Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа природных ресурсов

Направление: химическая технология

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе/проекту

по дисциплине Основные процессы и аппараты химической технологии

(Название дисциплины)

на тему: Кожухотрубный испаритель

Выполнил студент гр. ___2Д8Б _________ Мишхожева В.Р.

(Номер группы) (Подпись) (Ф.И.О.)

Дата сдачи пояснительной записки преподавателю _ ____ 2021 г.

Руководитель Старший преподаватель Долинина А.С.

(Ученая степень, ученое звание, должность) (Ф.И.О.)

_____________________ ________________________________

(Оценка руководителя) (Подпись)

_____ _____________ 2021 г.

(Дата проверки)

Курсовой проект/работу студент Мишхожева В.Р. выполнил и защитил

(Ф.И.О.)

с оценкой ______________.

Члены комиссии: Фролова И.В

Долинина А.С.

Тихонов В.В

__ _______ 2021 г.

(дата защиты )

Томск 2021 г.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа природных ресурсов

Направление подготовки: химическая технология

УТВЕРЖДАЮ:

Заведующий кафедрой - руководитель научно-образовательного центра на правах кафедры

НОЦ Н.М. Кижнера

________ Е.А.Краснокутская

« » __________ 2020г.

ЗАДАНИЕ

на выполнение курсового проекта

Студенту гр. 2Д8Б Мишхожевой Валерии Руслановне

^{(ФИО полностью)}

1. Тема курсового проекта: Кожухотрубный испаритель

2. Срок сдачи студентом выполненного проекта: 21.01.2021

3. Исходные данные к курсовому проекту:

3.1. Производительность – 230 т/сут

3.2. Содержание низкокипящего компонента (% массовые) –

3.3. Температура смеси (Р = 1 ат):

- на входе – 18 ºС;

- на выходе – t_кип = 116,9 ºС.

4. Содержание пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов, в том числе индивидуальное задание):

4.1. Введение

4.2. Технологический расчет аппарата

4.3. Гидравлический расчет

4.4. Конструктивно-механический расчет

4.5. Расчет толщины тепловой изоляции

4. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей):

   1. Чертеж общего вида аппарата, лист 1, формат А1.

4. Дата выдачи задания на выполнение курсового проекта по линейному графику –

Задание выдал:

Руководитель: ___________ ______________

^{(Степень, звание, должность) (Подпись) (Ф.И.О.) (Дата)}

Задание принял:

Студент гр. 2Д8Б ____________ Мишхожева В.Р. ____________

^{(Подпись) (Ф.И.О.) (Дата)}

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….4

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 6

Таблица 1 6

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ 6

1.2 Ориентировочный расчет и подбор теплообменника 8

2 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ 11

2.1 Расчёт гидравлических сопротивлений трубного пространства 11

2.2 Гидравлический расчет межтрубного пространства 13

3 КОНСТРУКТИВНО-МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ 16

В конструктивно-механическом расчете аппарата обоснованно выбирают материалы для изготовления его элементов и проводят все необходимые прочностные расчеты, подтверждающие возможность его безопасной и длительной эксплуатации при заданных параметрах работы (температура, давление) и с учетом свойств теплообменивающихся потоков, определяют геометрические параметры основных конструктивным элементам аппарата. 16

3.1 Выбор материала 16

3.2 Расчет обечайки корпуса аппарата 17

3.3 Расчет толщины днища и крышки теплообменника 18

3.4 Расчет штуцеров 20

3.5 Расчет трубной решетки 23

3.6 Расчет опор 25

4 РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ 28

ВВЕДЕНИЕ

Для создания и поддержания температурного режима в химических, массообменных и других процессах химической технологии и защиты окружающей среды необходимо осуществлять подвод или отвод тепловой энергии от рабочей среды. В промышленности для проведения таких процессов широко применяют кожухотрубчатые теплообменные аппараты, которые просты по конструкции, надежны в эксплуатации и могут иметь площадь поверхности теплообмена до 1000 м².

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты используются для практической реализации таких процессов, как нагревание (охлаждение), конденсация и испарение. Соответственно аппараты называются теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями. Основной целью данной работы является проведение технологического, теплового, гидравлического, конструктивного расчётов и освоение навыков проектирования кожухотрубчатого теплообменного аппарата.

В процессе разработки испарителя будут решены следующие задачи:

1. Определение тепловой нагрузки на аппарат;

2. Выбор теплоносителя Выбор стандартного теплообменного аппарата;

3. Расчет кинетики теплопередачи в выбранном аппарате и проверка наличия необходимого запаса поверхности;

4. Гидравлический расчет теплообменника;

5. Конструирование теплообменного аппарата, разработка чертёжной документации.

Актуальность данной работы обусловлена широким применением теплообменных аппаратов в химической технологии. Поэтому важно спроектировать высокотехнологичный теплообменник-испаритель с минимальными экономическими затратами.

В данной работе будет произведён расчёт кожухотрубчатого теплообменника для испарения уксусной кислоты, на основании которого выполнен конструкторский проект соответствующего аппарата.

Исходные данные

Таблица 1

Тип аппарата			Испаритель
Производительность			G=230 т/сутки
Среда			Уксусная кислота
Температура смеси	вход	18˚С
	выход	tкип=116,9˚С
Давление в трубном пространстве			1,0 ат

1. Технологический расчет

1. Расчёт тепловой нагрузки и ориентировочного значения поверхности теплообмена

Цель теплового расчета определить требуемую поверхность теплообмена и подобрать стандартизованный аппарат. Для достижения цели выполняют предварительный (ориентировочный) тепловой расчет и уточненный тепловой расчет [3, с.37].

Температура кипения уксусной кислоты при давлении 1,0 ат.: .

Согласно таблице 4.11[2, с. 214] для испарителей с неподвижными трубными решётками в трубном пространстве-испаряемая среда, а в межтрубном-греющая среда (водяной пар)

Переводим расход уксусной кислоты в кг/с:

С помощью таблицы LVII [2, с. 548] примем следующие параметры водяного насыщенного пара:

Рассчитываем среднюю разность температур ∆tср: где tконд - температура конденсации греющего пара, °С; tкип- температура кипения уксусной кислоты, °С.

Далее найдем по табл. II.1 в приложении [3, c.181] свойства конденсата при

Нагрев холодного теплоносителя уксусной кислоты производится с изменением его агрегатного состояния, то есть жидкость переходит в пар, в то же время горячий теплоноситель (в нашем случае, насыщенный пар), отдавая тепло также изменяет агрегатное состояние – конденсируется.

Уравнение теплового баланса:

Находим удельную теплоту парообразования уксусной кислоты, применяя метод интерполяции. По таблице XLI [2, с.541] при

Расход водяного пара с учетом 5 % потери тепла:

Тепловая нагрузка аппарата:

Плотность паров уксусной кислоты по уравнению Менделеева-Клапейрона при рабочем давлении:

Тогда плотность паров уксусной кислоты над кипящей жидкостью:

2. Ориентировочный расчет и подбор теплообменника

Уточненный тепловой расчет; проводится с целью уточнения поверхности теплообмена путем расчета параметров, характеризующих процесс теплообмена – коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи с учетом режимов движения потоков в предварительно выбранном аппарате [3, с.37]

Ориентировочный расчет поверхности теплообмена [2, c. 172]:

- ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи

Принимаем

Определяем физико-химические характеристики уксусной кислоты.

Динамический коэффициент вязкости:

По номограмме на рисунке V [2, с.556] при

.

Плотность уксусной кислоты:

По таблице IV [2, c.495] определим методом интерполяции при

Поверхностное натяжение:

По таблице XXIV методом интерполяции определяем [2, c.526] при

Коэффициент теплопроводности:

По рисунку X [2, c.561] при

Удельная теплоемкость:

По рисунку XI [2, c. 562] методом интерполяции при

Подбираем испаритель. В соответствии с таблицей XXXIV [2, ст. 533] поверхность, близкую к ориентировочной, может иметь испаритель с высотой труб Н = 2 м, поверхностью теплообмена F = 40 м², и диаметром кожуха D = 0,6 м.

Примем индекс 1 для параметров горячего теплоносителя и индекс 2 для уксусной кислоты, проведем проверку [1, 72-78].

Ориентировочное значение удельной тепловой нагрузки:

Толщина труб 2,0 мм, материал – нержавеющая сталь; , 1/r для воды равно 5800. Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений (термическим сопротивлением со стороны греющего пара можно пренебречь) равна:

Примем второе значение , получим:

Третье, уточненное, значение q₃ определим в точке пересечения с осью абсцисс хорды, проведенной из точки 1( ; -7,68) в точку 2 (54000; 0,815)

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

В выбранном теплообменнике запас поверхности:

Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи равны: