Кожухотрубный теплообменник для охлаждения 28 т/ч нитробензола от 60 до 25 С
Кожухотрубный
теплообменник для охлаждения 28 т/ч нитробензола от 60 до 25 ºС
Введение
технологический кожухотрубный теплообменник гидравлический
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 теплообменики. 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.
При охлаждении в кожухотрубных теплообменниках в качестве
хладоагента может использоваться речная или артезианская вода, а в случае,
когда требуется получить температуру ниже 5 ºС применяют холодильные
рассолы (водные растворы CaCl2, NaCl, и др.).
1. Технологическая схема
Нитробензол из расходной емкости РЕ с помощью центробежного
насоса Н подается в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменника ТО. В
трубное пространство теплообменника поступает охлаждающая вода, которая затем
сбрасывается в линию оборотного водоснабжения. Охлажденный нитробензол из
теплообменника самотеком поступает в приемную емкость ПЕ.
Рис. 1. Технологическая схема
2. Выбор конструкционного материала
Так как нитробензол является агрессивным веществом, то в качестве
конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь
12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до
температуры 600 ºС [4c59].
3. Тепловой и материальный расчет
3.1 Температурный режим аппарата
Принимаем противоточную схему движения теплоносителей.
Рис. 2. Схема движения теплоносителей
3.2 Средняя разность температур
Δtб = t1н - t2к = 60 - 35 = 25 ºС
Δtм = t1к - t2н = 25 -15 = 10 ºС
Так как отношение Δtб/Δtм = 25/10 = 2,5 >2, то
Δtср = (Δtб - Δtм)/ln(Δtб/Δtм) = (25 - 10)/ln (25/10) = 16,4 ºС
Средняя температура воды:
t2ср = (t2н + t2н)/2 = (15 + 35)/2 = 25,0 ºC.
Средняя температура нитробензола:
t1ср = t2ср + Δtср = 25,0 + 16,4 = 41,4 ºС.
3.3 Тепловая нагрузка аппарата
Q = G1c1(t1н - t1к),
где с1 = 1,91 кДж/кг∙К - теплоемкость
нитробензола [3 c. 59]
G1 - массовый расход нитробензола.
G1 = 28000/3600 = 7,78 кг/с,
Q = 7,78∙1,91 (60 - 25) = 519,9 кВт.
3.4 Расход охлаждающей воды
G2 = Q/c2(t2к - t2н),
где c2 = 4,19 кДж/кг∙К - теплоемкость воды [1 c. 537].
G2 = 519,9/4,19 (35 -15) = 6,20 кг/с.
3.5 Ориентировочный выбор теплообменника
Нитробензол поступает в межтрубное пространство, а вода
движется в трубном пространстве. 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 = 0,89∙10-3
Па∙с - вязкость воды при 25,0 ºС [1 c. 516].
для труб 20×2 dвн = 0,016 м
n/z = 6,20/0,785∙15000∙0,016∙0,89∙10-3
= 37.
Принимаем также ориентировочное значение коэффициента
теплопередачи Кор = 300 Вт/м2∙К [1 c. 172], тогда
ориентировочная поверхность теплообмена:
Fор = Q/Kор Δtср = 519,9∙103/300∙16,4
=105,7 м2.
Принимаем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена:
6-х ходовой с диаметром кожуха 600 мм и 316 трубками 20×2 [2 c.
51].
3.6 Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде
a1= Nu1l1/dвн,
где l1 = 0,607 Вт/м×К - теплопроводность воды
при 25°С
[1 c. 565],
Nu1 - критерий Нуссельта для нитробензола.
Фактическое значение критерия Рейнольдса:
Re2 = G2/[0,785dвн(n/z)m2 =6,20/[0,785×0,016 (316/6) 0,89×10-3 =10531.
Режим движения турбулентный в этом случае критерий Нуссельта:
Nu2 = 0,021Re20,8Pr20,42(Pr2/Prст2)0,25,
где Рr2 = 6,13 - критерий Прандтля для воды при 25,0 °С [1 c. 537].
Принимаем в первом приближении отношение (Pr2/Prст2)0,25 = 1,
тогда
Nu = 0,021×105310,8×6,130,43 = 75,6.
a2 = 75,6×0,607/0,016 =2870 Вт/м2×К.
3.7 Коэффициент теплоотдачи от нитробензол к
стенке
a1= Nu1l1/dн,
где l1 = 0,151 Вт/м×К - теплопроводность
нитробензол [1 c.
561],
Nu1 - критерий Нуссельта для нитробензол
Re1 = G1dн/Sмтрm1,
где Sмтр = 0,048 м2 - площадь сечения потока
между перегородками,
m1 = 1,41×10-3 Па×с - вязкость
нитробензол[1c516].
Re1 = 7,78×0,020/(0,048×1,41×10-3) = 2299.
В этом случае критерий Нуссельта:
Nu1 = 0,24Re0,6Pr10,36(Pr1/Prст1),
где Pr1 - критерий Прандтля для нитробензол.
Pr1 = c1μ1/λ1 = 1,91·1,41/0,151 = 17,8
Принимаем в первом приближении отношение (Pr1/Prст1)0,25 = 1,
тогда
Nu1 = 0,24×22990,6×17,80,36 = 70,4.
a1 = 70,4×0,151/0,020 = 531 Вт/м2×К.
3.8 Тепловое сопротивление стенки
где dст = 0,002 м - толщина стенки трубки;
lст = 17,5
Вт/м×К - теплопроводность нержавеющей стали [1 c. 529];1=r2=1/5800 м×К / Вт - тепловое сопротивление
загрязнений cтенок;
S(d/l) = 0,002/17,5 + 1/5800 + 1/5800 = 4,6×10-4 м×К / Вт.
.9 Коэффициент теплопередачи
K = 1/(1/a1+S(d/l)+1/a2) =1/(1/531+4,6×10-4+1/2870) =
371 Вт/м2×К
3.10 Температуры стенок
tст1 = tср1 - КDtср/a1 = 41,4 - 371×16,4/531 = 30,0 °С,
tст2 = tср2 + КDtср/a2 = 25,0 + 371×16,4/2870 = 27,1 °С.
Уточняем коэффициенты теплоотдачи.
Критерий Прандтля для нитробензола при tст1 = 30,0 ® Prст1 = 22,5
a1ут = a1(Pr/Prст1)0,25 = 531
(17,8/22,5)0,25 = 501 Вт/м2×К.
Критерий Прандтля для воды при tст2 = 27,1 ® Prст2 = 5,81
a2ут = a2(Pr/Prст2)0,25 = 2870
(6,13/5,81)0,25 = 2909 Вт/м2×К.
Уточняем коэффициент теплопередачи:
K = 1/(1/501 +4,6×10-4+1/2909) =
357 Вт/м2×К.
Температуры стенок:
tст1 = 41,4 - 357×16,4/501 = 29,7 °С,
tст2 = 25,0 + 357×16,4/2909 = 27,0 °С.
Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейших
уточнений не требуется.
3.11 Поверхность теплообмена
F = Q/KDtср = 519,9×103/357×16,4 = 88,8
м2
Выбираем теплообменник с ближайшей большей поверхность
теплообмена: 6 - ходовой теплообменник с длиной труб 6 м, у которого
поверхность теплообмена 119,0 м2 [2 c. 51].
4. Конструктивный расчет
4.1 Толщина обечайки
d = DP/2sj +Cк,
где D = 0,6 м - диаметр греющей камеры аппарата;
P = 0,1 МПа - давление греющего пара;
s = 138 МН/м2 - допускаемое напряжение
для стали [2 c. 76];
j = 0,8 - коэффициент ослабления из-за сварного
шва [2 c. 77];
Cк = 0,001 м - поправка на коррозию.
d = 0,6×0,1/2×138×0,8 + 0,001 = 0,002 м.
Согласно рекомендациям [4 c. 24] принимаем толщину
обечайки d= 8 мм.
4.2 Днища
Наибольшее распространение в химическом машиностроении
получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 - 78 [4 c. 25], толщина стенки днища
d1 =d = 8 мм.
4.3 Фланцы
Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью
плоских приварных фланцев по ОСТ 26-428-79 [4 c. 25]:
4.4 Штуцера
Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:
d = ,
где G - массовый расход теплоносителя,
r - плотность теплоносителя,
w - скорость движения теплоносителя в штуцере.
Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1,5 м/с, тогда диаметр
штуцера для входа и выхода нитробензола:
d1,2 = (7,78/0,785×1,5×1183)0,5 = 0,075 м, принимаем d1,2 = 80 мм.
диаметр штуцера для входа и выхода воды:
d3,4 = (6,20/0,785×1,5×997)0,5 = 0,073 м,
принимаем d3,4 = 80 мм.
Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ
12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:
dусл
|
D
|
D2
|
D1
|
h
|
n
|
80
|
185
|
150
|
128
|
18
|
4
|
18
|
4.5 Опоры аппарата
Максимальная масса аппарата:
Gmax = Ga+Gв = 3380+1695 = 5075 кг =
0,050 МН,
где Ga = 3380 кг - масса аппарата [2 c. 56]
Gв - масса воды заполняющей аппарат.
Gв = 1000×0,785×0,602×6 = 1695 кг
Принимаем, что аппарат установлен на двух опорах, тогда
нагрузка приходящаяся на одну опору:
Gоп = 0,050/2 = 0,025 МН
По [5 c. 673]
выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,025 МН.
4.6 Трубная
решетка
Толщина трубной решетки
,
где k = 0,47 - вспомогательный коэффициент,
j - коэффициент ослабления решетки.
Число труб на стороне наибольшего шестиугольника найдем из
соотношения:
z = 2 [(n-1)/3+0,25]0,5 = 2
[(316-1)/3+0,25]0,5 = 20
j = (Dп - zSd0)/Dп = (0,62 - 20×0,020)/0,62 = 0,35
где Dп = 0,62 м - средний диаметр прокладки.
h = 0,47×0,6
(0,10/138×0,35)0,5+0,001
= 0,014 м,
принимаем h = 30 мм.
Расположение труб в трубной решетке показано на рисунке
4.7 Расчет
тепловой изоляции
Принимаем температуру наружной поверхности стенки tст.в = 40 °С,
температуру окружающего воздуха tв = 18 °С, тогда толщина стекловолокнистой изоляции:
,
где lиз = 0,09 Вт/м×К - коэффициент теплопроводности теплоизоляционного
материала,
aв-коэффициент
теплоотдачи от наружной стенки корпуса в окружающую среду
aв =
8,4+0,06Dtв = 8,4+0,06×22
= 9,72 Вт/м2×К,
где Dtв = tст.в - tв = 40 -
18 = 22 °С.
dиз = 0,09
(60-40)/[9,72 (40 - 18) = 0,009 м.
Принимаем толщину тепловой изоляции 10 мм.
5. Гидравлический расчет
5.1 Скорость воды трубах
wтр = G2z/(0,785dвн2nr2) = 6,20×6/(0,785×0,0162×316×997) = 0,59 м/с.
5.2 Коэффициент трения
,
где е = D/dвн = 0,2/0.016 = 0,0125 - относительная шероховатость,
D = 0,2 мм - абсолютная шероховатость.
l = 0,25 {lg[(0,0125/3,7)+(6,81/10531)0,9]}-2 = 0,046.
5.3 Скорость воды в штуцерах
wшт = G2/(0,785dшт2r2) = 6,20/(0,785×0,082×997) = 1,24 м/с
5.4 Гидравлическое сопротивление трубного пространства
0,046×6,0×6×0,592×997/(0,016×2) +[2,5
(6-1)+2×6] 0,592×997/2 + 3×1,242×997/2 =24511 Па
5.5 Подбор насоса для воды
Объемный расход воды и напор, развиваемый насосом:
Q2 = G2/r2 = 6,20/997 = 0,0062 м3/с,
Н = DРтр/rg + h = 24511/997×9,8 + 6 = 8,5 м.
По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос
Х45/21, для которого Q = 0,0125 м3 и Н = 13,5 м [2 c. 38].
5.6 Скорость нитробензола в межтрубном
пространстве
wмтр = G1/(Sмтрr1) = 7,78/(0,048×1183) = 0,14 м/с.
Скорость нитробензола в штуцерах межтрубного пространства:
wшт = G1/(0,785dшт2r1) = 7,78/(0,785×0,082×1183) = 1,31 м/с
5.7 Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства
,
где х = 18 - число сегментных перегородок [2 c. 56],
m - число рядов труб.
m = (n/3)0,5 = (316/3)0,5
=10.
DРмтр =10
(18+1) 1183×0,142/(2×22990,2) + 1,5×18×1183×0,142/2 + 3×1183×1,312/2 = 3827
Па.
5.8 Подбор насоса для нитробензола
Объемный расход воды и напор, развиваемый насосом:
Q1 = G1/r1 = 7,78/1183 = 0,0066 м3/с,
Н = DРтр/rg + h = 3827/1183×9,8 + 6 = 6,3 м.
По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос
Х45/21, для которого Q = 0,0125 м3 и Н = 13,5 м [2 c. 38].
Выполнен тепловой, материальный, гидравлический и
конструктивный расчет кожухотрубного теплообменника для охлаждения 28 т в час
нитробензола от 60 до 25 ºС водой с начальной
температурой 15 и конечной 35 ºС. Определена средняя
движущая сила процесса, расход охлаждающей воды (6,20 кг/с) и требуемая
поверхность теплообмена. Выбран стандартный вертикальный теплообменник с
поверхностью теплообмена 119 м2, длиной труб 6,0 м и диаметром
кожуха 600 мм. В результате гидравлического расчета определено гидравлическое
сопротивление трубного (24511 Па) и межтрубного пространства (3827 Па) и
подобраны насосы: для подачи воды - Х45/21; для подачи нитробензола - Х45/21.
Литература
1. Павлов
К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и
аппаратов. Л.: Химия, 1987, 576 с.
2. Основные
процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред.
Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1983. 272 с.
. Теплофизические
свойства газов, растворителей и растворов солей. Справочник /Сост. Е.М. Шадрина
и др. Иваново. 2004.
. Разработка
конструкции химического аппарата и его графической модели. Методические
указания. - Иваново, 2004.
5. Лащинский
А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры -
Л. «Машиностроение», 1975.