Расчет кожухотрубчатого испарителя

 

 

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального   образования

 «Национальный минерально-сырьевой  университет «Горный» 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кафедра АТПП

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ (РАБОТА)

 

По дисциплине:                                 тепломассообмен                                   

(наименование  учебной дисциплины согласно  учебному плану)

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

 

Тема: расчет кожухотрубчатого испарителя

 

Автор: студент гр.:  _ ________________           /_

            (шифр группы)                  (подпись)                            (Ф.И.О.)

 

ОЦЕНКА:_______________

 

Дата: ___________________

 

ПРОВЕРИЛ

 

Руководитель проекта:      _доцент_          ________________              /_

               (должность)                               (подпись)                                               (Ф.И.О.)

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2013

 

АННОТАЦИЯ

В данном курсовом проекте осуществляется расчет и выбор кожухотрубчатого испарителя для испарения 6000 л/ч гептана с начальной температурой 37 ◦С.

 

 

THE SUMMARY

In this course project is carried out calculation and selection of shell and tube evaporator for evaporation of 6000 l/h heptane from an initial temperature of 37 оC.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

В химической промышленности широко распространены  тепловые процессы - нагревание и охлаждение жидкостей и газов, для испарения и конденсации, которые проводятся в теплообменных аппаратах  (теплообменниках).

Теплообменными аппаратами – устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому для осуществления различных тепловых процессов, например, нагревания, охлаждения, кипения, конденсации или более сложных физико-химических процессов – выпарки, ректификации, абсорбции.

Из-за разнообразия предъявляемых к теплообменным аппаратам требований, связанных с условиями их эксплуатации, применяют аппараты самых различных конструкций и типов, причем для аппарата каждого типа разработан широкий  размерный ряд поверхности теплообмена.

Широкая номенклатура теплообменников по типам, размерам, параметрам и материалам позволяет выбрать для конкретных условий теплообмена аппарат, оптимальный по размерам и материалам.

 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Теплообменными аппаратами называют устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому для осуществления различных тепловых процессов, например, нагревания, охлаждения, кипения, конденсации или более сложных физико-химических процессов — выпарки, ректификации, абсорбции и т. п.

Все теплообменные аппараты по способу передачи тепла могут быть разделены на две большие группы: поверхностные аппараты и аппараты смешения. В поверхностных теплообменных аппаратах передача тепла от одного теплоносителя к другому осуществляется с участием твердой стенки. Процесс теплопередачи в смесительных теплообменных аппаратах осуществляется путем непосредственного контакта и смешения жидких и газообразных теплоносителей.

Поверхностные теплообменные аппараты в свою очередь подразделяют на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах тепло от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку из теплопроводного материала. В регенеративных теплообменных аппаратах теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, которая в первый период нагревается, аккумулируя тепло «горячего» теплоносителя, а во второй период охлаждается, отдавая тепло «холодному» теплоносителю.

Регенеративные теплообменные аппараты в большинстве случаев являются аппаратами периодического действия, а рекуперативные — чаще непрерывного действия.

Рекуперативные теплообменные аппараты могут быть классифицированы по следующим признакам.

По ряду теплоносителей в зависимости от их агрегатного состояния:

• паро-жидкостные;
• жидкостно-жидкостные;
• газо-жидкостные;
• газо-газозые;
• паро-газовые.

По конфигурации поверхности теплообмена:

• трубчатые аппараты с прямыми трубками;
• спиральные;
• пластинчатые;
• змеевиковые;
• ребристые.

По компоновке поверхности нагрева:

• типа «труба в трубе»;
• кожухо-трубчатые аппараты;
• оросительные аппараты (не имеющие ограничивающего корпуса) и т. д.

Теплообменные аппараты поверхностного типа, кроме того, могут быть классифицированы по назначению (подогреватели, холодильники и т. д.); по взаимному направлению потоков рабочих сред (прямоток, противоток, смешанный ток и т. д.); по материалу поверхности теплообмена; по числу ходов и т. д.

 

2. ЗАДАНИЕ

Рассчитать и подобрать кожухотрубчатый теплообменник для испарения 6000 л/ч гептана с начальной температурой 37◦С.

 

3. РАСЧЁТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ИСПАРИТЕЛЯ

  ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕПТАНА И ВОДЫ

Гептан при атмосферном давлении и температуре кипения tк = 98,42 оС имеет следующие физико-химические характеристики:  
плотность = 610,2 кг/м3,  
динамическая вязкость = 0,00019 Па*с,  
поверхностное натяжение = 0,0134  Н/м,  
удельная теплоемкость = 2472 Дж/(кг*К),   
теплопроводность = 0,1 Вт/(м*К),  
удельная теплота конденсации  = 316000 Дж/кг.

Плотность паров гептана при атмосферном давлении = 3,3 кг/м3, плотность паров гептана над кипящей жидкостью = 3,9 кг/м3.

Гептан при атмосферном давлении и температуре t = 37 оС имеет удельную теплоемкость = 2263 Дж/(кг*К)

В качестве теплоносителя использовать насыщенный водяной пар давлением 0,2 МПа. Удельная теплота конденсации r1 = 2208000 Дж/кг, температура конденсации t1 = 119,60C. Физико-химические характеристики конденсата при температуре конденсации: = 943 кг/м3, =0,000231 Па*с, =0,686 Вт/(м*К).

ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ И УРАВНЕНИЯ

Для определения коэффициента теплоотдачи от пара, конденсирующегося на наружной поверхности труб высотой Н, используем формулу:

.

Коэффициент теплоотдачи к кипящей в трубах жидкости определим по формуле:

Из основного уравнения теплопередачи и уравнения аддитивности термических сопротивлений следует, что

.

Подставляя сюда выражения для и , можно получить одно уравнение относительно неизвестного удельного теплового потока:

 

Решив это уравнение относительно q каким-либо численным или графическим методом можно определить требуемую поверхность F=Q/q.

РАСЧЕТ ИСПАРИТЕЛЯ

Расчет проводим последовательно в соответствии с общей схемой.

1. Тепловая нагрузка аппарата:

Переведем расход в кг/с:

G = 6000´0,6102/3600 = 1,017 кг/с

Q = G2´r2 + c2´G2´

2  = 1,017´316000 + 2263´1,017´(98,42-37) = 462730 Вт.

2. Расход греющего пара определим из уравнения теплового баланса:

G1 = Q/r1 = 462730/2208000 = 0,21 кг/с.

3. Средняя разность температур:

ср = 119,6 – 98,4 = 21,2 °С.

4. В соответствии с табл. 2.1 [1, с.47] примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор = 1400 Вт/(м2*К). Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит

Foр = 462730/(1400´21,2) = 15,6 м2.

В соответствии с табл. 2.9 [1, с.57] поверхность, близкую к ориентировочной, может иметь только один теплообменник с поверхностью теплопередачи F = 40 м2, высотой труб Н = 2,0 м и диаметром кожуха D = 0,6 м.

 

5. Уточненный расчет поверхности теплопередачи.

В качестве первого приближения примем ориентировочное значение удельной тепловой нагрузки: q1 = qор = 462730/40= 11570 Вт/м2.

Для определения f(q1) необходимо рассчитать коэффициенты А и В:

Толщина труб 2,0 мм, материал — нержавеющая сталь; ст=17,5 Вт/(м*К). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений (термическим сопротивлением со стороны греющего пара можно пренебречь) равна:

 м2*К/Вт.

Тогда

Примем второе значение q2 = 30 000 Вт/м2, получим:

Третье, уточненное, значение q3 определим в точке пересечения с осью абсцисс хорды, проведенной из точки 1 (13 310: —8,02) в точку 2 (30 000; +2,09) сечения с осью абсцисс хорды, проведенной из точки 1 для зависимости  f (q) от q:

Такую точность определения корня уравнения можно считать достаточной, и q = 26573 Вт/м2 можно считать истинной удельной тепловой нагрузкой. Тогда требуемая поверхность составит

F = 462730/26573 = 17,4 м2

В выбранном теплообменнике запас поверхности

Масса аппарата М = 1350 кг

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе произведены теплотехнический и конструктивный расчеты кожухотрубчатого конденсатора. На основании этих данных было подобрано следующее оборудование для проведения процесса испарения гептана:

— диаметр кожуха 600 мм;

— диаметр труб 25´2 мм

— число труб 257;

— длина труб 2 м;

— поверхность теплообмена 40 м2.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М. : Химия, 1991. - 496 с.
2. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии : учеб. пособие для вузов / П.Г. Романков, А.А. Носков; под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.
3. Краткий справочник по теплообменным аппаратам / Григорьев В.А., Колач Т.А., Соколовский В.С., Темкин Р.М.; Под ред. доктора техн. наук, проф. П.Д. Лебедева.: ГосЭнергИздат, 1962. – 256с.