Технолофгическая схема. Выбор конструкционного материала. Тепловой расчет температурный режим аппарата. Ориентировочный выбор теплообменника. Теплообменник с диаметром кожуха 400 мм и 181 трубками 20×

Оглавление

Аннотация

Введение
. Технолофгическая схема
. Выбор конструкционного материала
. Тепловой расчет
.1 Температурный режим аппарата
.2 Ориентировочный выбор теплообменника
.3 Теплообменник с диаметром кожуха 400 мм и 181 трубками 20×2
3.4 Теплообменник с диаметром кожуха 600 мм и 240 трубками 25×2
3.5 Теплообменник с диаметром кожуха 1000 мм и 174 трубками20×2
4. Конструктивный расчет
.1 Толщина обечайки
.2 Днища
.3 Штуцера
.4 Опоры аппарата
.5 Расчет тепловой изоляции
.6 Трубная решетка
. Гидравлический расчет
.1 Скорость воды в трубах
.2 Коэффициент трения
.3 Скорость воды в штуцера
.4 Гидравлическое сопротивление трубного пространства
.5 Подбор насоса для воды
Выводы
Литература


Аннотация

В данном курсовом проекте проведен расчет кожухотрубчатого теплообменника для охлаждения нитробензола производительностью 22000 кг/час. Выполнен материальный, тепловой, гидравлический и конструктивный расчеты, определены движущая сила процесса, тепловая нагрузка, расход охлаждающей воды. . Выбран стандартный теплообменник, подобраны нормализованные конструктивные элементы и насос для подачи воды. Расчетно-пояснительная записка изложена на 24 страницах текста, включает 5 рисунков, 2 таблицы, список использованной литературы из 4 наименований.

Введение


Теплообменник, теплообменный аппарат- устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. Применяется в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве
Кожухотрубные теплообменники. Они представляют из себя пучок труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучок 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; 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.
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.).


Технологическая схема

Нитробензол поступает в трубное пространство теплообменника ТО. В межтрубное пространство с помощью центробежного насоса ЦН подается охлаждающая вода. За счет нагревания воды, в трубах происходит охлаждение нитробензола. Из аппарата нитробензол поступает в приемную емкость ПЕ, а вода сбрасывается в канализацию или используется в качестве оборотной.

Рис. 1. Технологическая схема установки для охлаждения нитробензола

2. Выбор конструкционного материала

Так как нитробензол является корозионно активным веществом, то в качестве конструкционного материала выбираем сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, устойчивую в агрессивных средах при температурах до 600 ?С.

Тепловой расчет


3.1 Температурный режим аппарата

Начальная температура воды t2н = 24°С, конечная t2к = 40 ºС.

Начальная температура нитробензола t1н = 60 ºС, конечная t1к = 38ºС.
Запишем уравнения теплового баланса для тепловой нагрузки

Q = G1+ c1(tк-t1к)

G1 - массовый расход нитробензола= 22000/3600 = 6,1 кг/с

с1= 1,427 кДж/кг-теплоемкость нитробензола
Q = 6,1·195 + 1,427·(60 - 38) = 191,503 кВт
Расход охлаждающей воды

G2 = Q/c2(t2k - t2H) = 191,503/4,19(40 - 24) = 2,86 кг/с

Средняя разность температур:

tб = tк - tх = 60 - 20 = 20 ºС

tм = tк1- t2к = 38- 24 = 14

Так как отношение tб/tм = 20/14 = 1,4 < 2, то

tср = (tб + tм)/2 = (20 + 14)/2 = 17 ºС

Средняя температура воды:

t2ср = 0,5(24+ 40) = 32 ºC.
Средняя температура нитробензола
t1ср =0,5(60+ 38)= 49 ºС.


3.2 Ориентировочный выбор теплообменника

Охлаждающая вода поступает в межтрубное пространство, а нитробензол охлаждаются в трубном пространстве. Принимаем ориентировочное значение критерия Рейнольдса Reор = 12000, соответствующее развитому турбулентному режиму движения жидкости, при котором обеспечиваются наилучшие условия теплообмена.

Число труб, приходящееся на один ход теплообменника:

n/z = 4G1/3,14Reорdвн2,

где dвн - внутренний диаметр трубок,

2 = 0,24610-3 Пас - вязкость нитробензола при 49ºС [1 c. 537].
для труб 25×2 dвн = 0,021 м
n/z = 46,1/3,14120000,0210,24610-3 = 126.
Принимаем также ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор=460-900 Вт/м2К , тогда ориентировочная поверхность теплообмена для зоны конденсации:
ор = Q/Kор ?tср = 191,503?103/(460-900)?17 =(12,51-24,48)м2

Теперь целесообразно провести уточненный расчет следующих вариантов.

К: D=400 мм; dн=20×2 мм; z=1; n/z=181/1=181;
К: D=600мм; dн=25×2 мм; z=2; n/z=240/2=120;
К: D=1000мм; dн=20×2 мм; z=6; n/z=1044/6=174;


3.3 Теплообменник с диаметром кожуха 400 мм и 181трубками 20×2

Коэффициент теплоотдачи от стенки к нитробензолу:

a2 = Nu2l2/dвн,

где l2 = 0,635 Вт/м×К - теплопроводность нитробензола при 32,0 ?С [1c.537],

Nu2 - критерий Нуссельта для воды.
Фактическое значение критерия Рейнольдса:

Re2 =G2/[3,14dвн(n/z)m2 ]=90×0,02/0,025×0,6533×10-3 ×= 3551.

Режим движения турбулентный в этом случае критерий Нуссельта:

Nu2 = 0,021Re20,8Pr20,42(Pr2/Prст2)0,25,

где Рr2 = 4,3 - критерий Прандтля для воды при 32,0 °С [1c.537].

Принимаем в первом приближении отношение (Pr2/Prст2)0,25 = 1, тогда
a2 = (0,635/0,02)×0,24(3551)0,6 ×(4,3)0,36= 1730 Вт/м2×К.
Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке:
m1 = 0,246×10-3 Па×с - вязкость нитробензола [1c.516],
l1 = 0,148 Вт/(м×К) - теплопроводность [1c.561]
Физико-химические свойства нитробензола взяты при температуре 60°С

Re=4G1/[3,14dвн(n/z)m1 ]=4×6,1/3,14×0,016×181× 0,246×10-3 =10907,5

a1 = (0,148/0,016)×0,029×(10907,5)0,8×(0,24)0,4= 2042 Вт/(м×К).
Тепловое сопротивление стенки
где dст = 0,002 м - толщина стенки трубки;
lст = 17,5 Вт/м×К - теплопроводность углеродистой стали [1 c.529];= r2 = 1/2900 м×К/Вт - тепловое сопротивление загрязнений стенок [1 c/531];
S(d/l) = 0,002/17,5 + 1/2900 + 1/2900 = 8,4×10-4 м×К/Вт.
Коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/a1+S(d/l)+1/a2) =(1/2042+8,4×10-4+1/1730) = 523,56 Вт/м2×К

Поверхность теплообмена:

F = Q/KDtср = 191,503×103/524×17 = 21,49м2

Выбираем теплообменник с ближайшей большей поверхностью теплообмена: 1 ходовой теплообменник с длиной труб 2 м, у которого поверхность теплообмена 23м2 [2 c.51].

3.4 Теплообменник с диаметром кожуха 325 мм и 100 трубками 20×2

Зона конденсации.

Фактическое значение критерия Рейнольдса:
Re2 = G2/[0,785dвн(n/z)m2 =1/[0,785×0,016(100/1)0,954×10-3 = 10932.
Принимаем в первом приближении отношение (Pr2/Prст2)0,25 = 1, тогда
Nu = 0,021×109320,8×6,630,43 = 80,6.
a2 = 80,6×0,602/0,016 = 3033 Вт/м2×К.
Коэффициент теплоотдачи от CCl4 к стенке:
a1 = 3,78×0,096[14782×0,020×100/(0,472×10-3×1,67)]1/3 = 642 Вт/(м×К).
Коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/a1+S(d/l)+1/a2) =(1/3033+4,6×10-4+1/642) = 426 Вт/м2×К

Температуры стенок:
tст1 = tк - КDtср/a1 = 74,5 - 426×55,0/642 = 38,0 °С,
tст2 = tср2 + КDtср/a2 = 22,0 + 426×55,0/3033 = 29,7 °С.
Температура пленки конденсата:
tпл = (tк+tст1)/2 = (74,5+38,0)/2 = 56,3 °С.
a1 = 3,78×0,104[15232×0,020×100/(0,610×10-3×1,67)]1/3 = 652 Вт/(м×К).
Критерий Прандтля для воды при tст2 = 29,7 ® Prст2 = 5,45 [1c.537]
a2ут = a2(Pr/Prст2)0,25 = 3033(6,63/5,45)0,25 = 3185 Вт/м2×К.
Уточняем коэффициент теплопередачи:
K = 1/(1/3185+4,6×10-4+1/652) = 433 Вт/м2×К.
Температуры стенок:
tст1 = 74,5 - 433×55,0/652 = 38,0 °С,
tст2 = 22,0 + 433×55,0/3185 = 29,5 °С.
Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейших уточнений не требуется.
Поверхность теплообмена:

F = Q/KDtср = 330,3×103/433×52,5 = 14,5 м2

Выбираем теплообменник с ближайшей большей поверхность теплообмена: 1 ходовой теплообменник с длиной труб 3 м, у которого поверхность теплообмена 19,0 м2 [2 c.51].
3.5 Двухходовой теплообменник с диаметром кожуха 400 мм и 100 трубками 25×2
Фактическое значение критерия Рейнольдса:
Re2 = G2/[0,785dвн(n/z)m2 =1/[0,785×0,021(100/2)0,954×10-3 = 16660.
Принимаем в первом приближении отношение (Pr2/Prст2)0,25 = 1, тогда
Nu = 0,021×166600,8×6,630,43 =112,9.
a2 =112,9×0,602/0,021 = 3237 Вт/м2×К.
Коэффициент теплоотдачи от CCl4 к стенке:
a1 = 3,78×0,096[14782×0,025×100/(0,472×10-3×1,67)]1/3 = 692 Вт/(м×К).
Коэффициент теплопередачи:
K = 1/(1/a1+S(d/l)+1/a2) =(1/3237+4,6×10-4+1/692) = 452 Вт/м2×К
Температуры стенок:
tст1 = tк - КDtср/a1 = 74,5 - 452×55,0/692 = 38,6 °С,
tст2 = tср2 + КDtср/a2 = 22,0 + 452×55,0/3237 = 29,7 °С.
Температура пленки конденсата:
tпл = (tк+tст1)/2 = (74,5 + 38,6)/2 = 56,6 °С.
a1 = 3,78×0,104[15232×0,025×100/(0,610×10-3×1,67)]1/3 = 702 Вт/(м×К).
Критерий Прандтля для воды при tст2 = 29,7 ® Prст2 = 5,45 [1c.537]
a2ут = a2(Pr/Prст2)0,25 = 3237(6,63/5,45)0,25 = 3400 Вт/м2×К.
Уточняем коэффициент теплопередачи:
K = 1/(1/3400+4,6×10-4+1/702) = 459 Вт/м2×К.
Температуры стенок:
tст1 = 74,5 - 459×55,0/702 = 38,5 °С,
tст2 = 22,0 + 459×55,0/3400 = 29,4 °С.
Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейших уточнений не требуется.
Поверхность теплообмена:
F = Q/KDtср = 330,3×103/459×52,5 = 13,7 м2
Выбираем теплообменник с ближайшей большей поверхность теплообмена: 2 ходовой теплообменник с длиной труб 2 м, у которого поверхность теплообмена 16,0 м2 [2 c.51].
Характеристика теплообменников:
Диаметр кожуха, мм325325400400Диаметр трубок, мм25×220×225×220×2Число ходов 1122Число трубок, мм62100100166Длина трубок, мм4322Требуемая поверхность теплообмена, м215,614,513,712,8Номинальная поверхность теплообмена, м219,5191621Масса теплообменника, кг820 735820870
Окончательно выбираем одноходовой теплообменник с диаметром кожуха 325 м с 100 трубкой 20×2 мм, с поверхностью теплообмена 19 м2, так как он имеет наименьшие габариты и наименьшую массу из рассмотренных аппаратов.
кожухотрубный теплообменник гидравлический конструктивный
4. Конструктивный расчет


4.1 Толщина обечайки:

d = DP/2sj +Cк,

где D = 0,3 м - внутрений диаметр аппарата;
P = 0,10 МПа - давление в аппарате;
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 = 0,3×0,10/2×138×0,8 + 0,001 = 0,003 м.
Согласно рекомендациям [3 c.24] теплообменник изготовляется из труб диаметром 325´12, т.о. толщина обечайки d= 12 мм.


4.2. Днища

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 - 78 [3 c.25], толщина стенки днища d1 =d = 12 мм.

Рис. 2. Днище теплообменника


4.3 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 = 2,0 м/с, скорость пара в штуцере 20 м/с, тогда диаметр штуцера для входа паров CCl4
Плотность паров CCl4 при температуре конденсации:
где М = 154 - молекулярная масса CCl4
Т0, Р0 - температура и давление в нормальных условиях.
r1 = 154×273×101/(22,4×350×101) = 5,4 кг/м3.
d1 = (1,67/0,785×20×5,4)0,5 = 0,141 м,
принимаем d1 = 150 мм;
диаметр штуцера для выхода конденсата:
d2 = (1,67/0,785×2,0×1478)0,5 = 0,026 м,
принимаем d2 = 25 мм;
диаметр штуцера для входа и выхода воды:
d3,4 = (13,1/0,785×2,0×998)0,5 = 0,091 м,
принимаем d3,4 =100 мм.
Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

Рис. 3. Фланец штуцера

dуслDD2D1hNd2510075 60124111002051701481441815026022520216818300435395365221218

4.4 Опоры аппарата
Максимальная масса аппарата
Gmax = Ga+Gв = 735+212 = 947 кг = 0,009 МН,
где Ga = 735 кг - масса аппарата [2 c.56]
Gв - масса воды заполняющей аппарат.
Gв = 1000×0,785×0,302×3,0 = 212 кг

Принимаем, что аппарат установлен на двух опорах, тогда нагрузка, приходящаяся на одну опору:

Gоп = 0,009/2 = 0,0045 МН По [4 c.673] выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,01МН. Рис. 4. Опора аппарат
4.5 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(77-40)/[9,72(40 - 18) = 0,016 м.
Принимаем толщину тепловой изоляции 20 мм.


4.6Трубная 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[(100-1)/3+0,25]0,5 = 12

j = (Dп - zSd0)/Dп = (0,32 - 12?0,020)/0,32 = 0,25
где Dп = 0,32 м - средний диаметр прокладки.
h = 0,47×0,3(0,1/138×0,25)0,5+0,001 = 0,008 м,
принимаем h = 30 мм.
Расположение труб в трубной решетке показано на рисунке
5. Гидравлический расчет
5.1. Скорость воды в трубах
wтр = G2z/(0,785dвн2nr2) = 13,1×1/(0,785×0,0162×100×998) = 0,65 м/с.
5.2. Коэффициент трения

где е = D/dвн = 0,2/16 = 0,0125 - относительная шероховатость,

D = 0,2 мм - абсолютная шероховатость.
l = 0,25{lg[(0,0125/3,7)+(6,81/10932)0,9]}-2 = 0,045.
5.3 Скорость воды штуцерах:
wшт = G2/(0,785dшт2r2) = 13,1/(0,785×0,1002×998) = 1,67 м/с
5.4Гидравлическое сопротивление трубного пространства:
0,045×3,0×1×0,652×998/(0,016×2)+[2,5(1-1)+2×1]0,652×998/2 + 3×1,672×998/2 = 6375 Па


5.5 Подбор насоса для воды
Объемный расход воды и напор, развиваемый насосом:
Q2 = G2/r2 = 13.1/998 = 0,0131 м3/с,
Н = DРтр/rg + h = 6375/998×9,8 + 3 = 3,7 м.
По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х90/19, для которого Q = 0,025 м3 и Н = 13,0 м [2 c.38].


Выводы

Выполнен тепловой, материальный, гидравлический и конструктивный расчет кожухотрубного теплообменника для конденсации и охлаждении 6 т/ч CCl4. Определена средняя движущая сила процесса, расход охлаждающей воды и требуемая поверхность теплообмена для горизонтального и вертикального расположения труб. Выбран стандартный одноходовой теплообменник с поверхностью теплообмена 19 м2, длиной труб 3 м и диаметром кожуха 325 мм. В результате гидравлического расчета определено гидравлическое сопротивление трубного пространства и подобран насос для подачи воды - Х160/29/2

Литература

Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.

Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.
Разработка конструкции химического аппарата и его графической модели. Методические указания. - Иваново, 2004.
Лащинский А.А., Толчинский А.Р.