Кожухотрубный теплообменник

     Кожухотрубный теплообменник  для охлаждения 15 м3/ч 60%  НNO3 от 80 до 20 ºС. Охлаждающий агент – вода c начальной температурой 10 ºC .

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 теплообменики. 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.

     Кожухотрубные теплообменники могут быть с неподвижной трубной ре­шеткой или с температурным компенсатором на кожухе,  вертикальные  или горизонтальные. В  соответствии с ГОСТ 15121-79,  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.

     При охлаждении в кожухотрубных теплообменниках в качестве хладоа­гента  может использоваться речная или артезианская вода,  а в случае, когда требуется получить температуру ниже 5 ºС  применяют  холодильные рас­солы (водные растворы CaCl2, NaCl, и др.).

1. Технологическая схема

      Раствор из расходной емкости РЕ с помощью центробежного насоса ЦН подается в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменника ТО. В трубное пространство теплообменника поступает охлаждающая вода:, кото­рая  затем сбрасывается в линию оборотного водоснабжения. Охлажденный раствор из теплообменника самотеком поступает в приемную емкость ПЕ.

Рис.1 Технологическая схема

2. Выбор конструкционного материала

     Так как водный раствор HNO3  является  агрессивным  веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем не­ржавеющую сталь  12Х18Н10Т  ГОСТ  5632-72,  которая  является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600 ºС [4c59].

3. Тепловой и материальный расчет

3.1. Температурный режим аппарата.

  Принимаем конечную температуру воды 30 ºС.

       Принимаем противоточную схему движения теплоносителей.

Рис. 2 Схема движения теплоносителей

3.2.    Средняя разность температур:

Δtб = t1н – t2к = 80 – 30 = 50 ºС

Δtм = t1к – t2н = 20 – 10 = 10 ºС

     Так как отношение Δtб/Δtм = 50/10 = 5,0 >2,   то

Δtср = (Δtб – Δtм)/ln(Δtб/Δtм) = (50 – 10)/ln(50/10) =  24,8 ºС

     Средняя температура воды:

t2ср = (t2н + t2н)/2 = (30 + 10)/2 = 20 ºC.

Средняя температура раствора:

t1ср = t2ср + Δtср = 20 + 24,8 = 44,8 ºС.

3.3.    Тепловая нагрузка аппарата:

Q = G1c1(t1н - t1к),

     где с1 = 2,75 кДж/кг∙К – теплоемкость раствора [3 c.59]

           G1 -  массовый расход раствора.

G1 = Vρ/3600 = 15∙1335/3600 = 5,56 кг/с,

          где ρ1 = 1335 кг/м3 – плотность раствора при  t1ср [3 c. 36]

Q = 5,56∙2,75(80 - 20) = 917,8 кВт.

3.4. Расход охлаждающей воды:

G2 = Q/c2(t2к - t2н),

         где c2 = 4,19 кДж/кг∙К – теплоемкость воды [1 c. 537].

G2 = 917,8/4,19(30 - 10) = 10,95 кг/с.

3.5.    Ориентировочный выбор теплообменника.

Охлаждающая вода поступает в  трубное пространство, а раствор дви­жется в межтрубном пространстве. 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  = 1,000∙10-3 Па∙с – вязкость воды при 20 ºС [1 c. 537].

     для труб 25×2 dвн = 0,021 м

n/z = 10,95/0,785∙15000∙0,021∙1,000∙10-3 = 44.

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

Fор = Q/Kор Δtср = 917,8∙103/500∙24,8 = 74,0 м2.

Принимаем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена: 4-х ходовой с диаметром кожуха 600 мм и 206 трубками 25×2 [2c.51].

3.6.           Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде:

2 = Nu22/dвн,

           где 2 = 0,599 Вт/мК – теплопроводность воды при 20 С [1c.537],

                 Nu2 – критерий Нуссельта для воды.

Фактическое значение критерия Рейнольдса:

Re2 = G2/[0,785dвн(n/z)2 =

10,95/[0,7850,021(206/4)1,00010-3 = 12898.

Режим движения турбулентный в этом случае критерий Нуссельта:

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

где Рr2 = 7,02 – критерий Прандтля для воды при 20 С [1c.537].

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

Nu = 0,021128980,87,020,43 = 94,3.

2 = 94,30,599/0,021 = 2690 Вт/м2К.

3.7.    Коэффициент теплоотдачи  от кислоты к стенке:

1 = Nu11/dн,

           где 1 = 0,413 Вт/мК – теплопроводность кислоты [3c.51],

                 Nu1 – критерий Нуссельта для кислоты.

          Критерий Рейнольдса:

Re1 = G1dн/Sмтр1,

     где Sмтр = 0,045 м2 – площадь сечения потока между перегородками,

           1 = 1,3210-3 Пас – вязкость кислоты [1c516].

Re = 5,560,025/(0,0451,3210-3) = 2340.

В этом случае критерий Нуссельта:

Nu1 = 0,24Re0,6Pr10,36(Pr1/Prст1),

где Pr1 = 8,8 – критерий Прандтля для кислоты.

Принимаем в первом приближении отношение (Pr1/Prст1)0,25 = 1, тогда

Nu1 = 0,2423400,68,80,36 = 55,2.

1 = 55,20,413/0,025 = 911 Вт/м2К.

3.8.     Тепловое сопротивление стенки:

где ст = 0,002 м – толщина стенки трубки;

       ст = 17,5 Вт/мК – теплопроводность нержавеющей стали [1 c.529];

       r1=r2=1/5600 мК/Вт – тепловое сопротивление загрязнений cтенок;

(/) = 0,002/17,5 + 1/5600 + 1/5600 = 4,610-4 мК/Вт.

3.9.    Коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/1+(/)+1/2) =

1/(1/911+4,610-4+1/2690) = 518 Вт/м2К.

3.10        Температуры стенок:

tст1 = tср1 – Кtср/1 = 44,8 – 51824,8/911 = 30,6 С,

tст2 = tср2 + Кtср/2 = 20,0 + 51824,8/2690 = 24,8 С.

Уточняем коэффициенты теплоотдачи.

Критерий Прандтля для кислоты при tст1 = 30,6  Prст1 = 12,4

1ут = 1(Pr/Prст1)0,25 = 911(8,8/12,4)0,25 = 836 Вт/м2К.

Критерий Прандтля для воды при tст2 = 24,8  Prст2 = 6,26 [1c.564]

2ут = 2(Pr/Prст2)0,25 = 2690(7,02/6,28)0,25 = 2766 Вт/м2К.

          Уточняем коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/836 +4,610-4+1/2766) = 496 Вт/м2К.

           Температуры стенок:

tст1 = 44,8 – 49624,8/836 = 30,1 С,

tст2 =  20,0 + 49624,8/2766 = 24,4 С.

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

3.11        Поверхность теплообмена:

F = Q/Ktср = 917,8103/49624,8 = 74,6 м2

          Выбираем теплообменник с ближайшей большей поверхность тепло-

          Обмена:  4х ходовой теплообменник с длиной труб 6 м, у которого по-

          верхность теплообмена 97 м2 [2 c.51].

4.                 Конструктивный расчет

4.1. Толщина обечайки:

 = DP/2 +Cк,

где D = 0,6 м – диаметр греющей камеры аппарата;

       P = 0,1 МПа – давление греющего пара;

        = 138 МН/м2 – допускаемое напряжение для стали [2 c.76];

        = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва [2 c.77];

       Cк = 0,001 м – поправка на коррозию.

 = 0,60,1/21380,8 + 0,001 = 0,002 м.

        Согласно рекомендациям [4 c.24] принимаем толщину обечайки = 8 мм.

4.2.   Днища.

         Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [4 c.25], толщина стенки днища 1 = = 8 мм.

4.3. Фланцы.

       Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 [4 c.25]:

4.4. Штуцера.

Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

d = ,

где G – массовый расход теплоносителя,

        - плотность теплоносителя,

       w – скорость движения теплоносителя в штуцере.

Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1,0 м/с, тогда

диаметр штуцера для входа и выхода кислоты:

d1,2 = (5,56/0,7851,01335)0,5 = 0,073 м,

принимаем d1,2 = 80 мм.

диаметр штуцера для входа и выхода воды:

d3,4 = (10,95/0,7851,0998)0,5 = 0,117 м,

принимаем d3,4 = 100 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже: