Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

Расчётно-графическая работа

Расчёт участка подогрева жидкой смеси ректификационной установки

Часть 2. Расчёт и подбор теплообменного аппарата

Выполнил: студент группы О-37 Иванов И. И.Проверил: доц. Комляшёв Р. Б.

Дата выдачи задания: «___» ___________ 20__ г. Дата сдачи работы: «___» ___________ 20__ г.

Работа защищена с оценкой: _____ баллов.

Москва 2013

Содержание

Бланк задания 3

Введение 4

Исходные данные 8

Ориентировочный расчёт 9

Средние температуры теплоносителей и средняя движущая сила процесса теплопередачи. 9

Тепловая нагрузка теплообменного аппарата и расход теплагента. 11

Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи. 12

Ориентировочная площадь поверхности теплопередачи. 13

Физические свойства теплоносителей 15

Хладагент 15

Поверочный расчёт кожухотрубчатого теплообменника 19

Выбор кожухотрубчатого теплообменника 19

Итерация I 21

Теплоотдача в межтрубном пространстве 21

Теплоотдача в трубном пространстве 22

Теплопередача 24

Список литературы 25

Приложение 26

Бланк задания Введение

В химической промышленности широко распространены тепловые процессы – нагревание и охлаждение жидкостей и газов, конденсация паров и испарение жидкостей, которые подводятся в теплообменных аппаратах (теплообменниках). Теплообменниками называются аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда и отдающие тепло, принято называть нагревающими агентами (теплагентами), а теплоносители с более низкой температурой, чем среда, от которой они воспринимают тепло, - охлаждающими агентами (хладагентами).

В качестве прямых источников тепла в химической технологии используют главным образом дымовые газы, представляющие собой газообразные продукты сгорания топлив. Вещества, получающие тепло от этих источников и отдающие его через стенку теплообменника нагреваемой среде, носят название промежуточных теплоносителей. Одним из самых распространенных промежуточных теплоносителей является водяной пар. Водяной пар обладает рядом достоинств, по сравнению с другими промежуточными теплоносителями (горячей и перегретой водой, минеральными маслами, высокотемпературными органическими теплоносителями, расплавами солей, расплавами металлов). Во-первых, в результате конденсации пара получают большие количества тепла при относительно небольшом расходе пара. Небольшой расход пара позволяет сделать более компактной паровою зону теплообменного аппарата, а также существенно сэкономить на транспортировке промежуточного теплоносителя. Во-вторых, вследствие высоких коэффициентов теплоотдачи от конденсирующегося пара сопротивление переносу тепла со стороны пара мало. Это позволяет проводить процесс нагревания при малой поверхности теплообмена. В-третьих, постоянство температуры конденсации пара при данном давлении дает возможность точно поддерживать температуру нагрева, а также в случае необходимости регулировать её, изменяя давление греющего пара. Главным недостатком водяного пара, как теплоносителя, является значительное возрастание давления с повышением температуры. Вследствие этого температуры, до которых можно производить нагревание насыщенным паром, обычно не превышают 180-190°С, что соответствует давлению пара 10-12 ат. При больших давлениях требуется специальная толстостенная теплообменная аппаратура.

Различают острый и глухой нагрев водяным паром. Острый нагрев водяным паром осуществляют при непосредственном вводе пара в нагреваемую среду. При этом образующийся из пара конденсат растворяется в нагреваемой среде. Очевидно, что такой способ нагрева имеет ограниченное применение. Более распространён глухой нагрев водяным паром, когда пар и нагреваемая среда разделены стенкой теплообменного аппарата. Теплообменные аппараты, где производится подогрев жидкости за счёт тепла, выделяемого конденсирующимся водяным паром, называют подогревателями. Наибольшее распространение в химической технологии получили кожухотрубчатые, пластинчатые и двухтрубчатые подогреватели. Выбор типа теплообменного аппарата осуществляют в первую очередь по необходимой площади поверхности теплопередачи.

Наибольшие площади поверхности теплопередачи обеспечивают кожухотрубчатые теплообменные аппараты. Отечественными предприятиями химического аппаратостроения стандартные кожухотрубчатые подогреватели не выпускаются. В качестве кожухотрубчатых подогревателей могут быть использованы стандартные кожухотрубчатые теплообменники-конденсаторы. Конденсаторы, не имеющие устройств для компенсации температурных деформаций (КН), или с температурным линзовым компенсатором на кожухе (КК) применяют для конденсации паров в межтрубном пространстве аппарата при температурах от -20 до +300°С и давлениях до 1,6 МПа. На химических предприятиях используют следующие виды пара: отработанный водяной пар имеет давление 0,2-0,3 МПа (получают на выходе из турбин с противодавлением), отобранный пар имеет давление 0,6-0,7 МПа (получают от турбин с промежуточным отбором пара), дросселированный пар имеет давление 0,5-1,0 МПа (получают дросселированием пара, выходящего из паровых котлов под давлением 2-4 МПа). Таким образом, используемых на химических предприятиях пар обычно имеет давление меньше 1,6 МПа (и, соответственно, температуру менее 200°), что позволяет использовать в качестве подогревателей кожухотрубчатые теплообменные аппараты типа КН и КК.

При небольших расходах теплоносителей кожухотрубчатые теплообменные аппараты неприменимы. Относительно большая площадь сечения трубного пространства кожухотрубчатого подогревателя при небольшом расходе подогреваемой жидкости приводит к очень низким скоростям течения жидкости по трубам аппарата. Это приводит к существенному ухудшению теплообмена, поскольку для хорошей теплоотдачи от стенки к жидкости требуется турбулизация жидкости, которая не может быть достигнута в трубах при низких скоростях течения. В таком случае вместо кожухотрубчатого можно использовать двухтрубчатый теплообменник, называемый также теплообменником «труба в трубе». Поскольку сечение внутренней трубы двухтрубчатого теплообменника, по которой течёт нагреваемая жидкость, невелико, то скорость течения жидкости достигает значений достаточных для наступления развитого турбулентного режима течения даже при небольших расходах. Двухтрубчатые теплообменники более громоздки, чем кожужотрубчатые, на их изготовление требуется больше металла на единицу площади поверхности теплопередачи. Двухтрубчатые теплообменники применяют для процессов со сравнительно небольшими тепловыми нагрузками и, соответственно, малыми поверхностями теплопередачи (не более десятков квадратных метров).

Пластинчатые теплообменники, обеспечивающие широкий спектр площадей поверхности теплопередачи, составляют конкуренцию как кожухотрубчатым, так и двухтрубчатым теплообменникам. Благодаря высокой скорости движения жидкости в каналах между пластинами коэффициенты теплопередачи в таких аппаратах примерно в два-три раза выше, чем в кожухотрубчатых. Пластинчатые теплообменники более компактны, чем двухтрубчатые и кожухотрубчатые. Из недостатков пластинчатых теплообменных аппаратов следует отметить проблему герметизации при высоких давлениях и несколько более высокую стоимость изготовления. Однако в качестве подогревателей пластинчатые теплообменники зачастую оказываются гораздо более выгодными, чем кожухотрубчатые или двухтрубчатые. Поэтому при подборе подогревателя следует рассмотреть как кожухотрубчатые (либо двухтрубные, при малых расходах), так и пластинчатые теплообменники, сопоставив выбранные аппараты по стоимости.