Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Определение свойств теплоносителей. Оценка коэффициента теплопередачи и ориентировочной поверхности теплообмена. Конструкция вертикального кожухотрубчатого теплообменника жесткого типа. Расчет скорости воды в межтрубном пространстве теплообменника.

Рубрика Химия
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 14.11.2013
Размер файла 1,2 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине

«Процессы и аппараты химической технологии»

на тему

РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Студент IV -- ХТ -- 2 Усова В.Д.

Преподаватель Скороход А.А.

Самара 2012г.

ВВЕДЕНИЕ

Теплообменные аппараты - устройства, в которых теплота переходит от одной среды к другой. Теплообмен между теплоносителями является одним из наиболее важных и часто используемых в технике процессов, поэтому теплообменники получили широкое применение в промышленности.

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

1. Поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между обменивающимся теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена - глухую стенку.

2. Теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

Значительно реже применяют в химической промышленности регенеративные теплообменники, в которых нагрев жидких сред происходит за счет их соприкосновения с ранее нагретыми телами - насадкой, заполняющей аппарат, периодически нагреваемой другими теплоносителями.

Поверхностные теплообменники наиболее распространены , и их конструкции весьма разнообразны.

В химической технологии применяют теплообменники, изготовленные из самых различных металлов (углеродистых и легированных сталей, меди, титан и др.), а также из не металлических материалов, например графита, тефлона и др. Выбор материала диктуется в основном его коррозионной стойкостью и теплопроводностью.

Конструкции теплообменников должны отличатся простотой, удобством монтажа и ремонта. В ряде случаев конструкция теплообменника должна обеспечивать возможность меньшее загрязнение поверхности теплообмена и быть легко доступной для осмотра и очистки.

Для теплообменников производят тепловой расчет. Тепловой расчет теплообменных аппаратов может быть проектным и поверочным. Проектные тепловые расчеты выполняют при проектировании новых аппаратов для нахождения поверхности теплообмена. Поверочные тепловые расчеты выполняют при известной поверхности нагрева теплообменника с целью определения количества переданной теплоты и конечных температур рабочих жидкостей. При рассмотрении теплообменных аппаратов с непрерывно изменяющейся температурой теплоносителей различают аппараты:

· прямоточные

· противоточные

· перекрестного тока

· смешанного тока

Теплообмен и гидравлическое сопротивление связаны со скоростью движения теплоносителей, то есть последняя должна выбираться в некоторых оптимальных пределах, определяемых стоимостью поверхности теплообмена аппарата данной конструкции и стоимостью затрачиваемой энергии при эксплуатации аппарата. Чем больше скорости теплоносителей, тем выше коэффициент теплопередачи и тем компактнее для заданной тепловой производительности теплообменник, а значит меньше капитальные затраты, но при этом растет сопротивление потоку и возрастают эксплуатационные затраты. При проектировании теплообменных аппаратов необходимо решать совместно задачу теплообмена и гидравлического сопротивления и найти наивыгоднейшие характеристики.

Задачей конструкторов является разработка теплообменных аппаратов с наименьшей затратой материала на единицу переносимой в нем теплоты. Для этого нужно увеличивать значения ?tср и К при одновременном уменьшении мощностей, необходимых на прокачку теплоносителей.

В данном проекте я выбрал кожухотрубчатый теплообменник. Эти теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников.

В кожухотрубчатом теплообменники одна из обменивающих теплом сред движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая в межтрубном пространстве.

Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, - в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремиться двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или охлаждении.

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Рис.1. Технологическая схема экстракционного выделения ароматических углеводородов: 1-экстракционная колонна; 2-скрубер; 3-теплообменник; 4- колонна экстрактивной перегонки; 5-сепаратор; 6-колонна рекуперации экстрагента

Исходную углеводородную фракцию подают в нижнюю часть экстракционной колонны 1, где она движется вверх противотоком к экстрагенту, вводимому в верхнюю часть колонны. Пространства под и над местом ввода потоков играют роль сепараторов. Рафинат с верха колонны уносит некоторое количество экстрагента, и для его рекуперации рафинат промывают в скрубере 2 водой, после чего используют как топливо.

Насыщенный экстрагент с низа колонны 1 подогревают в теплообменнике 3 горячим регенерированным экстрагентом и направляют в колонну 4, где осуществляется экстрактивная отгонка ароматических углеводородов с водой.

В сепараторе 5 воду отделяют и возвращают в колонну 4, а смесь ароматических углеводородов подают на окончательную ректификацию. Экстрагент с низа колонны 4 после охлаждения возвращают на экстракцию, а часть его выводят на регенерацию в колонну 6, где от него отгоняют излишнее количество воды и очищают от продуктов конденсации. Основной фракцией является бензол и толуол.

2. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ АППАРАТА И ОБОСНОВАНИЕ ЕГО ВЫБОРА

В данной работе рассчитываем конструкцию вертикального кожухотрубчатого теплообменника жесткого типа при производстве толуола.

Кожухотрубчатый вертикальный шестиходовой теплообменник с неподвижными трубными решетками состоит из цилиндрического корпуса, который с двух сторон ограничен приваренными к нему трубными решетками с закрепленными в них греющими трубами. Пучок труб делит весь объем корпуса теплообменника на трубное пространство, заключенное внутри греющих труб, и межтрубное. К корпусу прикреплены с помощью болтового соединения два днища. Для ввода и вывода теплоносителя и хладоагента корпус и днища имеют патрубки. Вода вводится в трубное пространство, проходит по трубкам и выходит из теплообменника через патрубок в верхнем днище. Жидкость направляется в межтрубное пространство теплообменника, омывает снаружи трубы и выводится из корпуса теплообменника через патрубок.

Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. Отвод конденсата из трубного пространства конструктивно упрощается.

Рис. 2 - Шестиходовой кожухотрубчатый теплообменник: 1 - корпус; 2 - трубная решетка; 3 - трубы; 4,,5-крышки, 6- перегородки 7 - перегородки межтрубном пространстве;

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

1. Определение средней разности температур.

Средняя разность температур для противоточной схемы движения:

100? 80?

94 ?60?

;

Средняя разность температур рассчитывается по формуле:

Для дальнейших расчетов потребуются найти средние температуры конденсата и сырья. Так как температуры отличаются не более чем в два раза, то среднюю разность температур можно приближенно определить как среднеарифметическую между ними.

Средняя температура воды:

Средняя температура толуола:

2. Определение свойств теплоносителей.

Свойства насыщенного водяного пара и парового конденсата берем из справочной литературы (Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов). Все полученные значения сводим в таблицу.

Направим воду в трубное пространство теплообменника, а толуол - в межтрубное. Оборотная вода, насыщенная кислородом воздуха, будет вызывать коррозию трубного пучка и крышек аппарата, корпус корродировать не будет, что также более выгодно.

Трубное пространство. Вода:

Плотность [4, стр. 512]:

Теплоемкость [4, стр. 562]:

Вязкость [4, стр. 556]:

Теплопроводность [4, стр. 561]:

Межтрубное пространство: толуол

Плотность [4, стр. 512]:

Теплоемкость [4, стр. 562]:

Вязкость [4, стр. 556]:

Теплопроводность [4, стр. 561]:

Теплофизические свойства потоков Таблица 1

Свойство

Сырьё(толуол)

Теплоноситель(вода)

Средняя температура, 0С

77

90

Плотность, кг/м3

811

965

Теплоемкость, Дж/(кг•К)

1759,5

3771

Вязкость, Па•с

0,3283•10-3

0,315•10-3

Теплопроводность, Вт/(м•К)

0,1279

0,680

3. Определение тепловой нагрузки и расхода горячей воды.

Тепловую нагрузку Q в соответствии с заданными технологическими условиями находим из уравнения:

Требуемый теоретический расход горячей воды составит:

4. Приближенная оценка коэффициента теплопередачи и ориентировочной поверхности теплообмена.

Практика обследования огромного числа теплообменных аппаратов позволила собрать сведения о фактических значениях коэффициентов теплопередачи для разных случаев теплообмена. Нам остается лишь выбрать интересующий случай теплообмена и принять рекомендуемое значение коэффициента теплопередачи. При передачи теплоты от воды к органическому веществу рекомендуется диапазон значений коэффициента теплопередачи .[1,стр 47]. Принимаем коэффициент теплопередачи Кор = 150 . Тогда ориентировочная площадь поверхности теплопередачи согласно уравнению

Составит

Теперь по значениям ориентировочной поверхности теплопередачи выбираем кожухотрубчатый теплообменник жесткого типа со следующими характеристиками:

поверхность теплопередачи ;

диаметр кожуха ,

общее число труб ;

длина труб ;

площадь трубного пространства ;

площадь межтрубного пространства (вырез перегородки) ;

число ходов

число рядов труб по вертикали

5. Определение коэффициента теплоотдачи для горячей воды (трубное пространство)

Определим объемный расход теплоносителя:

Определим среднюю скорость воды в трубах трубного пучка:

Значение критерия Рейнольдса для трубного пространства определим по уравнению:

Определим значение критерия Прандтля для воды при 90?C [4, стр. 563]

Для определения критерия Нуссельта используется уравнение [5, стр.284]:

Gr =5,41*106

Тогда коэффициент теплоотдачи буден равен:

Определение коэффициента теплопередачи для нагреваемого сырья (межтрубное пространство) Определим объемный расход сырья.

Определим среднюю скорость толуола:

Значение критерия Рейнольдса для межтрубного пространства определим по уравнению:

Режим движения - ламинарный.

Определим значение критерия Прандтля по уравнению:

Для определения критерия Нуссельта воспользуемся уравнением [5, стр.285]:

Тогда коэффициент теплоотдачи будет равен:

7. Определение коэффициента теплопередачи.

Считаем, что аппарат будет изготовлен из обычной углеродистой стали, имеющей коэффициент теплопроводности ?ст=17,5 Вт/(м?К). Учтем также появление в процессе эксплуатации аппарата загрязнений как со стороны нагреваемого сырья rзаг.2=1/5800 Вт/(м2?К), так со стороны горячей воды rзаг.1=1/2900 Вт/(м2?К).

Тогда коэффициент теплопередачи будет равен:

где и - коэффициенты для межтрубного и трубного пространств;

- термическое сопротивление стенки трубы, зависит от её толщины и коэффициента теплопроводности материала .

требуется выбирать теплообменник с большей площадью.

8. Определение расчетной площади поверхности теплопередачи и запаса площади.

Расчётную поверхность теплопередачи определим по формуле:

Данный запас превышает рекомендуемый нормами технологического проектирования 30%, поэтому выбираем другой аппарат. Запас не удовлетворяет рекомендуемой норме технологического проектирования (10-30%), поэтому выбираем другой аппарат.

К установке принимается теплообменник со следующими характеристиками:

поверхность теплопередачи ;

диаметр кожуха ;

общее число труб

длина труб ;

число ходов z=1

4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

1. Число ходов z=2

Число труб n=618 шт.

Длина труб L=3 м

2. Расчет гидравлического сопротивления трубного пространства

Рассчитываем скорость воды в трубах теплообменника:

3. Находим коэффициент трения:

4. Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемся в трубном пространстве:

?1=1,5 - входная и выходная камеры;

?2=2,5 - поворот между ходами;

?3=1,0 - вход в трубы и выход из них;

5. Скорость воды в штуцерах

Местное сопротивление на входе в распределительную камеру и на выходе их нее следует рассчитывать по скорости жидкости в штуцерах. Диаметр штуцера нормализованных кожухотрубчатых теплообменников при диаметре кожуха D=800 мм, dтр.ш.=150 мм.

Рассчитываем скорость воды в штуцерах:

6. Рассчитываем гидравлическое сопротивление трубного пространства:

7. Расчет гидравлического сопротивления межтрубного пространства

Рассчитываем скорость воды в межтрубном пространстве теплообменника

8. Находим коэффициент трения ?2 :

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемся в межтрубном пространстве:

?1=1,5 - вход и выход жидкости;

?2=1,5 - поворот через сегментную перегородку;

9. Выписываем из табл.1 и 2 число сегментных перегородок nп и диаметр штуцеров для межтрубного пространства. Для теплообменника с диаметром кожуха D=800мм, число сегментных перегородок nп=6, диаметр штуцеров dмтр.ш.=250мм

9. Скорость толуола в штуцерах :

10. Число рядов труб омываемых водой в межтрубном пространстве

11. Число сегментных перегородок из табл.2,7

x=6м.

12. Гидравлическое сопротивление в межтрубном пространстве:

ВЫВОД

В результате технологического расчета был выбран двухходовой кожухотрубчатый теплообменник жёсткого типа со следующими характеристиками:

поверхность теплопередачи ;

диаметр кожуха ;

общее число труб ;

длина труб ;

число ходов z = 1;

Тепловой нагрузкой коэффициентом теплопередачи гидравлическим сопротивлением трубного пространства гидравлическим сопротивлением межтрубного пространства

вертикальный кожухотрубчатый теплообменник жесткий

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ под ред. Ю.Д. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1991. 496 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ под ред. Ю. И. Дытнерского. М.: Химия, 1983. 272 с.

3. Расчет теплообменных аппаратов: Метод. указание к курсовому и дипломному проектированию/ Самар.политехн.ун-т ; Сост. В.Д. Измайлов, В.В. Филиппов Самара, 2006, 108 с.

4. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособие для вузов/ под ред. П. Г. Романкова. 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. 576 с.

5. Основные процессы и аппараты химической технологии : учебник для вызов/под ред. А.Г. Касаткина 11-е изд., перепич. с изд. 1973г.-М.: ООО ТИД «Альянс», 2005.-753 с.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Назначение и области применения теплообменного оборудования. Технологическая схема установки. Выбор конструкционного материала. Расчет поверхности теплообмена и подбор теплообменника. Прочностной, конструктивный и гидравлический расчет теплообменника.

    курсовая работа [755,5 K], добавлен 26.07.2014

  • Расчет параметров и выбор теплообменника для подогрева толуола, обеспечивающего объёмный расход при турбулентном течении жидкости. Сравнительный анализ конструкций одноходового и двухходового теплообменников, оценка достоинств и недостатков моделей.

    курсовая работа [206,1 K], добавлен 03.07.2011

  • Технологические схемы процесса выпаривания. Конструкции выпарных аппаратов. Принцип действия проектируемой установки. Определение поверхности теплопередачи. Расчет толщины тепловой изоляции. Определение гидравлического сопротивления теплообменника.

    курсовая работа [1,4 M], добавлен 29.11.2010

  • Схема двухкорпусной выпарной установки. Расчет подогревателя. Количество передаваемого тепла от конденсатора к воде. Расход греющего пара. Подготовка к расчету коэффициента теплопередачи. Расчет коэффициента теплопередачи, поверхности теплообмена.

    курсовая работа [93,7 K], добавлен 04.01.2009

  • Расчет трубопровода на исследуемых участках. Определение основных параметров теплообменника и адсорбера. Методика вычисления общего сопротивления сети и подбор газодувки. Вычисление критерия Рейнольдса для горячего и холодного участка трубопровода.

    практическая работа [340,0 K], добавлен 01.06.2015

  • Расчет тепловой нагрузки. Определение температуры кипения раствора гидроксида натрия. Особенности теплообменника типа "труба в трубе". Одноходовый, шестиходовый теплообменник. Расчёт гидравлических сопротивлений. Двухтрубчатый, шестиходовый теплообменник.

    курсовая работа [180,1 K], добавлен 03.07.2011

  • Удельная теплоемкость и энтальпия. "Внутренний" и "внешний" метод составления теплового баланса. Передача тепла теплопроводностью и конвекцией. Расчет теплообменника труба в трубе: сумма термических сопротивлений стенки, коэффициент трения, скорость газа.

    контрольная работа [168,9 K], добавлен 23.10.2013

  • Схема ректификационной установки. Расчет тепловой нагрузки. Ориентировочный выбор теплообменника: шестиходовый, четырехходовый, двухходовый, одноходовый. Расчет гидравлических сопротивлений. Механические расчеты узлов и деталей химических аппаратов.

    курсовая работа [792,2 K], добавлен 03.07.2011

  • Определение массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя. Расчет движущей силы, коэффициента массопередачи, скорости газа и диаметр абсорбера. Определение плотности орошения и активной поверхности насадки. Расчет коэффициентов массоотдачи.

    курсовая работа [1001,5 K], добавлен 15.11.2011

  • Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число. Определение материального и теплового балансов установки, расчет и подбор дополнительного оборудования: дефлегматор, подогреватель и кипятильник. Подбор кожухотрубчатого конденсатора, расчёт штуцеров.

    курсовая работа [575,5 K], добавлен 18.01.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.