Задачи

Кожухотрубный теплообменник для охлаждения 15 м3/ч 60% НNO3 от 80 до 20 ºС. Охлаждающий агент – вода c начальной температурой 10 ºC .

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 происходит 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".

Одним из самым распространенным типом теплообменников являются кожухотрубные теплообменики. Они представляют из себя пучек труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем разваль­цовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучек труб расположен внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой - в пространстве между кожухом и трубами.

Кожухотрубные теплообменники могут быть с неподвижной трубной ре­шеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ , теплообменники могут быть двух - четырех - и шестиходовыми по трубному пространству.

Достоинствами кожухотрубных теплообменников являются: компакт­ность; небольшой расход метала; легкость очистки труб изнутри, а недос­татками - трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями; трудность очистки межтрубного пространства и трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

Кожухотрубные теплообменники могут использоваться как для нагрев, так и для охлаждения.

При охлаждении в кожухотрубных теплообменниках в качестве хладоа­гента может использоваться речная или артезианская вода, а в случае, когда требуется получить температуру ниже 5 ºС применяют холодильные рас­солы (водные растворы CaCl2, NaCl, и др.).

1. Технологическая схема

Раствор из расходной емкости РЕ с помощью центробежного насоса ЦН подается в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменника ТО. В трубное пространство теплообменника поступает охлаждающая вода:, кото­рая затем сбрасывается в линию оборотного водоснабжения. Охлажденный раствор из теплообменника самотеком поступает в приемную емкость ПЕ.

 

Рис.1 Технологическая схема

2. Выбор конструкционного материала

Так как водный раствор HNO3  является агрессивным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем не­ржавеющую сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600 ºС [4c59].

3. Тепловой и материальный расчет

3.1. Температурный режим аппарата.

Принимаем конечную температуру воды 30 ºС.

Принимаем противоточную схему движения теплоносителей.

 

Рис. 2 Схема движения теплоносителей

3.2. Средняя разность температур:

Δtб = t1н – t2к = 80 – 30 = 50 ºС

Δtм = t1к – t2н = 20 – 10 = 10 ºС

Так как отношение Δtб/Δtм = 50/10 = 5,0 >2, то

Δtср = (Δtб – Δtм)/ln(Δtб/Δtм) = (50 – 10)/ln(50/10) = 24,8 ºС

Средняя температура воды:

t2ср = (t2н + t2н)/2 = (30 + 10)/2 = 20 ºC.

Средняя температура раствора:

t1ср = t2ср + Δtср = 20 + 24,8 = 44,8 ºС.

3.3. Тепловая нагрузка аппарата:

Q = G1c1(t1н - t1к),

где с1 = 2,75 кДж/кг∙К – теплоемкость раствора [3 c.59]

G1 - массовый расход раствора.

G1 = Vρ/3600 = 15∙1335/3600 = 5,56 кг/с,

где ρ1 = 1335 кг/м3 – плотность раствора при t1ср [3 c. 36]

Q = 5,56∙2,75= 917,8 кВт.

3.4. Расход охлаждающей воды:

G2 = Q/c2(t2к - t2н),

где c2 = 4,19 кДж/кг∙К – теплоемкость воды [1 c. 537].

G2 = 917,8/4,19= 10,95 кг/с.

3.5. Ориентировочный выбор теплообменника.

Охлаждающая вода поступает в трубное пространство, а раствор дви­жется в межтрубном пространстве. Принимаем ориентировочное зна­чение критерия Рейнольдса Reор = 15000, соответствующее развитому турбулентному режиму движения жидкости, при котором обеспечи­ваются наилучшие условия теплообмена.

Число труб приходящееся на один ход теплообменника:

n/z = G2/0,785Reорdвнμ2,

где dвн – внутренний диаметр трубок,

μ2 = 1,000∙10-3 Па∙с – вязкость воды при 20 ºС [1 c. 537].

для труб 25×2 dвн = 0,021 м

n/z = 10,95/0,785∙15000∙0,021∙1,000∙10-3 = 44.

Принимаем также ориентировочное значение коэффициента теплопе­редачи Кор = 500 Вт/м2∙К [1 c. 172], тогда ориентировочная по­верхность теплообмена:

Fор = Q/Kор Δtср = 917,8∙103/500∙24,8 = 74,0 м2.

Принимаем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена: 4-х ходовой с диаметром кожуха 600 мм и 206 трубками 25×2 [2c.51].

3.6.  Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде:

a2 = Nu2l2/dвн,

где l2 = 0,599 Вт/м×К – теплопроводность воды при 20 °С [1c.537],

Nu2 – критерий Нуссельта для воды.

Фактическое значение критерия Рейнольдса:

Re2 = G2/[0,785dвн(n/z)m2 =

10,95/[0,785×0,021(206/4)1,000×10-3 = 12898.

Режим движения турбулентный в этом случае критерий Нуссельта:

Nu2 = 0,021Re20,8Pr20,42(Pr2/Prст2)0,25,

где Рr2 = 7,02 – критерий Прандтля для воды при 20 °С [1c.537].

Принимаем в первом приближении отношение (Pr2/Prст2)0,25 = 1, тогда

Nu = 0,021×8×7,020,43 = 94,3.

a2 = 94,3×0,599/0,021 = 2690 Вт/м2×К.

3.7. Коэффициент теплоотдачи от кислоты к стенке:

a1 = Nu1l1/dн,

где l1 = 0,413 Вт/м×К – теплопроводность кислоты [3c.51],

Nu1 – критерий Нуссельта для кислоты.

Критерий Рейнольдса:

Re1 = G1dн/Sмтрm1,

где Sмтр = 0,045 м2 – площадь сечения потока между перегородками,

m1 = 1,32×10-3 Па×с – вязкость кислоты [1c516].

Re = 5,56×0,025/(0,045×1,32×10-3) = 2340.

В этом случае критерий Нуссельта:

Nu1 = 0,24Re0,6Pr10,36(Pr1/Prст1),

где Pr1 = 8,8 – критерий Прандтля для кислоты.

Принимаем в первом приближении отношение (Pr1/Prст1)0,25 = 1, тогда

Nu1 = 0,24×23400,6×8,80,36 = 55,2.

a1 = 55,2×0,413/0,025 = 911 Вт/м2×К.

3.8. Тепловое сопротивление стенки:

где dст = 0,002 м – толщина стенки трубки;

lст = 17,5 Вт/м×К – теплопроводность нержавеющей стали [1 c.529];

r1=r2=1/5600 м×К/Вт – тепловое сопротивление загрязнений cтенок;

S(d/l) = 0,002/17,5 + 1/5600 + 1/5600 = 4,6×10-4 м×К/Вт.

3.9. Коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/a1+S(d/l)+1/a2) =

1/(1/911+4,6×10-4+1/2690) = 518 Вт/м2×К.

3.10  Температуры стенок:

tст1 = tср1 – КDtср/a1 = 44,8 – 518×24,8/911 = 30,6 °С,

tст2 = tср2 + КDtср/a2 = 20,0 + 518×24,8/2690 = 24,8 °С.

Уточняем коэффициенты теплоотдачи.

Критерий Прандтля для кислоты при tст1 = 30,6 ® Prст1 = 12,4

a1ут = a1(Pr/Prст1)0,25 = 911(8,8/12,4)0,25 = 836 Вт/м2×К.

Критерий Прандтля для воды при tст2 = 24,8 ® Prст2 = 6,26 [1c.564]

a2ут = a2(Pr/Prст2)0,25 = 2690(7,02/6,28)0,25 = 2766 Вт/м2×К.

Уточняем коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/836 +4,6×10-4+1/2766) = 496 Вт/м2×К.

Температуры стенок:

tст1 = 44,8 – 496×24,8/836 = 30,1 °С,

tст2 = 20,0 + 496×24,8/2766 = 24,4 °С.

Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейших уточне­ний не требуется.

3.11  Поверхность теплообмена:

F = Q/KDtср = 917,8×103/496×24,8 = 74,6 м2

Выбираем теплообменник с ближайшей большей поверхность тепло-

Обмена: 4х ходовой теплообменник с длиной труб 6 м, у которого по -

верхность теплообмена 97 м2 [2 c.51].

4.  Конструктивный расчет

4.1. Толщина обечайки:

d = DP/2sj +Cк,

где D = 0,6 м – диаметр греющей камеры аппарата;

P = 0,1 МПа – давление греющего пара;

s = 138 МН/м2 – допускаемое напряжение для стали [2 c.76];

j = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва [2 c.77];

Cк = 0,001 м – поправка на коррозию.

d = 0,6×0,1/2×138×0,8 + 0,001 = 0,002 м.

Согласно рекомендациям [4 c.24] принимаем толщину обечайки d= 8 мм.

4.2. Днища.

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [4 c.25], толщина стенки днища d1 =d = 8 мм.

 

4.3. Фланцы.

Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 [4 c.25]:

4.4. Штуцера.

Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

d = ,

где G – массовый расход теплоносителя,

r - плотность теплоносителя,

w – скорость движения теплоносителя в штуцере.

Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1,0 м/с, тогда

диаметр штуцера для входа и выхода кислоты:

d1,2 = (5,56/0,785×1,0×1335)0,5 = 0,073 м,

принимаем d1,2 = 80 мм.

диаметр штуцера для входа и выхода воды:

d3,4 = (10,95/0,785×1,0×998)0,5 = 0,117 м,

принимаем d3,4 = 100 мм.

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

dусл	D	D2	D1	h	n	D
80	185	150	128	14	4	18
100	205	170	148	14	1	18

4.5.  Опоры аппарата.

Максимальная масса аппарата:

Gmax = Ga+Gв = 3130+1696 = 4826 кг = 0,047 МН,

где Ga = 3130 кг – масса аппарата [2 c.56]

Gв – масса воды заполняющей аппарат.

Gв = 1000×0,785×0,602×6 = 1696 кг

Принимаем, что аппарат установлен на двух опорах, тогда нагрузка приходящаяся на одну опору:

Gоп = 0,047/2 = 0,024 МН

По [5 c.673] выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,025 МН.

5. Гидравлический расчет

6.1. Скорость воды в трубах:

wтр = G2z/(0,785dвн2nr2) = 10,95×4/(0,785×0,0212×206×998) = 0,62 м/с.

6.2. Коэффициент трения:

,

где е = D/dвн = 0,2/0.025 = 0,0095 – относительная шероховатость,

D = 0,2 мм – абсолютная шероховатость.

l = 0,25{lg[(0,0095/3,7)+(6,81/12898)0,9]}-2 = 0,041.

6.3.  Скорость воды в штуцерах:

wшт = G2/(0,785dшт2r2) = 10,95/(0,785×0,102×998) = 1,40 м/с

6.4.  Гидравлическое сопротивление трубного пространства:

= 0,041×6,0×4×0,622×998/(0,021×2) + [2,5(4-1)+2×4]0,622×998/2 + 3×1,402×998/2 =

= 14895 Па

6.5. Подбор насоса для воды.

Объемный расход воды и напор, развиваемый насосом:

Q2 = G2/r2 = 10,95/998 = 0,011 м3/с,

Н = DРтр/rg + h = 14895/998×9,8 + 6 = 7,5 м.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х45/21,

для которого Q = 1,25×10-2 м3 и Н = 13,5 м [2 c.38].

6.6. Скорость раствора в межтрубном пространстве:

wмтр = G1/(Sмтрr1) = 5,56/(0,045×1335) = 0,09 м/с.

6.7.  Скорость раствора в штуцерах межтрубного пространства:

wшт = G1/(0,785dшт2r2) = 5,56/(0,785×0,082×1335) = 0,83 м/с

6.8.  Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства:

,

где х = 18 – число сегментных перегородок [2 c.56],

m – число рядов труб.

m = (n/3)0,5 = (206/3)0,5 = 8.

DРмтр = 8(18+1)1335×0,092/(2×23400,2) + 1,5×18×1335×0,092/2 + 3×1335×0,832/2 =

= 1700 Па.

6.9. Подбор насоса для кислоты.

Объемный расход воды и напор, развиваемый насосом:

Q1 = G1/r1 = 5,56/1335 = 0,0042 м3/с,

Н = DРтр/rg + h = 1700/1335×9,8 + 6 = 6,3 м.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х20/31,

для которого Q = 5,5×10-3 м3 и Н = 18,0 м [2 c.38].

Литература

1.  , , Носков и задачи по курсу

про­цессов и аппаратов. Л.:Химия,1987, 576 с.

2.  Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по

проектированию/ Под ред. . М.:Химия, 19с.

3.  Теплофизические свойства газов, растворителей и растворов солей.

Справочник /Сост. и др. Иваново. 2004.

4.  Разработка конструкции химического аппарата иего графической мо

дели. Методические указания. – Иваново, 2004.

5.  , Толчинский конструирования и расчета

химической аппаратуры – Л. «Машиностроение», 1975.