Расчет тарельчатой ректификационной колонны
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ
ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра промышленной теплоэнергетики
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
По курсу: «Теплотехнические процессы и установки»
На тему : Расчет тарельчатой ректификационной колонны
Выполнил: ст.гр. ЭНМ-07
Гуляева А.В.
Проверил: доц. Яковлева В.А.
Донецк 2010
РЕФЕРАТ
Страниц - ; Частей - ; Таблиц - ; Рисунков - ; Источников - ;
Целью теплового расчета является определение поверхности теплообмена, а если последняя известна, то целью расчета является определение конечных температур рабочих жидкостей. Основными расчетными уравнениями теплообмена при стационарном режиме являются уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса.
Производится расчёт теплообменных аппаратов двух типов: кожухотрубчатого и пластинчатого.
ТЕПЛООБМЕННИК, КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВедение
1 Теплообменные аппараты
1.1 Теплообменники типа "труба в трубе"
1.2 Пластинчатые теплообменники
1.3 Спиральные теплообменники
1.4 Блочные графитовые теплообменники
2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТов
2.1 Расчет кожухотрубчатого теплообменника16
2.2
Расчет гидравлического
сопротивления
кожухотрубчатых
теплообменников
2.3
Расчет пластинчатого
теплообменника2
2.4 Расчет гидравлического сопротивления пластинчатых теплообменников
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Теплообменными аппаратами называют устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому, а также осуществления различных технологических процессов: нагревание, охлаждения, кипения, конденсации и др.
Теплообменные аппараты классифицируются по различным признакам. Например, по способу передачи тепла их можно разделить на две группы: поверхностные (рекуперативные и регенеративные) и смешения. Требования к промышленным теплообменным аппаратам в зависимости от конкретных условий применения весьма разнообразны. Основными требованиями являются: обеспечение наиболее высокого коэффициента теплопередачи при возможно меньшем гидравлическом сопротивлении; компактность и наименьший расход материалов, надежность и герметичность в сочетании с разборностью и доступностью поверхности теплообмена для механической очистки её от загрязнений; унификация узлов и деталей; технологичность механизированного изготовления широких рядов поверхностей теплообмена для различного диапазона рабочих температур, давлений и т. д.
При созданиях новых, более эффективных теплообменных аппаратов стремятся, во-первых, уменьшить удельные затраты материалов, труда, средств и затрачиваемый при работе энергии по сравнению с теми же показателями существующих теплообменников. Удельными затратами для теплообменных аппаратов называют затраты, отнесенные к тепловой производительности в заданных условиях, во-вторых, повысить интенсивность и эффективность работы аппарата. Интенсивностью процесса или удельной тепловой производительностью теплообменного аппарата называется количество теплоты, передаваемого в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при заданном тепловом режиме.
Интенсивность процесса теплообмена характеризуется коэффициентом теплопередачи k. На интенсивность и эффективность влияют также форма поверхности теплообмена; эквивалентный диаметр и компоновка каналов, обеспечивающие оптимальные скорости движения сред; средний температурный напор; наличие турбулизирующих элементов в каналах; оребрение и т. д. Кроме конструктивных методов интенсификации процесса теплообмена существует режимные методы, связанные с изменением гидродинамических параметров и режима течения жидкости у поверхности теплообмена. Режимные методы включают: подвод колебаний к поверхности теплообмена, создание пульсации потоков, вдувание газа в поток либо отсос рабочей среды через пористую стенку, наложении электрических или магнитных полей на поток, предотвращения загрязнений поверхности теплообмена путем сильно турбулизации потока и т. д.
1 ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
1.1 Теплообменники типа «труба в трубе»
При небольших тепловых нагрузках, когда требуемая поверхность теплообмена не превышает 20—30 м2, целесообразно применение теплообменников типа «труба в трубе». Такие теплообменники изготовляют следующих типов: 1) неразборные однопоточные малогабаритные; 2) разборные одно- и двухпоточные малогабаритные; 3) разборные однопоточные; 4) неразборные однопоточные; 5) разборные многопоточные.
Неразборный теплообменник типа «труба в трубе» изображен на рис. 1. Эти теплообменники могут иметь один ход или несколько (обычно четное число) ходов.
Рнс. 1.1 Неразборный теплообменник типа «труба в трубе»:
/ — теплообменная труба; 2— кожуховая труба; 3 — калач
Рис. 1.2. Разборный однопоточный малогабаритный (dH до 57 мм) теплообменник типа «труба в трубе»:
/ — теплообменная труба; 2 — распределительная камера для наружного теплоносителя; 3 — кожуховая труба; 4 — крышка
Конструкции разборных теплообменников показаны по рис. 1.2 и 1.3. Однопоточный малогабаритный теплообменник (рис.1.2) имеет распределительную камеру для наружного теплоносителя, разделенную на две зоны продольной перегородкой. В крышке размещен калач, соединяющий теплообменные трубы. Кожуховые трубы крепятся в трубных решетках, теплообменные трубы герметизируются с помощью сальниковых уплотнений. Однопоточные разборные теплообменники из труб большого диаметра (более 57 мм) выполняются без распределительной камеры, так как штуцер для подвода наружного теплоносителя можно приварить непосредственно к кожуховым трубам.
Двухпоточный разборный теплообменник (рис.1.3) имеет две распределительные камеры, а в крышке размещены два калача. Поверхность теплообмена и проходные сечения для теплоносителей при прочих равных условиях в два раза больше, чем в однопоточном теплообменнике. Многопоточные теплообменники типа «труба в трубе» принципиально не отличаются от двухпоточных. Поверхности теплообмена и основные параметры нормализованных теплообменников типа «труба в трубе» приведены в табл. 1.1 и 1.2.
Рис. 1.3. Разборный двухпоточный малогабаритный (dн до 57 мм) теплообменник типа «труба в трубе»:
1,2 — распределительные камеры соответственно для внутреннего и наружного теплоносителя; 3 — кожуховая труба; 4 — теплообменная груба; 5 — крышка
Таблица 1.1. Поверхности теплообмена и основные параметры неразборных и разборных однопоточных и двухпоточных теплообменников типа «труба в трубе»
Число | Поверхность теплообмена (в t, | ||||||||
Диаметр теплооб- | Число парал- | теплообмен-ных труб в | по |
наружному диаметру TDV6, М |
при длине | Диаметр ** труб | |||
менных | лельных | одном | кожуха, мм | ||||||
труб, мм | потоков | анпарате, шт. | 1,5 | 3,0 | 4,5 | 6,0 | 9,0 | 12.0 | |
25X3 | 1 | 1* | 0,12 | 0,24 | 0,36 | 0,48 | 57X4 | ||
1 | 2 | 0,24 | 0,48 | 0,72 | 0,96 | __ | __ | ||
2 | 4 | 0,48 | 0,96 | 1,44 | 1.92 | — | — | ||
38X3,5 | 1 | I* | 0,18 | 0,36 | 0,54 | 0,72 | — | — | 57X4; 76X4; |
2 | 2 | 0,36 | 0.72 | 1,08 | 1,44 | — | — | 89X5 | |
2 | 4 | 0,72 | 1,44 | 2,16 | 2,88 | __ | __ | ||
48X4 | 1 | 1* | 0,23 | 0,45 | 0,68 | 0,90 | __ | __ | 76X4; 89X5; |
1 | 2 | 0,46 | 0,90 | 1,36 | 1,80 | — | — | 108x4 | |
2 | 4 | 0,92 | 1,80 | 2,72 | 3.60 | __ | __ | ||
57X4 | 1 | 1* | 0,27 | 0,54 | 0,81 | 1,08 | — | — | 89X5; 108X4 |
1 | 2 | 0,54 | 1,08 | 1,62 | 2,16 | __ | __ | ||
2 | 4 | 1,08 | 2,16 | 3,24 | 4,32 | __ | __ | ||
76X4 | 1 | 1* | — | — | — | 1.43 | 2,14 | 2,86 | 108X4; 133X4 |
2 | — | — | 2,14 | 2,86 | 4,28 | — | |||
89X5 | 1 | 1* | — | — | — | 1,68 | 2,52 | 3,36 | 133X4; 159X4,5 |
2 | — | — | 2,52 | 3,36 | 5,04 | — | |||
108X4 | 1 | 1* | — | — | — | 2.03 | 3,05 | 4,06 | 159X4,5; 219X6 |
2 | __ | — | 3,05 | 4,06 | 6,10 | --- | |||
133X4 | 1 | 1* | — | — | — | 2,50 | 3,75 | 5,0 | 219X6 |
2 | — | — | 3,76 | 5,0 | 7,50 | — | |||
159X4,5 | 1 | 1* | — | — | __ | 3,0 | 4,5 | 6,0 | 219x6 |
2 | — | — | 4,5 | 6,0 | 9,0 | — |
* Относится к одному ходу неразборных теплообменников.
** Толщины труб указаны для условных давлений не выше 1,6 МПа.
Таблица 1.2. Поверхности теплообмена и основные параметры разборных многопоточных теплообменников типа «труба в трубе»*
Число параллель-ных потоков |
Поверхность теплообмена (м2) при длине труб, м |
Площадь сечений потоков 104 м2 | |||||||
Число | |||||||||
труб в | |||||||||
одном | внутри | в кольцевых | |||||||
аппарате, шт. | 3,0 | 6,0 | 9,0 | тепло-обменных | зазорах межтрубного | ||||
труб | пространства | ||||||||
3 | 6 | 3 | 6 | 38 | 92 | ||||
5 | 10 | 5 | 10 | --- | 63 | 154 | |||
7 | 14 | --- | 14 | 21 | 88 | 216 | |||
12 | 24 | — | 24 | 36 | 151 | 371 | |||
22 | 44 | — | 44 | 66 | 277 | 680 |
* Диаметр теплообменных труб 48X4 мм, диаметр кожуховых труб 89X5 мм.
Допускаются также теплообменные трубы диаметром 38X3,5 и 57X4 мм и кожуховые трубы диаметром 108X4 мм прн тех же длинах. Предельные условные давления теплоносителей 1,6 и 4,0 МПа.
1.2 Пластинчатые теплообменники
В пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образована набором тонких штампованных гофрированных пластин. Эти аппараты могут быть разборными, полуразборными и неразборными (сварными). В пластинах разборных теплообменников (рис. 1.4) имеются угловые отверстия для прохода теплоносителей и пазы, в которых закрепляются уплотнительные и компонующие прокладки из специальных
Рис.1.4. Пространственная схема движения теплоносителей (а) и условная схема компоновки пластин (б) в однопакетном пластинчатом разборном теплообменнике:
/ — неподвижная плита; 2 — теплообменная пластина; 3 — прокладка; 4 — концевая пластина; 5 - подвижная плита
термостойких резин. Пластины сжимаются между неподвижной и подвижной плитами таким образом, что, благодаря прокладкам между ними, образуются каналы для поочередного прохода горячего и холодного теплоносителей. Плиты снабжены штуцерами для присоединения трубопроводов. Неподвижная плита крепится к полу, пластины и подвижная плита закрепляются в специальной раме. Группа пластин, образующих систему параллельных каналов, в которых данный теплоноситель движется только в одном направлении (сверху вниз или наоборот), составляет пакет. Пакет по существу аналогичен одному ходу по трубам в многоходовых кожухотрубчатых теплообменниках.
На рис. 1.5 даны примеры компоновки пластин. При заданном расходе теплоносителя увеличение числа пакетов приводит к увеличению скорости теплоносителя, что интенсифицирует теплообмен, но увеличивает гидравлическое сопротивление.
Рис. 1.5. Примеры компоновки пластин:
а - симметричная двухпакетная схема; б — несимметричная схема (три пакета для горячего теплоносителя два — для холодного)
Таблица 1.3. Поверхность теплообмена и основные параметры разборных пластинчатых теплообменников (по ГОСТ 15518—83)
Поверхность теплообмена F (м2), число пластин N (шт.) и масса аппарата М (кг) при поверхности одной пластины f (м2) | ||||||||||||||
/ = 0,2 | / = 0,3 | / = 0,5* | / = 0,6 | /=1.3 | ||||||||||
F | N | М | F | N | М** | F | N | М*** | F | N | М** | F | N | М |
1 | 8 | 570 | 3 | 12 | 280 | 31,5 | 64 | 1740 | 10 | 20 | 960 | 200 | 156 | 5 350 |
2 | 12 | 590 | 5 | 20 | 315 | 50 | 100 | 2010 | 16 | 30 | 1030 | 300 | 232 | 6 470 |
5 | 28 | 650 | 8 | 30 | 345 | 63 | 126 | 2200 | 25 | 44 | ИЗО | 400 | 310 | 7610 |
6,3 | 34 | 670 | 10 | 36 | 365 | 80 | 160 | 2460 | 31,5 | 56 | 1220 | 500 | 388 | 11 280 |
10 | 52 | 750 | 12,5 | 44 | 400 | 100 | 200 | 2755 | 40 | 70 | 1300 | 600 | 464 | 12 430 |
12,5 | 66 | 800 | 16 | 56 | 440 | 140 | 280 | 3345 | 50 | 86 | 1400 | 800 | 620 | 14 740 |
16 | 84 | 1340 | 20 | 70 | 485 | 160 | 320 | 4740 | 63 | 108 | 1530 | _ | _ | _ |
25 | 128 | 1480 | — | — | — | 220 | 440 | 5630 | 80 | 136 | 1690 | — | _ | __, |
31,5 | 160 | 1600 | — | — | — | 280 | 560 | 6570 | 100 | 170 | 1900 | _ | _ | _ |
40 | 204 | 1750 | — | — | _ | 300 | 600 | 6810 | 140 | 236 | 2290 | _ | _ | _ |
— | — | — | — | — | — | 320 | 640 | 7100 | 160 | 270 | 2470 | _ | _ | _ |
— | — | — | — | — | — | — | — | — | 200 | 340 | 3920 | — | — | _ |
— | — | — | — | — | — | — | — | — | 250 | 420 | 4400 | _ | _ | _ |
— | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ | 300 | 504 | 4890 | _ | _ | _ |
* Теплообменники со сдвоенными пластинами (полуразборные).
** Для слабо агрессивных и нейтральных сред со скоростью коррозии металла менее 0,05 мм в год (для агрессивных сред масса больше в среднем на 8—10 %).
*** Для давлений до 1,6 МПа.
При оптимальной компоновке пластин число пакетов для горячего и холодного теплоносителя может быть неодинаковым (как на рис.1.5, б). В условном обозначении схемы компоновки число слагаемых в числителе соответствует числу пакетов (последовательных ходов) для горячего теплоносителя, в знаменателе — для холодного; каждое слагаемое означает число параллельных каналов в пакете (в конденсаторах однопакетная компоновка пластин по ходу пара).
В полуразборных теплообменниках пластины попарно сварены, доступ к поверхности теплообмена возможен только со стороны хода одной из рабочих сред.
Разборные аппараты могут работать при давлении 0,002—1,0 МПа и температуре рабочих сред от' —20 до +180°С, полуразборные — при давлении 0,002—2,5 МПа и той же температуре; неразборные (сварные) аппараты могут работать при давлении 0,0002—4,0 МПа и температуре от — 100 до +300 °С.
Разборные теплообменники изготовляют по ГОСТ 15518—83 в трех исполнениях: I — на консольной раме, II — на двухопорной раме, III — на трехопорной раме.
Таблица 1.4. Конструктивные характеристики разборных пластинчатых теплообменников (по данным /8/)
Характеристики |
Площадь пластины, м2 |
||||
0,2 |
0,3 |
0,6 |
1.3 | ||
Габариты пластины, мм: | |||||
длина | 960 | 1370 | 1375 | 1915 | |
ширина | 460 | 300 | 600 | 920 | |
толщина * | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | |
Эквивалентный диаметр канала, мм |
8,8 | 8,0 | 8,3 | 9,6 | |
Поперечное сечение канала, 104 м2 | 17,8 | 11,0 | 24,5 | 42,5 | |
Приведенная длина канала, м | 0,518 | 1,12 | 1,01 | 1,47 | |
Масса пластины, кг ** | 2,5 | 3,2 | 5,8 | 12,0 | |
Диаметр условного прохода штуцеров, мм | 80; 150 | 65 | 200 | 300 |
*В облегченном варианте толщина пластины может быть уменьшена до 0,5мм.
** Для пластины толщиной 0,8 мм.
Рис.1.6. Пластинчатый теплообменник на двухопорной раме: / 4 — штуцеры для теплоносителей
Теплообменник в исполнении II показан на рис.1.6. В табл. 1.3 и 1.4 даны поверхности теплообмена и основные параметры разборных пластинчатых теплообменников. Более подробные сведения о разборных, полуразборных и сварных теплообменниках приведены в литературе [8].
1.3 Спиральные теплообменники
В спиральных теплообменниках (рис.7) поверхность теплообмена образована двумя листами из углеродистой или коррозионно-стойкой стали, свернутыми на специальном станке в спирали. С помощью приваренных дистанционных штифтов между листами сохраняется одинаковое по всей спирали расстояние, равное 12 мм. Таким образом, получаются два спиральных канала, заканчивающихся в центре двумя полуцилиндрами, отделенными друг от друга перегородкой. К периферийной части листов приварены коробки. Каждый полуцилиндр с торцевой стороны и каждая коробка имеют штуцер для входа или выхода теплоносителя. С торцов спирали зажимают между дисками с помощью крышек. Для герметизации используют прокладки из резины, паронита, асбеста или мягкого металла. Согласно ГОСТ 12067—80, спиральные теплообменники имеют поверхности теплообмена 10—100 м2, работают при давлениях до 1 МПа и температуре от —20 до +200 °С. Поверхности теплообмена и основные параметры их приведены в табл. 2.5.
1.4 Блочные графитовые теплообменники
Теплообменники из графита широко распространены в химической промышленности благодаря очень высокой коррозионной стойкости и высокой [до 100 Вт/(м*К)] теплопроводности графита. Наибольшее применение находят блочные теплообменники. Основным элементом их является графитовый блок, имеющий форму параллелепипеда, в котором просверлены вертикальные и горизонтальные непересекающиеся отверстия для прохода теплоносителей (рис.8). Аппарат собирают из одного или нескольких блоков. С помощью боковых металлических плит в каждом блоке организуется двухходовое движение теплоносителя по горизонтальным отверстиям. Теплоноситель, движущийся по вертикальным каналам в теплообменниках, собранных из блоков размером 350X515X350 мм3 (второе число — длина горизонтальных каналов), может совершать один или два хода, в зависимости от конструкции верхней и нижней крышек. В аппаратах, собранных из блоков с увеличенными боковыми гранями (350X700X350), теплоноситель, движущийся по вертикальным каналам, может совершать два или четыре хода.
Таблица 1.5. Поверхности теплообмена и основные параметры спиральных теплообменников (по ГОСТ 12067—80)
t. м |
Толщина листа, мм | Ширина листа, м | Длина канала, м | Площадь сечения канала, 10' м2 | Масса теплообменника, кг, не более |
d штуцеров для жидких теплоносителей, мм |
||
10,0 | 3,5 | 0,4 | 12,5 | 48 | 1170 | 65 | ||
12,5 | 3,5 | 0,4 | 15,6 | 60 | 1270 | 65 | ||
16,0 | 3,5 | 0,5 | 16,0 | 60 | 1480 | 65 | ||
20,0 | 3,5 | 0,4 | 25,0 | 48 | 1770 | 100 | ||
20,0 | 4,0 | 0,7 | 14,3 | 84 | 1620 | 100 | ||
25,0 | 3,5 | 0,5 | 25,0 | 60 | 2270 | 100 | ||
25,0 | 4,0 | 0,7 | 17,9 - | 84 | 1970 | 100 | ||
31,5 | 3,5 | 0,5 | 31,5 | 60 | 2560 | 100 | ||
31,5 | 4,0 | 0,7 | 22,5 | 84 | 2560 | 100 | ||
40,0 | 3,9 | 1,0 | 20,0 | 120 | 2760 | 100 | ||
40,0 | 4,0 | 0,7 | 28,6 | 84 | 3160 | 100 | ||
50,0 | 3,9 | 1,0 | 25,0 | 120 | 3460 | 150 | ||
50,0 | 6,0 | 1,1 | 22,7 | 138 | 3960 | 150 | ||
63,0 | 3,9 | 1,0 | 31,5 | 120 | 4260 | 150 | ||
63,0 | 6,0 | 1,1 | 28,6 | 138 | 4760 | 150 | ||
80,0 | 3,9 | 1,0 | 40.0 | 120 | 5450 | 150 | ||
80,0 | 6,0 | 1.1 | 36,4 | 138 | 5450 | 150 | ||
100,0 | 3,9 | 1,0 | 50,0 | 120 | 5960 | 150 | ||
100.0 | 4,0 | 1,25 | 40,0 | 150 | 5960 | 150 |
Рис. 1.7. Спиральный теплообменник
Рис. 1.8. Схема блочного (из двух блоков) графитового теплообменника:
/ — графитовый блок; 2 — вертикальные каналы; 3 — горизонтальные каналы; 4 — корпус.
Таблица 1.6. Поверхности теплообмена и основные параметры блочных графитовых теплообменников (по данным [12])
Каналы в блоке | Цена за | штуку, руб. | ||||||||||||
Число | ||||||||||||||
F, м2 | блоков, | горизонталь- | вертикальные | одна агрессив- | две агрессивные | |||||||||
шт. | ные, число шт. | диаметр. | число, | ная среда | среды | |||||||||
мм | шт. | |||||||||||||
Блоки 350X515X350 мм | ||||||||||||||
5,4 | 2 | 126 | 28 | 84 | 835 | 1090 | ||||||||
7,2 | 2 | 180 | 12 | 252 | 835 | 1090 | ||||||||
10,8 | 4 | 126 | 28 | 84 | 1520 | 2030 | ||||||||
14,4 | 4 | 180 | 12 | 252 | 1520 | 2030 | ||||||||
16.2 | 6 | 126 | 28 | 84 | 2185 | 2950 | ||||||||
21,6 | 6 | 180 | 12 | 252 | 2185 | 2950 | ||||||||
Блоки 350X700X350 мм; 2 вертикальных хода | ||||||||||||||
14,6 | 4 | 126 | 28 | 108 | 2115 | 2705 | ||||||||
19,6 | 4 | 180 | 12 | 324 | 2060 | 2725 | ||||||||
21,9 | 6 | 126 | 28 | 108 | 2900 | 4126 | ||||||||
29,4 | 6 | 180 | 12 | 324 | 2910 | 3955 | ||||||||
Блоки 350X700X350 мм; 4 вертикальных хода | ||||||||||||||
13,4 | 4 | 126 | 28 | 96 | __ | 2585 | ||||||||
19,0 | 4 | 180 | 12 | 324 | __ | 2725 | ||||||||
20,1 | 6 | 126 | 28 | 96 | __ | 3780 |
28,5 | 6 | 180 | 12 | 324 |
Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.),
обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus.
Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.
Похожие рефераты: |