Холодильник нитрозных газов

Содержание

 

Аннотация………………………………………………………………………..3

Введение………………………………………………………………………….4

1. Технологическая схема……………………………………………………….6

2. Выбор конструкционного  материала………………………………………..6

3. Тепловой и материальный баланс……………………………………………7

4. Конструктивный расчет……………………………………………………...12

5. Гидравлический расчет………………………………………………………14

Вывод……………………………………………………………………………15

Литература………………………………………………………………………16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация

Расчётно-пояснительная записка содержит  страниц 19, рисунков 4.  При её составлении использовано  литературных источников 7.

 

ТЕПЛООБМЕННИК, НИТРОЗНЫЕ ГАЗЫ, ВОДА, ОБЕЧАЙКА, ДНИЩА, ШТУЦЕР.

 

Цель  работы – расчет кожухотрубчатого теплообменника для охлаждения нитрозных газов водой.

В данной пояснительной записке представлен тепловой и материальный расчет, конструктивный расчет, гидравлический расчет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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  теплообменники. 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.

В качестве греющего агента в теплообменниках часто используется насыщенный водяной пар имеющий целый ряд достоинств:

- высокий коэффициент теплоотдачи;

- большое количество  тепла, выделяемое при конденсации  пара;

- равномерность обогрева, так как. конденсация пара происходит при постоянной температуре;

- легкое регулирование  обогрева.

Темой настоящего курсового проекта является расчет, и проектирование холодильника нитрозных газов в производстве азотной кислоты.

 

 

 

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. Охлажденная смесь из теплообменника самотеком поступает в приемную емкость ПЕ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор конструкционного материала

     Так как  нитрозные газы являются  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 начальную  и конечную температуру воды 20ºС  и 450С соответственно.

       Принимаем  противоточную схему движения  теплоносителей.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2 Схема движения теплоносителей

 

3.2.    Средняя разность  температур:

Δtб = t1н – t2к = 175 – 45 = 130 ºС

Δtм = t1к – t2н = 55 – 20 = 35 ºС

     Так как  отношение Δtб/Δtм = 130/35 = 3,71  >2,   то

Δtср = (Δtб – Δtм)/ln(Δtб/Δtм) =  (130 – 35)/ln(130/35) =  72,5 ºС

     Средняя температура  воды:

t2ср = (t2н + t2к)/2 = (45 + 20)/2 = 32,5 ºC.

Средняя температура нитрозных газов:

t1ср = (t1н + t1к)/2 = (175+55)/2= 115 ºС.

 

3.3.    Тепловая нагрузка  аппарата:

Количество тепла, передаваемое от нитрозных газов к воде:

Q = G1c1(t1н - t1к),

     где с1 – теплоемкость раствора (кДж/кг∙К)

           G1 -  массовый расход раствора.

G1 = Vρ1/3600

          где ρ1 - плотность смеси при  t1ср

Рассчитаем теплоемкость, плотность нитрозных газов:

Состав нитрозных газов:

NO = 7.93%

NO2 = 3.06%

O2 = 5.66%

H2O = 17.9%

N2 = 65.45%

Плотность смеси рассчитываем по формуле:

 кг/м3

Теплоемкость нитрозных газов:

= 5,3989 кДж/(кг*К)

= 1,9533 кДж/(кг*К)

= 3,9805 кДж/(кг*К)

= 1,009 кДж/(кг*К)

= 1,034 кДж/(кг*К)

Q = 10000∙0,9524∙ 1,764/(3600(175 - 55)) = 558 кВт.

 

3.4.   Расход охлаждающей  воды:

G2 = Q/c2(t2к - t2н),

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

G2 =  558000/4,19(45 - 20) = 5,3 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 = 10500, 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  = 0,752∙10-3 Па∙с – вязкость воды при 32,5 ºС [1 c. 537].

     для труб 25×2 dвн = 0,021 м

n/z = 5,3/0,785∙10500∙0,021∙0,752∙10-3 =43 .

     Принимаем  также ориентировочное значение  коэффициента теплопередачи Кор = 60 Вт/м2∙К [1 c. 172], тогда ориентировочная поверхность теплообмена:

Fор = Q/Kор Δtср = 558∙103/80∙72,5 = 96 м2.

Принимаем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена: 4-х ходовой с диаметром кожуха 600 мм и 206 трубками 25×2 [2c.51]. Длиной трубок 4 м,и площадью 65 м3.

 

6. Коэффициент теплоотдачи  от стенки к воде:

a2 = Nu2l2/dвн,

           где l2 = 0,602 Вт/м×К – теплопроводность воды при 32,5 °С [1c.537],

                 Nu2 – критерий Нуссельта для воды.

Фактическое значение критерия Рейнольдса:

Re2 = G2/[0,785dвн(n/z)m2 =

5,3/[0,785×0,021(206/4)0,752×10-3 = 10035.

Режим движения турбулентный в этом случае критерий Нуссельта:

Nu2 = 0,023Re20,8Pr20,4(Pr2/Prст2)0,25,

где Рr2 = 5,14 – критерий Прандтля для воды при 32,5 °С [1c.537].

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

Nu = 0,023×100350,8×5,140,4 = 70,36.

a2 = 70,36×0,602/0,021 = 2016,99 Вт/м2×К.

 

3.7.    Коэффициент  теплоотдачи  от нитрозных газов к стенке:

a1 = Nu1l1/dн,

           где l1  – теплопроводность нитрозных газов, Вт/м×К:

Теплопроводность газов [1c.530]:

= 0,0209 Вт/м×К;

= 0,0251 Вт/м×К;

= 0,0223 Вт/м×К;

= 0,0288 Вт/м×К;

= 0,03 Вт/м×К.

                 Nu1 – критерий Нуссельта для нитрозных газов.

          Критерий Рейнольдса:

Re1 = G1dн/Sмтрm1,

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

           m1 = вязкость нитрозных газов, Па×с:

Вязкость газов [1c.557]:

=0,000021 Па×с;

=0,0000205 Па×с;

=0,0000125 Па×с;

=0,000023 Па×с;

=0,000024 Па×с.

Вязкость смеси:

 

Re = 2,65×0,025/(0,045×0,0000048) = 28675.

В этом случае критерий Нуссельта:

Nu1 = 0,356×Re0,6×

Nu1 = 0,356×286750,6×1= 168.

a1 = 168×0,0269/0,025 = 181  Вт/м2×К.

 

 

 

3.8.     Тепловое  сопротивление стенки:

где dст = 0,002 м – толщина стенки трубки;

       lст = 46,5 Вт/м×К – теплопроводность стали [1 c.529];

       r1= 1/2800 м2×К/Вт – тепловое сопротивление загрязнений cтенок со стороны нитрозных газов;

                 r2=1/2400 м2×К/Вт – со стороны воды

S(d/l) = 0,002/46,5 + 1/2800 + 1/2400 = 8,2×10-4 м2×К/Вт.

 

3.9.    Коэффициент  теплопередачи:

K = 1/(1/a1+S(d/l)+1/a2) =

1/(1/181+8,2×10-4+1/2016,99) = 146 Вт/м2×К.

 

10. Температуры стенок:

tст2 = tср2 + КDtср/a2 = 32,5 + 146×72,5/2016,99 = 37,7 °С.

Уточняем коэффициенты теплоотдачи.

Критерий Прандтля для воды при tст2 = 37,7 ® Prст2 = 4,57 [1c.564]

a2ут = a2(Pr/Prст2)0,25 = 2016,99(5,14/4,57)0,25 = 2077,14 Вт/м2×К.

          Уточняем коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/181 +8,2×10-4+1/2077,14) = 145 Вт/м2×К.

11. Поверхность теплообмена:

F = Q/KDtср =  558×103/145×72,5 = 53 м2

          Выбираем теплообменник  с  ближайшей  большей  поверхность тепло-

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

          верхность теплообмена 65 м2 [2 c.51].

Рассчитаем запас прочности рассчитанного теплообменника:

∆ =(65-53)/53=22,64%

 

 

 

 

 

 

4. Конструктивный расчет

 

4.1. Толщина обечайки:

d = DP/2sj +Cк,

где D = 0,6 м – диаметр камеры аппарата; P = 0,1 МПа

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

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

       Cк = 0,001 м – поправка на коррозию.

d = 0,6×0,1/2×138×0,8 + 0,001 = 0,002 м.

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

4.2.   Днища.

         Наибольшее распространение в  химическом машиностроении получили  эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [4 c.111], толщина стенки днища d1 =d = 8 мм.

 

 

 

 

 

4.3. Фланцы.

       Соединение обечайки  с днищами осуществляется с  помощью плоских приварных фланцев  по ОСТ 26–428–79 [4 c.210]:

 

 

4.4. Штуцера.

Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

d =

,

где G – массовый расход теплоносителя,

       r - плотность теплоносителя,

       w – скорость движения теплоносителя в штуцере.

Принимаем скорость газа в штуцере w = 20 м/с[1 c.17], тогда

диаметр штуцера для входа и выхода нитрозных газов:

d1,2 = (2,65/0,785×20,0×0,9524)0,5 = 0,402 м,

принимаем d1,2 = 400 мм.

 

диаметр штуцера для входа и выхода воды:

Принимаем скорость жидкости в штуцере 1,0 м/с

d3,4 = (5,3/0,785×1,0×994)0,5 = 0,105 м,

принимаем d3,4 = 150 мм.

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Гидравлический  расчет

 

5.1. Скорость воды в трубах: