Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Задание

Введение

1. Технологическая схема

2. Выбор конструкционного материала

3. Материальный и тепловой расчет

4. Гидравлический расчет

5. Конструктивный расчет

Заключение

Список использованных источников

Введение

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.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

- поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой,

причем тепло передается через поверхность стенки;

- регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего

теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и про

исходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;

смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубные, оросительные, погруженные и "труба в трубе".

Теплообменник "труба в трубе" включают несколько расположенных друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы большего диаметра и концентрически расположенной внутри нее трубы меньшего диаметра. Внутренне трубы элементов соединены друг с другом последовательно; так же связаны между собой наружные трубы. Для возможности очистки внутренне трубы соединяются при помощи съемных калачей.

Благодаря небольшому поперечному сечению в этих теплообменниках легко достигаются высокие скорости теплоносителей в как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При значительных количествах теплоносителей теплообменник составляют из нескольких параллельных секций, присоединяемых к общим коллекторам.

Преимущества теплообменников "труба в трубе":

- высокий коэффициент теплопередачи в следствии большой скорости

обоих теплоносителей;

- простота изготовления.

Недостатки этих теплообменников:

- громоздкость;

- высокая стоимость ввиду большого расхода металла на наружные

трубы, не участвующие в теплообмене;

- трудность очистки межтрубного пространства.

Теплообменники "труба в трубе" могут использоваться, как для нагревания, так и для охлаждения.

При охлаждении в теплообменниках "труба в трубе" в качестве хладоагента может использоваться речная или артезианская вода, а так же оборотная вода и холодильные рассолы.

1. Технологическая схема

Рис. 1 Теплообменник «труба в трубе». Технологическая схема

Оборотная вода, из расходной емкости РЕ, с помощью центробежного насоса Н подается в трубное пространство элемента Э теплообменника «труба в трубе». В межтрубное пространство теплообменника подается насыщенный пар хлороформа, который конденсируется на наружной поверхности внутренних труб и в виде пленки конденсата стекает вниз и сбрасывается в линию конденсата. Раствор подогретый за счет теплоты конденсации греющего пара самотеком поступает в приемную емкость ПЕ.

2. Выбор конструкционного материала

Так как хлороформ является коррозионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, которая является стойкой в агрессивных средах до температуры 600 С.

3. Материальный и тепловой расчет

3.1 Температурный режим аппарата

Принимаем противоточную схему движения теплоносителей пары поступают в межтрубное пространство, а оборотная вода двигается по внутренней трубе.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Схема движения теплоносителей

Разобьем теплообменник на 2 участка. на первом участке будет происходить конденсация хлороформа на втором охлаждение конденсата.

Для охлаждения используется оборотная вода со следующими рекомендованными параметрами:

t_нач.=30 єС

t_кон.=50 єС

3.2 Тепловая нагрузка аппарата

1 участок

Q₁ = 1,05G₁r₁=1,050.33247100=86485 Вт.,

где r₁= 247100 Дж/кг - теплота фазового перехода хлороформа [1 c.541]

1,05 - коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду.

G₁ = 1200/3600 = 0.33 кг/с - массовый расход паров хлороформа,

2 участок

Q₂ = 1,05G₁с₁(t_1конд.-t_{1 кон.})=1,050.33984,65(61,2-49,2)=4135 Вт.

где с₁= 984,65 Дж/кгК - теплоемкость конденсата при средней температуре [1 c.562]

G₁- массовый расход хлороформа.

1,05 - коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду

таким образом общая тепловая нагрузка на аппарат составляет

Q=Q₁+Q₂=86485+4135=90620 Вт

3.3 Расход оборотной воды

G₂=Q/(1,05c₂(t_{кон 2}-t_{нач. 2})=90620/(1,054180(50-30))=1,03 кг/с

где С₂ - теплоемкость воды (на исследуемом промежутке изменения температур воды теплоемкость не изменяется и равна 4180 кДж /кгК

3.4 Расчет промежуточной температуры воды

Расчитаем температуру воды, при которой начнется конденсация паров хлороформа.

Из уравнения теплового баланса для первого участка выразим температуру воды на границе участка.

t_{2 конд.}=t_2к-Q₁/(1,05G₂C₂)=50-86485/(1.050,33984,65)=30,91 єС

таким образом температурные границы участка, єС:

Таблица 1 - температурные границы участков

	охлаждение
конденсация
50	30,91	30
61,2	61,2	49,2

вода

хлороформ

3.5 Средняя движущая сила

1 участок

Дt_м = t_1н - t_2к = 61,2 - 50 = 11,2 єС

Дt_б = t_1конд - t_2конд = 61,2 - 30,91 = 30,29 єС

Так как отношение Дt_б/Дt_м = 30,29/11,2 = 2,7 > 2, то

Дt_ср = (Дt_б - Дt_м)/ln(Дt_б/Дt_м) = (30.29 - 11.2)/ ln(30.29/11.2) = 19.19 єС

Средняя температура конденсата:

t_1ср = 61.2 єС

Средняя температура воды:

t_2ср = t_1ср - t_cр = 61.2 - 19.19 = 42.01 С.

2 участок

Дt_м = t_1к - t_2н = 49,2 - 30 = 19,2 єС

Дt_б = t_1конд - t_2конд = 61,2 - 30,91 = 30,29 єС

Так как отношение Дt_б/Дt_м = 30,29/19,2 = 1,58 < 2, то

Дt_ср = (Дt_б + Дt_м)/2 = (30.29 + 19,2)/ 2= 24,74 єС

Средняя температура конденсата:

t_1ср = (61.2+49,2)/2=55,2 єС

Средняя температура воды:

t_2ср = t_1ср - t_cр = 55.2 - 24,74 = 30,46 С

3.6 Выбор основных конструктивных размеров аппарата

Принимаем, что аппарат изготовленный из труб 383,5 (внутренняя труба) и 574 (наружная труба)[2, c. 29].

Рис. 3 Теплообменный элемент

Оптимальные условия теплообмена возможны при турбулентном режиме движения (Re > 10000). Поэтому скорость воды в трубах должна быть больше w'₂ проведем расчет на Re=15000:

1 участок

w'₂ = Re₂₂ / (d_вн2) = 150000,63510^-3/(0,031991,2) = 0,31 м/с

где ₂ = 0,63510^-3 Пас - вязкость воды [1 c.537],

₂ = 991,2 кг/м³ - плотность воды [1c.537]

d₂ = 0,031 - внутренний диаметр трубы.

параметры взяты для средней температуры воды 42,01 С

2 участок материал гидравлический теплообмен охлаждение

w'₂ = Re₂₂ / (d_вн2) = 150000,79710^-3/(0,031995,8) = 0,39 м/с

где ₂ = 0,79710^-3 Пас - вязкость воды [1 c.537],

₂ = 995,8 кг/м³ - плотность воды [1c.537]

d₂ = 0,031 - внутренний диаметр трубы.

параметры взяты для средней температуры воды 30,46 С

следовательно минимальная скорость потока воды 0,39 м/с

тогда число параллельно работающих труб 383,5 не более:

n`<sub>1</sub> = G<sub>2</sub>/0,785d<sub>вн</sub><sup>2</sup>w`₂₂ = 1,03/0,7850,031²0,39991,2= 3,56

n`<sub>2</sub> = G<sub>2</sub>/0,785d<sub>вн</sub><sup>2</sup>w`₂₂ = 1,03/0,7850,031²0,395,8= 3,55

Для обеспечения устойчивого турбулентного режима движения воды принимаем n` = 3, тогда фактическая скорость воды будет равна:

1 участок

w₂ = G₂/0,785d_вн²n`₂₂ = 1,03/0,7850,031²3991,2= 0,46 м/с.

2 участок

w₂ = G₂/0,785d_вн²n`₂₂ = 1,03/0,7850,031²3995,8= 0,46 м/с.

Критерий Рейнольдса для воды:

1 участок

Re₂ = w₂d₂₂/₂ = 0,460,0,031991,2/0,635 10^-3 = 22260,

режим движения - турбулентный

2 участок

Re₂ = w₂d₂₂/₂ = 0,460,0,031995,8/0,797 10^-3 = 17736,

режим движения - турбулентный

3.7 Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде

1 участок

Критерий Прандтля

Pr₂ = 4,15

= 0,637 Вт/мК - коэффициент теплопроводности [1c.537]

Примем в первом приближении (Pr₂/Pr_2ст)^0,25 = 1, тогда

Nu₂ = 0,023Re₂^0,8Pr₂^0,43(Pr₂/Pr_2ст)^0,25=0,02322260^0,84,15^0,43 = 127,6

₂ = Nu₂₂/d_вн = 127,60,637/0,031 =2621 Вт/(м²K)

2 участок

Критерий Прандтля

Pr₂ = 5,37

= 0,619 Вт/мК - коэффициент теплопроводности [1c.537]

Примем в первом приближении (Pr₂/Pr_2ст)^0,25 = 1, тогда

Nu₂ =0,023Re₂^0,8Pr₂^0,43(Pr₂/Pr_2ст)^0,25=0,02317736^0,85,37 ^0,43 = 118,8

₂ = Nu₂₂/d_вн = 118,80,619/0,031 =2370 Вт/(м²K)

3.8 Коэффициент теплоотдачи от конденсата к стенке

Скорость пара в межтрубном пространстве

1 участок:

w₁ = G₁/[₁0,785(D_вн - d_н)²n] =

= 0,33/14090,785(0,049 - 0,038)²3 = 0,83м/с,

2 участок:

w₁ = G₁/[₁0,785(D_вн - d_н)²n] =

= 0,33/14200,785(0,049 - 0,038)²3 = 0,83м/с,

где ₁ = 1420 кг/м³ - плотность конденсата при 55,2 С [1c. 541],

D_вн = 0,049 м - внутренний диаметр большой трубы,

d_н = 0,038 м - наружный диаметр малой трубы.

1 участок

Критерий Рейнольдса для хлороформа:

Re₁ = w₁d_э1/₁=0,830,0111409/0,38610^-3 = 33301

где ₁ = 0,38610^-3 - вязкость хлороформа при 61,2 С [1c. 517],

d_э - эквивалентный диаметр межтрубного пространства.

d_э = D_вн-d_н = 0,049 - 0,038 = 0,011 м

Режим движения - турбулентный.

₁ =0,728*(л³с²gr/(µДtd))^0.25=

=0,728*(0.111³*1409²*9.81*247100/(0.000386*(61.2-50)*0.011))^0.25=

=1835 (Вт/(м²K)

где ₁ = 1409 кг/м³ - плотность конденсата при 61,2 С [1c. 541]

₁=0,111 Вт/(мK)-теплопроводность хлороформа при 61,2С

[1c. 530]

2 участок

Критерий Рейнольдса для хлороформа:

Re₁ = w₁d_э1/₁=0,830,0111420/0,39910^-3 = 32279

где ₁ = 0,39910^-3 - вязкость хлороформа при 55,2 С [1c. 517],

d_э - эквивалентный диаметр межтрубного пространства.

d_э = D_вн-d_н = 0,049 - 0,038 = 0,011 м

Режим движения - турбулентный.

Критерий Прандтля для хлороформа Pr₁ = 3,2 [1c. 564]

Примем в первом приближении (Pr₁/Pr_1ст)^0,25 = 1, тогда

Nu₁ = 0,023Re₁^0,8Pr₁^0,43(Pr₁/Pr_1ст)^0,25 =0,02332279^0,83,2^0,4 = 153

₁ = Nu₁₁/d_э = 1530,114/0,011 =731 Вт/(м²K)

где ₁=0,114 Вт/(мK) - теплопроводность воды при 55,2 С [1c. 530]

3.9 Тепловое сопротивление стенки

где = 0,0035 м - толщина стенки

_cт = 17,5 Вт/(мК) - теплопроводность нерж. стали [1c. 529]

r₁=r₂=1/5800 мК/Вт - тепловое сопротивление загрязнений [1c. 531]

= (0,0035/17,5) + (1/5800) + (1/5800) = 5,4510^-4 мК/Вт

3.10 Коэффициент теплопередачи

1 участок

= 1/(1/1835+ 5,4510^-4 + 1/2621) = 680 Вт/(м²К)

2 участок

= 1/(1/1596+ 5,4510^-4 + 1/2370) = 628 Вт/(м²К)

3.11 Температура стенок

1 участок

Со стороны воды

t_ст2 = t₂+К t_ср/₂= 42,01 + 68019,19/2621 = 46.99 С,-tttt

Pr_ст2= 3,77 _1ут =2621(4,15/3,77)^0,25 =2685 Вт/(м²К).

Со стороны конденсата:

t_ст1 = t₁ - Kt_ср/₁ = 61,2 - 68019,19/1835 = 54.09 С,

2 участок

Со стороны воды

t_ст2 = t₂+К t_ср/₂= 30,46 + 62824,74/2370 = 34,93 С,-tttt

Pr_ст2= 4.64 _1ут =2621(5,37/4,64)^0,25 =2458 Вт/(м²К).

Со стороны конденсата:

t_ст1 = t₁ - Kt_ср/₁ = 55,2 - 62824,74/1596 = 45.47 С,

Pr_ст1= 3,9

₁ = 1596(3,2/3,9)^0,25 = 1518 Вт/(м²К).

3.12 Уточненный расчет коэффициента теплопередачи

1 участок

K = 1/(1/1835 + 5,7310^-4+1/2685) = 684 Вт/(м²К)

Проверяем температуру стенки

t_ст1 = t₁ - Kt_ср/₁ = 61,2 - 68419,19/1835 = 54.05 С -tttt

t_ст2 = t₂ + Kt_ср/₂ = 42,01+ 68419,19/2685 = 46.9 С

Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейшего уточнения не требуется

2 участок

K = 1/(1/1518 + 5,7310^-4+1/2458) = 621 Вт/(м²К)

Проверяем температуру стенки

t_ст1 = t₁ - Kt_ср/₁ = 55,2 - 62124,74/1518 = 45.08 С -tttt

t_ст2 = t₂ + Kt_ср/₂ = 30,46+ 62124,74/2458 = 36.71 С

Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейшего уточнения не требуется

3.13 Поверхность теплообмена

1 участок

F₁ = Q₁/( Kt_ср) =(86485/1,05)/(68419,19) =6.27 м²

1,05- коэффициент, учитывающий теплопотери

2 участок

F₁ = Q₁/( Kt_ср) =(4135/1,05)/(62124,74) =0,26 м²

тогда суммарная требуемая поверхность

F=F₁+F₂=6.27+0.26=6.53 м²

3.14 Выбор стандартного аппарата

По ГОСТ 9930-78 [2c. 61] выбираем стандартные неразборные элементы длиной 4,5 м, для которых поверхность теплообмена равна 0,54 м², тогда число элементов в одном ряду составит:

N = F/(nF₁) =6.53/(30,54) = 4.03 принимаем N = 5

действительная поверхность теплообмена F=NF₁n=5*0.54*3=8.1 м²

что соответствует запасу по площади 22%

4. Гидравлический расчет

4.1 Коэффициент трения раствора трубах

Скорость раствора в трубах: w₂ = 0,46 м/с

Относительная шероховатость:

e₂ = /d_вн = 0,0002/0,031 = 0,0065

где = 0,0002 м - шероховатость труб [1c. 519]

Коэффициент трения. Так как выполняется условие:

10/е₂ = 10/0,0065 =1538 < Re₂ < 560/e₂ = 560/0,0065 = 86153

то коэффициент трения будет равен:

₂ = 0,11(е₂ + 68/Re₂)^0,25 = 0,11(0,0065 + 68/19998)^0,25 = 0,035

Re₂=(22260+17736)/2=19998

4.2 Сумма местных сопротивлений

= ₁ + ₂ + 6₃ = 0,5 + 1,0 + 40,154 = 2.116

где ₁ = 0,5 - вход в трубу [1c.520]

₂ = 1,0 - выход из трубы

₃ = АВ = 1,40,11 = 0,154 - отвод круглого сечения

4.3 Гидравлическое сопротивление трубного пространства

= (0,0354.5·7/0,031 + 2,116)995.80,39²/2 =3951 Па

4.4 Подбор насоса

Требуемый напор насоса

Н = Р/(g) =9351/(995.89,8) = 0.41 м

Объемный секундный расход

Q = G/ = 1,03/995.8= 0,0010 м³/с

По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/18, для которого производительность Q = 2,410^-3 м³/с, напор Н = 11.3 м [2c. 13].

5. Конструктивный расчет

5.1 Соединение элементов

Соединение элементов между собой осуществляется с помощью калачей радиусом 100 мм изогнутых на 180.

5.2 Фланцы

Калачи и внутренне трубы снабжены плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

Рис. 4 - фланец по ГОСТ 12820-80

Таблица 2 - параметры приварных фланцев

d	D	D2	D1	h	n	d
25	60	40	33	10	4	10

5.3 Штуцера

рассчитаем штуцера для входа и выхода пара и оборотной воды

штуцер для входа паров хлороформа

примем скорость паров W=20 м/с

d=(4Q/рW)^0.5=(40,000237/(3,1420)=0,0039 м

где Q=0.33/1409=0.23710^-3 м³/c, объёмный расход паров

принимаем d=10 мм

скорость паров в штуцере

w_шт = G₁/(0,785d_шт²₁) = 0,33/(0,7850,01²1409) = 8 м/с

штуцер для выхода сконденсированного хлороформа

примем скорость конденсата W=1 м/с

d=(4Q/рW)^0.5=(40,000235/(3,141)=0,017 м

где Q=0.33/1420=0.23510^-3 м³/c

принимаем d=20 мм

скорость конденсата в штуцере

w_шт = G₁/(0,785d_шт²₁) = 0,33/(0,7850,02²1420) = 0,74 м/с

штуцер для входа и выхода оборотной воды принимаем d_у=30 мм

скорость воды на входе

w_шт = G₂/(0,785d_шт²₂) = 1,03/(0,7850,03²991,2) = 1,47 м/с

скорость воды на выходе

w_шт = G₂/(0,785d_шт²₂) = 1,03/(0,7850,03²995,8) = 1,46 м/с

рассчитанные параметры удовлетворяют условиям проведения процесса:

W_паров 10-30 м/с

W_{жидкостей} 0,1-1,5 м/с

следовательно применимы для осуществления процесса теплообмена.

Заключение

В данном курсовом проекте был рассчитан и спроектирован холодильник - конденсатор типа "труба в трубе" для конденсации насыщенного пара хлороформа со следующими параметрами:

Производительность по хлороформу 1,2 т/ч = 0,33 кг/с

Расход оборотной воды 3,7 т/ч = 1,03 кг/с

поверхность теплообмена F 8.1 м²

d штуцеров:

· для входа паров 10 мм

· для выхода конденсата 20 мм

· для входа/выхода воды 30 мм

был подобран насос для оборотной воды марки Х8/18

радиус поворотных калачей 100 мм.

Длина труб 4,5 м

количество труб 5

число параллельно работающих потоков 3

Список использованных источников

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курс процессов и аппаратов. Л.: Химия, 2004, 576 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1983. 272 с.

Размещено на Allbest.ru