Расчет кожухотрубчатого теплообменника для нагрева бензола производительностью 22 т/ч

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство высшего и среднего специального образования Республики Узбекистан

Ташкентский государственный технический университет

Факультет «Электроники и автоматики»

Кафедра «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами»

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту на тему:

«Расчет кожухотрубчатого теплообменника для нагрева бензола производительностью 22 т/ч "

Проектировал студент: Рузиев Р.Б.

Специальность АУТПП Шифр 5311000

Руководитель проекта: Мухитдинов Д.П.

Ташкент 2021



Содержание

кожухотрубчатый теплообменник тепловой нагревание

1. Задание курсового проекта

2. Введение

3. Теоретическая часть

3.1 Общие сведения о теплообменных процессах, их сущность и назначение

3.2 Кожухотрубчатый теплообменник

4. Расчетная часть

5. Заключение

6. Список использованных источников



1. Задание курсового проекта

Рассчитать кожухотрубчатый теплообменник для нагрева Бензола от до . С расходом G=22 т/ч. При давлении пара P=10 атм.



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 кожухотрубчатый теплообменник. Выбрать и спроектировать подходящий теплообменный аппарат.



3. Теоретическая часть

3.1 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.

Рисунок 1 Кожухотрубчатый теплообменник

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.

Особенность пароводяных кожухотрубных теплообменных аппаратов состоит в том, что проходное сечение межтрубного пространства во много раз больше проходного сечения трубок, что предполагает размещение газообразного теплоносителя с меньшим давлением и, следовательно, с большим удельным объемом, в межтрубном пространстве аппарата. Соответственно охлаждающая или нагреваемая вода направляется в трубки поверхности теплообмена. Такое размещение теплоносителей не только позволяет поддерживать высокую тепловую эффективность аппаратов с конденсацией пара и упрощает поддержание герметичности аппарата, но и расширяет возможности применения более простых типов конструкций и более дешевых конструкционных материалов, так как допускает меньшие толщины стенок корпуса аппарата.

В конденсаторах паровых турбин принятая схема течения теплоносителей -- насыщенный пар в межтрубном пространстве, циркуляционная вода внутри трубок -- обеспечивает гравитационную сепарацию пара и образующегося конденсата, позволяет организовать развитый фронт натекания пара на трубный пучок, уменьшить среднюю толщину пленки конденсата на поверхности трубок и повысить тем самым интенсивность теплообмена, упрощает отвод неконденсирующихся газов из парового пространства, а также облегчает очистку внутренней поверхности трубок от загрязнений, вносимых охлаждающей водой.

В теплообменниках типа «жидкость -- жидкость» целесообразно направлять более вязкую жидкость, для которой значение числа Рейнольдса ниже, в межтрубное пространство, а менее вязкую жидкость с более высокими числами Рейнольдса -- по трубкам. Так можно обеспечить более высокий коэффициент теплоотдачи вследствие турбулизации потока, обусловленной поперечным обтеканием пучков трубок, и сблизить уровни теплоотдачи теплоносителей с внутренней и наружной сторон поверхности теплообмена.

Во всех случаях для повышения уровня теплоотдачи выгодно увеличивать длину пути и скорость движения теплоносителей, для чего в межтрубном пространстве устанавливаются перегородки, а внутритрубный теплоноситель направляется в несколько последовательных ходов, если это позволяет величина допустимых потерь давления.

Аппараты с плоским днищем могут устанавливаться непосредственно на фундамент. Вертикальные аппараты чаще всего имеют в качестве опор отдельные лапы, в количестве не менее двух, которые жестко соединены с корпусом и опираются на специальные конструкции, так что аппарат находится в подвешенном состоянии.

Одной из основных характеристик конструкции теплообменного аппарата является тип относительного движения потоков теплоносителей и схема их взаимного движения. По направлению преимущественного движения теплоносителей следует различать противоточные и прямоточные аппараты, а также аппараты с перекрестным током

Если в теплообменном аппарате первичный и вторичный теплоносители протекают параллельно в одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком. Если теплоносители протекают параллельно, но в противоположном направлении, то такая схема движения называется противотоком. Если среды протекают во взаимно перпендикулярных направлениях, то схема их движения называется перекрестным током. Помимо таких простых схем движения в реальных теплообменных аппаратах реализуются и более сложные: смешанная схема, объединяющая принципы прямотока и противотока, а также многократный перекрестный ток.

Рассмотренные схемы отличаются между собой степенью использования температурного потенциала теплоносителей, т.е. разницы их температур. С этой точки зрения наиболее выгоден чистый противоток, поэтому в теплообменных аппаратах любой конструкции, работающих без изменения агрегатного состояния теплоносителей, для получения наименьшей поверхности теплообмена при прочих равных условиях необходимо применять принцип противоточного движения теплоносителей. Если выдержать принцип чистого противотока невозможно по конструктивным или компоновочным соображениям, следует организовать перекрестный ток теплоносителей с соблюдением общего противоточного течения. При изменении агрегатного состояния хотя бы одного из теплоносителей любые схемы движения принципиально равноценны.

Конструкция теплообменного аппарата должна обеспечивать проектный уровень тепловой эффективности и при этом быть технологичной, надежной в течение предусмотренного проектом срока службы, безопасной при изготовлении, монтаже и эксплуатации, а также предусматривать возможность осмотра, очистки и ремонта.

Основу кожухотрубных теплообменных аппаратов составляют трубки обычно круглого сечения, заключенные в кожух таким образом, что оси трубок и корпуса параллельны. Важнейшими элементами конструкции теплообменных аппаратов являются трубные пучки, корпуса, входные, выходные и поворотные камеры, а также патрубки, по которым осуществляются подвод и отвод теплоносителей.

Корпус теплообменного аппарата представляет собой оболочку, вмещающую взаимодействующие между собой теплоносители в контактных (смешивающих) аппаратах, а также трубный пучок в поверхностных аппаратах.

Обычно корпус имеет вид цилиндра, внутри которого размещены трубки поверхности теплообмена и циркулирует теплоноситель. Цилиндрические обечайки получили широкое распространение, поскольку отличаются простотой изготовления и рациональным расходом материала. Обечайка корпуса изготавливается из стальной листовой заготовки соответствующего размера, края которой соединяются продольным сварным швом. Кожух малого размера (диаметром до 0,6 м) можно изготовить из цельной трубы соответствующей длины. Корпуса конденсаторов, маслоохладителей и охладителей эжекторов изготавливаются из плоских стальных листов. Форма поперечного сечения корпуса аппарата определяется, прежде всего, принятой компоновкой трубного пучка.

Теплоноситель поступает в кожух через входной патрубок и выходит через выходной. Патрубки обычно изготавливаются из стандартных труб, которые привариваются к кожуху. Там, где требуется равномерное распределение теплоносителя по длине или периметру корпуса, а также защита трубок от динамического воздействия потока, применяются специальные конструктивные элементы -- концентрические рассекатели, пароотбойные щиты, паровые рубашки и т.д. Патрубки могут иметь фланцы для присоединения подводящих и отводящих трубопроводов.

Корпуса теплообменников могут испытывать воздействие термических напряжений, возникающих вследствие различного температурного удлинения трубного пучка и корпуса. Для уменьшения этих напряжений на корпусе устанавливаются линзовые компенсаторы.

Толщина стенок корпуса рассчитывается исходя из величины допускаемых напряжений, а также из условия устойчивости формы. Для придания жесткости корпуса больших размеров усиливаются приварными ребрами.

Поддержание высокого уровня коэффициента теплопередачи в аппарате с конденсацией одного из теплоносителей требует удаления из межтрубного пространства неконденсирующихся газов, для чего корпуса аппаратов оборудуются специальными патрубками и арматурой.

Корпуса теплообменных аппаратов монтируются на различных опорах в зависимости от пространственной ориентации аппарата, его веса и габаритов, а также от его места в компоновке турбоустановки.

Аппараты с плоским днищем могут устанавливаться непосредственно на фундамент. Вертикальные аппараты чаще всего имеют в качестве опор отдельные лапы, в количестве не менее двух, которые жестко соединены с корпусом и опираются на специальные конструкции, так что аппарат находится в подвешенном состоянии.

Горизонтальные аппараты устанавливаются на сварные седловые опоры, которые размещаются в нижней части корпуса и могут быть как отъемными, так и жестко соединенными с аппаратом.

Конденсаторы ПТУ устанавливаются на специальные пружинные опоры, воспринимающие вес аппарата и передающие его на фундамент.

Водяные камеры предназначены для подвода и отвода охлаждающей (нагреваемой) воды, а также распределения ее по трубкам поверхности теплообмена аппарата. Водяные камеры присоединяются к корпусам аппаратов при помощи сварного или фланцевого соединения. Форма поперечного сечения водяных камер определяется компоновкой трубного пучка и размерами корпуса аппарата и должна обеспечивать минимальные напряжения в металле, а также возможно более низкие величины гидравлического сопротивления. В зависимости от числа ходов воды в аппарате водяные камеры разделяются глухими перегородками на необходимое количество отсеков. Водяные камеры изготавливаются из того же металла, что и обечайки корпусов.

Водяные камеры теплообменников достаточно часто выполняются сварными, составляющими единое целое с корпусом, что позволяет сохранять высокую герметичность аппарата. В этом случае крышки водяных камер обычно выполняются съемными.

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 конденсаторах паровых турбин принятая схема течения теплоносителей -- насыщенный пар в межтрубном пространстве, циркуляционная вода внутри трубок -- обеспечивает гравитационную сепарацию пара и образующегося конденсата, позволяет организовать развитый фронт натекания пара на трубный пучок, уменьшить среднюю толщину пленки конденсата на поверхности трубок и повысить тем самым интенсивность теплообмена, упрощает отвод неконденсирующихся газов из парового пространства.



4. Расчетная часть

Исходные данные:

1. начальная температура бензола - t_2н=30є С

2. конечная температура бензола - t_2к=125єС

3. начальная температура пара - t_1н=179єС

4. конечная температура пара - t_1к=179єС

5. производительность по бензолу - G₁=22 т/ч

6. давление пара = 10 атм

Примем индекс "1" для горячего теплоносителя, "2" для холодного теплоносителя.

Температурная схема:

179 179

30 > 125

Дt_б=149 Дt_м=54

Средняя температура бензола:

Физико-химические показатели бензола при средней температуре 85,41

[2, c.824] [2, c.824]

[2, c.824] [2, c.824]

Расход бензола:

где c₂ - удельная теплоемкость бензола, Дж/(кг·К) при температуре t

Расход греющего пара с учётом 7% потерь:

где r = 2024*10³ - удельная теплота конденсации водяного пара.

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

где ₂ - плотность жидкости, кг/м³ при температуре t₂

Определим максимальную величину площадки поверхности теплообмена

Для течения бензола при Re₂<2300 скорость в трубах должна быть меньше

Число труб на один ход трубного пространства должно быть больше :



Ориентировочно выбираем длину трубы L=2м, и диаметр трубы d_труб=50мм.

Коэффициент теплоотдачи для бензола:

Уточнение Критерия Рейнольдса:

Находим ориентировочное значение критериев (Gr₂ Pr₂). В величину критерия Gr₂, а также в выражение определяющей температуры входит величина

Ориентировочно принимаем:

Определяющая температура:

Температура стенки:

Ориентировочное значение (Gr₂ Pr₂) при 85 для бензола:

При (Gr₂ Pr₂) > 8*10⁵ и Re < 3500 применима формула [1, с.153]

Принимаем L=2м:

Таким образом:

Коэффициент теплопередачи при L=2м.

Уточнение принятых величин:

Разность температур по расчету:

Определяющая температура:

Уточнение :

Уточнение значения коэффициента теплопередачи при L=2м.

Расчетная площадь теплообмена при L=2м.

Основываясь на расчётах площади поверхности теплообмена выбираем оптимальный теплообменник по ГОСТ-15122-79 с диаметром кожуха D=600 мм, числом труб n=257 штук, длиной трубы L=4 м, максимальной площадью F_макс=81 м²

Определим площадь поверхности теплообмена:

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:

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

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

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



5. Заключение

В данном курсовом проекте были выполнены расчеты кожухотрубчатого теплообменника. Был выбран и спроектирован оптимальный одноходовой кожухотрубчатый теплообменник по ГОСТ 15122-79 с диаметром кожуха D=600мм, длиной труб L=4м и числом труб n=257шт.

6. Список используемых источников

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 2006. 576 с.

2. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химический технологии. М.: Химия, 1968. 848 с.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1991. 272 с.

4. Расчет и проектирование кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: учебн. пособие/ Н.И.Савельев,П.М.Лукин. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та. 2010. 80 с.

5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. 752 с.

6. Багоутдинова А.Г., Золотоносов Я.Д. Б14 Змеевиковые теплообменники. Моделирование, расчет: Монография / А.Г. Багоутдинова, Я.Д. Золотоносов. Казань: Изд-во Казанск. гос. архитект. строит. ун-та, 2016. 245 с.

7. Банных О.П. ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКОВ Санкт-Петербург 2012 (Приведены ориентировочные и подробные расчеты змеевиковых, спиральных и т.д. теплообменников)

8. Рид. Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1982. 592 с.

9. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. Т.1-2. М.: Наука, 1976. 1426 с.

10. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1970. 535 с

Размещено на Allbest.ru