Спиральный теплообменник.. Розрахункова робота з Інші. Робота № 400515

Спиральный 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):

Спиральный теплообменник для охлаждения 8 т/ч бензола от температуры кипения до 25 ºС водой с начальной температурой 15 и конечной 60 ºС. 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. В ряде случаев целевое назначения имеют оба процесса – нагревание холодного теплоносителя и охлаждение горячего. Тогда теплообменные аппараты называют собственно теплообменниками. Часто в теплообменных аппаратах в процессе теплообмена происходит изменение агрегатного состояния одного из теплоносителей: конденсация горячего или испарение холодного теплоносителя. В этих случаях аппараты называют конденсаторами или кипятильниками. По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов: поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой,причем тепло передается через поверхность стенки путем конвекции втеплоносителях и теплопроводности стенки; регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячеготеплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода, и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника. Существенным недостатком регенеративных теплообменников является изменение температуры поверхности насадки во времени, что в некоторыхслучаях не обеспечивает постоянства конечной температуры нагреваемогоили охлаждаемого теплоносителя; смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредст-венном соприкосновении теплоносителей. Применение смесительных тепло-обменников ограничено только теми случаями, когда по технологическимусловиям допустимо разбавление нагреваемого или охлаждаемого веществаводой. Поэтому в химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, которые, в свою очередь, разделяются на трубчатые, пластинчатые, спиральные, с поверхностью, образованной стенками аппарата, с оребренной поверхностью теплообмена. К конструкции теплообменных аппаратов предъявляется ряд требований: они должны отличаться простотой, удобством монтажа и ремонта. В ряде случаев конструкция теплообменника должна обеспечивать возможно меньшее загрязнение поверхности теплообмена и быть легко доступной для осмотра и очистки. Этим требованиям во многом отвечают спиральные теплообменники, поверхность теплообмена в котором образуется двумя металлическими листами свернутыми в спирали, образующие два спиральных прямоугольных канала, по которым двигаются теплоносители. Внутренне концы спиралей соединены разделительной перегородкой - керном. Для придания спиралям жесткости и фиксирования расстояния между ними служат металлические прокладки. Система каналов закрыта с торцов крышками. Преимущества спиральных теплообменников: компактность; возможность пропускания обоих теплоносителей с высокими скоростями, что обеспечивает большой коэффициент теплопередачи; малое гидравлическое сопротивление по сравнению с другими типами поверхностных теплообменников. Недостатками спиральных теплообменников являются: - сложность изготовления и ремонта; - пригодность для работы под избыточным давлением не более О,6 МПа. Спиральные теплообменники могут использоваться как для теплообмена между двумя жидкими теплоносителями, так и для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью. 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. При охлаждении в кожухотрубных теплообменниках в качестве хладоагента может использоваться речная или артезианская вода, а в случае, когда требуется получить температуру ниже 5 °С применяют холодильные расолы (водные растворы CaCL2, NaCl, и др.). 1. Выбор конструкционного материала Так, как бензол является коррозионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, стойкую в агрессивных средах до температур порядка 600 С. 2. Технологическая схема ПЕ РЕ Н Вода ТС Вода Бензол, с помощью центробежного насоса Н, подается в спиральный теплообменник ТС, где охлаждается за счет нагревания охлаждающей воды и затем самотеком поступает в приемную емкость ПЕ. Вода, выйдя из теплообменника, сбрасывается в канализацию или используется в качестве оборотной. 3. Технологический расчет 3.1. Средняя разность температур. Температура кипения бензола t1н = 80 ºС [1c.541]/ Принимаем противоточный режим движения теплоносителей, тогда большая разность температур: tб = t1н – t2к = 80 – 60 = 20 С; меньшая разность: tм= t1к– t2н= 25 – 15 = 10 С Отношение tб/tм = 20/10 = 2, следовательно, средняя движущая сила процесса: EMBED Equation.3 = (20 – 10) / ln(20/10) = 14,4 C. Средняя температура воды: t2ср = (t2к+t2н)/2 = [15+ 60)]/2 = 37,5 С. Средняя температура бензола t1ср = t1 + tcр = 37,5 + 14,4 = 51,9 С. 3.2 Тепловая нагрузка аппарата Q = G1c1(t1н – t1к), где с1 = 1,88 кДж/(кгK) – теплоемкость бензола при 51,9С [1c. 564], G1 – массовый расход бензола. G1 = 8000/3600 = 2,22 кг/с. Q = 2,221,88(80– 25) = 230 кВт. 3.3. Расход воды: G2 = Q/[c2((t2к – t2н) ] = 230/[4,19(60 – 15)] = 1,22 кг/с, где с2 = 4,19 кДж/кг – теплоемкость воды. 3.4. Размер каналов Задаемся скоростью движения бензола w1 = 1 м/с, тогда площадь поперечного сечения канала составит: S1 = G1/(1w1) = 2,22/(8421) = 0,0026 м2, где 1 = 842 кг/м3 – плотность бензола [1c. 512]. При ширине канала b1 = 12 мм высота ленты должна составлять: h = S1/b1 = 0,0026/0,012 = 0,22 м; принимаем по ГОСТ 12067-80 [2c. 65] h = 0,4 м; ширину второго канала принимаем b2 = b1 = 0,012 м; толщина листа  = 3,5 мм. 3.5. Коэффициент теплоотдачи от бензола к стенке Эквивалентный диаметр канала: d = 2bh/(b+h) = 20,0120,4/(0,012+0,4) = 0,0233 м. Скорость движения бензола: w1 = G1/(bh1) = 2,22/(0,0120,4842) = 0,55 м/с. Критерий Рейнольдса: Re1 = w1d 1/1 = 0,550,0233842/0,4310-3 = 25061, где 1 = 0,4310-3 Пас – вязкость бензола [1c. 516]. Критерий Нуссельта: Nu1 = 0,021Re10,8Pr10,43(Pr1/Prст1)0,25. Критерий Прандтля: Pr1 = сμ/λ = 1,88·0,43/0,138 = 5,86. где 1 = 0,138 Вт/(мK) – теплопроводность бензола [1c. 561]. Принимаем в первом приближении (Pr1/Prст1)0,25 = 1, тогда Nu1 = 0,021250610,85,860,43 = 148,4. 1 = Nu11/d = 148,40,138/0,0233 = 879 Вт/(м2K) 3.6. Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде. Скорость движения воды: w2 = G2 /(bh2) = 1,22/(0,0120,4993) = 0,26 м/с, где 2 = 993 кг/м3 – плотность воды [1c. 537]. Критерий Рейнольдса: Re2 = w2d 2/2 = 0,260,0233993/0,6910-3 = 8582, где 1 = 0,6910-3 Пас – вязкость воды [1c. 537]. Критерий Нуссельта: Nu2 = 0,021Re20,8Pr20,43(Pr2/Prст2)0,25. Критерий Прандтля: Pr2 = 4,58 [1c.537] Примем в первом приближении (Pr1/Prст1)0,25 = 1, тогда Nu2 = 0,02185820,84,580,43 = 56,7. 2 = Nu22/d = 56,70,630/0,0233 = 1532 Вт/(м2K). где 2 = 0,630 Вт/(мK) – теплопроводность воды [1c. 537]. 3.7. Тепловое сопротивление стенки: EMBED Equation.3 , где cт =17,5 Вт/(мК) – теплопроводность нержавеющей стали [1c. 529] r1=r2=1/5800 мК/Вт – тепловое сопротивление загрязнений [1c. 531] EMBED Equation.3 = (0,0035/17,5) + (1/5800) + (1/5800) = 5,410-4 мК/Вт. 3.8. Коэффициент теплопередачи: EMBED Equation.3 = 1/(1/879+ 5,410-4 + 1/1532) = 429 Вт/(м2К). Рассчитываем температуру стенки: tст1 = tcр1 – Ktср/1 = 51,9 – 42914,4/879 = 44,9 С –tttt tст2 = tcр2 – Ktср/2 = 37,5 + 42914,4/1532 = 41,5 С –tttt Уточняем коэффициенты теплоотдачи при температуре стенки: Pr1ст = 6,21 1ут = 879(5,86/6,21)0,25 = 866 Вт/(м2К). Pr2ст = 4,19 2ут = 1532(4,58/4,19)0,25 = 1566 Вт/(м2К). Уточненный коэффициент теплопередачи: K = 1/(1/866 + 5,410-4+1/1566) = 428 Вт/(м2К) Проверяем температуру стенки tст1 = tcр1 – Ktср/1 = 51,9 – 42814,4/866 = 44,8 С –tttt tст2 = tcр2 – Ktср/2 = 37,5 + 42814,4/1566 = 41,4 С –tttt Полученные значения близки к ранее принятым. 3.9. Поверхность теплообмена: F = Q/( Ktср) = 230103/(42814,4) = 37,3 м2. Так как теплообменник с ближайшей большей поверхностью F = 40 м2 изготовляется с шириной листа 0,7 или 1,0 м, то принимаем к установке два последовательно соединенных теплообменника с поверхностью теплообмена 20,0 м2 каждый Конструктивный расчет 4.1 Длина спирали: l = F/(2h) = 20,0/(20,4) = 25,0 м 4.2. Расчет штуцеров. Принимаем скорость жидкости в штуцере wшт = 1 м/с. Штуцер для входа и выхода бутанола: EMBED Equation.3 = [2,22/(0,7851842)]0,5 = 0,058 м, принимаем d1 = 65 мм. Штуцер для входа и выхода воды: EMBED Equation.3 = [1,22/(0,7851993)]0,5 = 0,039 м, принимаем d2 = 40 мм. Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже: EMBED KompasFRWFile 4.3 Число витков спирали. Шаг спиралей t1 = t2 = b +  = 0,012 + 0,035 = 0,0155 м. Принимаем радиус полувитка с учетом расположения штуцера r = 0,2 м. Число полувитков первой спирали: EMBED Equation.3 = = (0,5 – 0,2/0,0155) + [(0,2/0,0155)2+225,0/(0,0155)]0,5 = 22,1. Число полувитков второй спирали: EMBED Equation.3 = =(0,0155–0,50,0155–0,2)/0,0155+{[(0,2+0,50,0155– 0,0155)/0,0155]2+225,0/(0,0155)}0,5 = 22,1. 4.4. Диаметр аппарата: D = 2[r1 + (n2 + 1)t2 – t1] + 2 = 2[0,2 + (22,1 + 1)0,0155 – 0,0155]+0,0035 = 1,09 м, принимаем D = 1100 мм. 4.5. Выбор опор аппарата. Масса теплообменника: m = m1+mв+m2, где m1 – масса спиралей, mв – масса воды заполняющей аппарат при гидроиспытании, m2 - масса вспомогательных элементов (фланцев, штуцеров). m1 = 2hLст = 20,425,00,00357900 = 553 кг, где ст = 7900 кг/м3 – плотность стали. mв = (0,785D2h – 2hL)в = = (0,7851,120,4 – 20,425,00,0035)1000 = 310 кг. m2 принимаем 5% от основного веса аппарата. Тогда mp = 1,05(m1+mв) = 1,05(553+310) = 906 кг = 9 кН. Принимаем для аппарата две опоры в виде лап. Нагрузка на одну опору: G = m/2 = 9/2 = 4,5 кН Выбираем опору с допускаемой нагрузкой 6,3 кН, конструкция которой приводятся на рисунке: EMBED KompasFRWFile 4.6. Уплотнение каналов. Каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. Такой способ предотвращает смешение теплоносителей при в случае неплотности в прокладки. Кроме того, этот тип уплотнения позволяет легко очистить каналы при их загрязнении. EMBED KompasFRWFile Будова теплообмінника Гидравлический расчет Задачей гидравлического расчета является определение гидравлического сопротивления аппарата и выбор насоса для подачи жидкого теплоносителя. 5.1. Гидравлическое сопротивление аппарата для бутанола: EMBED Equation.3 . Скорость бутанола в штуцере: w1шт = G1/(0,785dшт21) = 2,22/(0,7850,0652842) = 0,79 м/с. Коэффициент трения: 1 = 856/Re0,25 = 0,856/250610,25 = 0,068. Р1 = 0,06825,00,552842/(20,0233) + 1,50,792842 = 10080 Па. 5.2. Требуемый напор насоса: H1 = P1 / (1g) + h где h – геометрическая высота подъема жидкости и потери напора в подводящем трубопроводе. Принимаем h = 3 м. H1 = 10080/(8429,8) + 3 = 4,2 м. Объемный секундный расход раствора: Q1 = G1 / 1 = 2,22/842 = 0,0026 м3/с. По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х20/18, для которого производительность Q= 0,0055 м3/с, напор Н = 10,5 м [3c. 38] 5.3. Гидравлическое сопротивление для воды. Скорость раствора в штуцере: w2шт = 1,22/(0,7850,0402993) = 0,97 м/с. Коэффициент трения 2 = 0,856/Re0,25 = 0,856/85820,25 = 0,089 P2 = 0,08925,00,262993/(20,0233) + 1,50,972993 = 4606 Па 5.4. Требуемый напор насоса: Н2 = 4606/(9939,8) + 3= 3,5 м. Объемный секундный расход воды: Q2 = G2 / 2 = 1,22/993 = 0,00123 м3/с. По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/30, для которого производительность Q = 0,0024 м3/с, напор Н = 17 м [3c. 38]. 6 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 теплоизоляционного 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(80-40)/[9,72(40 – 18) = 0,017 м. Принимаем толщину тепловой изоляции 20 мм. Литература: Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с. Спиральные теплообменники ГОСТ 12067-80. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.

Розрахункова робота Інші

2015

Коментарі

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

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

поділитись