуется. 3.9. Поверхность теплообмена: F = Q/Ktср = 394,1103/72452,3 = 10,4 м2 Выбираем теплообменник с ближайшей большей поверхность тепло- Обмена: 2х ходовой теплообменник с длиной труб 3 м, у которого по- верхность теплообмена 13,0 м2 [2 c.51]. 4. Конструктивный расчет 4.1. Толщина обечайки:  = DP/2 +Cк, где D = 0,3 м – внутрений диаметр аппарата; P = 0,3 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0,3/2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 = 1,0 м/с, скорость пара в штуцере 15 м/с, тогда диаметр штуцера для входа пара d1 = (0,182/0,785151,65)0,5 = 0,097 м, принимаем d1 = 100 мм; диаметр штуцера для выхода конденсата: d2 = (0,182/0,7851,0932)0,5 = 0,016 м, принимаем d2 = 25 мм; диаметр штуцера для входа и выхода раствора: d3,4 = (2,78/0,7851,0808)0,5 = 0,066 м, принимаем d3,4 = 65 мм. Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже: EMBED KompasFRWFile Рис. 5 Фланец штуцера 4.4. 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. 4.5. Расчет тепловой изоляции Принимаем температуру наружной поверхности стенки tст.в = 40 С, температуру окружающего воздуха tв = 18 С, тогда толщина стекловолокнистой изоляции: EMBED Equation.3 , где из = 0,09 Вт/мК – коэффициент теплопроводности теплоизоляци- онного материала, в – коэффициент теплоотдачи от наружной стенки корпуса в окружающую среду в = 8,4+0,06tв = 8,4+0,0622 = 9,72 Вт/м2К, где tв = tст.в – tв = 40 – 18 = 22 С. из = 0,09(133,5-40)/[9,72(40 – 18) = 0,039 м. Принимаем толщину тепловой изоляции 40 мм. 5. Гидравлический расчет 5.1. Скорость раствора в трубах: wтр = G2z/(0,785dвн2n2) = 2,782/(0,7850,016290808) = 0,38 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)+(6,81/15866)0,9]}-2 = 0,045. 5.3 Скорость раствора штуцерах: wшт = G2/(0,785dшт22) = 2,78/(0,7850,0652808) = 1,04 м/с Гидравлическое сопротивление трубного пространства: EMBED Equation.3 = 0,0453,020,382808/(0,0162)+[2,5(2-1)+22]0,382808/2 + 31,042808/2 = = 2674 Па 5.5. Подбор насоса для раствора. Объемный расход воды и напор, развиваемый насосом: Q2 = G2/2 = 2,78/808 = 0,0034 м3/с, Н = Ртр/g + h = 2674/8089,8 + 3 = 3,33 м. По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х20/18, для которого Q = 0,0055 м3 и Н = 10,5 м [2 c.38]. Литература Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсупроцессов 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. 3. Теплофизические свойства газов, растворителей и растворов солей. Справочник /Сост. Е.М.Шадрина и др. Иваново. 2004. 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