Кожухотрубный теплообменник

                                                 Аннотация.

 

 

 В данном курсовом проекте  по процессам и аппаратам химической технологии приводятся  расчеты процесса подогрева 10 % - ного раствора гидроксида натрия в вертикальном кожухотрубчатом теплообменнике производительностью 25 т. раствора в час Греющий агент - водяной пар давлением 0,3 МПа. Выполнены материальные и тепловые расчеты процесса, определена поверхность теплопередачи и подобран стандартный кожухотрубчатый аппарат. Выполнен прочностной расчет основных элементов  теплообменника. Рассчитано гидравлическое сопротивление трубного пространства аппарата и найдена требуемая толщина слоя тепловой изоляции.

Проект состоит из  расчетно – пояснительной  записки на   21    стра-нице машинописного текста и чертёжа общего вида аппарата с деталировкой узлов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Введение……………………………………………………….….… стр. 5

2. Назначение и области применения  теплообменного оборудования….6

3. Технологическая схема установки………………………………….…...7

4.Выбор конструкционного материала……………………………….……8

5. Расчет поверхности теплообмена  и подбор теплообменника…………9

6. Прочностной расчет элементов  теплообменника………………….…..14

7. Конструктивный расчет теплообменника……………………………...15

8. Гидравлический расчет теплообменника………………………………19                                                

9. Расчет тепловой изоляции……………………………………………….11

Литература……………………………………………………………..……22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Процессы нагревания являются  весьма   распространенными в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и некоторых других отраслях промышленности. Многие химические реакции, а также массообменные процессы, выпаривание протекают при температурах, превышающих температуру окружающей среды. Наиболее часто требуется умеренное нагревание жидких сред – до температур не более 120-150 оС. Техническое осуществление процессов нагревания производится в теплообменных аппаратах различных конструкций. Как правило, при осуществлении процесса в теплообменниках один теплоноситель (теплоотдающий) передает теплоту другому теплоносителю  (тепловоспринимающему). Если передача теплоты происходит при изменении агрегатного состояния какого либо теплоносителя (кипение жидкости или конденсация пара), то его температура в процессе теплопередачи остается постоянной. В остальных случаях температуры теплоносителей в теплообменных аппаратах изменяются. Для  умеренного нагревания в качестве источника теплоты  используется перегретая вода, а чаще – водяной пар.  К достоинствам водяного пара как источника теплоты следует отнести простоту осуществления нагрева и легкость регулирования температуры. Благодаря большой теплоте конденсации расход водяного пара на нагревание невелик. Высокий коэффициент теплоотдачи при конденсации пара способствует интенсивному проведению процесса теплообмена.

В подавляющем большинстве процессов нагревания с помощью водяного пара используют кожухотрубчатые теплообменники различных типов ввиду их несомненного преимущества перед теплообменниками других конструкций.

 

 

 

 

2. Назначение и области применения проектируемого оборудования

 

Кожухотрубчатые теплообменники  относятся к рекуперативным и предназначены для обмена теплотой двух жидкостей, конденсации паров в межтрубном пространстве при охлаждении водой,  а также для подогрева жидкостей и газов за счет теплоты конденсации пара.

Кожухотрубчатые теплообменники могут иметь различное конструктивное оформление в зависимости от параметров обменивающихся теплотой сред, производительности, вида теплоносителей . Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или  предусматривать тот или иной вид компенсации температурных удлинений: плавающая головка, линзовый компенсатор, U – образные трубы и прочее. В соответствии с ГОСТ 15121-79 теплообменники могут быть двух, четырех, и шести ходовыми по трубному пространству. Характерной отличительной особенностью кожухотрубчатых теплообменников с паром в качестве одного из теплоносителей является большой диаметр штуцера для подвода пара, значительно превышающий размеры всех других штуцеров. Как правило, аппараты располагаются вертикально, однако, в некоторых случаях, особенно когда теплообменники используются в качестве испарителей, возможно и горизонтальная компановка.

Теплообменники с плавающей головкой, и U – образными трубками применяются при значительной разности температур стенок и кожуха, разности давлений в трубном и межтрубном пространствах, а также в случае необходимости механической чистки трубного пучка снаружи.

В теплообменнике с плавающей головкой за счет подвижной нижней трубной решетки решается проблема температурных деформаций труб и кожуха, однако это достигается за счет значительного усложнения конструкции.

Элементы стандартных теплообменных аппаратов существенно зависят от диаметра кожуха, определяемого в свою очередь величиной поверхности нагрева (то есть числом труб, их длиной и диаметром).

 

3. Технологическая схема установки.

 

Технологическая схема установки для подогрева раствора гидроксида натрия представлена на рисунке 1.

 

 

 

Рис. 1.  Технологическая схема нагревания раствора гидроксида натрия в кожухотрубчатом теплообменнике водяным паром.

1. Теплообменник 2. Ёмкость с холодным раствором; 3. Сборник нагретого раствора; 4. Конденсатоотводчик. 5. Насос для подачи раствора; 6. Линия подвода пара.

 

 

Раствор гидроксида натрия из ёмкости 2 насосом 5 подается через штуцер в трубки теплообменника. Пройдя рассчитанное число  ходов по трубкам, нагретый раствор выводится и поступает в дальнейшую переработку. Водяной  пар поступает в межтрубное пространство  теплообменника 1 и конденсируются на наружной поверхности труб, передавая теплоту конденсации нагреваемому раствору. Конденсат стекает под действием силы тяжести по трубкам и выводится через нижний штуцер  через конденсатоотводчик 4 в емкость для конденсата, откуда насосом подается в котельную

 

4. Выбор конструкционного материала аппарата.

 

Поскольку гидроксид натрия концентрацией 10 % при температуре  до 80 оС вызывает коррозию углеродистых сталей [7], для изготовления частей теплообменника, соприкасающихся с раствором: трубок, трубных решеток, крышек и прочее, применяем нержавеющую сталь  марки Х18Н10Т. Корпус аппарата и детали, не соприкасающиеся с раствором, изготавливаются из углеродистой стали ВСт 3 сп.

В качестве материала прокладок применяем паронит, устойчивый к действию щелочи рабочей концентрации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Расчет поверхности теплообмена и подбор теплообменника.

 

5.1. Определение средней разности температур

По таблицам [cтр 549-550] находим параметры греющего   насыщенного водяного пара, соответствующего давлению 0,3 МПа: температура – tп =139.2 оС Температурная схема теплоносителей:

139.2  оС    → пар -конденсат →   139.2  оС

 35 оС     →       раствор        →  80    оС  

         Δtб = 104.2 оС                            Δtм = 59.2 оС

 

  Так как температура конденсации пара постоянна, расчет средней разности температур проводим по формуле для противотока без поправок на смешанный ток, характерный для многоходовых теплообменников:

где Δtб и   Δtм - большее и меньшее значение разности температур горячего и холодного теплоносителя на сторонах теплообменника..

Δtб = - = 139.2  – 35 = 104.2 оС; Δtм = - = 139.2 –80 = 59.2 оС.

 

Средняя температура раствора = - Δtср = 139.2-79.6 =59.6 оС.

 

5.2. Из справочных таблиц находим  физико-химические свойства конденсата водяного пара при температуре конденсации  и 10 %-ного раствора гидроксида натрия при средней температуре.

Для раствора  при  температуре 35 оС: теплопроводность λ= 0,6 Вт/(м∙К) [стр 561], плотность ρ = 1090 кг/м3 [стр 512]; динамическая вязкость μ = 0,000915  Па∙С [стр 517], удельная теплоемкость вычисляется по формуле: Ср= Ств∙х + Свод∙(1-х) Дж/кг∙К, где Ств = 0,92 кДж/кг [2] – теплоемкость безводного гидроксида натрия; Свод = 4,19 кДж/кг∙К – теплоёмкость воды[стр 562]; х – массовая доля NaOH в растворе.

Ср= 0,92∙0,1 + 4,19∙(1 - 0,1) = 9,54  Дж/кг∙К.

Для конденсата водяного пара при 139.2оС:  теплопроводность λ= 0,679  Вт/(м∙К), плотность ρ = 923 кг/м3[стр 512]; динамическая вязкость μ = 0,000174  Па∙С, удельная теплота конденсации r =2110000 Дж/кг [ стр 549].

 

5.3. Ориентировочное значение поверхности теплообмена и предварительный выбор теплообменника.

Уравнение теплового баланса теплообменника

 Gр ∙ Ср ∙ ( - ) = 0,98∙ r∙Gп.,

где r – теплота конденсации водяного пара при рабочем давлении, Gр – количество нагреваемого раствора, Gр = 25000/3600 = 6,94 кг/с; 0,98 – коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду через тепловую изоляцию теплообменника. (2%)

Тепловой поток через поверхность нагрева равен количеству теплоты, воспринимаемому раствором гидроксида натрия

Q = Gр ∙ Ср ∙( - ) = 6,94 ∙9,54 ∙1000∙(60 -35) = 1655190 Вт

Решая уравнение теплового баланса находим расход греющего пара. 

Gр ∙ Ср ∙( - ) = Q = 0,98∙ r∙Gп.,

 

При нагревании водяным паром раствора гидроксида натрия   примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи  Кор = 900 Вт/(м2К) [2] . Тогда приближенно поверхность теплообмена будет равна

Задаваясь числом Рейнольдса Re=12000 найдем отношение числа труб к числу ходов n/z,  приняв теплообменник с трубками внутренним диаметром

16 мм.

Вариант А. Такому числу труб n = 31 шт. и площади поверхности аппарата F = 15,1 м2 по [1, табл. 1.8] ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15122-79 наиболее полно отвечает кожухотрубчатый двухходовой теплообменник диаметром 325 мм, с числом труб 28 в одном ходе, длиной теплообменных труб 4000 мм и площадью поверхности F = 17,5 м2.

 

Проверяем критерий Рейнольдса

Re =

Имеем развитый турбулентный режим.

 

5.4. Уточнение поверхности теплообмена  и окончательный выбор теплообменника

Определяем коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к кислоте, пользуясь критериальным уравнением для турбулентного режима вынужденного  движения раствора  в трубках.

,

где Prж- критерий  Прандтля 10% раствора щелочи при средней температуре раствора 59.6 оС

Prж=

Prст – критерий Прандля при температуре стенки со стороны раствора.

                                       

                          

Рис. 2. Распределение температур на стенке трубы  по направлению теплового потока.

Средняя разность температур равна сумме частных тепловых напоров

Δtср = Δtп + Δtст +  Δtр-ра ,

где Δtп = tп – t ст.п. – движущая сила теплоотдачи со стороны пара;

 Δtст =tcт.n -  tст.р-ра - движущая сила теплопроводности через многослойную стенку; Δtр-ра = tст.р-ра - tр-ра движущая сила теплоотдачи со стороны раствора кислоты.

Температурой стенки со стороны раствора  задаемся с последующей проверкой. Предварительно принимаем 100 оС. Для 10%-ного  раствора щелочи   при  температуре 100 оС [6]: теплопроводность λ= 0,633 Вт/(м∙К), динамическая вязкость μ = 0,000466 Пас, теплоемкость 4030 Дж/(кгК)

 Prст =

 Вт/(м2К)

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара  на пучке вертикальных труб  определяем по уравнению:

 Вт/(м2К),

где - соответственно теплопроводность, плотность и динамическая вязкость конденсата  при температуре конденсации 170 оС (найдено ранее), dн – наружный диаметр труб, n – их число в пучке, на котором происходит конденсация, Gп – расход пара.  

 Вт/(м2К)

Коэффициент теплопередачи равен:

 Вт/(м2К),

где δ – толщина стенки трубы (0,002 м);  λст – теплопроводность нержавеющей  стали, λст = 17,5 Вт/(м∙К); сумма термических сопротивлений загрязнений со стороны пара  и раствора щелочи.

 rв +  rсп = 1/5800 + 1/2900 = 0,000517 (м2К)/Вт  [ 2 ].

 

 Вт/(м2К)

 

Проверяем температуру стенки со стороны раствора:

  + 73,2  оС.

  Ошибка:

Перезадаемся температурой стенки 73 оС

Для 10% ного  раствора щелочи  при  температуре 73 оС [6]: теплопроводность λ= 0,615 Вт/(м∙К), динамическая вязкость μ = 0,00061 Пас, теплоемкость 4030 Дж/(кгК)

 Prст =

 Вт/(м2К)

 Вт/(м2К)

 

Проверяем температуру стенки со стороны раствора:

  + 73,2  оС.

  Ошибка:

 

 

 

К постановке принимаем двух ходовой теплообменник  теплообменник  диаметром кожуха 325  мм, число труб  56.  Поверхность теплообмена по наружному диаметру 17,5 м2    при длине труб 4 м.

Запас поверхности теплообмена

 

 

6. Конструктивный расчет  теплообменника

 

6.1. Расчет толщины стенки обечайки.

Минимальную толщину стенки цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением, рассчитываем по уравнению [3]:

где Dк – внутренний диаметр обечайки аппарата, м; Р – расчетное давление, принимаем 0,2 МПа; φ –коэффициент ослабления обечайки из-за сварного шва и наличия неукрепленных отверстий, принимаем φ = 0,9; [σ] =η∙σ* - допускаемое напряжение для материала обечайки, МН/м2; η – поправочный коэффициент, η = 0,9;  σ*- нормативное допускаемое напряжение, для стали 08Х18Н9Т при расчетной температуре 170 оС,  σ*= 112 МН/м2; С1 – прибавка на коррозию и эрозию. При скорости коррозии 0,1 мм в год и сроке службы аппарата 10 лет С1 = 10∙0,1= 1 мм = 0,001м (коррозия односторонняя); С2 – прибавка к толщине стенки на минусовой допуск заготовки и округление размера до стандартного значения.