Расчет и проектирование холодильника-конденсатора для конденсации перегретого водяного пара

Курсовая работа

Расчет и проектирование холодильника-конденсатора для конденсации перегретого водяного пара

Введение

кожухотрубчатый теплообменник конденсат холодильник

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 хладоагентами. 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 25 или 38 мм и длиной 3-6 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.

 

1. Тепловой баланс кожухотрубчатого теплообменника

 

В межтрубном пространстве находится насыщенный пар, в трубном - оборотная вода (как более грязное вещество). Движение фаз - противоток.

Тепловая нагрузка:

- расход пара (по заданию )

- удельная теплота парообразования (из табл. ХLV [1] )

 - теплоёмкость конденсата (по табл. XXXIX [1] при )

 - удельная энтальпия насыщенного пара при

 - удельная энтальпия конденсации пара при

 - температура конденсации пара

 - температура конденсата

Расход оборотной воды:

, где

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

- температура на выходе из теплообменника (для оборотной воды 50⁰С)

- температура на входе в теплообменник (для оборотной воды 30⁰С)

Определяем  из теплового баланса:

 

Средняя движущая сила :

Определяем  из теплового баланса:

 

 

Средняя движущая сила :

 

 

Средняя движущая сила :

 

 

.1 Подбор коэффициентов теплоотдачи и расчёт площади теплообменника

 

Задаёмся коэффициентом К₁:

 (по табл. 4.8 [1])

Площадь теплообмена F₁:

 

Задаёмся коэффициентом К₂:

 (по табл. 4.8 [1])

Площадь теплообмена F₂:

 

Задаёмся коэффициентом К₃:

 (по табл. 4.8 [1])

Площадь теплообмена F₃:

 

Общая площадь теплообмена:

 

Выбираем по ГОСТ 15118-79 теплообменник (из табл. 2.3):

Конденсатор:

·        S=17.5м²

·        (количество ходов)

·        d_{внутренний}=325 мм,

·        (общее число труб)

·        число трубок на 1 ход = 28

·       

·        трубы

2. Первая часть теплообмена. Охлаждение паров НП

 

.1 Расчет параметров для трубного пространства (оборотная вода)

 

Критерий Рейнольдса:

- количество труб

- диаметр эквивалентный ()

- вязкость воды (по табл. XXXIX [1]: для 50⁰С )

Критерий Прандтля:

, где

 - теплопроводность воды (по табл. XXXIX [1]: для 50⁰С )

Критерий Nu:

Отношение принимаем за единицу, т.к. разница между температурами стенки min:

(из примера со стр. 33 [2])

Расчет проведён для всех процессов с оборотной водой, т.к. в процессе теплообмена в малом интервале температур вода практически не изменяет физические свойства.

Находим :

 - коэффициент теплоотдачи для воды

 - определяющий линейный размер (), м

2.2 Расчет параметров для межтрубного пространства (насыщенный пар)

 

Критерий Рейнольдса:

- расход пара, (по условию )

- наружный диаметр трубок ()

- проходное сечение межтрубного пространства (по табл. II.3 [2] )

- вязкость пара (по рис VI для 115⁰С )

Критерий Прандтля:

, где

- удельная теплоёмкость пара,

 - теплопроводность пара (по табл. XXXIX [1]: для 115⁰С )

Критерий Nu (для 2300<R<1000):

Находим :

 - коэффициент теплоотдачи для пара

 - определяющий линейный размер (), м

Находим расчётный коэффициент :

, 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 )

 

Находим расчетную площадь теплообмена для охлаждения пара:

 

3. Вторая часть теплообмена. Конденсация паров

 

.1 Расчет параметров для трубного пространства (оборотная вода)

 

Критерий Рейнольдса:

- количество ходов

- количество труб

- диаметр эквивалентный ()

- вязкость воды (по табл. XXXIX [1]: для 40⁰С )

Критерий Прандтля:

, где

 - теплопроводность воды (по табл. XXXIX [1]: для 40⁰С )

Критерий Nu:

Аналогично принимает отношение за единицу (расчёт и пояснение выше)

Находим :

 - коэффициент теплоотдачи для воды

 - определяющий линейный размер (), м

3.2 Расчет параметров для межтрубного пространства (конденсат)

(формула для горизонтальной труб), где:

- коэффициент (при )

- длина трубок, м

- число трубок

- расход пара, (по условию )

 - теплопроводность пара (по табл. XXXIX [1]: )

- вязкость пара (по рис VI [1] )

Находим расчётный коэффициент :

, где

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

- толщина трубок, м

- теплопроводность материала стали (по табл. XXVIII )

 

Находим расчетную площадь теплообмена для охлаждения пара:

4. Третья часть теплообмена. Охлаждение конденсата

 

.1 Расчет параметров для трубного пространства (оборотная вода)

 

Критерий Рейнольдса:

- количество ходов

- количество труб

- диаметр эквивалентный ()

- вязкость воды (по табл. XXXIX [1]: для 30⁰С )

Критерий Прандтля:

, где

 - теплопроводность воды (по табл. XXXIX [1]: для 30⁰С )

Критерий Nu:

Аналогично принимает отношение за единицу (расчёт и пояснение выше)

Находим :

 - коэффициент теплоотдачи для воды

 - определяющий линейный размер (), м

4.2 Расчет параметров для межтрубного пространства (конденсат)

 

Критерий Рейнольдса:

- расход пара, (по условию )

- наружный диаметр трубок ()

- проходное сечение межтрубного пространства (по табл. II.3 [2] )

- вязкость пара (по рис VI для 115⁰С )

Критерий Прандтля:

, где

- удельная теплоёмкость пара,

 - теплопроводность пара (по табл. XXXIX [1]: для 80⁰С )

Критерий Nu:

 

Отношение принимаем за единицу, т.к. разница между температурами стенки min:

(из примера со стр. 33 [2])

 

Находим :

 - коэффициент теплоотдачи для пара

 - определяющий линейный размер (), м

Находим расчётный коэффициент :

, 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 )

 

Находим расчетную площадь теплообмена для охлаждения пара:

 

5. Расчетная площадь теплообмена

 

Суммарная площадь теплообмена:

 

Запас по теплообмену:

 

Масса аппарата (по табл.) = 1260 кг

 

6. Гидравлический расчёт кожухотрубчатого теплообменника

 

.1 Расчёт гидравлического сопротивления для трубного пространства (оборотная вода)

 

Скорость движения воды в трубах:

, где

 - расход оборотной воды

- диаметр трубки, м

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

 - количество труб

Коэффициент трения:

, где - относительная шероховатость труб

 

Скорость воды в штуцерах:

, где

- диаметр условного прохода штуцеров (по табл. II.8 [2] )

Гидравлическое сопротивление воды в трубном пространстве:

 

6.2 Расчёт гидравлического сопротивления для межтрубного пространства (перегретый пар)

 

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве:

 

Число сегментных перегородок:

 (по табл. при ):

Скорость потока в штуцерах:

, где

- диаметр условного прохода штуцеров к кожуху (по табл. II.8 [2] )

- плотность пара (по табл. LVI при  )

Скорость потока в наиболее узком сечении межтрубного пространства:

 

Гидравлическое сопротивление пара в межтрубном пространстве:

6.3 Расчёт гидравлического сопротивления для межтрубного пространства (конденсат)

 

Скорость потока конденсата в штуцерах:

, где

- диаметр условного прохода штуцеров к кожуху (по табл. II.8 [2] )

- плотность конденсата (по табл. ХХХIX при  )

Скорость конденсата в наиболее узком сечении межтрубного пространства:

 

Гидравлическое сопротивление конденсата в межтрубном пространстве:

 

Вывод

По ГОСТ 15119-79 рассчитан и запроектирован кожухотрубчатый теплообменник для конденсации перегретого водяного пара

Параметры кожухотрубчатого конденсатора:

·        площадь поверхности теплообмена

·        запас по поверхности теплообмена

·        диаметр кожуха

·        число ходов

·        трубы 25*2 мм

·        длина труб

·        число труб

·        число труб на 1 ход

·        тепловая нагрузка

·        масса

Параметры перегретого пара (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

Движение фаз - противоток.

Список литературы

1. Примеры и задачи курсу процессов и аппаратов химической технологии. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков: Химия, Ленинград, 1987.

2.      Основные процессы и аппараты химической технологи. Пособие по проектированию. Под ред. Дытнерского Ю.И.: Химия, Москва, 1983