Кожухотрубний теплообмінник

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ А СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ  ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ  ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

 

 

Інженерно-хімічний факультет

 

 

Кафедра машин та апаратів хімічних

і нафтопереробних виробництв

 

 

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

 

на тему: Кожухотрубний теплообмінник

 

 

 

Виконала студентка групи ХН-92 __________________ М.І. Федорова

 

 

Керівник проекту              __________________ П. М. Магазій

 

Реферат

УДК 66.045

Проектування  кожухотрубного теплообмінного апарата: Курсова робота з курсу "Процеси та апарати хімічних виробництв" /НТУУ «КПІ»; Керівник П.М.Магазій. - К., 2012. – 32 с.: Викон. М.І.Федорова.

Робота  складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку літератури. Загальний обсяг роботи становить 32 сторінки та 5 рисунків.

Робота  містить розрахунок процесу нагрівання і конструкції горизонтального  кожухотрубного теплообмінного аппарата плаваючою головкою.

Метою роботи є визначення геометричних розмірів та параметрів процесу в теплообмінному апараті горизонтального типу, призначеному для нагрівання етилового спирту насиченою водяною парою від 50°С до 80 °С в кількості 32,4 т/год. Для нагрівання використати водяну пару, що конденсується, тиск 0,1 МПа.

 Поставлена мета досягається шляхом розрахунку теплового процесу та вибору і розрахунку на міцність деталей апарата.

Виконано  аналіз результатів та зроблено висновки. Наведено список використаної літератури.

Результати  роботи можуть бути використані з  навчальною метою при виконанні  завдань з курсу “Типові технологічні об’єкти”.

 

 

ТЕПЛООБМІН, КОЕФІЦІЄНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ, КОЖУХОТРУБНИЙ  ТЕПЛООБМІННИК, ЛІНЗОВИЙ КОМПЕНСАТОР, НУСЕЛЬТ, ПРАНДТЛЬ, ГРАСГОФ, ПОВЕРХНЯ ТЕПЛООБМІНУ, КОНДЕНСАЦІЯ ПАРИ, ТРУБНА ГРАТКА, ОБИЧАЙКА.

 

Зміст

 

 

 

 

Завдання на курсовий проект

Розрахувати кожухотрубний теплообмінник* для нагрівання / охолодження / конденсації  речовини „Р”. Початкова температура речовини t_р1 , кінцева – t_р2 . Нагрівальний (охолоджувальний) агент – „Т”. Втрати теплоти крізь зовнішню поверхню теплообмінника прийняти ____ % від корисно витраченої теплоти. Робочий тиск речовини p_р , агента – p_а .

 

Варіант	Речовина „Р”	Варіант	Масова частка розчиненої речовини в розчиннику, %	Варіант	G×10m, кг/с	Варіант	tр1 , оС	Варіант	tр2 , оС
1	розчин етанолу у воді	1	5	1	0,50	1	10	1	90
2	розчин метанолу у воді	2	10	2	0,60	2	20	2	80
3	розчин бензолу в толуолі	3	20	3	0,70	3	30	3	70
4	розчин толуолу в бензолі	4	30	4	0,80	4	40	4	60
5	розчин мурашиної кислоти в  оцтовій кислоті	5	40	5	0,90	5	50	5	50
6	вода	6	50	6	0,95	6	60	6	40
7	оцтова кислота	7	60	7	1,20	7	70	7	30
8	етанол	8	70	8	1,30	8	80	8	20
9	метанол	9	80	9	1,40	9	90	9	tкипіння
0	бензол	0	90	0	1,50	0	tконденсації	0	tконденсації
а		а		а		а		а

Тип теплообмінника:

¨ – з нерухомими трубними решітками (з температурним компенсатором на кожусі);

¨ – з U-подібними трубками; ¨ – з плаваючою головкою.

Агент „Т”:

¨ – вода; ¨ – 25 %-й водний розчин CaCl₂ ;

¨ – насичена водяна пара (відносна масова частка повітря в парі

=____ % (мас.);

Тиск: p_р = _____МПа; p_а = ______МПа.  

* потрібні параметри позначені,  або вписані викладачем

 

Група	Студент	Дата видачі	Видав
ХН-92	Федорова М.І. ПІБ студента	1.02.2012	Магазій П.М ПІБ студента
	підпис студента		підпис студента

 

 

Вступ

Теплообмінними апаратами, чи теплообмінниками, називаються пристрої для передачі тепла від одних середовищ (гарячих  теплоносіїв) до інших (холодним теплоносіям). У хімічній технології теплообмінні апарати застосовуються для нагрівання й охолодження речовин у різних агрегатних станах, випару рідин і конденсації пар, перегонки і сублімації, абсорбції й адсорбції, розплавлювання твердих тіл і кристалізації, відводу і підведення тепла при проведенні екзо- і ендотермічних реакцій і т.д. Відповідно своєму призначенню теплообмінні апарати називають підігрівниками, холодильниками, випарниками, конденсаторами, дистиляторами, субліматорами, і т.п.

По способу передачі тепла розрізняють  теплообмінні апарати поверхневі і  змішувальні. У першому випадку  передача тепла відбувається через  розділяючі тверді стінки, у другому  – безпосереднім контактом (змішуванням) нагрітих і холодних середовищ (рідин, газів, твердих речовин). Поверхневі апарати підрозділяються на рекуперативні і регенеративні. У рекуперативних апаратах тепло від гарячих теплоносіїв до холодних передається через поділяючу їхню стінку, поверхню якої називається теплообмінною поверхнею, чи поверхнею теплообміну. У регенеративних апаратах обидва теплоносії позмінно стикаються з однією і тією ж стінкою, що нагрівається (акумулюючи тепло) при проходженні гарячого потоку і що охолоджується (віддаючи акумульоване тепло) при наступному проходженні холодного потоку. Регенератори – апарати періодичної дії, рекуператори можуть працювати як у періодичному, так і в безперервному режимах.

В даному курсовому проекті вирішується  задача розрахунку і конструювання  кожухотрубного теплообмінника з плаваючою головкою, для підігріву 40% розчину етанолу продуктивністю 32,4 т/год насиченою водяною парою, що подається в між трубний простір під тиском 0,1 МПа.

1. Призначення і область  застосування виробу що виробляється

Кожухотрубний теплообмінник з  плаваючою головкою відноситься до числа поверхневих теплообмінників, що найбільш часто використовуються. Вони застосовуються скрізь, де необхідно нагріти чи охолодити середовище для його обробки та для утилізації тепла. Його головна перевага в компенсації неоднакових температурних подовжень труб і кожуха апарату, а також в простоті очищення трубного простору. Недоліки - металоємкість та складність виготовлення плаваючої головки.

Найбільш широко процеси теплообміну  використовують в хімічній, нафтохімічній, енергетичній, фармацевтичній, металургійній та харчовій галузях. У теплообмінниках такого типу перенос тепла між робочими середовищами відбувається через розділяючу їх поверхню теплообміну – глуху стінку.

У даному теплообміннику відбувається процес нагрівання розчину етанолу (40%) насиченою водяною парою. Один із теплоносіїв, в нашому випадку етанол (40%), рухається всередині труб, а пара – в міжтрубному просторі.

Стабільність роботи теплообмінника досягається збільшенням площі теплообміну в порівнянні з розрахованою, що забезпечує стійкі показники роботи теплообмінника. Високу надійність роботи конструкції обумовлює і використаний матеріал –сталь марки Ст3.

 

2. Опис і обґрунтування  вибраної конструкцїї

1. Огляд апаратного оформлення даного і аналогічних технологічних процесів

Поверхневі теплообмінники найбільш поширені, а їх конструкції дуже різноманітні. Конструкція апарата повинна задовольняти певним вимогам, які залежать від конкретних умов перебігу процесу.

Вибираючи апарат необхідно також  брати до уваги простоту і компактність конструкції. Зазвичай конструкції  не задовольняють повністю всім вимогам  і тому знаходять певні компромісні  варіанти.

В одноходових кожухотрубних теплообмінниках  сумарний поперечний переріз відносно великий, що обумовлює вибір насосів з високою продуктивністю для отримання оптимальних швидкостей руху гріючого (охолоджувального) агента. Тому їх раціонально застосовувати з процесами, швидкість яких визначається величиною коефіцієнта теплопередачі у міжтрубному просторі, а також з процесами випаровування рідин.

Багатоходові (по трубному простору) кожухотрубні теплообмінники застосовуються в основному в якості парових  підігрівачів рідин та конденсаторів. Саме в таких випадках взаємне  направлення теплоносіїв не призводить до зниження середньої рушійної сили в порівнянні з протитоком.

Важливим фактором, що впливає на вибір типу теплообмінника, є вартість його виготовлення та експлуатації.

Теплообмінні апарати всіх типів  повинні працювати при оптимальному тепловому режимі, який відповідає поєднанню заданих продуктивності та інших показників технологічних умов з мінімальними витратами тепла.

 

 

2.  Опис та обгрунтування конструкції апарата, його основних деталей та вузлів

Основними елементами кожухотрубних теплообмінників є пучки труб, трубні гратки, корпус, кришки, патрубки.

Усі фізико-хімічні процеси, що здійснюються в хімічних апаратах, насамперед вимагають  наявності ємності, обмеженої корпусом. Ці корпуси за умовами процесів, що протікають у них, повинні бути досить міцними й герметичними.

До складу корпуса апарата входять  також днище та кришки, які приєднуються до обичайки і часто виконуються  з однакового матеріалу.

Труби, переважно циліндричні й  у більшості випадків із пластичних матеріалів, у хімічному апаратобудуванні мають дуже широке застосування. Труби є основною складовою частиною різних типів трубних теплообмінників. З них виготовляються багато внутрішніх і зовнішніх вузлів і деталей апаратів. Труби великих діаметрів з вуглецевої стали застосовуються як обичайки для корпусів апарата.

Одним з основних елементів таких  апаратів є трубні гратки, що представляють  собою перегородки, в яких закріплюються  труби і якими трубний простір  відокремлюється від міжтрубного. За формою трубні гратки бувають круглі, кільцеві та прямокутні. Найбільше поширення мають круглі гратки, що можуть бути пласкими, сферичними й еліптичними.

 Конструкція вузла з’єднання  трубної гратки з обичайкою  або корпусом залежить від  конструкції апарата. Кришки та  днища приєднуються до обичайки за допомогою фланцевих з’єднань.

 

 

3.  Вибір матеріалів для виготовлення основних вузлів і деталей апарата

Поряд зі звичайними вимогами високої корозійної стійкості  в певних агресивних середовищах  до конструкційних матеріалів, застосовуваним у хімічному апаратобудуванні, одночасно пред'являються також вимоги високої механічної міцності, жаростійкості і жароміцності, збереження задовільних пластичних властивостей при високих і низьких температурах, стійкості при знакозмінних чи повторних однозначних навантаженнях (циклічної міцності), малої схильності до старіння та ін.

Для хімічної апаратури переважно  застосовуються конструкційні матеріали, стійкі і дуже стійкі в агресивних середовищах. Матеріали зниженої стійкості  застосовуються у виняткових випадках, коли доведена доцільність використання їх замість стійких, але більш дорогих і дефіцитних матеріалів.

При виборі матеріалів для апаратів, що працюють під тиском при низьких  і високих температурах, необхідно  враховувати, що механічні властивості  матеріалів істотно змінюються в залежності від температури. Як правило, знижуються при високих.

Враховуючи всі перераховані вище вимоги було обрано наступні матеріали  для виготовлення теплообмінника:

Матеріали апарата: сталь Ст3;

Прокладки: пароніт ПА – ГОСТ 481-80;

Опори: Ст3кп ГОСТ 380-94.

Як теплоізоляційний матеріал було обрано скловату покриту шаром алюмінієвої  фольги.

В нашому випадку властивості матеріалу  будемо визначати при температурі  граючої пари 99,98 ^оС та середній температурі 40% розчину C₂H₅OH 80 ^оС. 

4. Відповідність розробленої конструкції вимогам техніки безпеки

Конструкція апарата забезпечує безпеку  при експлуатації та передбачує можливість огляду, чищення, промивки, продувки та ремонту трубного та частково міжтрубного  простору апарата.

Зварні шви обичайки повинні розташовуватись поза опорами апарата. У випадках, коли ця вимога не може бути виконана необхідно передбачити контроль підопорних швів.

Відхилення зовнішнього діаметру обичайки не повинні перевищувати ±1% від номінального зовнішнього діаметра. При цьому овальність в будь-якому поперечному перерізі не повинна перевищувати 1%, а у днищ – в межах допуску на діаметр.

Відхилення профілю випуклої частини  днища не повинно перевищувати 1,25% від діаметра.

Поверхня  апарату повинна бути теплоізольована.

Ремонт під час роботи не допускається.

Обслуговуючий персонал повинен неухильно  виконувати інструкції по режиму роботи та безпечному обслуговуванню апарата  і своєчасно перевіряти справність арматури, вимірювальних приладів.

Апарат повинен бути зупинено при наступних умовах:

а) підвищенні тиску вище допустимого;

б) виявленні недоліків в елементах  апарата;

в) виникненні пожеж, які загрожують апарату під тиском;

г) несправності або нестачі засобів  кріплення.

 

 

 

3. Тепловий розрахунок апарату

Таблиця 3.1− Технічні характеристики

Процесу	Апарату
Продуктивність по 40% розчину : 9 кг/с Початкова температура розчину: 50 °С Кінцева температура розчину: 80 °С Тиск пари – 0,1 МПа Витрата пари: 0,534 кг/с Поверхня теплообміну: 49 м2	Конструкція – з плаваючою головкою Поверхня теплообміну: 41,1 м2 Число труб: 210 Труби: 3 м, 25´2 мм Діаметр обичайки: 325 мм