Расчет теплообменника для конденсации хлороформа оборотной водой

Расчет теплообменника для конденсации хлороформа оборотной водой

ВВЕДЕНИЕ

Для создания и поддержания температурного режима в химических, массообменных и других процессах химической технологии и защиты окружающей среды необходимо осуществлять подвод или отвод тепловой энергии от рабочей среды. В химической и смежных с ней отраслях промышленности для проведения таких процессов очень широко применяют кожухотрубчатые теплообменные аппараты, которые просты по конструкции и могут иметь поверхность теплообмена до 1000 м².

При разработке теплообменных аппаратов необходимо, как правило, решать задачи:

1)      определение тепловой нагрузки на аппарат;

2)      обоснованный выбор теплоносителя, который будет двигаться по трубному пространству;

)        предварительный проектный расчет необходимой поверхности теплообмена;

)        выбор стандартного теплообменного аппарата и схемы движения теплоносителей через него;

)        расчет кинетики теплопередачи в выбранном аппарате и проверка наличия необходимого запаса поверхности;

)        гидравлический расчет теплообменника;

)        конструирование теплообменного аппарата.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагревания или охлаждения одного из них. В зависимости от целевого назначения теплообменные аппараты называются подогревателями или холодильниками. Если процесс проводится для сообщения тепла холодному теплоносителю, то участвующий в теплообмене горячий теплоноситель будем называть нагревающим агентом. Если же процесс состоит в отводе тепла от горячего теплоносителя, то холодный теплоноситель, которому сообщается отводимое тепло, будем называть охлаждающим агентом.

В ряде случаев целевое назначение 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. Аппараты, применяемые при конденсации горячего теплоносителя, почти не отличаются от других теплообменных аппаратов. Если конденсация горячего теплоносителя является целевым процессом, то это аппараты называют конденсаторами. [3]

В зависимости от технологического назначения стандарты предусматривают четыре вида кожухотрубчатых аппаратов:испарители И ,конденсаторы К, холодильники Х и теплообменники. Это указано первой буквой условного обозначения типа теплообменного аппарата. Области их использования представлены в таблице 1.

Конструктивное исполнение аппарата, обеспечивающее компенсацию температурных деформаций его элементов, указано второй буквой условного обозначения.

Примеры:

ТН - теплообменник с неподвижными трубными решетками;ХК - холодильник с температурным компенсатором на кожухе; ТП - теплообменник с плавающей головкой;

ИУ - испаритель с U - образными трубками.

Третья буква в условном обозначении показывает исполнение:Г - горизонтальное; В - вертикальное.

Схематический вид некоторых видов кожухотрубчатых теплообменных аппаратов представлен на рис. 1 - 4 (перегородки в крышках многоходовых аппаратов не показаны).

Рис. 1. Горизонтальный многоходовой теплообменник типа ТКГ с линзовым компенсатором на кожухе(ГОСТ 15122-79)

Рис. 2. Горизонтальный конденсатор типа КПГ с плавающей головкой и длиной труб 6000 мм (ГОСТ 14246-69, ТУ 3612-023-00220302-01)

Рис. 3. Испаритель с паровым пространством с плавающей головкой типа ИПГ (ТУ 3612-013-00220302-99)

Рис. 4. Горизонтальный теплообменник с U-образным трубным пучком типа ТУГ ( ГОСТ 14245-69,ТУ 3612-023-00220302-01)

Рассмотренные теплообменники могут устанавливаться вертикально или горизонтально, за исключением теплообменников пленочного типа и с плавающей головкой открытого типа, которые устанавливаются вертикально.

Для повышения скорости теплоносителя в межтрубном пространстве устраивают продольные и поперечные перегородки. [4]

Продольные перегородки применяются в многоходовых теплообменниках для разделения межтрубного пространства на ходы.

Поперечные перегородки используются как в одноходовых, так и в многоходовых теплообменниках.

Достоинства кожухотрубных теплообменников:

¾     компактность;

¾     небольшой расход металла;

¾     легкость очистки труб изнутри (за исключением теплообменников с U-образными трубами);

Недостатками таких теплообменников является:

¾     трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями (этот недостаток в известной мере устраняется в многоходовых и элементных теплообменниках);

¾     трудность очистки межтрубного пространства и малая доступность его для осмотра и ремонта;

¾     трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

1.1. Таблица 1. Область применения кожухотрубчатых теплообменных аппаратов со стальными трубами

Классификация теплообменных аппаратов

1. По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

1)      поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через поверхность этой стенки;

2)      регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при переменном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;

)        смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

2. В зависимости от агрегатного состояния теплоносителей различают аппараты для теплообмена:

) между газами (подогреватели газов топочными газами, газовые теплообменники);

) между паром и газом (паровые подогреватели для воздуха , пароперегреватели);

) между газом и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);

) между газом и жидкостью (холодильники для газов);

) между жидкостями (жидкостные холодильники, теплообменники).

Поверхностные теплообменники:

) трубчатые:

a) Кожухотрубные;

b) «труба в трубе»;

c) Оросительные;

d) Погруженные;

) пластинчатые;

3) спиральные;

4) споверхностью, образованной стенками аппарата;

5) с оребренной поверхностью теплообмена.

) Трубчатые теплообменники.

a) Кожухотрубные теплообменники.

Этот тип теплообменников является одним из наиболее распространенных. Кожухотрубные теплообменники состоят из пучка труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучок труб расположен внутри общего кожуха, причем одни из теплоносителей движется по трубам, а другой - в пространстве между кожухом и трубами (межтрубное пространство).

По конструкции различают теплообменники с неподвижными трубными решетками, в которых обе решетки жестко прикреплены к корпусу и трубы не могут свободно удлиняться и теплообменники с компенсирующими устройствами, в которых трубы могут свободно удлиняться.

В теплообменниках с неподвижными трубными решетками при различном тепловом удлинении труб и кожуха возникают температурные напряжения; поэтому такие теплообменники применяют при небольшой разности температур между трубами и кожухом.

Теплообменники с подвижной решеткой имеют одну трубную решетку, закрепленную а в кожухе; вторая решетка подвижна и может перемещаться внутри аппарата в этих теплообменниках пучок труб можно вынуть из кожуха для осмотра и чистки межтрубного пространства.

Теплообменники с U-образными трубами являются двухходовыми и имеют лишь одну трубную решетку; пучок труб может быть вынут из кожуха, но очистка изнутри затруднительна.

b)Теплообменники «труба в трубе». Они включают несколько расположенных друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы большего диаметра и концентрически расположенной внутри нее трубы. Внутренние трубы элементов соединены друг с другом последовательно; так же связаны собой и наружные трубы. Для возможности очистки внутренние трубы соединяют при помощи съемных калачей.

Благодаря небольшому поперечному сечению в этих теплообменниках легко достигается высокие скорости теплоносителей как в трубах, так и в межтрубном пространстве.

Преимущество:

¾        высокий коэффициент теплопередачи вследствие большой скорости обоих теплоносителей;

¾     простота изготовления.

Недостатки:

¾        громоздкость;

¾     высокая стоимость ввиду большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене

¾     трудность очистки межтрубного пространства

c) Оросительные теплообменники. Они состоят из змеевиков, орошаемых снаружи жидким теплоносителем, и применяются главным образом в качестве холодильников. Змеевики выполняют из прямых горизонтальных труб, расположенных друг над другом и последовательно соединенных между собой сваркой или на фланцах при помощи калачей. Орошающая вода подается на верхнюю трубу, стекает с нее на нижележащую трубу и, пройдя последовательно по поверхности всех труб, стекает в поддон, расположенный под холодильником.

Вода, орошающей трубы, частично испаряется. При этом часть отнимаемого от горячего теплоносителя тепла затрачивается на испарение воды, расход которой в оросительных холодильниках ниже, чем в холодильниках других типов.

Вследствие сильного исправления орошающей воды оросительные холодильники обычно устанавливают на открытом воздухе, снабжая их ограждением в виде жалюзи во избежание уноса воды ветром.

Достоинства:

¾        пониженный расход охлаждающей воды

¾     простота устройства и дешевизна

¾     легкость осмотра и наружной очистки труб

Недостатки:

¾        громоздкость

¾     сильное испарение воды

¾     чувствительность к колебаниям подачи воды; при недостатке воды нижние трубы не смачиваются и почти не участвуют в теплообмене.

d) Погруженные теплообменники. Состоят из змеевиков, помещенных в сосуд с жидким теплоносителем. Другой теплоноситель движется внутри змеевиков. При большом количестве этого теплоносителя для сообщения ему необходимой скорости применяют змеевики из нескольких параллельных секций.

Преимущества:

¾        простота изготовления

¾     доступность поверхности теплообмена для осмотра и ремонта

¾     малая чувствительность к изменениям режима вследствие наличия большого объема жидкости в сосуде.

Недостатки:

¾        громоздкость

¾     непорядочное движение жидкости в сосуде, в результате чего теплоотдача снаружи змеевиков происходит путем свободной конвекции с невысоким коэффициентом теплоотдачи

¾     трудность внутренней очистки труб

) Пластинчатые теплообменники. Имеют плоские поверхности теплообмена. Их используют для теплообмена между газами при атмосферном давлении. В последнее время теплообменники подобного типа применяют для теплообмена между газами в установках глубокого охлаждения.

Эти теплообменники работают при избыточном давлении до 10 атм, имеют высокий коэффициент теплопередачи, отличаются большой компактностью, легко подаются разборке и чистке. Недостатками их является большое число прокладочных соединений между плитами.

) Спиральные теплообменники. Состоят из двух спиральных каналов прямоугольного сечения, по которым движутся теплоносители. Каналы образуются тонкими металлическими листами, которые служат поверхностью теплообмена. Внутренние концы спиралей соединены разделительной перегородкой. Для придания спиралям жесткости и фиксирования расстояния между ними служат прокладки. Система каналов закрыта с торцов крышками.

Преимущества:

¾        компактность;

¾     возможность пропускания обоих теплоносителей с высокими скоростями, что обеспечивает большой коэффициент теплопередачи;

¾     при тех же скоростях гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников меньше сопротивления многоходовых кожухотрубных теплообменников.

Недостатки:

¾        сложность изготовления и ремонта;

¾     пригодность для работы под избыточном давлением не свыше 6 атм.

) Теплообменники с поверхностью теплообмена, образованной стенками аппарата.

Для обогрева и охлаждения реакционных и других аппаратов часто осуществляют передачу тепла непосредственно через их стенки, которые и служат поверхностью теплообмена. Для повышения коэффициента теплоотдачи со стороны находящегося в аппарате жидкого теплоносителя обычно перемешивают его с помощью мешалки.

) Теплообменники с оребренными поверхностями теплообмена.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

По межтрубному пространству протекает хлороформ. Хлороформ (он жетрихлорметан или метиленхлорид)- органическое <#"522301.files/image005.gif">

1.     
Тепловая нагрузка

где   G_Г - расход хлороформа, т/ч.

r_Г - удельная теплота парообразования хлороформа, кДж/кг

x_Г - степень сухости хлороформа

N_Г - тепловая нагрузка горячего теплоносителя, кВт

,

где N_Х - тепловая нагрузка холодного теплоносителя

2.      Расход холодного теплоносителя

где   G_Г - расход холодного теплоносителя, кг/с.

Δt_Х - разность температур холодного теплоносителя

С_Х - теплоемкость холодного теплоносителя при среднем температурном напоре Δt^*, кДж/(кг·с.)

,

где  

При таком среднем температурном напоре теплоемкость воды

Тогда

. Средняя температура горячего теплоносителя

3.  Средняя температура холодного теплоносителя

Необходимое сечение трубного пространства

Плотность воды

Динамическая вязкость воды

Критерий Рейнольдса берем равный 10000

Диаметр трубок d_т=25мм=0,025м, толщина стенок δ=2мм=0,002м, тогда

Тогда необходимая скорость потока будет

где   W_X - необходимая скорость потока в трубках, м/с.

Re - критерий Рейнольдса

μ_Х - динамическая вязкость воды, Па·с.

ρ_Х - плотность воды, кг/м³

отсюда необходимое сечение трубного пространства

где   S_Т - сечение трубного пространства, м²

где К - коэффициент теплопередачи холодного теплоносителя (для Н₂О)

К=1

Площадь поверхности теплообмена

Из таблицы 4.12 {1} находим:

Условие и  удовлетворяет одноходовому теплообменнику:

диаметром кожуха D=400мм,

длиной труб

общее число труб n=111

 межтрубное проходное сечение

 внутреннее проходное сечение

 трубное проходное сечение

 число рядов труб по вертикали для горизонтальных аппаратов

h=250ммрасстояние между перегородками

ПОВЕРОЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

 при t_конд.

d=0,021 м

l=4 м

Pr=32

Выбираем два последовательно соединенных теплообменника длиной труб 4 м.

Запас поверхности

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Гидравлическое сопротивление для хлороформа

1)      Скорость в штуцере на входе

где d_шт. - диаметр штуцера, м

2)      Скорость в межтрубном пространстве на выходе

3)      Скорость в межтрубном пространстве на входе

4)      Скорость в штуцере на выходе

Гидравлическое сопротивление для воды

1)      Скорость в штуцере

2)     
Скорость в трубах

Вход в трубы

3)      Гидравлическое сопротивление

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теплообменники кожухотрубчатые предназначены для организации теплообмена жидких и газообразных сред в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, нефтяной, газовой и других отраслях промышленности.

Кожухотрубчатые теплообменники - наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. По ГОСТ 9929 стальные Кожухотрубчатые теплообменные аппараты изготовляют следующих типов: ТН - с неподвижными трубными решетками; ТК - с температурным компенсатором на кожухе; ТП - с плавающей головкой; ТУ - с 11-образными трубами; ТПК - с плавающей головкой и компенсатором на ней.

В кожухотрубчатых теплообменниках для достижения больших коэффициентов теплоотдачи необходимы достаточно высокие скорости теплоносителей: для газов 8...250 м/с, для жидкостей не менее 1,5 м/с. Скорость теплоносителей обеспечивают при проектировании соответствующим подбором площади: сечения трубного и межтрубного пространства.{7}

Если площадь сечения трубного пространства (число и диаметр труб) выбрана, то в результате теплового расчета определяют коэффициент теплопередачи и теплообменную поверхность, по которой рассчитывают длину трубного пучка. Последняя может оказаться больше длины серийно выпускаемых труб. В связи с этим применяют многоходовые (по трубному пространству) аппараты с продольными перегородками в распределительной камере.

В результате расчета, учитывая, что в нашем аппарате по межтрубному пространству передвигается метиленхлорид, а по трубному - оборотная вода, выяснили, что необходимо применить двухходовой аппарат горизонтального размещения, длиной 6 метров. Преимущество, которого состоит в том, что жидкость перемещается по трубам равномерно, нежели в вертикальных; хорошо ремонтировать в тех или иных узлах; легко эксплуатировать; простая конструкция и, следовательно, меньшая стоимость.

Однако ему присущи два крупных недостатка. Во-первых, очистка межтрубного пространства подобных аппаратов сложна, поэтому теплообменники такого типа применяются в тех случаях, когда среда, проходящая через межтрубное пространство, является чистой, не агрессивной, т.е. когда нет необходимости в чистке. теплообменник конденсация хлороформ

Во-вторых, существенное различие между температурами трубок и кожуха в таких аппаратах приводит к большему удлинению трубок по сравнению с кожухом, что обусловливает возникновение температурных напряжений в трубной решетке, нарушает плотность вальцовки труб в решетке и ведет к попаданию одной теплообменивающейся среды в другую. Поэтому теплообменники этого типа применяют при разнице температур теплообменивающихся сред, проходящих через трубки и межтрубное пространство не более 50° С и при сравнительно небольшой длине аппарата.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.     Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.:Химия, 2006. - 576 с.

2.      Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского.- М.: Химия, 1991.- 496 с.

3.      Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химический технологии. - М.: Химия, 1968. - 848 с.

.        Расчет и проектирование кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: учебн. пособие/ Н.И.Савельев,П.М.Лукин. - Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та. 2010. - 80 с.

.        База данных ChemCAD

6.     Электронный ресурсhttp://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1034578

7.      Электронный ресурс http://tehnoto.ru/product/apparaty/teploobm3/