Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник для конденсации насыщенного пара бензола

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО "Сибирский государственный индустриальный университет"

 

Институт Металлургии и Материаловедения

Кафедра металлургии цветных металлов и химической технологии

 

 

Курсовое проектирование по дисциплине                                                            "Процессы и аппараты химической технологии"

на тему: "Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник для конденсации насыщенного пара бензола"

 

 

 

                                                          

    Выполнил: ст.  гр. МХТ-08

   Астахова А.М.                                              

Проверил: к.т.н., доцент

Полях О.А.  

 

 

Новокузнецк, 2011г.

Содержание:

 

1 Задание курсового проекта............………………………………………………..3

2 Введение……………………………………………………………….……….......4

3 Теоретическая часть……………………………………………………....……….5

    3.1Общие сведения  о теплообменных процессах, их  сущность и назначение…………………………………………………………………..….…….5

     3.2 Кожухотрубчатый теплообменник..................................................................6

4 Расчетная часть……………………………………………………….…….…........9 

    4.1 Тепловой расчет.………………………………..........................................…...9

    4.2 Конструктивный  расчет….........................................................................…...15

    4.3 Гидравлический  расчет……………………………………...………………..17

    4.4 Механический  расчет........................................................................................19

5 Заключение……………………………………………………………………........20

6 Список использованных источников ……………………………………….........21

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Введение

Тепловые процессы, связанные с нагреванием, охлаждением, испарением и конденсацией, очень широко применяются в технологиях химического производства. Для осуществления таких процессов используется разнообразная теплообменная аппаратура. Именно по этой причине в моей курсовой работе рассмотрены процессы теплообмена в вертикальном кожухотрубчатом теплообменном аппарате для осуществления непрерывного процесса нагревания органической жидкости, как теоретически, так и практически, то есть на основе вычислительных формул.

Цель проекта: рассчитать тепловой, конструктивный, гидравлический, механический расчеты. Выбрать и спроектировать подходящий теплообменный аппарат.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Теоретическая  часть

1. Общие сведения о теплообменных процессах, их сущность и назначение

Теплообменниками называются аппараты, в которых происходит теплообмен между рабочими средами независимо от их технологического или энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, конденсаторы, пастеризаторы, испарители, деаэраторы, экономайзеры и др.).

Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом, и реакторы, в которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.

Классификация теплообменников возможна по различным признакам.

1. По способу передачи  тепла различаются теплообменники  смешения, в которых рабочие среды  непосредственно соприкасаются  или перемешиваются, и поверхностные  теплообменники–рекуператоры, в которых  тепло передаётся через поверхность  нагрева твёрдую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.

2. По основному назначению  различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:

а) жидкостно–жидкостные – при теплообмене между двумя жидкими средами;

б) парожидкостные – при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);

в) газожидкостные – при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха) и др.

По тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.

3.2 Кожухотрубчатые теплообменники

Основными элементами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой.

1 - корпус (обечайка); 2 - трубные решетки; 3 - трубы; 4 - крышки;

5 - перегородки  в крышках; 6 - перегородки в межтрубном  пространстве

I - вход в трубную  решетку и выход  из нее; II - вход в межтрубное пространство и выход из него

Рисунок 1- Кожухотрубчатый теплообменник ( а) одноходовой;                           б) многоходовой)

Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки как и трубном, так и межтрубном пространствах.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными, одноходовыми, многоходовыми и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа. В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубчатые теплообменники жесткий, полужесткой и нежесткой конструкции.

 Многотрубный кожухотрубчатый теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическую камеру (кожух); таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством. Трубки ввальцованы в трубные решетки, ограничивающие камеру со всех сторон. К трубным решеткам крепятся распределительные коробки с патрубками для впуска рабочей жидкости, протекающей внутри трубок. Камера снабжена также патрубками для подвода и отвода второго рабочего тела.

Трубки латунные, медные или стальные применяются диаметром от 10 мм и выше; трубки имеют большие диаметры при вязких или загрязненных жидкостях.

Для помещения в кожухе большей поверхности теплообмена и получения большего коэффициента теплоотдачи выгоднее применять трубки меньшего диаметра.

Трубные решетки могут быть наглухо приварены или приклёпаны к корпусу, одна из решеток может быть не соединена с камерой. В этом случае уплотнение достигается резиновым кольцом, зажимающим щель между корпусом и решеткой.

Кожух теплообменника обычно стальной, цилиндрический. Иногда для обеспечения свободы температурного расширения кожуха и трубок на кожухе устраивают компенсатор.

Аппараты жесткой конструкции используют при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка труб; эти теплообменники отличаются простотой устройства.

В кожухотрубчатых теплообменниках нежесткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса для устранения дополнительных напряжений от температурных удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке  или корпусе, пучком U-образных труб, подвижной трубной решеткой закрытого и открытого типа.

В аппаратах полужесткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных па корпусе. Полужесткая конструкция надежно обеспечивает компенсацию температурных деформаций, если они не превышают 10—15 мм, а условное давление в межтрубном пространстве составляет не более 2,41атм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Расчетная часть

При определении необходимых для расчетов значений некоторых физико-химических величин такие как β, μ, ρ, с, γ, в зависимости в которых от температуры приводятся в соответствующих таблицах ([4]).

4.1 Тепловой расчет

  Исходные данные:

1. начальная температура  воды - t2н=21º С

2. конечная температура  воды - t2к=34ºС

3. начальная температура  бензола - t1н=80.5ºС

4. конечная температура  бензола - t1к=25ºС

5. производительность по  бензолу - G1=12 т/ч

6. давление насыщенного  пара - P1= 1 атм. = 1.013×105 Па

  Примем индекс "1" для горячего теплоносителя (бензол  в трубах), "2" для холодного  теплоносителя (вода).

Температурная схема:

80.5      →         25

34         ←         21

Δtб=46.5       Δtм=4

 

  Средняя температура воды:      

  Средняя температура бензола:   

 

   Без учета потерь тепла расход теплоты:

 

 

где c1 – удельная теплоемкость бензола, Дж/(кг·К) при температуре t1, [4]

   Расход воды:

 

где c2 – удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К) при температуре t2, [4]

Объемный расход жидкости (V), м3/с рассчитывается по формуле:

 

где r2 – плотность жидкости, кг/м3 при температуре t2 [6].

Объемный расход бензола  (V), м3/с рассчитывается по формуле:

 

где r1 – плотность жидкости, кг/м3 при температуре t1 [4].

   Определим максимальную величину площадки поверхности теплообмена (среднее значение 120-340) [4].

 

 

  Одноходовой кожухотрубчатый аппарат с числом труб 257 шт., Dкожуха=600мм, L=6м,  Sв.п=0.04м2,   Sт=0.089м2,  h1=111мм, dтруб=25*2 [4].

  Рассчитаем поверхности  теплообмена.

1). межтрубное пространство.

 

 

 

   Расчетная скорость воды в межтрубном пространстве:

 

  Критерий Рейнольдса  для воды:

 

,

-кинематическая вязкость воды при t2,  =0.6, λ2=0.618 Вт/(м2К) при t2 [6].

 

2). трубное пространство.

Число труб на один ход теплообменника, необходимое для обеспечения турбулентного режима:

 

  Задаваясь условиями: ń > 67, F > 77м2 выбран теплообменник, который имеет наиболее простое устройство и меньшую металлоемкость, одноходовой аппарат (z = 1) с внутренним диаметром кожуха D = 600 мм, числом труб на один ход трубного пространства n = 257, длиной труб L=6,0 м, и площадью поверхности теплообмена F = 121 м2, (по данным [4]).

Перед проведением расчетов следует уточнить критерий Рейнольдса с учетом характеристики выбранного теплообменника:

 

  Расчетная скорость бензола в трубном  пространстве:

 

=0.257×10-3 Па·с [4].

 

    Критерий Прандтля для бензола при температуре t1:

 

где l1 – коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м·К) при температуре t1  [4].

   Критерий Нуссельта для бензола рассчитывается по уравнению, для расчетов можно приближенно принять (Pr1/Pr1ст.)0,25  = 1,05:

 

     Коэффициент теплоотдачи (α1), Вт/(м2·К) для бензола:

 

   Принимаем тепловую  проводимость загрязнений со  стороны межтрубного пространства , коэффициент теплопроводимости стали              λст=46.5 Вт/(м2К).

 

    Коэффициент теплопередачи K, Вт/(м2·К) определяется по выражению:

 

    Удельная тепловая нагрузка (q), Вт/м2:

 

Определение запаса площади поверхности теплообмена.

     Расчетная площадь поверхности теплообмена Fр, м2:

 

Площадь поверхности теплообмена F (м2), принимаем диаметр поверхности труб мм, длина труб м:

 

   Запас площади теплообмена, %:

 

   Температура стенки tст 1, ºС:

 

  Температура стенки tст 2, ºС:

 

 

 

4.2 Конструктивный расчет

   Длина трубы:

 

   Расстояние между осями труб или шаг трубы t=32. Число на стороне наибольшего шестиугольника (а) и на диагонали этого шестиугольника (b) должны быть только целыми. Они связанны следующим соотношениями  о общим числом труб между собой: 

          

   Внутренний диаметр кожуха теплообменника определяется по формуле:

 

   Сечение межтрубного пространства, определяемое по формуле:

 

   Число ходов z определяют следующим образом:

 

 

 

 

   Расстояние между перегородками может быть определено и из уравнения:

 

 

 

 

   Диаметры подводящих патрубков (штуцеров) определяются по уравнению расхода:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.3 Гидравлический расчет

   Целью гидравлического расчета теплообменника является определение гидравлических сопротивлений (потерь напора) при прохождении теплоносителей через аппарат.

Гидравлические сопротивления определяют по общей формуле:

 

             Коэффициент трения находят по  формуле:  

 

ζ=1.5 - входная и выходная камеры,  ζ=1.0 - вход в трубы и выход из них, [1].

                Диаметр штуцеров в распределительной камере dтр.ш.=200мм;  скорость в штуцерах:

 

               Диаметр штуцеров в межтрубном  пространстве dмтр.ш.=200мм; скорость потока в штуцерах:

 

 

 

 

 

 

4.4  Механический  расчет

 

Расчет стенки корпуса.

  При расчете на  внутреннее давление толщина  стенки корпуса  проверяется по формуле:

                                     мм