Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Размещено на http://allbest.ru

АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА

КАФЕДРА «ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ГАЗА»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: «Процессы и аппараты химической технологии»

Тема проекта: Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Выполнил:

Проверил:

Курсовой проект защищен с оценкой ____________

Астрахань 2016

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Классификация теплообменников, применяемых в нефтепереработке

1.2 Назначение кожухотрубчатых теплообменников

1.3 Теоретические основы процесса теплопередачи

1.4 Описание работы аппарата

1.5 Характеристика исходной нефти и теплоносителя

2. Расчетная часть

2.1 Технологический расчет

2.2 Средний температурный напор

2.3 Выбор теплообменника

2.4 Физические параметры теплоносителей при их средних температурах

2.4.1 Дизельная фракция

2.4.2 Нефть

2.5 Коэффициент теплоотдачи от дизельного топлива

2.6 Коэффициент теплоотдачи к нефти

2.7 Коэффициент теплопередачи

2.8 Поверхность теплообмена

2.9 Гидравлический расчёт

2.9.1 Расчёт трубного пространства

2.9.2 Расчёт межтрубного пространства

Список использованной литературы



Введение

Процесс дистилляции нефти, как и любой тепловой процесс, реализуется путем подвода теплового потока в ректификационную колону и отвода из нее соответствующего количества низкопотенциального тепла.

Функцию регенерации тепла горячих потоков дистиллятов, а так же их конденсации, охлаждение, дополнительного нагрева и испарения выполняют на установках АВТ. - разветвленная система теплообменных аппаратов различного устройства.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты являются наиболее распространенным типом теплообменников широкого спектра технологического применения в нефтеперерабатывающей промышленности.

Поэтому для обеспечения нормального протекания предусмотренного технологического режима на установке АВТ. необходим правильный подбор теплообменного аппарата.

Целью данного курсового проекта является расчет теплообменного аппарата для установки АВТ по заданным начальным данным.



1. Теоретическая часть

1.1 Классификация теплообменников, применяемых в нефтепереработке

Процессы теплопередачи осуществляют в теплообменниках, конденсаторах, холодильниках. В зависимости от способа передачи тепла различают три группы теплообменных аппаратов:

· ·поверхностные; в которых тепло передается через поверхность, разделяющую обменивающиеся теплом среды;

· ·смешения, в которых тепло от одной среды к другой передается при непосредственном соприкосновении;

· ·регенеративные, в которых среды нагреваются при соприкосновении с ранее нагретыми твердыми телами, заполняющими аппарат и периодически нагревающимися другим теплоносителем.

К поверхностным теплообменникам относятся кожухотрубчатые; элементные, змеевиковые, спиральные, типа «труба в трубе» и др. Наиболее распространены кожухотрубчатые теплообменники, которые применяют при больших расходах маловязких жидкостей или газов. Если жидкости имеют высокую вязкость и их расход невелик; используют теплообменники типа «труба в трубе». Змеевиковые теплообменники обычно применяют при небольших тепловых нагрузках.

В конденсаторах охлаждаются пары нефтяных дистиллятов, отводимых с верха ректификационной колонны. Конденсаторы по конструкции и принципу работы делятся на трубчатые, погружные и смешения. Наиболее пожароопасны трубчатые конденсаторы, так как при внезапном прекращении подачи охлаждающей воды на установку пары бензина могут не сконденсироваться в аппарате.

Погружные конденсаторы широко распространены, однако на вновь строящихся установках их не применяют, так как они громоздки и коэффициент теплопередачи их невысок. В конденсаторах смешения пары нефтепродукта конденсируются при непосредственном смешении с охлаждающей водой. Конденсат и вода собираются внизу аппарата и разделяются на два слоя из-за разной плотности.

Холодильники на нефтеперерабатывающих заводах предназначены для охлаждения жидких дистиллятов и остатков после перегонки нефти. По конструкций холодильники мало отличаются от теплообменников и бывают двух видов: трубчатые и погружные. Холодильники трубчатого типа наиболее пожароопасны, так как запас воды в них невелик и трубки часто выходят из строя.

Для охлаждения аппаратов на нефтеперерабатывающих заводах расходуется очень много воды. Чтобы уменьшить ее расход, используют оборотные системы. В настоящее время в нефтепереработке и нефтехимии объем оборотного водоснабжения составляет 85% общего расхода. Оборотные системы довольно сложны -- это водозаборы, насосные станции, очистные сооружения, сеть водопроводов и т.п. Создание и эксплуатация таких комплексов требует больших капиталовложений. В результате поисков новых систем охлаждения были созданы аппараты воздушного охлаждения (АВО).

1.2 Назначение кожухотрубчатых теплообменников

Кожухотрубные теплообменники появились в начале ХХ века в связи с потребностями тепловых станций в теплообменниках с большой поверхностью, таких, как конденсаторы и подогреватели воды, работающие при относительно высоком давлении. Кожухотрубные теплообменники применяются в качестве конденсаторов, подогревателей и испарителей. В настоящее время их конструкция в результате специальных разработок с учетом опыта эксплуатации стала намного более совершенной. В те же годы началось широкое промышленное применение кожухотрубных теплообменников в нефтяной промышленности. Для эксплуатации в тяжелых условиях потребовались нагреватели и охладители массы, испарители и конденсаторы для различных фракций сырой нефти и сопутствующих органических жидкостей. Теплообменникам часто приходилось работать с загрязненными жидкостями при высоких температурах и давлениях, и поэтому их необходимо было конструировать так, чтобы обеспечить легкость ремонта и очистки.

С годами кожухотрубные теплообменники стали наиболее широко применяемым типом аппаратов. Это обусловлено прежде всего надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, в частности:

- однофазные потоки, кипение и конденсация по горячей и холодной сторонамтеплообменника с вертикальным или горизонтальным исполнением;

- диапазон давления от вакуума до высоких значений;

- в широких пределах изменяющиеся перепады давления по обеим сторонам вследствие большого разнообразия вариантов;

- удовлетворение требований по термическим напряжениям без существенного повышения стоимости аппарата;

- размеры от малых до предельно больших (5000 м²);

- возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости, коррозии, температурному режиму и давлению;

- использование развитых поверхностей теплообмена как внутри труб, так и снаружи, различных интенсификаторов и т.д;

- возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта.

1.3 Теоретические основы процесса теплопередачи

Тепловые процессы или теплообмен -- обобщенное название процессов передачи энергии в виде теплоты между телами, имеющими различную температуру.

Движущей силой процесса теплообмена является разность температур. Причем передача теплоты осуществляется от тела с большей к телу с меньшей температурой.

К тепловым процессам, используемым в промышленности, относятся процессы нагревания, охлаждения, испарения и конденсации.

Вещества и тела, участвующие в процессе теплообмена, называются теплоносителями. Теплоносители с более высокой температурой, отдающие теплоту в процессе теплообмена, называются горячими теплоносителями, вещества с более низкой температурой, воспринимающие теплоту в процессе теплообмена, называются холодными теплоносителями.

Передача теплоты может осуществляться как при непосредственном соприкосновении теплоносителей, так и через тепло-проводящую стенку (поверхность теплообмена) и является основным расчетным конструктивным параметром теплообменных аппаратов (теплообменников).

Различают стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся) теплообменные процессы.

При стационарных процессах, характерных обычно для непрерывно действующих теплообменных устройств, температура в каждой точке рабочего объема (тела) не меняется во времени.

При нестационарных процессах, характерных для периодически действующего оборудования, температура, напротив, меняется во времени.

Совокупность значений температур во всех точках объема (тела) называется температурным полем. Кроме трехмерного температурного поля, в зависимости от условий проведения процесса и числа используемых координат могут рассматриваться двумерные, и одномерные температурные поля.

Так же, как тепловые процессы, температурное поле может быть стационарным и нестационарным.

Изотермическая поверхность в температурном поле -- поверхность, объединяющая точки с одинаковыми температурами. Из-за отсутствия разности температур теплота вдоль такой поверхности не распространяется.

Теплота в температурном поле, таким образом, может распространяться только между изотермическими поверхностями. При этом степень интенсивности изменения температуры характеризуется температурным градиентом, выраженным пределом отношения приращения температуры к расстоянию между изотермическими поверхностями, направленным по нормали к этой поверхности.

Механизмы передачи теплоты

Теплота от одного тела к другому передается: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность (кондукция) -- перенос теплоты вследствие движения и колебаний микрочастиц, соприкасающихся друг с другом. Теплопроводностью передается теплота в твердых телах и тонких слоях жидкости и газа.

Конвекция -- перенос теплоты путем перемещения макрообъектов жидкости или газов. Перемещение возможно за счет разности плотностей, обусловленной неодинаковой температурой отдельных участков объема системы (естественная, или свободная, конвекция), а также путем принудительного их перемещения в результате внешних механических воздействий с помощью насосов, компрессоров, воздуходувок и т. п, (вынужденная конвекция).

Тепловое излучение (лучеиспускание) -- перенос теплоты в виде электромагнитных волн, излучаемых нагретым телом.

Указанные механизмы распространения теплоты редко встречаются в чистом виде. Обычно они сопутствуют друг другу -- происходит так называемый сложный теплообмен.

Конвекция -- процесс распространения теплоты в жидкости или газе от поверхности твердого тела или наоборот. Процесс передачи теплоты одновременно конвекцией и теплопроводностью называют теплоотдачей.

При теплоотдаче теплота передается от стенки через тонкий пограничный слой теплопроводностью, а затем в поток (ядро) жидкости конвекцией.

Основным законом теплоотдачи является закон Ньютона, согласно которому количество теплоты dQ , переданное конвекцией от поверхности к окружающей среде (или наоборот), пропорционально поверхности теплообмена dF, разности температур поверхности t_ст и окружающей среды t_f и времени dф проведения процесса:

dQ = a(t_ст -t_f )dFdф.

Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплоотдачи и показывает, какое количество теплоты передается от теплообменной поверхности 1 м² в окружающую среду или наоборот в течении 1 с при разности температур теплообменной поверхности и окружающей среды 1 К.

Коэффициент теплоотдачи не является постоянной величиной для рассматриваемой среды и зависит в первую очередь от гидродинамических условий течения жидкости вдоль теплопередающей поверхности, а также плотности, вязкости, удельной теплоемкости и других параметров. Теплопередача -- процесс передачи теплоты от более нагретой среды к менее нагретой среде через стенку.

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через разделяющую их стенку с площадью поверхностью 1 м² при разности температур между теплоносителями один градус.

В случае рассмотрения процесса передачи теплоты через стенку цилиндрической формы механизм теплопередачи остается прежним, а количество теплоты, передаваемой на каждой стадии.



1.4 Описание работы аппарата

В кожухотрубчатом теплообменнике один из теплоносителей протекает по трубам, другой - по межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стеной труб.

Кожухотрубчатые теплообменники бывают одноходовыми, здесь оба теплоносителя не меняя направления движутся по всему сечению (один по трубному, другой по межтрубному), и многоходовыми, в которых потоки с помощью дополнительных перегородок последовательно меняют направление, тем самым, увеличивая коэффициент теплоотдачи и скорость потока.

Основными элементами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой.

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. Один из вариантов такого теплообменника представлен на рисунке 1.

Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров. теплопередача кожухотрубчатый нефть напор

Кожух (корпус) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой трубу, сваренную из одного или нескольких стальных листов.

Кожухи различаются главным образом способом соединения с трубной доской и крышками. Толщина стенки кожуха определяется давлением рабочей среды и диаметром кожуха, но принимается не менее 4 мм.

Рис. 1. Кожухотрубный теплообменник.

К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха прикрепляют опоры аппарата.

В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения трубок. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысокие, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению коэффициента теплопередачи.



1.5 Характеристика исходной нефти и теплоносителя

Физико-химические характеристики нефти.

Параметр		н20, сСт	н50, сСт
Величина	0,8416	2,0	1,7

В качестве исходного сырья используем дизельную фракцию пономаревкой нефти с температурой выкипания 150-350°C.

Физико-химические характеристики дизельной фракции.

Параметр	Выход на нефть		н20, сСт	н50, сСт
Величина	37,5%	0,8350	1,05	1,0



2. Расчетная часть

2.1 Технологический расчет

Рассчитаем необходимую поверхность теплообменника, в трубное пространство, которого направлена нефть (t_входа=80°C), а в межтрубное - дизельная фракция (t_входа=290°C,t_выхода=90°C).

Производительность - 2 млн т/г=228 300 кг/ч.

Выход на нефть дизельной фракции 37,5%, следовательно, производительность по фракции равна 85600 кг/ч.

Определение тепловой нагрузки.

Q=G₁·(h?₁-h??₁)·з= G₂ ·( h??₂- h?₂),

где Q - тепловая нагрузка, кДж/ч;

G₁ и G₂ - массовый расход горячего и холодного теплоносителей, кг/ч;

h?₁, h??₁ - энтальпии горячего теплоносителя при температурах входа и выхода из аппарата, кДж/кг;

h??₂, h?₂ - энтальпии холодного теплоносителя при температурах выхода и входа из аппарата, кДж/кг;

з - КПД теплообменника, з=0,95.

а) Для дизельной фракции.

Относительная плотность при 15°C:

Энтальпии определяем по формуле Крэга:



Энтальпия при t_входа=290°C

Энтальпия при t_выхода=90°C

б)Для нефти.

Относительная плотность при 15°C:

Энтальпии определяем по формуле Крэга:

Энтальпия при t_входа=80°C

Из уравнения теплового баланса находим энтальпию нефти на выходе из теплообменника:

Отсюда температура нефти на выходе из теплообменника будет равна

t_выхода=130єС.

Тепловая нагрузка:

Q=G₁ (h?₁-h??₁)

Q =85600(690-181)=43 570 000 кДж/ч =12100 кВт.



2.2 Средний температурный напор

Средний температурный напор ?Т_ср в т/о определяем по формуле Грасгофа, имея ввиду, что в аппарате осуществляется противоток теплоносителей по схеме.

2.3 Выбор теплообменника

Для того чтобы выбрать один из т/о аппаратов типа «труба в трубе», следует ориентировочно определить необходимую поверхность т/о.

Примем на основании практических данных коэффициент теплопередачи в т/о К= 300 Вт/(м² · К). Тогда предполагаемая поверхность т/о определяется по формуле:

Выбираем теплообменники ТГ 1200х9000х2 ГОСТ15122-79, с диаметром 1200 мм, длиной 9000 мм, двухходовой, горизонтальный с площадью поверхности теплообмена 766 м² и ТГ 1200х9000х4 ГОСТ15122-79, с диаметром 1200 мм, длиной 9000 мм, четырёхходовой, горизонтальный с площадью поверхности теплообмена 697 м².

Допустимая максимальная температура в трубном пространстве - не более 723 К.

Допустимая максимальная температура в межтрубном пространстве - не более 473 К.

Учитывая допускаемые температуры потоков, направим по внутренним трубам дистиллят дизельного топлива, а по межтрубному пространству - нефть.

2.4 Физические параметры теплоносителей при их средних температурах

2.4.1 Дизельная фракция

Средняя температура.

где T₁' и T₁''- начальная и конечная температуры дизельной фракции.

Коэффициент теплопроводности:

Теплоёмкость

Относительная плотность



Определяем кинематическую вязкость

2.4.2 Нефть

Средняя температура:

где T₁' и T₁''- начальная и конечная температуры и конечная температуры нефти.

Коэффициент теплопроводности:

Теплоёмкость:



Относительная плотность:

Определяем кинематическую вязкость:

2.5 Коэффициент теплоотдачи от дизельного топлива

Скорость потока дизельной фракции:

сечения одного хода по трубам.

Внутренний диаметр труб d_вн=0,021 м.

Определяем число Рейнольдса:



Для турбулентного режима:

Для второго теплообменника расчёт аналогичен.

Скорость потока дизельной фракции:

где f₁- площадь сечения одного хода по трубам.

Внутренний диаметр труб d_вн=0,021 м.

Определяем число Рейнольдса:

Для турбулентного режима:



2.6 Коэффициент теплоотдачи к нефти

Скорость потока нефти:

где f₂- площадь сечения одного хода между перегородок.

Наружный диаметр труб d_н=0,025 м.

Определяем число Рейнольдса:

Для турбулентного режима:

Для второго теплообменника расчёт аналогичен. Коэффициент такой же, т.к. площадь сечения одинакова.

2.7 Коэффициент теплопередачи

- толщина стенки труб; - коэффициент теплопроводности стали.

Для второго теплообменника расчёт аналогичен.

2.8 Поверхность теплообмена

Выбираем теплообменник ТГ 1200х9000х4 ГОСТ15122-79, с диаметром 1200 мм, длиной 9000 мм, четырёхходовой, горизонтальный с площадью поверхности теплообмена 697 м².

2.9 Гидравлический расчёт

Рассчитать гидравлическое сопротивление проточных частей кожухотрубчатого теплообменника.

Техническая характеристика теплообменника:

- площадь поверхности теплообмена = F 697 м² ;

- диаметр кожуха = D 1200 мм;

- диаметр труб = d_н =25 мм; d_в =21 мм;

- длина труб = 9 м;

- расстояние между перегородками l =1,0 м;

- число ходов по трубному пространству z=4;

- площадь проходного сечения по трубам S_тр= 0,052 м² ;

- площадь проходного сечения в вырезе перегородки S_вп= 0,168 м² ;

- площадь проходного сечения между перегородками S_мп= 0,152 м² ;

- диаметр штуцеров нефти D_н= 400 мм;

- диаметр дизельной фракции D_д= 250 мм.

Теплоноситель дизельная фракция в количестве G_д= 85,6 кг/ч подается в трубное пространство при давлении 0,6 МПа с начальной температурой 290?С и охлаждается до температуры 90?С (средняя температура 190?С).

Рабочая среда (нефть) в количестве G_н= 228 кг/ч подается в межтрубное пространство при давлении 0,6 МПа с начальной температурой 80?С и нагревается до температуры 130?С (средняя температура 105?C).

2.9.1 Расчёт трубного пространства

Объёмный расход дизельной фракции:

Скорость фракции во входном штуцере:

Потери давления при входе в распределительную камеру:

Скорость фракции при входе потока в трубы теплообменника:



Потери давления при входе потока фракции в трубы:

Потери давления при выходе из труб:

Потери давления при входе потока в выходной штуцер:

Принимаем шероховатость труб Д=0,1 мм.

Коэффициент линейных потерь:

Потери давления в трубах:

Суммарные потери давления в трубном пространстве:



2.9.2 Расчёт межтрубного пространства

Объёмный расход нефти:

Скорость нефти во входном штуцере:

Потери давления при входе в межтрубное пространство и выходе в штуцер:

Эффективное свободное сечение межтрубного пространства:

Средняя скорость нефти в межтрубном пространстве:

Потери давления при огибании перегородок потоком воздуха:



Для шахматного расположения труб отношение:

Коэффициент трения в межтрубном пространстве:

Потеря давления на трение в межтрубном пространстве:

Общие потери давления в межтрубном пространстве:

Результаты поверочного расчёта подтверждают соответствие конструктивного расчёта и выбранного теплообменника исходным данным.



Список использованной литературы

1. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения: каталог. - М.: ЦИНТИХимнефтемаш, 1991. - 106 с.

2. Макаров, Ю.И. Технологическое оборудование химических и нефтеперерабатывающих заводов: учеб. пособие / Ю.И.Макаров, А.Е.Генкин. - М.: Машиностроение, 1976. - 376 с.

3. Маньковский, О.Н. Тепло-обменная аппаратура химических производств / О.Н.Маньковский, А.Р.Толчинский, М.В.Александров. - Л.: Химия, 1976. - 367 с.

4. Машины и аппараты химических производств. Примеры и задачи: учеб. пособие для вузов/ И.В. Доманский [и др.]; под общ. ред. В.Н. Соколова. - Л.: Машиностроение, 1982. - 384 с.

5. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Г.С. Борисов [и др.]; под ред. Ю.И. Дытнерского.- М.: Химия, 1983. - 272 с.; - М.: ООО ИД «Альянс», 2007. - 496 с.

Размещено на Allbest.ru