Расчет кожухотрубчатого конденсатора

22

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Процессы и аппараты химической промышленности»

СЕМЕСТРОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Технологические процессы химических производств»

'' Расчёт кожухотрубчатого конденсатора ''

Выполнила: студентка гр. АУ - 423

Ткаченко Ю.А.

Проверил: Дулькина Н.А.

Волгоград 2009

Содержание

1 Анализ конструкций рекуперативных аппаратов

1.1 Теплообменники. Общие положения

1.2 Элементные (секционные) теплообменники

1.3 Двухтрубные теплообменники типа "Труба в трубе"

1.4 Витые теплообменники

1.5 Погружные теплообменники

1.6 Оросительные теплообменники

1.7 Ребристые теплообменники

1.8 Спиральные теплообменники

1.9 Пластинчатые теплообменники

2 Задание

3 Решение

4 Чертёж общего вида

Список использованных источников

1 Анализ конструкций рекуперативных аппаратов

1.1 Теплообменники. Общие положения

Теплообменник -- устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя 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, энергетике и других отраслей промышленности

Теплообменники по способу передачи теплоты подразделяют на:

1. Рекуперативные - теплообменник, в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, в стенке между которыми происходит теплообмен. При неизменных условиях параметры теплоносителей на входе и в любом из сечений каналов, остаются неизменными, независимыми от времени, т.е процесс теплопередачи имеет стационарный характер. Поэтому рекуперативные теплообменники называют также стационарными. В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а также перекрестноточными при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред.;

2. Регенеративные - одна и та же теплообменная поверхность омывается горячим теплоносителем и нагревается за счёт его теплоты, а при обмывании этой же поверхности холодным теплоносителем она охлаждается отдавая свою теплоту;

3. Смесительные - передача теплоты происходит при непосредственном взаимодействии между носителями.[3]

Рассмотрим рекуперативные поверхностные теплообменники непрерывного действия, наиболее распространенные в промышленности.

Основными элементами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. В кожухотрубчатом теплообменнике (рисунок 1) одна из обменивающихся теплом сред 1 движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая 2- в межтрубном пространстве.

1 - корпус (обечайка); 2 - трубные решетки; 3 - трубы; 4 - крышки; 5 - перегородки в крышках; 6 - перегородки в межтрубном пространстве.

Рисунок 1 - Кожухотрубчатые одноходовой а) и многоходовой б) теплообменники.

Среду 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 стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании и охлаждении.

Кроме того, при указанных направлениях движения сред достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата. В противном случае, например, при подаче более холодной (нагреваемой) среды сверху теплообменника, более нагретая часть жидкости, как более легкая, может скапливаться в верхней части аппарата, образуя "застойные" зоны.

Трубы в решетках обычно равномерно размещают по, периметрам правильных шестиугольников, т.е. по вершинам равносторонних треугольников (рисунок 2а), реже применяют размещение труб по концентрическим окружностям (рисунок 2б). В отдельных случаях, когда необходимо обеспечить удобную очистку наружной поверхности труб, их размещают по периметрам прямоугольников (рисунок 2в). Все указанные способы размещения труб преследуют одну цель обеспечить возможно более компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата. В большинстве случаев наибольшая компактность достигается при размещении трубок по периметрам правильных шестиугольников.

а) по периметрам правильных шестиугольников; б) по концентрическим окружностям; в) по периметрам прямоугольников (коридорное расположение).

Рисунок 2 - Способы размещения труб в теплообменниках.

Трубы закрепляют в решетках чаще всего развальцовкой (рисунок 3а, б) причем особенно прочное соединение (необходимое в случае работы аппарата при повышенных давлениях) достигается при устройстве в трубных решетках отверстий с кольцевыми канавками, которые заполняются металлом трубы в процессе ее развальцовки (рисунок 3б). Кроме того, используют закрепление труб сваркой (рисунок 3в), если материал трубы не поддается вытяжке и допустимо жесткое соединение труб с трубной решеткой, а также пайкой (рисунок 3г), применяемой для соединения главным образом медных и латунных труб. Изредка используют соединение труб с решеткой посредством сальников (рисунок 3д), допускающих свободное продольное перемещение труб и возможность их быстрой замены. Такое соединение позволяет значительно уменьшить температурную деформацию труб, но является сложным, дорогим и недостаточно надежным.

а) развальцовкой; б) развальцовкой с канавками; в) сваркой; г) пайкой; д) сальниковыми устройствами.

Рисунок 3 - Закрепление труб в трубных решетках.

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

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



Рисунок 4 - Типовые конструкции теплообменников.

Аппараты жесткой конструкции (рисунок 4а) 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 и температурных удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке (рисунок 4б) или корпусе (рисунок 4в), пучком U-образных труб (рисунок 4г), подвижной трубной решетки закрытого и открытого типа (рисунок 4д, е).

В аппаратах полужесткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных на корпусе (рисунок 4ж). Полужесткая конструкция надежно обеспечивает компенсацию температурных деформаций, если они не превышают 10- 15 мм, а условное давление в межтрубном пространстве составляет не более 2,5 кгс/см2 .

1.2 Элементные (секционные) теплообменники

Рисунок 5 - Элементный теплообменник.

Эти теплообменники состоят из последовательно соединенных элементов-секций (рисунок 5). Сочетание нескольких элементов с малым числом труб соответствует принципу многоходового кожухотрубчатого аппарата, работающего на наиболее выгодной схеме противоточной. Элементные теплообменники эффективны в случае, изменения агрегатного состояния. Их также целесообразно применять при высоком давлении рабочих сред. Отсутствие перегородок снижает гидравлическое сопротивление и уменьшает степень загрязнения межтрубного пространства. Однако по сравнению с многоходовыми кожухотрубчатыми теплообменниками элементные теплообменники менее компактны и более дороги из-за увеличения числа дорогостоящих элементов аппарата -трубных решеток, фланцевых соединений, компенсаторов и др. Поверхность теплообменников составляет 0,75- 30 м2 , число трубок от 4 до 140.

1.3 Двухтрубные теплообменники типа "Труба в трубе"

Теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных звеньев (рисунок 6). Каждое звено представляет собой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой "калачами" или коленами. Двух трубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева состоят из ряда секций, параллельно соединенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие теплообменники часто применяют как жидкостные или газо-жидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена.

Рисунок 6 - Теплообменник типа “Труба в трубе”.

Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффициент теплоотдачи, пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания.

Недостатки двухтрубного теплообменника: громоздкость, высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.

1.4 Витые теплообменники

Поверхность нагрева витых теплообменников (рисунок 7) компонуется из ряда концентрических змеевиков, заключенных в кожух и закрепленных в соответствующих головках. Теплоносители движутся по трубному и межтрубному пространствам. Витые теплообменники широко применяют в аппаратуре высокого давления для процессов разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Эти теплообменники характеризуются способностью к самокомпенсации, достаточной для восприятия деформаций от температурных напряжений.

рисунок 7 - Витой теплообменник

1.5 Погружные теплообменники

Теплообменники этого типа состоят из плоских или цилиндрических змеевиков (аналогично витым), погруженных в сосуд с жидкой рабочей средой. Вследствие малой скорости омывания жидкостью и низкой теплоотдачи снаружи змеевика погруженные теплообменники являются недостаточно эффективными аппаратами. Их целесообразно использовать, когда жидкая рабочая среда находится в состоянии кипения или имеет механические включения, а также при необходимости приме нения поверхности нагрева из специальных материалов (свинец, керамика, ферросилид и др.), для которых форма змеевика наиболее приемлема.

1.6 Оросительные теплообменники

Оросительные теплообменники представляют собой ряд расположенных одна над другой прямых труб, орошаемых снаружи водой (рисунок 8). Трубы соединяют сваркой или на фланцах при помощи "калачей".

Рисунок 8 - Оросительный теплообменник.

Оросительные теплообменники применяют главным образом в качестве холодильников для жидкостей и газов или как конденсаторы. Орошающая вода равномерно подается сверху через желоб с зубчатыми краями. Вода, орошающая трубы, частично испаряется, вследствие чего расход ее в оросительных теплообменниках несколько ниже, чем в холодильниках других типов. Оросительные теплообменники- довольно громоздки аппараты, они характеризуются низкой интенсивностью теплообмена, но просты в изготовлении и эксплуатации. Их применяют, когда требуется небольшая производительность, а также при охлаждении химически агрессивных сред или необходимости применения поверхности нагрева из специальных мате риалов (например, для охлаждения кислот применяют аппараты из кислотоупорного ферросилида, который плохо обрабатывается).

1.7 Ребристые теплообменники

Ребристые теплообменники применяют для увеличения теплообменной поверхности оребрение с той стороны, которая характеризуется набольшими термическими сопротивлениями. Ребристые теплообменники (калориферы) используют, например, при нагревании паром воздуха или газов. Важным условием эффективного использования ребер является их плотное соприкосновение с основной трубой (отсутствие воздушной прослойки), а также рациональное размещение ребер.

Ребристые теплообменники широко применяют в сушильных установках, отопительных системах и как экономайзеры.



1 - коллектор для входа пара; 2 - оребренная труба; 3- коллектор для приема конденсата.

Рисунок 9 - Пластинчатый калорифер.

Рисунок 10 - Схема устройства пластинчато-ребристого теплообменника.

Помимо трубчатых теплообменников с трубами, имеющими поперечные ребра прямоугольного или трапециевидного сечения, разработаны конструкции с продольными, плавниковыми, проволочными, игольчатыми непрерывными спиральными ребрами и др.

Трубы с поперечными ребрами различной формы широко используются, в частности, в аппаратах для нагрева воздуха -калориферах (рисунок 117), а также в аппаратах воздушного охлаждения. При нагреве воздуха обычно применяют насыщенный водяной пар, поступающий в коллектор 1 и далее в пучок оребренных труб 2. Конденсат отводится из коллектора 3. Иногда используются продольные ребра, которые для турбулизации пограничного слоя (что особенно важно при ламинарном течении теплоносителя) на определенном расстоянии надрезаются.

Конструкции оребренных теплообменников разнообразны. Схема устройства современного пластинчато-ребристого теплообменника, работающего по принципу противотока, приведена на рисунке 118. Теплообменники такого типа используются, например, в низкотемпературных установках для разделения воздуха.

1.8 Спиральные теплообменники

В спиральном теплообменнике (рисунок 11) поверхность теплообмена образуется двумя 1 металлическими листами 1 и 2, свернутыми по спирали. Внутренние концы листов приварены к глухой перегородке З, а их наружные концы сварены друг с другом. С торцов спирали закрыты установленными на прокладках плоскими крышками 4 и 5. Таким образом внутри аппарата образуются два изолированных один от другого спиральных канала (шириной 2-8 мм), по которым, обычно противотоком, движутся теплоносители. Как показано на рисунок 12, теплоноситель 1 поступает через нижний штуцер и удаляется через боковой штуцер в правой крышке теплообменника, а теплоноситель 2 входит в верхний штуцер и удаляется через боковой штуцер в левой крышке.

1, 2 - листы, свернутые в спирали; 3 - перегородка; 4, 5 - крышки.

Рисунок 11 - Спиральный теплообменник.

Имеются также конструкции спиральных теплообменников перекрестного тока, применяемые главным образом для нагрева и охлаждения газов и конденсации паров.

Спиральные теплообменники весьма компактны, работают при высоких скоростях теплоносителей (для жидкостей 1-2 м/с) и обладают при равных скоростях сред меньшим гидравлическим сопротивлением, чем трубчатые теплообменники различных типов. Вместе с тем эти аппараты сложны в изготовлении и работают при ограниченных избыточных давлениях, не превышающих 10х105 н/м2 (10 ат), так как намотка спиралей затрудняется с увеличением толщины листов; кроме того, возникают трудности при создании плотного соединения между спиралями и крышками.

1.9 Пластинчатые теплообменники

В последнее время распространены пластинчатые разборные теплообменники, отличающиеся интенсивным теплообменом, просто той изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и очистки от загрязнений.

Рисунок 12 - Пластинчатый теплообменник.

Это теплообменники состоят из отдельных пластин, разделенных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов (рисунок 12). Пластаны штампуют из тонколистовой стали (толщина 0,7 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены `в елку' ( шаг гофр 11,5; 22,5; 30 мм; высота 4-7 мм ).

К пластинам приклеивают резиновые прокладки круглой и специальной формы для герметизации конструкции; теплоноситель направляют либо вдоль пластины, либо через отверстие в следующий канал.

Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках может осуществляться прямотоком, противотоком и по смешанной схеме. Поверхность теплообмена одного аппарата может изменяться от 1 до 160 м2, число пластин- от 7 до 303. НИИХИММАШ рекомендует следующие стандартные размеры пластин: площадь поверхности в м2-0,2 ; 0,3; 0,5; длина Н в мм- 1000, 1250, 1400; ширина B в мм- 315, 380, 500.

В разборных пластинчатых теплообменниках температура теплоносителя ограничивается 1500 С (с учетом свойств резиновой прокладки), давление не должно превышать 10 кгс/см2 .[4]

2 Задание

Рассчитать необходимую поверхность кожухотрубчатого теплообменного аппарата, в межтрубном пространстве которого при атмосферном давлении конденсируются пары органической жидкости - бензола в количестве G₁=17000 кг/ч.(17000/3600=4.7 кг/c) Тепло конденсации отводится водой с начальной температурой t_н=18 °С. Подобрать нормализованный теплообменный аппарат.

3 Решение

Для изопропанола выписываем:

температура конденсации (температура кипения):

t_кип = t_конд = 82,4 °С (таблица V, [2]);

удельная теплота конденсации (удельная теплота испарения):

r₁ = 664720 Дж/кг (таблица V, [2]);

физико-химические свойства конденсата при температуре конденсации:

л₁ = 0,14 Вт/(м·К) (монограмма X, [2]);

м₁ = 0,503·10^-3 Па·с (таблица IX, [2]);

с₁ = 732,96 кг/м³ (таблица IV, [2]).

Тепло конденсации отводить водой с начальной температурой t_2н = 12 °С. Примем температуру воды на выходе из конденсатора t_2к = 41 °С. При средней температуре t₂ = 0,5·(12 + 41) = 26,5 °С вода имеет следующие физико-химические характеристики (таблица XXXIX, [2]):

c₂ = 4180 Дж/(кг·К)

л₂ = 0,611 Вт/(м·К)

м₂ = 0,8641·10^-3 Па·с

с₂ = 996,05 кг/м³



Рисунок 13 - график изменения температуры поверхности теплоносителей вдоль поверхности теплообмена

1. Тепловая нагрузка аппарата составит:

2. Расход воды:

3. Средняя разность температур:

4. Примем K_ор= 500 Вт (м²·К) (из таблицы 2.1, [1]). Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит:

Задаваясь числом Re₂ = 15000, определим соотношение n /z для конденсатора из труб диаметром d_н = 20 2 мм:

где n - общее число труб;

z - число ходов по трубному пространству:

d - внутренний диаметр труб, м.

5. Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи. В соответствии с табличными значениями (таблица 2.9, [1]) соотношение n /z принимает наиболее близкое к заданному значению у конденсаторов с диаметром кожуха D = 600 мм, диаметром труб 20 2 мм, числом ходов z = 4 и общим числом труб n = 334.

Наиболее близкую к ориентировочной поверхность теплопередачи имеет нормализованный аппарат с длиной труб L = 4 м; F = 84 м². Действительное число Re₂ равно:

Коэффициент теплоотдачи к воде определим по уравнению 2.12, [1], пренебрегая поправкой (Pr/Pr_ст)^0.25:

Коэффициент теплоотдачи от пара компенсирующегося на пучке вертикально расположенных труб, определим по уравнению:

Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнения со стороны воды и пара равна:

Коэффициент теплопередачи (формула 2.19, [1]):

Требуемая поверхность теплопередачи:

Конденсатор с длиной труб 4 м и поверхностью 84 м² подходит с запасом:

Аналогично были рассчитаны следующие конденсаторы:

диаметр кожуха (D, мм) диаметр труб (d, м) длина труб ( L, мм) поверхность теплообмена ( F, м2)	n	z	Re2	б2	б1	K	F (м2)	Д (%)
D = 600 d = 202мм L = 4 F = 84	334	4	16817	4295	724,5	425	79,6	5,5
D = 600 d = 202мм L = 6 F = 126	334	4	16817	4295	724,5	425	79,6	58
D = 800 d = 202мм L = 3 F = 116	618	6	13633	3631	890	468	72,3	60,4

Окончательно принимаем конденсатор, подробно рассчитанный выше, т.е обладающий следующими данными:

D = 600 мм

d = 202 мм

L = 4 м

F = 84 м²

z = 4

n = 334

6. Гидравлическое сопротивление р₂ рассчитывается по формуле 2.35, [1]) :

Скорость воды в трубах (формула 2.30, [1]):

Коэффициент трения по формуле 2.31, [1] равен:

Скорость воды в штуцерах:

Гидравлическое сопротивление:

Список использованных источников

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М. : Химия, 1991. - 496 с.

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

3. Теплообменник [Электронный ресурс]. - 2009. - Режим доступа http://ru.wikipedia.org/wiki/Теплообменник

4. Классификация и основные требования к теплообменным аппаратам [Электронный ресурс]. - 2009. - Режим доступа http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=4398&cat_id=5&page_id=6