Кожухотрубчатый теплообменный аппарат

 
Курсовой проект 
 
На тему: «Кожухотрубчатый теплообменный аппарат» 
 
 
 
 
Содержание 
Введение 
 
1.       Технологический расчет 
 
2.       Определение начальной температуры нефти 
 
3.       Выбор теплообменника 
 
4.       Теплотехнический расчет 
 
5.       Гидравлический расчет 
 
6.       Описание схемы работы аппарата 
 
7.       Схема контроля и регулирования 
 
Выводы 
 
Заключение 
 
Список литературы 
 
 
 
 
Введение 
Процесс дистилляции нефти, как и любой тепловой процесс, реализуется путем подвода теплового потока в ректификационную колону и отвода из нее соответствующего количества низкопотенциального тепла. 
 
Функцию регенерации тепла горячих потоков дистиллятов, а так же их конденсации, охлаждение, дополнительного нагрева и испарения выполняют на установках АВТ – разветвленная система теплообменных аппаратов различного устройства. 
 
Кожухотрубчатые теплообменные аппараты являются наиболее распространенным типом теплообменников широкого спектра технологического применения в нефтеперерабатывающей промышленности. 
 
Поэтому для обеспечения нормального протекания предусмотренного технологического режима на установке АВТ необходим правильный подбор теплообменного аппарата. 
 
Целью данного курсового проекта является расчет теплообменного аппарата для установки АВТ по заданным начальным данным. 
 
 
 
 
1.                 
Технологический расчет 
1.Начальные данные: 
 
 
 
 
 
 
 
Выход фракций 230-3500 С на арланскую сырую нефть 22% 
 
 
 
 
 
2. Расчет физико-химических свойств нефти и фракций: 
 
 
 
Расчет плотности: 
 
 
 
 
 
 
 
2.2 Расчет теплоемкость: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Расчет коэффициента теплопроводности: 
 
 
 
 
 
Расчет вязкости: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Таким образом, мы рассчитал все необходимые для дальнейшего расчета физико-химические свойства нефти и фракции при средней температуре (tср н величина расчетная). 
2.                 
Определение начальной температуры нефти 
 
 
 
 
 (с учетом 5% потерь) 
 
 
 
, 
 
тогда средняя разность температур в теплообменнике будет равна: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Определим ориентировочно значение площади поверхности теплообмена, полагая Кор = 250 Вт/м2К по [1, таб. 4.8], т. е. приняв его таким же, как и при теплообмене от жидкости к жидкости (углеводороды, масла): 
 
 
 
Из величины   = 166,9  следует, что проектируемый теплообменник может быть многоходовым. Поэтому для правильности расчета нужно сделать поправку  для многоходовых теплообменников. 
 
В аппаратах с противоточным движением теплоносителей  при прочих равных условиях больше чем в случае прямотока. При сложном взаимном движении теплоносителей  принимает промежуточные значения, которые учитывают, вводя поправку  к средне логарифмической разности температур для противотока. 
 
 
 
где   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рассчитаем коэффициент по формуле: 
 
 
 
 
 
тогда уточним поверхность теплообмена: 
 
 
3.                 
Выбор теплообменника 
Выбираем теплообменник кожухотрубный, без компенсационных устройств [(tk-t)мах=40] для ТН, ХН, КН, ИН; табл. ХХХV) по необходимой поверхности теплообмена и по предполагаемому количеству труб по 1 табл. 4.12 «Параметры кожухотрубных теплообменников и холодильников» по ГОСТ 15120-79, ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15122-79) 
 
К условию F<220 м2 удовлетворяет (1 табл. 4.12) два варианта теплообменников: 
 
1. Теплообменник «кожухотрубный» D = 800; d = 25х2; z=1; n = 465 
 
SВ.П. = 6,9х10-2  ; F = 219  ; l = 6 м; Sт.= 16,1х10-2  ; Sм.= 7,9х10-2  ; 
 
2. Теплообменник «кожухотрубный» D = 800; d = 25х2; z=2; n = 442; SВ.П. = 6,5х10-2  ; F = 208  ; l = 6 м; Sм.= 7,0х10-2  ; Sт.= 7,7х10-2  . 
 
Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Нефть направим в трубное пространство, фракцию - в межтрубное пространство, что позволит избежать трудности в эксплуатации. 
 
Проведем теплотехнический и гидравлический расчеты для выбранных теплообменников. 
4.                 
Теплотехнический расчет 
Вариант 1 Теплообменник «кожухотрубный» (ГОСТ 15120-79). 
 
Для определения значений основных критериев подобия, входящих в критериальные уравнения конвективной теплопередачи, будем использовать формулы соответствующие турбулентному режиму течения жидкости: 
 
Проходное сечение межтрубного пространства (межу перегородками ) Sм=7,9 х10-2 , сечения одного хода трубного пространства Sт=16,1х10-2 [2 табл.4.12] 
 
а) фракции 230-350о С текущей в межтрубном пространстве: 
 
объемный расход фракции: ; 
 
скорость и критерий Рейнольдса для фракции: 
 
 
 
критерий Прандля: . 
 
Для вертикального расположения труб примем выражение (2, форм. 4.31) 
 
; 
 
Коэффициент εφ учитывает влияние угла атаки при φ=30о (1. табл.4.5) 
 
; 
 
Коэффициент теплоотдачи для фракции: 
 
; 
 
б)нефти текущей в трубном пространстве: 
 
объемный расход нефти: ; 
 
скорость и критерий Рейнольдса для нефти: 
 
; , 
 
из значения Re также видно, что нефть в трубах течет турбулентно. 
 
критерий Прандля:  
 
Рассчитаем критерий Нуссельта для турбулентного течения нефти: 
 
; 
 
где   примем равному 1 [1, таб. 4.23], и соотношение  =1 для нагревающихся жидкостей [1, стр.152]с дальнейшей поправкой. 
 
 
 
Коэффициент теплоотдачи нефти к стенке: 
 
; 
 
Рассчитаем термическое сопротивление стенки и загрязнений [1, таб. XXXI]: 
 
; 
 
; 
 
Коэффициент теплопередачи: 
 
;  
 
 
 
Расчетная площадь поверхности теплопередачи: 
 
 
 
;  
 
запас   
 
Вариант 2. Теплообменник «кожухотрубный» (ГОСТ 15120-79) 
 
Расчет 2-го варианта теплообменника аналогичен предыдущему: 
 
Проходное сечение межтрубного пространства (межу перегородками ) Sм=7,0 х10-2 , сечения одного хода трубного пространства Sт=7,7х10-2 [2 табл.4.12] 
 
а) фракции 230-350о С текущей в межтрубном пространстве: 
 
объемный расход фракции: ; 
 
скорость и критерий Рейнольдса для фракции: 
 
 
 
критерий Прандля: . 
 
Для вертикального расположения труб примем выражение (2, форм. 4.31) 
 
; 
 
Коэффициент εφ учитывает влияние угла атаки при φ=30о (1. табл.4.5) 
 
; 
 
Коэффициент теплоотдачи для фракции: 
 
; 
 
б)нефти текущей в трубном пространстве: 
 
объемный расход нефти: ; 
 
скорость и критерий Рейнольдса для нефти: 
 
; , 
 
из значения Re также видно, что нефть в трубах течет турбулентно. 
 
критерий Прандля:  
 
Рассчитаем критерий Нуссельта для турбулентного течения нефти: 
 
; 
 
где   примем равному 1 [1, таб. 4.23], и соотношение  =1 для нагревающихся жидкостей [1, стр.152]с дальнейшей поправкой. 
 
 
 
Коэффициент теплоотдачи нефти к стенке: 
 
; 
 
Рассчитаем термическое сопротивление стенки и загрязнений [1, таб. XXXI]: 
 
; 
 
; 
 
Коэффициент теплопередачи: 
 
;  
 
 
 
Расчетная площадь поверхности теплопередачи: 
 
 
 
;  
 
запас   
 
Как видно из значений величины запаса поверхности теплообмена I-ый вариант теплообменного аппарата имеет превосходство над II-м вариантом. 
5.                 
Гидравлический расчет 
Расчет гидравлического сопротивления. Сопоставим два выбранных варианта кожухотрбчатых теплообменников по гидравлическому сопротивлению. 
 
Вариант 1. Скорость жидкости в трубах 
 
; 
 
Коэффициент трения рассчитываем по формуле : 
 
; 
 
; 
 
где    - высота выступов шероховатости на поверхности, d - диаметр трубы. 
 
Диаметр штуцеров в распределительной камере   - трубного пространства,   - межтрубного пространства [2, с.55]. 
 
; 
 
Рассчитаем скорость в штуцерах по формуле (4.3). 
 
 
 
В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, 5 поворотов на 180 градусов, 6 входов в трубы и 6 выходов из них. В соответствии с формулой [2, форм. 2.35] получим: 
 
 
 
Рассчитаем гидравлическое сопротивление трубного пространства: 
 
 
 
Рассчитаем гидравлическое сопротивление межтрубного пространства: 
 
Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве,  ; примем округляя в большую сторону 13. Число сегментных перегородок x = 12 [2, таб. 2.7] 
 
Диаметр штуцеров к кожуху   - межтрубного пространства [2, с.55], скорость потока в штуцерах: 
 
 
 
Скорость потока в наиболее узком сечении   [2, таб. 2.3] 
 
 
 
В межтрубном пространстве следующие местные сопротивления: вход и выход жидкости через штуцера, 10 поворотов сегменты и 11 сопротивлений трубного пучка при его обтекании 
 
 
 
Рассчитаем гидравлическое сопротивление:   
 
Вариант 2. 
 
Скорость жидкости в трубах: 
 
; 
 
Коэффициент трения рассчитываем по формуле (4.2): 
 
; 
 
Диаметр штуцеров в распределительной камере   - трубного пространства,   - межтрубного пространства [2, с.55]. 
 
Рассчитаем скорость в штуцерах по формуле (4.3). 
 
 
 
В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, 3 поворотов на 180 градусов, 4 входов в трубы и 4 выходов из них. В соответствии с формулой [2, форм. 2.35] рассчитаем гидравлическое сопротивление: 
 
 
 
Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве,  ; примем округляя в большую сторону 13. Число сегментных перегородок x = 12 [2, таб. 2.7] 
 
Диаметр штуцеров к кожуху   - межтрубного пространства [2, с.55], скорость потока в штуцерах: 
 
 
 
Скорость потока в наиболее узком сечении   [2, таб. 2.3] 
 
 
 
В межтрубном пространстве следующие местные сопротивления: вход и выход жидкости через штуцера, 10 поворотов сегменты и 11 сопротивлений трубного пучка при его обтекании. 
 
Рассчитаем гидравлическое сопротивление:   
 
Таким образом, I-ой вариант имеет меньшие значения гидравлических сопротивлений, а значит более выгодный чем II-ой вариант.