Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина

Курсовой проект

По дисциплине Процессы и аппараты химической технологии

На тему Расчет кожухотрубчатого теплообменного аппарата

Выполнил:

Короткин М.С.

Москва, 2018



Содержание

Введение

1. Конструктивный тепловой расчет

1.1 Определение

1.2 Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу

1.3 Расчет коэффициента теплопередачи и окончательный выбор ТА

1.4 Определение коэффициента теплопередачи, водяного эквивалента и площади поверхности теплообмена ТА

1.5 Выбор теплообменного аппарата по каталогу

2. Проверочный тепловой расчет

2.1 Определение фактической тепловой мощности выбранного теплообменного аппарата Q

2.2 Расчет действительных конечных температур теплоносителей

3. Гидравлический расчет

3.1 Расчет падения давления теплоносителя в трубном пространстве

3.2 Расчет падения давления теплоносителя в межтрубном пространстве

3.3 Определение мощности энергопривода перекачивающих устройств и оценка энергетической эффективности

4. Расчет диаметра условного прохода штуцеров

Заключение

Используемая литература



Введение

В процессах нефте- и газопереработки для обеспечения необходимой температуры в аппаратах требуется подводить и отводить тепло. Для этого на технологических установках широко используются специальные аппараты, называемые теплообменными или теплообменниками.

В аппаратах, предназначенных для нагрева или охлаждения, происходит теплообмен между двумя потоками, при этом один из них нагревается, а другой охлаждается. Поэтому вне зависимости от того, что является целевым назначением аппарата: нагрев или охлаждение, их называют теплообменными аппаратами.

Теплообменными аппаратами (ТА) называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.

По принципу действия теплообменные аппараты делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Наиболее широкое распространение в настоящее время получили кожухотрубные теплообменники. По некоторым данным они составляют до
80 % от всей теплообменной аппаратуры, используемой в нефтяной и газовой промышленности. Эти представляет из себя пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе). Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб, а другой омывает поверхность труб. Концы труб закрепляются с помощь вальцовки, сварки или пайки в трубных решетках. В кожух теплообменного аппарата с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки поддерживают трубы от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен. К кожуху теплообменного аппарата привариваются штуцеры для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства.

Различают следующие типы кожухотрубных теплообменных аппаратов:

· Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками (жесткотрубные ТА);

· Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с линзовым компенсатором на кожухе;

· Теплообменные аппараты с плавающей головкой;

· Теплообменные аппараты с U - образными трубами.

В данном курсовом проекте представлен кожухотрубчатый теплообменный аппарат с температурным компенсатором. В этих аппаратах для частичной компенсации температурных напряжений используют специальные гибкие элементы (расширители, компенсаторы), расположенные на корпусе. Вертикальный кожухотрубчатый испаритель с неподвижными трубными решетками (рисунок 3) отличается установкой между двумя частями кожуха 4 линзового компенсатора 3. В аппаратах подобного типа используют одно- и многоэлементные линзовые компенсаторы.



1. Конструктивный тепловой расчет

Дано:

Горячий теплоноситель - керосин

Характеристики теплоносителя:

G1 = ? кг/ч t'1=196 ?C t''1=154 ?C

Холодный теплоноситель - нефть

Характеристики теплоносителя:

G2=300·103 кг/ч =83,33 кг/c t'2=92 ?C t''2=114 ?C

1.1 Определение

Теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителей (Сpm, л, н, с, Pr)

Таблица 1. Данные для теплоносителей

	???кг/м3	Срm,кДж/(кг•К)	л,Вт/(м•К)	н•10-6,м2/с	Pr
керосин	670,0	2,794	0,087	1,312	9,1
нефть	808,5	2,265	0,116	2,570	32,5

Мощность теплообменного аппарата Q

Q = з·G1·Cpm1·(t'1 - t''1) = ·G2·Cpm2·(t''2 - t'2)

Q = 300·103·2,265·103·(114-92)=14949·106 Вт,

,

з - коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду 

з = 0,95 - 0,98

Средняя разность температур между теплоносителями иm, оС

,

,

,

Оптимальный диапазон площадей проходных сечений (f1, f2) и минимального индекса противоточности Pmin TA

Определение минимального индекса противоточности:

,

Приемлемые диапазоны площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства находятся с использованием рекомендуемых диапазонов скоростей теплоносителей из соотношений:

,

где max и min - максимальная и минимальная рекомендуемые скорости потоков теплоносителей; с и G - плотность и массовый расход теплоносителя.

max 1 = 3,0 м/с и min 1 = 0,5 м/с; max 2 = 1,0 м/с и min 2 = 0,2 м/с.

Для керосина:



,

,

Для нефти:

,

,

Расчет коэффициента теплопередачи и площади теплообменного аппарата

Выберем хромистую нержавеющую сталь Х13:

· толщина стенки 2 мм;

· коэффициент теплопроводности стали л=27,7 Вт/(м•К);

· термические сопротивления загрязнений:

для керосина Rз=16,5•10-4 (м2•К)/Вт

для нефти Rз=29•10-4 (м2•К)/Вт

· коэффициент теплоотдачи:

для керосина б = 10250 Вт/(м2•К) [1,c.20]

для нефти б =325 Вт/(м2•К)

Коэффициент теплопередачи по оценке:

,

,

,



1.2 Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу

Выбираем кожухотрубный теплообменный аппарат с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе.

F = 464 м2 [1,П2,c.3]

L = 6000 мм

Таблица 2. Площади проходных сечений между трубами и отверстиями в перегородках fз.т , между перегородками и кожухом fз.п..

Диаметр кожуха, мм	Наружный диаметр труб dн, мм	Число ходов по трубам nx	Площадь проходного сечения ѓ•102, м2
Наружный	Внутрен-ний			Одного хода по тубам	В вырезе перего-родки	Между перего-родками
--	1200	25	4	8,4	16,4	16,5

1.3 Расчет коэффициента теплопередачи и окончательный выбор ТА

Расчёт коэффициентов теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке б1 и от стенки к холодному теплоносителю б2, термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений

Так как нефть более вязкое вещество отправляем его в межтрубное пространство, а керосин в трубу.

Расчет коэффициента теплопередачи:

Для расчета необходимо посчитать

и .

где Re, Pr - числа подобия теплоносителя, движущегося в трубах ТА, при среднеарифметической температуре потока. Prc - число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА при средней температуре стенки труб.

- коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в трубах ТА. и - наружный диаметр и толщина стенки теплообменных труб.

Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве:

,

Число Рейнольдса:

,

Re - турбулентный режим

Из таблицы определяем следующие константы:

,

Определим при :



,

при 175 при

,

Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве

,

Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве

Средняя скорость теплоносителя в межтрубном пространстве:

,

Число Рейнольдса:

,

Найдем



,

,

Поправочный коэффициент учитывает зависимость среднего коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве от числа рядов труб в пучке, омываемых в поперечном направлении . Этот коэффициент может быть определен из графика:

Из Приложения II табл. 2-8 ,тогда

Из Приложения II табл. 2-7

По таблице ([1], стр. 33, табл. 8) определяем значения коэффициентов. Примем, что трубы располагаются по вершинам равностороннего треугольника.

,

,



1.4 Определение коэффициента теплопередачи, водяного эквивалента и площади поверхности теплообмена ТА

Уточним значение коэффициента теплоотдачи

,

Определим значения R и PS

,

,

Определим значение из приложения I

- коэффициент, учитывающий различие между средней логарифмической разностью температур между теплоносителями для противоточной схемы движения и действительной средней разностью температур .

,



Рассчитаем истинную площадь поверхности теплообмена

,

,

,

1.5 Выбор теплообменного аппарата по каталогу

Так как погрешность > 10%, то выбранный ранее теплообменный аппарат остается прежним.



2. Проверочный тепловой расчет

2.1 Определение фактической тепловой мощности выбранного теплообменного аппарата Q

Определяем фактическую тепловую мощность выбранного аппарата:

,

Вычислим приведенный водяной эквивалент :

,

Индекс противоточности: P=0,5

,

,

,

Вт,

2.2 Расчет действительных конечных температур теплоносителей

,



,

,

,

Выбор кожухотрубного теплообменного аппарата можно считать приемлемым, потому что относительные расхождения между действительными (, ) и заданными ( , ) температурами горячего и холодного теплоносителей на выходе из ТА не превышают 8 %.



3. Гидравлический расчет

3.1 Расчет падения давления теплоносителя в трубном пространстве

где - падение давления, обусловленное потерями на трение;

- падение давления, обусловленное местными сопротивлениями;

- падение давления, обусловленное изменением центра тяжести потока; теплоноситель сечение водяной

- падение давления, обусловленное ускорением потока теплоносителя.

Потери на трение рассчитываются по формуле Дарси-Вейсбаха [5, с. 38]:

где , - длина и внутренний диаметр теплообменных труб;

, - средние плотность и скорость теплоносителя;

- число ходов по трубному пучку;

- коэффициент гидравлического сопротивления внутренней

поверхности труб.



,

,

Потери давления на преодоление местных сопротивлений определяется по соотношению [5, с. 39]:

,

где , - коэффициенты местных сопротивлений на входе и выходе;

- коэффициент местного сопротивления в промежуточной камере при переходе потока из одной секции трубного пространства в другую (поворот на 180є).

28643 Па

Теплообменный аппарат горизонтальный или многоходовой по трубному пространству в нем не происходит изменения агрегатного состояния теплоносителя, движущегося по трубам, падение давления теплоносителя в трубном пространстве кожухотрубного теплообменного аппарата рассчитано по формуле:



,

,

так как теплообменник находится в горизонтальном положении.

,

3.2 Расчет падения давления теплоносителя в межтрубном пространстве

,,

где - падение давления теплоносителя при поперечном омывании пучка труб между перегородками;

- падение давления в окнах сегментных перегородок;

- падение давления во входной и выходной секциях межтрубного пространства;

- падение давления на входе и выходе из межтрубного пространства;

Падение давления при поперечном омывании пучка труб между перегородками рассчитывается по формуле [5, c. 40]:

,



где - число сегментных перегородок;

, - коэффициент, учитывающий распределение потоков в межтрубном пространстве;

- падение давления теплоносителя при обтекании идеального пучка труб поперечным потоком;

,

где - число Эйлера;

- число рядов труб, омываемых поперечным потоком теплоносителя;

, , , ,

- коэффициент, зависящий от расположения труб в пучке и от значений чисел Рейнольдса;

- шаг труб в трубном пучке.

[5, табл. 11, с. 41]

[5, табл. 11, с. 41]

[5, табл. 11, с. 41]

[5, табл. 11, с. 41]

,

,



,

Поправочный коэффициент х1, учитывающий влияние на падение давления в межтрубном пространстве потоков, проходящих в зазорах между трубами и отверстиями в перегородках и между кожухом и сегментными перегородками, определяется по формуле [5, с. 42]:

,

где ,

, ,

,

,

Поправочный коэффициент х2, учитывающий байпасные потоки, находится из соотношения [5, с. 42]:

,

,

,

,

,

Падение давления в окнах сегментных перегородок рассчитывается по формуле [5, c. 42]:

,



где - число рядов труб в вырезе перегородок.

,

,

Течение потока теплоносителя во входной и выходной секциях межтрубного пространства отличается от течения в центральной части аппарата. Это объясняется тем, что расстояние от входного и выходного патрубков до крайних перегородок может отличаться от шага перегородок в центральной части, а число рядов труб в этих секциях, которые омываются поперечным потоком, больше, чем в центральной части. Учитывая эти особенности, падение давления теплоносителя во входной и выходной секциях межтрубного пространства рассчитывается по формуле [5, с. 42]:

,,

где - число рядов труб, пересекаемых перегородкой.

,

,

,

,

где - шаг перегородок;

, - расстояние от трубных решеток до ближайших перегородок.

,

,

Падение давления, обусловленное местными сопротивлениями на входе и выходе из межтрубного пространства, определяется по формуле [5, с. 43]:

,

,

где , - коэффициенты местных сопротивлений штуцеров и отбойных пластин на входе и выходе из межтрубного пространства;

,

Т.к. используется горизонтальный теплообменник, то:

При значительном изменении плотности теплоносителя в теплообменном аппарате учитывают падение давления, вызываемое ускорением потока:

,

где - массовая скорость теплоносителя в трубном пространстве;

, - плотность теплоносителя на входе и выходе из тубного пространства;

,

,

,

3.3 Определение мощности энергопривода перекачивающих устройств и оценка энергетической эффективности

Мощности, необходимые для перекачки теплоносителей через трубное и межтрубное пространство, определяются по соотношениям [5, с. 45]:

,

,

Эффективные мощности насосов, необходимые для перекачки теплоносителей через трубное и межтрубное пространство, определяются по формулам [5, с. 45]:

,

,



где - относительный внутренний КПД перекачивающих устройств;

- механический КПД перекачивающих устройств.

[5, с. 45]

[5, с. 45]

Энергетическое совершенство теплообменного аппарата можно оценить по величине отношения тепловой мощности теплообменника и затрат энергии, необходимым для перекачки теплоносителей через трубное Nтр и межтрубное Nмтр пространство. Это отношение называется коэффициентом энергетической эффективности теплообменного аппарата:

,



4. Расчет диаметра условного прохода штуцеров

Диаметры штуцеров определяются в зависимости от объемного расхода и допустимой линейной скорости потока.

После расчета диаметр необходимо округлить в большую сторону до стандартного. Стандартный ряд условных диаметров имеет следующий вид: 10,15, 20, 25, 32, 40, 50, 65, 70, 80, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, 350, 400, 450…

Допустимая линейная скорость в штуцерах зависит от агрегатного состояния потока, физического напора, допустимой потери насоса и др.

Формула для расчета диаметра штуцеров:

,

,

) - плотность (газа/жидкости).

Принимаем скорость ДЭГ в штуцере = 1 м/с, а для газовой смеси = 25 м/с, тогда диаметр штуцера для входа ДЭГ и выхода насыщенного ДЭГ:

,

по ряду диаметров стандартных штуцеров принимаем =170 мм.

Диаметр штуцера для входа влажного газа и выхода осушенного газа:



,

по ряду диаметров стандартных штуцеров принимаем =100 мм.



Заключение

Широкое использование теплообменного оборудования в нефтяной и газовой промышленности обязывает специалистов уметь их рассчитывать, обобщать опыт их эксплуатации, анализировать рабочий процесс и намечать пути повышения эффективности их работы. Эффективная работа теплообменных аппаратов приводит к экономии энергии, сокращению расхода топлива и улучшает технико-экономические показатели производственных процессов.

При выборе стандартного теплообменного аппарата провели конструктивный и проверочный тепловые расчеты, а также гидравлический расчет теплообменника.

Целью конструктивного теплового расчета является определение типа теплообменного аппарата и его конструкции.

При проверочном тепловом расчете определили мощность выбранного стандартного теплообменного аппарата Qст и действительные конечные температуры теплоносителей (t1д, t2д). В результате этого расчета выяснили возможность использования стандартного теплообменника при заданных температурных режимах теплоносителей.

Гидравлический расчет теплообменного аппарата необходим для определения падения давления теплоносителей (p1, p2) в ТА и мощностей энергопривода насосов и компрессоров (Ne1, Ne2), необходимых для перекачки теплоносителей через аппарат.



Используемая литература

1. Калинин А.Ф. Расчет и выбор конструкции кожухотрубнного теплообменного аппарата. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2002.

2. Калинин А.Ф., Головачев В.Л. Расчет и выбор конструкции кожухотрубного конденсатора. - М.: ГАНГ, 1996.

3. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: учебник для вузов / А.И. Скобло [и др.]. - 4-ое изд-е перераб. и доп. - Москва, ИЦ РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012. - 725 с.

Размещено на Allbest.ru