Кожухотрубчатый холодильник-конденсатор насыщенных паров толуола

Кожухотрубчатый холодильник-конденсатор насыщенных паров толуола

Министерство образования и науки Российской Федерации

Пермский Государственный Технический Университет

Кафедра МАПП

Расчетно-пояснительная записка

к курсовому проекту

Кожухотрубчатый холодильник-конденсатор насыщенных паров толуола

Выполнил студент гр. МАПП-07

Чекишева Е.А.

Проверил преподаватель:

Беляев В.М.

Пермь 2011

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

. ТЕПЛОВАЯ НАГРУЗКА АППАРАТА

. РАСЧЕТ ПЛОЩАДИ ТЕПЛООБМЕННИКА и ПОДБОР КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

. УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

. ПЕРВАЯ ЧАСТЬ ТЕПЛООБМЕНА. КОНДЕНСАЦИЯ ПАРОВ

.1 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА (ОБОРОТНАЯ ВОДА)

.2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ МЕЖТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА (КОНДЕНСАЦИЯ ПАРОВ)

. ВТОРАЯ ЧАСТЬ ТЕПЛООБМЕНА. ОХЛАЖДЕНИЕ КОНДЕНСАТА

. СУММАРНАЯ ПЛОЩАДЬ ТЕПЛООБМЕНА

. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

.1 РАССЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ ТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА (ОБОРОТНАЯ ВОДА)

.2 РАССЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ МЕЖТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА (КОНДЕНСАЦИЯ ПАРОВ)

.3 РАССЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ МЕЖТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА (КОНДЕНСАТ)

. МЕХАНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

кожухотрубчатый теплообменник гидравлический тепловой

Введение

Теплообменные аппараты являются составной частью практически всех технологических установок на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах. Теплообменные аппараты используют для нагрева, испарения, конденсации, охлаждения, кристаллизации, плавления и затвердевания, участвующих в процессе продуктов, а также как парогенераторы или котлы-утилизаторы.

Среды, используемые для подвода или отвода, тепла называются теплоносителями и хладагентами. В качестве теплоносителей могут быть применены нагретые газообразные, жидкие или твёрдые вещества. Водяной пар как теплоноситель используется главным образом в насыщенном состоянии - как высокого давления, так и отработанный от паровых машин и насосов.

Кожухотрубчатые теплообменники изготовляют с поверхностью теплообмены 11-350 м² для работы под давлением 2-25 атм. Трубные пучки выполняют из стальных трубок диаметром 20 или 25 мм и длиной 2-6 м. Теплообменники этого типа экономичны и имеют минимальное число соединений на прокладках. Основным недостатком таких аппаратов является невозможность механической очистки межтрубного пространства

По способу монтажа различают вертикальные, горизонтальные и наклонные теплообменные аппараты. Вертикальные теплообменники занимают меньше места, но они менее удобны при очистке. На нефтеперерабатывающих заводах наибольшее распространение получили горизонтальные теплообменники.

Основные конструкции и параметры теплообменных аппаратов

Кожухотрубчатые теплообменники.

Кожухотрубчатые теплообменники - наиболее распространённый тип теплообменной аппаратуры. Они могут использоваться в качестве холодильников, конденсаторов и испарителей. По конструкции такие теплообменники представляют собой полую ёмкость цилиндрической формы, называемой кожухом, внутри которой расположен пучок от нескольких десятков до нескольких тысяч труб, называемых теплообменными трубами. Трубы своими концами герметично закреплены в основаниях, называемых трубными решётками и образуют, таким образом, трубное пространство теплообменника. Остальное пространство теплообменника называют межтрубным. Горячий и холодный теплоносители подаются, соответственно, в межтрубное и трубное пространства, прямотоком или противотоком. Теплообмен происходит через стенки теплообменных труб. Такие теплообменники могут быть одно-, двух-, четырёх - и шестиходовыми, устанавливаться горизонтально или вертикально. Поверхность теплообмена их может быть до 1000 м².

1. Тепловой баланс кожухотрубчатого теплообменника

В межтрубном пространстве находится толуол (т.к. он - более чистое вещество), в трубном - оборотная вода (как более грязное вещество). Движение фаз - противоток (увеличение приводит к снижению теплоносителя , потребуется меньше охлаждающей воды, однако движущая сила процесса будет уменьшаться, поэтому увеличивается F, применение противотока экономически будет целесообразней).

2. Тепловая нагрузка аппарата

Q - общая тепловая нагрузка конденсатора

 - количество тепла при конденсации насыщенных паров

 - количество тепла при охлаждении конденсата

- расход толуола (по заданию )

- теплота испарения толуола ( по табл. ХLV [1]  при =110,8 ⁰С)

 - теплоёмкость конденсата (по рис. XI [1] при  )

 - температура конденсации пара толуола, ⁰С

 - температура конденсата на выходе, ⁰С

Расход оборотной воды:

где G -массовый расход

Q - количество теплоты ,

- теплоёмкость оборотной воды (по рис. XI [1] при  )

- температура на выходе из теплообменника (примем для оборотной воды 35⁰С)

- температура на входе в теплообменник (задано для оборотной воды 15⁰С)

Определяем граничную температуру

Средняя движущая сила  для зоны конденсации насыщенного пара:

Средняя движущая сила  для зоны охлаждения конденсата:

3. Расчет площади теплообменника и подбор коэффициентов теплопередачи

Площадь конденсации F_конд:

Задаёмся коэффициентом теплопередачи К_конд = 300  (по табл. 4.8[1] )

Площадь охлаждения F_охл:

Задаёмся коэффициентом теплопередачи К_охл = 300

Общая площадь теплообмена:

Для обеспечения турбулентного течения воды при Re > 15000 скорость в трубах с d_н = 25x2мм   должна быть больше w :

 м/с,

= 25 - 2×2 = 21 мм - внутренний диаметр трубок

μ = 0,89 мПа×с - динамическая вязкость воды при Dt_{ср в} = (t_2н + t_2к)/2 = 25ºС ( по табл. VI [1])

ρ = 997 кг/м³ - плотность воды при Dt_ср = (t_2н + t_2к)/2 = 25ºС ( по табл. XXXIX [1])

_в = G_в/ ρ_в = 16,62/997 = 0,0166 м³/с

Число труб 25x2 мм, обеспечивающих объемный расход воды V_в = 0,0166 м³/с   при Re = 15000:

Задаваясь числом Re = 15000, определим соотношение n/z для холодильника-конденсатора из  труб диаметром d_н = 25х2 мм:

4. Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В соответствии с таблицей 4.12 [1] соотношение n/z принимает наиболее близкое значение к заданному у холодильников-конденсаторов с диаметром кожуха D = 600 мм, диаметром труб 25х2 мм, числом ходов z = 4 и общим числом труб n = 206:

Выбираем по ГОСТ 15121-79 кожухотрубчатый холодильник-конденсатор:

·        F = 32 м²

·        (число ходов)

·        d_труб = 25x2 мм

·       

·        D_кожуха =

·        s_{сеч. одного хода по трубам} = 0,018 м²

·        n = 206 (общее число труб)

5. Первая часть теплообмена. конденсация паров

5.1 Расчет параметров для трубного пространства (оборотная вода)

Критерий Рейнольдса:

G_воды - массовый расход воды, кг/с

- количество ходов

- количество труб

- диаметр эквивалентный ()

- динамическая вязкость воды (по табл. VI [1] : для 26,4⁰С )

Критерий Прандтля:

где  - теплопроводность воды (по табл. XXXIX [1] : для 26,4⁰С )

Критерий Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи для воды:

где  - определяющий линейный размер (), м

5.2 Расчет параметров для межтрубного пространства (конденсация паров)

Коэффициент теплоотдачи паров толуола

- коэффициент (при )

- длина трубок, м

- число трубок

 - плотность пленки конденсата ( по табл. XLIV[1] = 870 )

- расход толуола ()

 - теплопроводность паров толуола (по рис. X [1] : для 110,8⁰С )

- вязкость толуола (по рис. V [1] для 110,8⁰С )

Расчётный коэффициент теплопередачи:

где - загрязнение стенок со стороны конденсата (по табл. XXXI[1])

- загрязнение стенок со стороны оборотной воды (по табл. XXXI [1] )

- толщина трубок, м

- теплопроводность материала стали (по табл. XXVIII [1] )

Расчетная площадь теплообмена для охлаждения пара:

6. Вторая часть теплообмена. охлаждение конденсата

.1 Расчет параметров для трубного пространства (оборотная вода)

Критерий Рейнольдса:

где G_воды - массовый расход воды, кг/с

- количество ходов

- количество труб

- диаметр эквивалентный ()

- вязкость воды (по табл. VI [1] : для 16,37⁰С )

Критерий Прандтля:

Критерий Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи для воды:

где  - определяющий линейный размер (), м

6.2 Расчет параметров для межтрубного пространства (конденсат)

Критерий Рейнольдса:

где - расход толуола ()

- наружный диаметр трубок ()

- проходное сечение межтрубного пространства (по табл. 4.12 [1] )

- вязкость толуола (по рис. V [1] для 80⁰С )

Критерий Прандтля:

где - удельная теплоёмкость толуола,

 - теплопроводность толуола (по рис. Х [1] : для 80⁰С )

Критерий Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи для толуола:

где  - определяющий линейный размер (), м

Расчётный коэффициент теплопередачи :

где - загрязнение стенок со стороны конденсата (по табл. XXXI [1] )

- загрязнение стенок со стороны оборотной воды (по табл. XXXI [1])

- толщина трубок, м

- теплопроводность материала стали (по табл. XXVIII [1] )

Расчетная площадь теплообмена для охлаждения пара:

7. Суммарная площадь теплообмена

Запас по теплообмену:

8. Гидравлический расчет кожухотрубного теплообменника

8.1 Рассчет гидравлического сопротивления для трубного пространства (оборотная вода)

Скорость движения воды в трубах:

где  - расход оборотной воды, кг/с

- диаметр трубки, м

 - плотность воды (по табл. XXXIX [1] при )

 - количество труб

- число ходов

Коэффициент трения:

где - относительная шероховатость труб

Δ - высота выступов шероховатостей, м

Скорость воды в штуцерах:

где - диаметр условного прохода штуцеров (по табл. 2.6 [2] )

Гидравлическое сопротивление воды в трубном пространстве:

8.2 Рассчет гидравлического сопротивления для межтрубного пространства (конденсация паров)

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве:

Число сегментных перегородок:

 (по табл. 2.7 [2] при )

Скорость потока в штуцерах:

где - диаметр условного прохода штуцеров к кожуху (по табл. 2.6 [2] )

- плотность пленки конденсата (при  )

Скорость потока в наиболее узком сечении межтрубного пространства:

Гидравлическое сопротивление толуола в межтрубном пространстве:

.3 Рассчет гидравлического сопротивления для межтрубного пространства (конденсат)

Скорость потока конденсата в штуцерах:

где - диаметр условного прохода штуцеров к кожуху (по табл. 2.6 [2] )

- плотность конденсата (по табл. ХХХIX [1] при  )

Скорость конденсата в наиболее узком сечении межтрубного пространства:

Гидравлическое сопротивление конденсата в межтрубном пространстве:

9. Механические расчеты

9.1 Расчет толщины обечайки

Принимаем толщину обечайки 8 мм

где D - наружный или внутренний диаметр обечайки, м

p - внутреннее избыточное давление, МПа

 - допускаемое напряжение на растяжение для материала обечайки, МН/м² ()

 - коэффициент, учитывающий ослабление обечайки из-за сварного шва, (для стали=1, т.к. берем обечайку, изготовленную из бесшовной трубы )

С_к - запас на коррозию, мм

С_окр - прибавка округления толщины детали до номинального размера, мм

.2. Расчет толщины днищ

где R - радиус кривизны в вершине днища, м (для эллиптических днищ R=D с H=0.25D)

, т.к. днище берем днище, изготовленное штамповкой

Принимаем толщину днища 8 мм

Заключение

По ГОСТу 15121-79 рассчитан и запроектирован кожухотрубчатый конденсатор-холодильник для насыщенных паров толуола

Параметры кожухотрубчатого конденсатора:

·        площадь поверхности теплообмена

·        запас по поверхности теплообмена

·        диаметр кожуха

·        число ходов

·        трубы 25*2 мм

·        длина труб

·        число труб

·        тепловая нагрузка

·        масса

Параметры паров толуола (межтрубное пространство):

Расход

Температура на входе

Температура на выходе

Гидравлическое сопротивление конденсата

Гидравлическое сопротивление пара

Параметры оборотной воды (трубное пространство):

Расход

Температура на входе

Температура на выходе

Гидравлическое сопротивление воды

Список литературы

1.       Примеры и задачи курсу процессов и аппаратов химической технологии. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков: М.: ООО «РусМедиаКонсалт», 2004. - 576 с.

2.      Основные процессы и аппараты химической технологи. Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 3-е изд., стереотипное. М.: ООО ИД «Альянс», 2007 - 496с.

.        А.А. Лащинский. Конструирование сварных химических аппаратов: справочник. - Л.:Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1981. - 382 с., ил.

4.  А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для  вузов.-10-е изд., стереотипное, доработанное. Перепечатка с изд.1973г.- Москва: ООО ТИД «Альянс», 2004.-753с.;