Теплообменные аппараты — устройства, в которых теплота переходит от одной среды к другой. Теплообмен между теплоносителями является одним из наиболее важных и часто используемых в технике процессов, поэтому теплообменники получили широкое применение в промышленности.
В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:
1. Поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между обменивающимся теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена — глухую стенку.
2. Теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.
Значительно реже применяют в химической промышленности регенеративные теплообменники, в которых нагрев жидких сред происходит за счет их соприкосновения с ранее нагретыми телами — насадкой, заполняющей аппарат, периодически нагреваемой другими теплоносителями.
Поверхностные теплообменники наиболее распространены , и их конструкции весьма разнообразны.
В химической технологии применяют теплообменники, изготовленные из самых различных металлов (углеродистых и легированных сталей, меди, титан и др.), а также из не металлических материалов, например графита, тефлона и др. Выбор материала диктуется в основном его коррозионной стойкостью и теплопроводностью.
Конструкции теплообменников должны отличатся простотой, удобством монтажа и ремонта. В ряде случаев конструкция теплообменника должна обеспечивать возможность меньшее загрязнение поверхности теплообмена и быть легко доступной для осмотра и очистки.
Для теплообменников производят тепловой расчет. Тепловой расчет теплообменных аппаратов может быть проектным и поверочным. Проектные тепловые расчеты выполняют при проектировании новых аппаратов для нахождения поверхности теплообмена. Поверочные тепловые расчеты выполняют при известной поверхности нагрева теплообменника с целью определения количества переданной теплоты и конечных температур рабочих жидкостей. При рассмотрении теплообменных аппаратов с непрерывно изменяющейся температурой теплоносителей различают аппараты:
прямоточные
Теплообменники описание видов и конструкции
... связан с поверхностью твердого тела. Поэтому такие аппараты называются также поверхностными. смесительных прямоточным Основная функция теплообменника для котла В теплообменнике происходит нагревание ... качество продукции обеспечиваются выбором оптимальных температур теплоносителей, правильным расчетом поверхности теплообмена, подбором надлежащих конструкционных материалов, не вступающих в химическое ...
противоточные
перекрестного тока
смешанного тока
Теплообмен и гидравлическое сопротивление связаны со скоростью движения теплоносителей, то есть последняя должна выбираться в некоторых оптимальных пределах, определяемых стоимостью поверхности теплообмена аппарата данной конструкции и стоимостью затрачиваемой энергии при эксплуатации аппарата. Чем больше скорости теплоносителей, тем выше коэффициент теплопередачи и тем компактнее для заданной тепловой производительности теплообменник, а значит меньше капитальные затраты, но при этом растет сопротивление потоку и возрастают эксплуатационные затраты. При проектировании теплообменных аппаратов необходимо решать совместно задачу теплообмена и гидравлического сопротивления и найти наивыгоднейшие характеристики.
?t ср и К при одновременном уменьшении мощностей, необходимых на прокачку теплоносителей.
В данном проекте я выбрал кожухотрубчатый теплообменник. Эти теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников.
В кожухотрубчатом теплообменники одна из обменивающих теплом сред движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая в межтрубном пространстве.
Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, — в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремиться двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или охлаждении.
1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
Рис.1. Технологическая схема экстракционного выделения ароматических углеводородов: 1-экстракционная колонна; 2-скрубер; 3-теплообменник; 4- колонна экстрактивной перегонки; 5-сепаратор; 6-колонна рекуперации экстрагента
Исходную углеводородную фракцию подают в нижнюю часть экстракционной колонны 1, где она движется вверх противотоком к экстрагенту, вводимому в верхнюю часть колонны. Пространства под и над местом ввода потоков играют роль сепараторов. Рафинат с верха колонны уносит некоторое количество экстрагента, и для его рекуперации рафинат промывают в скрубере 2 водой, после чего используют как топливо.
Насыщенный экстрагент с низа колонны 1 подогревают в теплообменнике 3 горячим регенерированным экстрагентом и направляют в колонну 4, где осуществляется экстрактивная отгонка ароматических углеводородов с водой.
В сепараторе 5 воду отделяют и возвращают в колонну 4, а смесь ароматических углеводородов подают на окончательную ректификацию. Экстрагент с низа колонны 4 после охлаждения возвращают на экстракцию, а часть его выводят на регенерацию в колонну 6, где от него отгоняют излишнее количество воды и очищают от продуктов конденсации. Основной фракцией является бензол и толуол.
2. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ АППАРАТА И ОБОСНОВАНИЕ ЕГО ВЫБОРА
В данной работе рассчитываем конструкцию вертикального кожухотрубчатого теплообменника жесткого типа при производстве толуола.
Кожухотрубчатый вертикальный шестиходовой теплообменник с неподвижными трубными решетками состоит из цилиндрического корпуса, который с двух сторон ограничен приваренными к нему трубными решетками с закрепленными в них греющими трубами. Пучок труб делит весь объем корпуса теплообменника на трубное пространство, заключенное внутри греющих труб, и межтрубное. К корпусу прикреплены с помощью болтового соединения два днища. Для ввода и вывода теплоносителя и хладоагента корпус и днища имеют патрубки. Вода вводится в трубное пространство, проходит по трубкам и выходит из теплообменника через патрубок в верхнем днище. Жидкость направляется в межтрубное пространство теплообменника, омывает снаружи трубы и выводится из корпуса теплообменника через патрубок.
Вертикальный теплообменник
... колонны Т-100/1. 1.2. Назначение и устройство теплообменников [9] Процессы теплообмена имеют большое значение в химической, энергетической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. В теплообменных аппаратах теплопередача ... В данной курсовой работе в ... через трубное пространство теплообменников: - Е ... -100/3. Вертикальная емкость ... воды, внутри емкости имеется начинка для улавливания воды. ...
Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. Отвод конденсата из трубного пространства конструктивно упрощается.
Рис. 2 — Шестиходовой кожухотрубчатый теплообменник: 1 — корпус; 2 — трубная решетка; 3 — трубы; 4,,5-крышки, 6- перегородки 7 — перегородки межтрубном пространстве;
. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
. Определение средней разности температур.
Средняя разность температур для противоточной схемы движения:
? 80?
?60?
;
Средняя разность температур рассчитывается по формуле:
Для дальнейших расчетов потребуются найти средние температуры конденсата и сырья. Так как температуры отличаются не более чем в два раза, то среднюю разность температур можно приближенно определить как среднеарифметическую между ними.
Средняя температура воды:
Средняя температура толуола:
. Определение свойств теплоносителей.
Свойства насыщенного водяного пара и парового конденсата берем из справочной литературы (Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов).
Все полученные значения сводим в таблицу.
Направим воду в трубное пространство теплообменника, а толуол — в межтрубное. Оборотная вода, насыщенная кислородом воздуха, будет вызывать коррозию трубного пучка и крышек аппарата, корпус корродировать не будет, что также более выгодно.
Трубное пространство. Вода:
Плотность [4, стр. 512]:
Теплоемкость [4, стр. 562]:
Вязкость [4, стр. 556]:
Теплопроводность [4, стр. 561]:
Межтрубное пространство: толуол
Плотность [4, стр. 512]:
Теплоемкость [4, стр. 562]:
Вязкость [4, стр. 556]:
Теплопроводность [4, стр. 561]:
Теплофизические свойства потоков Таблица 1
3.Определение тепловой нагрузки и расхода горячей воды.
Тепловую нагрузку Q в соответствии с заданными технологическими условиями находим из уравнения:
Требуемый теоретический расход горячей воды составит:
Приближенная оценка коэффициента теплопередачи и ориентировочной поверхности теплообмена.
Практика обследования огромного числа теплообменных аппаратов позволила собрать сведения о фактических значениях коэффициентов теплопередачи для разных случаев теплообмена. Нам остается лишь выбрать интересующий случай теплообмена и принять рекомендуемое значение коэффициента теплопередачи. При передачи теплоты от воды к органическому веществу рекомендуется диапазон значений коэффициента теплопередачи .[1,стр 47]. Принимаем коэффициент теплопередачи Кор = 150 . Тогда ориентировочная площадь поверхности теплопередачи согласно уравнению
Проектирование ректификационной колонны непрерывного действия ...
... слой жидкости на поверхности тарелок. В данной работе приведен расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной смеси метиловый спирт (CH3OH) - вода (H2O). Ректификация широко применяется в нефтяной ... кубовом остатке соответственно, мольные доли. F= (0.5909-0.0376)/ (0.0902-0.0376)=10.52 Определим минимальное число флегмы по уравнению: Rmin= (xD-yF*)/ (yF*-xF) (1.7) где ...
Составит
Теперь по значениям ориентировочной поверхности теплопередачи выбираем кожухотрубчатый теплообменник жесткого типа со следующими характеристиками:
поверхность теплопередачи ;
диаметр кожуха ,
общее число труб ;
длина труб ;
площадь трубного пространства ;
площадь межтрубного пространства (вырез перегородки) ;
число ходов
число рядов труб по вертикали
. Определение коэффициента теплоотдачи для горячей воды (трубное пространство)
Определим объемный расход теплоносителя:
Определим среднюю скорость воды в трубах трубного пучка:
Значение критерия Рейнольдса для трубного пространства определим по уравнению:
Определим значение критерия Прандтля для воды при 90?C [4, стр. 563]
Для определения критерия Нуссельта используется уравнение [5, стр.284]:
Gr =5,41*106
Тогда коэффициент теплоотдачи буден равен:
Определение коэффициента теплопередачи для нагреваемого сырья (межтрубное пространство) Определим объемный расход сырья.
Определим среднюю скорость толуола:
Значение критерия Рейнольдса для межтрубного пространства определим по уравнению:
Режим движения — ламинарный.
Определим значение критерия Прандтля по уравнению:
Для определения критерия Нуссельта воспользуемся уравнением [5, стр.285]:
Тогда коэффициент теплоотдачи будет равен:
. Определение коэффициента теплопередачи.
Считаем, что аппарат будет изготовлен из обычной углеродистой стали, имеющей коэффициент теплопроводности ?ст=17,5 Вт/(м×К).
Учтем также появление в процессе эксплуатации аппарата загрязнений как со стороны нагреваемого сырья rзаг.2=1/5800 Вт/(м2?К), так со стороны горячей воды rзаг.1=1/2900 Вт/(м2?К).
Тогда коэффициент теплопередачи будет равен:
где и — коэффициенты для межтрубного и трубного пространств;
— термическое сопротивление стенки трубы, зависит от её толщины и коэффициента теплопроводности материала .
требуется выбирать теплообменник с большей площадью.
. Определение расчетной площади поверхности теплопередачи и запаса площади.
Теплообменник «труба в трубе»
... коэффициенты теплопередачи. Такие теплообменники очень легко разбираются и очищаются от загрязнений. Недостатки: невозможность работать при высоком давлении, трудность выбора эластичных химически стойких материалов для прокладок. 1.3 Теплообменник типа «труба в трубе» Теплообменник "труба в трубе" ...
Расчётную поверхность теплопередачи определим по формуле:
Данный запас превышает рекомендуемый нормами технологического проектирования 30%, поэтому выбираем другой аппарат. Запас не удовлетворяет рекомендуемой норме технологического проектирования (10-30%), поэтому выбираем другой аппарат.
К установке принимается теплообменник со следующими характеристиками:
поверхность теплопередачи ;
диаметр кожуха ;
общее число труб
длина труб ;
число ходов z=1
. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
. Число ходов z=2
Число труб n=618 шт.
Длина труб L=3 м
. Расчет гидравлического сопротивления трубного пространства
Рассчитываем скорость воды в трубах теплообменника:
. Находим коэффициент трения:
4. Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемся в трубном пространстве:
1=1,5 — входная и выходная камеры;
2=2,5 — поворот между ходами;
3=1,0 — вход в трубы и выход из них;
. Скорость воды в штуцерах
Местное сопротивление на входе в распределительную камеру и на выходе их нее следует рассчитывать по скорости жидкости в штуцерах. Диаметр штуцера нормализованных кожухотрубчатых теплообменников при диаметре кожуха D=800 мм, dтр.ш.=150 мм.
Рассчитываем скорость воды в штуцерах:
. Рассчитываем гидравлическое сопротивление трубного пространства:
7. Расчет гидравлического сопротивления межтрубного пространства
Рассчитываем скорость воды в межтрубном пространстве теплообменника
. Находим коэффициент трения ?2 :
Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемся в межтрубном пространстве:
?1=1,5 — вход и выход жидкости;
?2=1,5 — поворот через сегментную перегородку;
. Выписываем из табл.1 и 2 число сегментных перегородок nп и диаметр штуцеров для межтрубного пространства. Для теплообменника с диаметром кожуха D=800мм, число сегментных перегородок nп=6, диаметр штуцеров dмтр.ш.=250мм
. Скорость толуола в штуцерах :
10. Число рядов труб омываемых водой в межтрубном пространстве
. Число сегментных перегородок из табл.2,7
x=6м.
. Гидравлическое сопротивление в межтрубном пространстве:
ВЫВОД
В результате технологического расчета был выбран двухходовой кожухотрубчатый теплообменник жёсткого типа со следующими характеристиками:
поверхность теплопередачи ;
диаметр кожуха ;
общее число труб ;
длина труб ;
число ходов z = 1;
Тепловой нагрузкой коэффициентом теплопередачи гидравлическим сопротивлением трубного пространства гидравлическим сопротивлением межтрубного пространства
вертикальный кожухотрубчатый теплообменник жесткий
Технология газовой сварки тройника системы водоснабжения из стали ...
... сталь марки 09Г2С, выявить основные достоинства металлоконструкций из стали, рассмотреть технологию ручной дуговой сварки, выявить дефекты при сварке, ... из расчета плотности тока до 5 А/мм2 при токах до 300 А. Кабельсплетен из большого числа отожженных медных проволочек диаметром ... стали марки 09Г2С - 09Г2, 09Г2ДТ, 09Г2Т, 10Г2С. Марка стали 09Г2С широко применяется при производстве труб ...
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovoy/raschet-teploobmennika-2/
1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ под ред. Ю.Д. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1991. 496 с.
. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ под ред. Ю. И. Дытнерского. М.: Химия, 1983. 272 с.
. Расчет теплообменных аппаратов: Метод. указание к курсовому и дипломному проектированию/ Самар.политехн.ун-т ; Сост. В.Д. Измайлов, В.В. Филиппов Самара, 2006, 108 с.
. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособие для вузов/ под ред. П. Г. Романкова. 10-е изд., перераб. и доп. — Л.: Химия, 1987. 576 с.
. Основные процессы и аппараты химической технологии : учебник для вызов/под ред. А.Г. Касаткина 11-е изд., перепич. с изд. 1973г.-М.: ООО ТИД «Альянс», 2005.-753 с.
