Кожухотрубный теплообменник для нагрева 10 т/ч толуола  от 35 до 110 °С. Греющий пар с давление 0,3 МПа.

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 теплообменники. 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.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

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.

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.

1. Технологическая схема

Исходный толуол с помощью центробежного насоса ЦН подается в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменника ТО. В трубное пространство теплообменника поступает греющий пар, конденсирующийся на поверхности трубок, образовавшийся конденсат сбрасывается в линию оборотного водоснабжения. Нагретый за счет теплоты конденсации пара толуол из теплообменника самотеком поступает в приемную емкость ПЕ.

Рис.1 Технологическая схема

2. Выбор конструкционного материала

Так как толуол  является агрессивным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632 – 72, которая используются для изготовления деталей химической аппаратуры работающей в агрессивных средах при температурах до 600 ºС [4c59].

3. Тепловой и материальный расчет

3.1. Температурный режим аппарата.

Температура конденсации насыщенного водяного пара при давлении Р=0,3 МПа tк = 133,5 °С [1c.550].

t2к
 

t2н
 

tк
 

Рис. 2 Схема изменения температур в теплообменнике.

Dtб = tк – t2н = 133,5 – 35 = 98,5 °С.

Dtм = tк – t2к= 133,5 –110 = 23,5 °С.

так как Dtб/Dtм = 98,5/23,5 = 4,2 > 2 то средняя разность температур:

Δtср = (Δtб – Δtм)/ln(Δtб/Δtм) = (98,5 – 23,5)/ln(98,5/23,5) = 52,3 ºС

Средняя температура толуола:

t2ср = t2к – Dtcр = 133,5 – 52,3 = 81,2 °С.

3.2. Тепловая нагрузка аппарата:

Q = 1,05G2c2(t2н – t2к),

где с2 = 1,80 кДж/(кг×K) – теплоемкость толуола [1c. 564],

G2 = 10000/3600 = 2,78 кг/с – массовый расход толуола,

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

Q = 1,05×2,78×1,80×(110–35) = 394,1 кВт.

Расход греющего пара:

G1 = Q/r = 394,1/2163 = 0,182 кг/с,

где r = 2208 кДж/кг – теплота конденсации пара при давлении 0,2 МПа.

3.3. Ориентировочный выбор теплообменника.

Греющий пар конденсируется в межтрубном пространстве, а ацетон дви­жется по трубам. 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 = 0,31∙10-3 Па∙с – вязкость толуола при 81,2 ºС [1 c. 516].

для труб 25×2 dвн = 0,021 м

n/z = 2,78/0,785∙15000∙0,021∙0,31∙10-3 =36.

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

Fор = Q/Kор Δtср = 394,1∙103/500∙52,3 =15 м2.

Принимаем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена: 2-х ходовой с диаметром кожуха 325 мм и 90 трубками 20×2 [2c.51].

3.4.  Коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору

a2 = Nu2l2/dвн,

где l2 = 0,123 Вт/м×К – теплопроводность толуола,

Nu2 – критерий Нуссельта.

Фактическое значение критерия Рейнольдса:

Re2 = G2/[0,785dвн(n/z)m2 =

= 2,78/[0,785×0,016(90/2)0,31×10-3 = 15866

Режим движения турбулентный в этом случае критерий Нуссельта:

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

где Рr2 = 4,3 – критерий Прандтля для ацетона при 81,2 °С [1c.564].

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

Nu = 0,021×8×4,30,43 = 90,2.

a2 = 90,2×0,123/0,016 = 693 Вт/м2×К.

3.5. Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке

,

где r1 = 932 кг/м3 – плотность конденсата [1c.537],

m1 = 0,207×10-3 Па×с – вязкость,

l1 = 0,684 Вт/(м×К) – теплопроводность

Физико-химические свойства конденсата взяты при температуре конденсации 125 °С.

a1 = 3,78×0,684[9322×0,020×90/(0,207×10-3×0,182)]1/3 = 8952 Вт/(м×К).

3.6. 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 сте-

нок [1 c/531];

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

3.7. Коэффициент теплопередачи:

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

1/(1/8952+4,6×10-4+1/693) = 496 Вт/м2×К.

3.8. Температуры стенок:

tст2 = tср2 + КDtср/a2 = 81,2 + 496×52,3/693 =118,6 °С.

Уточняем коэффициенты теплоотдачи.

Критерий Прандтля для раствора при tст2 =118,3 ® Prст2 = 3,6

a2ут = a2(Pr2/Prст2)0,25 = 693(4,3/3,6)0,25 = 724 Вт/м2×К.

Уточняем коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/8952+4,6×10-4+1/724) = 512 Вт/м2×К.

Температура стенки:

tст2 = 81,2 + 512×52,3/724 =118,2 °С.

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

3.9. Поверхность теплообмена:

F = Q/KDtср = 394,1×103/724×52,3 = 10,4 м2

Выбираем теплообменник с ближайшей большей поверхность тепло-

Обмена: 2х ходовой теплообменник с длиной труб 3 м, у которого по -

верхность теплообмена 13,0 м2 [2 c.51].

4. Конструктивный расчет

4.1. Толщина обечайки:

d = DP/2sj +Cк,

где D = 0,3 м – внутрений диаметр аппарата;

P = 0,3 МПа – давление в аппарате;

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 = 0,3×0,3/2×138×0,8 + 0,001 = 0,002 м.

Согласно рекомендациям [3 c.24] теплообменник изготовляется из труб диаметром 325´12, т. о. толщина обечайки d= 12 мм.

4.2. Днища.

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [3 c.25], толщина стенки днища d1 =d = 12 мм.

 

Рис. 3 Днище теплообменника

4.3. 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, скорость пара в

штуцере 15 м/с, тогда

диаметр штуцера для входа пара

d1 = (0,182/0,785×15×1,65)0,5 = 0,097 м,

принимаем d1 = 100 мм;

диаметр штуцера для выхода конденсата:

d2 = (0,182/0,785×1,0×932)0,5 = 0,016 м,

принимаем d2 = 25 мм;

диаметр штуцера для входа и выхода раствора:

d3,4 = (2,78/0,785×1,0×808)0,5 = 0,066 м,

принимаем d3,4 = 65 мм.

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

Рис. 5 Фланец штуцера

dусл

D

D2

D1

h

n

d

25

100

75

60

12

4

11

65

160

130

110

14

4

14

 

100

205

170

148

14

4

18

300

435

395

365

22

12

18

4.4. Опоры аппарата.

Максимальная масса аппарата:

Gmax = Ga+Gв = 740 +212 = 952 кг = 0,009 МН,

где Ga = 740 кг – масса аппарата [2 c.56]

Gв – масса воды заполняющей аппарат.

Gв = 1000×0,785×0,302×3 = 212 кг

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

Gоп = 0,009/2 = 0,0045 МН

По [4 c.673] выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,01МН.

Рис. 6 Опора аппарата.

4.5. Расчет тепловой изоляции

Принимаем температуру наружной поверхности стенки tст. в = 40 °С, температуру окружающего воздуха tв = 18 °С, тогда толщина стекловолокнистой изоляции:

,

где lиз = 0,09 Вт/м×К – коэффициент теплопроводности теплоизоляци - онного материала,

aв – коэффициент теплоотдачи от наружной стенки корпуса в окружающую среду

aв = 8,4+0,06Dtв = 8,4+0,06×22 = 9,72 Вт/м2×К,

где Dtв = tст. в – tв = 40 – 18 = 22 °С.

dиз = 0,09(133,5-40)/[9,72(40 – 18) = 0,039 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 40 мм.

5. Гидравлический расчет

5.1. Скорость раствора в трубах:

wтр = G2z/(0,785dвн2nr2) = 2,78×2/(0,785×0,0162×90×808) = 0,38 м/с.

5.2. Коэффициент трения:

,

где е = D/dвн = 0,2/16 = 0,0125 – относительная шероховатость,

D = 0,2 мм – абсолютная шероховатость.

l = 0,25{lg[(0,0125/3,7)+(6,81/15866)0,9]}-2 = 0,045.

5.3 Скорость раствора штуцерах:

wшт = G2/(0,785dшт2r2) = 2,78/(0,785×0,0652×808) = 1,04 м/с

5.4.  Гидравлическое сопротивление трубного пространства:

= 0,045×3,0×2×0,382×808/(0,016×2)+[2,5(2-1)+2×2]0,382×808/2 + 3×1,042×808/2 =

= 2674 Па

5.5. Подбор насоса для раствора.

Объемный расход воды и напор, развиваемый насосом:

Q2 = G2/r2 = 2,78/808 = 0,0034 м3/с,

Н = DРтр/rg + h = 2674/808×9,8 + 3 = 3,33 м.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х20/18, для которого Q = 0,0055 м3 и Н = 10,5 м [2 c.38].

Литература

1.  , , Носков и задачи по курсупро­цессов 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 и его графической мо

дели. Методические указания. – Иваново, 2004.

5.  , Толчинский конструирования и расчета

химической аппаратуры – Л. «Машиностроение», 1975.