Федеральное государственное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет

им. С. М. Кирова»

Институт химической переработки биомассы дерева и техносферной безопасности

Кафедра технологии древесных композиционных материалов и инженерной химии

Курсовая работа

«Расчет теплообменного аппарата»

По дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»

Выполнила: студентка

III кура института ИХПДиТБ

Проверил: де Векки А.В.

Санкт-Петербург

2017

Содержание

Введение 3

Расчет 5

1. Исходные данные 5

2. Расчет тепловой нагрузки 5

3. Ориентировочный выбор теплообменника 6

4. Коэффициент теплопередачи 8

5. Расчетная площадь поверхности 10

Заключение 13

Список литературы 14

Введение

Теплообменная аппаратура составляет весьма значительную часть технологического оборудования в химической и смежных отраслях промышленности. Она предназначена для проведения процессов теплообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической среды с целью ее обработки или утилизации теплоты.

Теплообменные аппараты можно классифицировать по следующим признакам:

• по конструкции 

✓аппараты, изготовленные из труб (кожухо-трубчатые, «труба в трубе», оросительные, погружные змеевико-вые, воздушного охлаждения);

✓аппараты, поверхностность теплообмена которых изготовлена из листового материала (пластинчатые, спиральные, сотовые);

✓ аппараты с поверхностью теплообмена, изготовленной из неметаллических материалов (графита, пластмасс, стекла и др.);

• по назначению 

✓ холодильники

✓ подогреватели

✓ испарители

✓ конденсаторы;

• по направлению движения теплоносителей 

✓ прямоточные

✓ противоточные

✓ перекрестного тока

 В общем выпуске теплообменных аппаратов для химической и смежных отраслей промышленности в России около 80 % занимают кожухотрубчатые теплообменники. Эти теплообменники достаточно просты в изготовлении и надежны в эксплуатации и в то же время достаточно универсальны, т. е. могут быть использованы для осуществления теплообмена между газами, парами, жидкостями в любом сочетании теплоносителей и в широком диапазоне их давлений и температур.

Теплообменники типа «труба в трубе» и змеевиковые стальные в общем объеме теплообменной аппаратуры составляют около 8 %, а оросительные из чугуна — около 2 %.

Доля спиральных и пластинчатых теплообменников и аппаратов воздушного охлаждения пока невелика, но на вновь строящихся технологических линиях аппараты этого типа занимают все большее место.

Условия проведения процессов теплообмена в промышленных аппаратах чрезвычайно разнообразны. Эти аппараты применяют для рабочих сред с различным агрегатным состоянием и структурой (газ, пар, капельная жидкость, эмульсия и др.) в широком диапазоне температур, давлений и физико-химических свойств. 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 (от нескольких до нескольких тысяч квадратных метров в одном аппарате). В размерном ряду теплообменники различаются по допускаемым давлениям и температурам рабочей среды, а также по материалам, из которых изготовлен аппарат.

Широкая номенклатура теплообменников по типам, размерам, параметрам и материалам позволяет выбрать для конкретных условий теплообмена аппарат, оптимальный по размерам и материалам. Выбор конструкции аппарата для определенных условий теплообменного процесса зависит в основном от эрудиции и интуиции конструктора. Однако существуют рекомендации общего характера, которыми можно руководствоваться при выборе конструкции теплообменника и схемы движения в нем теплоносителей:

• при высоком давлении теплоносителей предпочтительнее трубчатые теплообменники; в этом случае в трубное пространство желательно направить теплоноситель с более высоким давлением, поскольку из-за малого диаметра трубы могут выдержать большее давление, чем корпус;

• коррозионный теплоноситель в трубчатых теплообменниках целесообразно направлять по трубам, так как в этом случае при коррозионном изнашивании не требуется замена корпуса теплообменника;

• при использовании коррозионных теплоносителей предпочтительнее теплообменные аппараты из полимерных материалов, например фторопласта и его сополимеров, обладающих уникальной коррозионной стойкостью;

• если один из теплоносителей загрязнен или дает отложения, то целесообразно направлять его с той стороны теплообмена, которая более доступна для очистки (в змеевиковых теплообменниках — это наружная поверхность труб, в кожухотрубчатых — внутренняя);

• для улучшения теплообмена не всегда требуется увеличение скорости теплоносителя (так, например, при конденсации паров для улучшения теплообмена необходимо обеспечить хороший отвод конденсата с теплообменной поверхности, для чего следует подобрать аппарат соответствующей конструкции).

Расчет

1. Исходные данные

Вещество : Ацетон

Массовые расход : = 1.5 кг/с;

Начальная температура : = 15

Конечная температура : = 45

Давление технического водяного пара = 1 кгс/с

2. Расчет тепловой нагрузки

Абсолютное давление пара:

Этому давлению соответствует температура конденсации

Составим температурную схему процесса

Определяем среднюю разность температур

Большая разность температур :

Меньшая разность температур :

Средняя разность температур :

Средняя температура ацетона

Плотность при равна кг/

Объёмный расход ацетона равен: =

Удельная теплоемкость ацетона при его средней температуре

2190 Дж/кг

Определим объём теплоты на нагрев

() =

Определим удельную теплоту конденсации греющего пара

r = 238565 *

Расход греющего пара

кг/с

Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена по таблице для случая теплообмена от конденсирующегося водяного пара к органическим жидеостям.

С запасом 15%

24.49

3. Ориентировочный выбор теплообменника

Коэффициент вязкости ацетона

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным течением жидкостей.

В теплообменных трубах Ø 25 х 2 мм по ГОСТ 15118-79, 15120-79б 15122-79 скорость пара для обеспечения турбулентного режима при Re > 10000 должна быть более

Число труб обеспечивающих объёмный расход при R= 10000

Условиям n < 29 и F < 21.30 удовлетворяет согласно таблице [1,с.215] теплообменник :

Одноходовой теплообменник с числом труб n= 37 и внешнем сечением кожуха D=273 мм

Уточняем значение Re для теплообменника

Коэффициент теплопроводности ацетона

Критерий Прандтля для ацетона

Критерий Нуссельта для ацетона

Отношение было принято равным 1 с последующей проверкой.

Коэффициент теплопередачи равен

Коэффициент теплопередачи при конденсации водяного пара

Где

4. Коэффициент теплопередачи

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара и ацетона[1,табл.XXXI]

Коэффициент теплопроводности стали

Толщина стенки стальной теплообменной трубы

Сумма термических сопротивлений

Поверхностная плотность теплового потока

Проверим соотношение учитывая выражение

=

Для равенства частей необходима поправка коэффициента К.

Тогда поверхностная плотность теплового потока равна

Проверим соотношение

=

5. Расчетная площадь поверхности

С запасом 15% :

Теплообменник с количеством труб L= 3 имеет площадь

Число элементов в двух секциях

Общее число элементов

Заключение

Целью работы является расчёт и проектирование теплообменного аппарата предназначенного для подогрева ацетона водяным паром.

В тепловом расчете мы определили необходимую площадь теплопередающей поверхности, в нашем случае 24.49, которая соответствует заданной температуре и оптимальным гидродинамическим условиям процесса. По полученным расчетным данным был выбран теплообменник одноходовой с числом труб n=37, и внешнем сечением кожуха D= 159мм.

Список литературы

1. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов; под ред. чл.-корр. АН СССР П. Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с., ил.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Г. С. Борисов, В. П. Брыков, Ю. И. Дытнерский и др. — 2-е изд., перераб. и дополн. — М.: Химия, 1991. — 496 с.: ил.

14