Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Кожухотрубный теплообменник.
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2000
Тип роботи:
Розрахункова робота
Предмет:
Інші
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 осуществ ления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или ох лаждения 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, при чем тепло передается через поверхность стенки;
- регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего тепло носителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;
- смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредствен ном соприкосновении теплоносителей.
В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструк ций, 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 разваль цовки, 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 ре шеткой 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: компакт ность; небольшой расход метала; легкость очистки труб изнутри, а недос татками - 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;
- равномер ность обогрева, так как. конденсация пара происходит при постоянной тем пературе;
- 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/(кгK) – теплоемкость толуола [1c. 564],
G2 = 10000/3600 = 2,78 кг/с – массовый расход толуола,
1,05 – коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду.
Q = 1,052,781,80(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 дви жется по трубам. Принимаем ориентировочное зна чение критерия Рейнольдса Reор = 15000, соответствующее развитому турбулентному режиму движения жидкости, при котором обеспечи ваются 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 теплопе редачи Кор = 500 Вт/м2∙К [1 c. 172], тогда ориентировочная по верхность 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 = Nu22/dвн,
где 2 = 0,123 Вт/мК – теплопроводность толуола,
Nu2 – критерий Нуссельта.
Фактическое значение критерия Рейнольдса:
Re2 = G2/[0,785dвн(n/z)2 =
= 2,78/[0,7850,016(90/2)0,3110-3 = 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 = 0,021158660,84,30,43 = 90,2.
2 = 90,20,123/0,016 = 693 Вт/м2К.
3.5. Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке
EMBED Equation.3 ,
где 1 = 932 кг/м3 – плотность конденсата [1c.537],
1 = 0,20710-3 Пас – вязкость,
1 = 0,684 Вт/(мК) – теплопроводность
Физико-химические свойства конденсата взяты при температуре конденсации 125 С.
1 = 3,780,684[93220,02090/(0,20710-30,182)]1/3 = 8952 Вт/(мК).
3.6. Тепловое сопротивление стенки:
EMBED Equation.3
где ст = 0,002 м – толщина стенки трубки;
ст = 17,5 Вт/мК – теплопроводность нержавеющей стали [1 c.529];
r1 = r2 = 1/5600 мК/Вт – тепловое сопротивление загрязнений сте-
нок [1 c/531];
(/) = 0,002/17,5 + 1/5600 + 1/5600 = 4,610-4 мК/Вт.
3.7. Коэффициент теплопередачи:
K = 1/(1/1+(/)+1/2) =
1/(1/8952+4,610-4+1/693) = 496 Вт/м2К.
3.8. Температуры стенок:
tст2 = tср2 + Кtср/2 = 81,2 + 49652,3/693 =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/м2К.
Уточняем коэффициент теплопередачи:
K = 1/(1/8952+4,610-4+1/724) = 512 Вт/м2К.
Температура стенки:
tст2 = 81,2 + 51252,3/724 =118,2 С.
Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейших уточне ний не требуется.
3.9. Поверхность теплообмена:
F = Q/Ktср = 394,1103/72452,3 = 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.
= 0,30,3/21380,8 + 0,001 = 0,002 м.
Согласно рекомендациям [3 c.24] теплообменник изготовляется из труб диаметром 32512, 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 = (0,182/0,785151,65)0,5 = 0,097 м,
принимаем d1 = 100 мм;
диаметр штуцера для выхода конденсата:
d2 = (0,182/0,7851,0932)0,5 = 0,016 м,
принимаем d2 = 25 мм;
диаметр штуцера для входа и выхода раствора:
d3,4 = (2,78/0,7851,0808)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 = 10000,7850,3023 = 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/мК – коэффициент теплопроводности теплоизоляци- онного материала,
в – коэффициент теплоотдачи от наружной стенки корпуса в окружающую среду
в = 8,4+0,06tв = 8,4+0,0622 = 9,72 Вт/м2К,
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/(0,785dвн2n2) = 2,782/(0,7850,016290808) = 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/(0,785dшт22) = 2,78/(0,7850,0652808) = 1,04 м/с
Гидравлическое сопротивление трубного пространства:
EMBED Equation.3
= 0,0453,020,382808/(0,0162)+[2,5(2-1)+22]0,382808/2 + 31,042808/2 =
= 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 = 2674/8089,8 + 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 курсупро цессов 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.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора