Размещено на http://www.allbest.ru/

Спиральный теплообменник для охлаждения 8 т/ч бензола от температуры кипения до 25 єС водой с начальной температурой 15 и конечной 60 єС

Введение

теплообменник спиральный нагрев охлаждение

Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками. В ряде случаев целевое на значения имеют оба процесса - нагревание холодного теплоносителя и охлаждение горячего. Тогда теплообменные аппараты называют собственно теплообменниками.

Часто в теплообменных аппаратах в процессе теплообмена происходит изменение агрегатного состояния одного из теплоносителей: конденсация горячего или испарение холодного теплоносителя. В этих случаях аппараты называют конденсаторами или кипятильниками.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через поверхность стенки путем конвекции в теплоносителях и теплопроводности стенки;

регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода, и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника. Существенным недостатком регенеративных теплообменников является изменение температуры поверхности насадки во времени, что в некоторых случаях не обеспечивает постоянства конечной температуры нагреваемого или охлаждаемого теплоносителя;

смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей. Применение смесительных теплообменников ограничено только теми случаями, когда по технологическим условиям допустимо разбавление нагреваемого или охлаждаемого вещества водой.

Поэтому в химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, которые, в свою очередь, разделяются на трубчатые, пластинчатые, спиральные, с поверхностью, образованной стенками аппарата, с оребренной поверхностью теплообмена.

К конструкции теплообменных аппаратов предъявляется ряд требований: они должны отличаться простотой, удобством монтажа и ремонта. В ряде случаев конструкция теплообменника должна обеспечивать возможно меньшее загрязнение поверхности теплообмена и быть легко доступной для осмотра и очистки.

Этим требованиям во многом отвечают спиральные теплообменники, поверхность теплообмена в котором образуется двумя металлическими листами свернутыми в спирали, образующие два спиральных прямоугольных ка нала, по которым двигаются теплоносители. Внутренне концы спиралей соединены разделительной перегородкой - керном. Для придания спиралям жесткости и фиксирования расстояния между ними служат металлические прокладки. Система каналов закрыта с торцов крышками.

Преимущества спиральных теплообменников:

компактность;

возможность пропускания обоих теплоносителей с высокими скоростями, что обеспечивает большой коэффициент теплопередачи;

малое гидравлическое сопротивление по сравнению с другими типами поверхностных теплообменников.

Недостатками спиральных теплообменников являются:

- сложность изготовления и ремонта;

- пригодность для работы под избыточным давлением не более 0,6 МПа.

Спиральные теплообменники могут использоваться как для теплообмена между двумя жидкими теплоносителями, так и для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью.

В качестве греющего агента в теплообменниках часто используется насыщенный водяной пар, имеющий целый ряд достоинств:

- высокий коэффициент теплоотдачи;

- большое количество тепла, выделяемое при конденсации пара;

- равномерность обогрева, так как. конденсация пара происходит при постоянной температуре;

- легкое регулирование обогрева.

При охлаждении в кожухотрубных теплообменниках в качестве хладоагента может использоваться речная или артезианская вода, а в случае, когда требуется получить температуру ниже 5 °С применяют холодильные рассолы (водные растворы CaCL2, NaCl, и др.).

1. Выбор конструкционного материала

Так, как бензол является коррозионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, стойкую в агрессивных средах до температур порядка 600 С.

2. Технологическая схема

Размещено на http://www.allbest.ru/

Бензол, с помощью центробежного насоса Н, подается в спиральный тепло обменник ТС, где охлаждается за счет нагревания охлаждающей воды и затем самотеком поступает в приемную емкость ПЕ. Вода, выйдя из теплообменника, сбрасывается в канализацию или используется в качестве оборотной.

3. Технологический расчет

Средняя разность температур

Температура кипения бензола t1н = 80 єС [1c.541]/

Принимаем противоточный режим движения теплоносителей, тогда большая разность температур:

tб = t1н - t2к = 80 - 60 = 20 С;

меньшая разность:

tм= t1к- t2н= 25 - 15 = 10 С

Отношение tб/tм = 20/10 = 2, следовательно, средняя движущая сила процесса:

= (20 - 10) / ln(20/10) = 14,4 C.

Средняя температура воды:

t2ср = (t2к+t2н)/2 = [15+ 60)]/2 = 37,5 С.

Средняя температура бензола

t1ср = t1 + tcр = 37,5 + 14,4 = 51,9 С.

Тепловая нагрузка аппарата

Q = G1c1(t1н - t1к),

где с1 = 1,88 кДж/(кгK) - теплоемкость бензола при 51,9С [1c. 564],

G1 - массовый расход бензола.

G1 = 8000/3600 = 2,22 кг/с.

Q = 2,221,88(80- 25) = 230 кВт.

Расход воды

G2 = Q/[c2((t2к - t2н) ] = 230/[4,19(60 - 15)] = 1,22 кг/с,

где с2 = 4,19 кДж/кг - теплоемкость воды.

Размер каналов

Задаемся скоростью движения бензола w1 = 1 м/с, тогда площадь поперечного сечения канала составит:

S1 = G1/(1w1) = 2,22/(8421) = 0,0026 м2,

где 1 = 842 кг/м3 - плотность бензола [1c. 512].

При ширине канала b1 = 12 мм высота ленты должна составлять:

h = S1/b1 = 0,0026/0,012 = 0,22 м;

принимаем по ГОСТ 12067-80 [2c. 65] h = 0,4 м;

ширину второго канала принимаем b2 = b1 = 0,012 м;

толщина листа = 3,5 мм.

Коэффициент теплоотдачи от бензола к стенке

Эквивалентный диаметр канала:

F = Q/( Ktср) = 230103/(42814,4) = 37,3 м2.

Так как теплообменник с ближайшей большей поверхностью F = 40 м2 изготовляется с шириной листа 0,7 или 1,0 м, то принимаем к установке два последовательно соединенных теплообменника с поверхностью теплообмена 20,0 м2 каждый

4. Конструктивный расчет

Длина спирали:

l = F/(2h) = 20,0/(20,4) = 25,0 м

Расчет штуцеров

Принимаем скорость жидкости в штуцере wшт = 1 м/с.

Штуцер для входа и выхода бутанола:

= [2,22/(0,7851842)]0,5 = 0,058 м,

принимаем d1 = 65 мм.

Штуцер для входа и выхода воды:

= [1,22/(0,7851993)]0,5 = 0,039 м,

принимаем d2 = 40 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

Число витков спирали

Шаг спиралей t1 = t2 = b + = 0,012 + 0,035 = 0,0155 м.

Принимаем радиус полувитка с учетом расположения штуцера r = 0,2 м.

Число полувитков первой спирали:

=

= (0,5 - 0,2/0,0155) + [(0,2/0,0155)2+225,0/(0,0155)]0,5 = 22,1.

Число полувитков второй спирали:

=

=(0,0155-0,50,0155-0,2)/0,0155+{[(0,2+0,50,0155-0,0155)/0,0155]2+225,0/(0,0155)}0,5 = 22,1.

Диаметр аппарата:

D = 2[r1 + (n2 + 1)t2 - t1] + 2 = 2[0,2 + (22,1 + 1)0,0155 - 0,0155]+0,0035 = 1,09 м,

принимаем D = 1100 мм.

Выбор опор аппарата