Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник для конденсации насыщенного пара бензола - файл n2.docx

приобрести
Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник для конденсации насыщенного пара бензола
скачать (136.8 kb.)
Доступные файлы (2):
n1.axd
n2.docx99kb.09.01.2012 22:14скачать

n2.docx

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.

1088

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 ?, ?, ?, с, ?, в зависимости в которых от температуры приводятся в соответствующих таблицах ([4]).

4.1 Тепловой расчет

Исходные данные:

1. начальная температура воды - t=21є С

2. конечная температура воды - t=34єС

3. начальная температура бензола - t=80.5єС

4. конечная температура бензола - t=25єС

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

6. давление насыщенного пара - P1= 1 атм. = 1.013Ч105 Па

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

Температурная схема:

80.5 ? 25

34 ? 21

?tб=46.5 ?tм=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 2 – плотность жидкости, кг/м3 при температуре t2 [6].

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



где 1 – 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, ?2=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:



=0.257Ч10-3 Па·с [4].
Критерий Прандтля для бензола при температуре t1:



где 1 – 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 (?1), Вт/(м2·К) для бензола:



Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны межтрубного пространства , коэффициент теплопроводимости стали ?ст=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 F2), принимаем диаметр поверхности труб мм, длина труб м:



Запас площади теплообмена, %:



Температура стенки tст 1, єС:



Температура стенки tст 2, єС:



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:



?=1.5 - входная и выходная камеры, ?=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

где Р – давление; Dв – внутреннее давление; – допускаемое напряжение; – коэффициент прочности сварного шва; с – прибавка на коррозию, равная 5 мм. [3]

Допускаемое напряжение для стали принимают в пределах 0,89 – 0,95 Мн/м. Коэффициент прочности шва при односторонней сварке .

Расчет трубных решеток.

Трубные решетки изготовляют из листовой стали. Толщина решеток выбирается в зависимости от диаметра развальцованных труб:



где dн – наружный диаметр труб мм.

Для надежности развальцовки расстояние между двумя трубами должно быть не менее t.

При заданном шаге t=32мм толщина решетки:

мм.;

Расчет опоры аппарата.

Принимаем в качестве подвески лапы. Для расчета толщины ребра предварительно определяют некоторые величины. Максимальный вес аппарата можно примерно равным удвоенному весу воды, полностью заполняющего корпус.

Объем корпуса аппарата:



Тогда вес воды:



Вес аппарата:

Мн;

Для аппарата весом 0,06 Мн. Достаточно две двухреберные лапы с вылетом 0,1 м. Если принять коэффициент К равным 0,6, тогда толщина ребра:

мм.

Общая длина сварного шва:

м.; Прочность сварного шва:

мм.

Т.е. прочность шва обеспечена.

Заключение

В данном курсовом проекте были выполнены: тепловой, гидравлический, конструктивный и механический расчеты. Был выбран и спроектирован оптимальный вертикальный одноходовой кожухотрубчатый теплообменник с диаметром кожуха D=600мм, длиной труб L=6м и числом труб n=257шт.

Список используемых источников

  1. Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической технологии/ Под ред. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З.- изд.5-ое - М.: Химия,1968.- 850с.

  2. 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, К.Ф. Павлов, А.А. Носков.– 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576с.

  3. Касаткин А.Г. Оновные процессы и аппараты химической технологии М.:Химия 1971 – 780 с.

  4. Дынтерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник.- Ч.2: Массообменные процессы и аппараты. - М: Химия, 1992.-382с.



4.3 Гидравлический расчет

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

Скорость жидкости в трубах:



Коэффициент трения находят по формуле:



где е - относительная шероховатость труб, е=?/d; ? - высота выступов шероховатости, ?=0.02мм [4].

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



Гидравлическое сопротивление трубного пространства:



Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве:



округляя в большую сторону m=10.

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



Скорость жидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью Sмтр=0.04 м2 равна:



Местные сопротивления в межтрубном пространстве: ?=1.5 - входная и выходная камеры, ?=1.0 - вход в трубы и выход из них, [1].

Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства:



где Х - число сегментных перегородок, Х=0.

Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации