Расчет теплообменника для конденсации ацетона

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Введение

Процессы теплообмена имеют большое значение в химической, энергетической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. В теплообменных аппаратах теплопередача от одной среды к другой через разделяющую их стенку обусловлена рядом факторов и является сложным процессом, который принято разделять на три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. На практике эти явления не обособлены, находятся в каком-то сочетании и протекают одновременно.

Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагревающая среда, и отдающие тепло, принято называть нагревающими агентами, а теплоносители с более низкой температурой, чем среда, от которой они воспринимают тепло, - охлаждающими агентами.

В химической промышленности применяют теплообменные аппараты различных типов и конструкций. К числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников относятся кожухотрубчатые теплообменники.

В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся сред движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая - в межтрубном пространстве. Однохододовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными или горизонтальными. Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. Горизонтальные теплообменники изготавливают обычно многоходовыми и работают при больших скоростях участвующих в теплообмене сред для того, чтобы свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и плотностей, а также устранить образование застойных зон.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 2. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка Xw, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состав XP, которая получается в дефлегматоре 3 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Затем жидкость направляется в делитель флегмы 4. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 6, и направляется в сборник дистиллята 11 при помощи насоса 10.

Из кубовой части колонны насосом 10 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в холодильнике остатка 7 и направляется в емкость 8.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравномерный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовой остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

2. Задание на проектирование

Рис.1

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис.1. Исходная смесь из промежуточной емкости 9 центробежным насосом 10 подается в теплообменник 5, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 1 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси XF.

Расчет теплообменника-конденсатора паров ацетона после ректификации. Разделяемая смесь Ацетон-вода поступает на ректификацию в количестве 8 т/ч. Состав исходной смеси 20 % (мас) ацетона и 80% (мас) воды. Кубовый остаток содержит 3% мас. Ацетона. Дистиллят - 98% мас. Флегмовое число R=3. Охлаждение водой T_н = 15⁰С, T_к = 30⁰С.

3. Расчет тепловой нагрузки

Определим температуру конденсации дистиллята:

Конденсируемая смесь содержит 98% ацетона. Найдем мольную долю ацетона в дистилляте. Ацетону присвоим индекс «1»:

Рисунок 2 - T-x-y-диаграмма системы ацетон-вода

По диаграмме определяем температуру конденсации смеси. Она составляет 57,5⁰С. Расчет тепловой нагрузки ведем для этой темпераутры.

Составим температурную схему процесса:



Средняя разность температур:

Дt_ср= 34,5 ⁰С

Средняя температура воды:

t₂ = t₁- Дt_ср

t₂ = 57,5 ⁰С - 34,5 ⁰С = 23 ⁰С

Расход смеси ацетон-вода:

G₂ = 8 т/час

кг/с

Определим расходы дистиллята и кубового остатка:

G_D + G_W = 8 000,

G_D·0,98 + G_W·0,03 = 1 600

G_W = 6 568 кг/ч, G_D= 1 432 кг/ч

Плотность смеси

Плотности смеси при t = 57,5⁰С

с₁ = 708 кг/м³ с₂ = 978 кг/м³ [7]



кг/м³

Удельная теплота конденсации ацетона

R₁ = 524 кДж/кг [7]

Удельная теплота конденсации водяного пара:

R₂ = 2260 кДж/кг [7]

Удельная теплота конденсации смеси:

R_см = х₁R₁ + x₂R₂ = 0,938·524 + 0,62·2 260 = 491,5 + 1 401,2 = 1 892,7 кДж/кг

Тепловая нагрузка аппарата:

Q = G_DR₂ = 1 892,7·1432·10³/3600 = 752 874 Вт

Расход охлаждающей воды:

Объёмный расход смеси:

V₂=G₂/ =1 432/(3 600·829,6) = 0,00048м³/с

Расход охлаждающей воды:

кг/с

Примем ориентировочный коэффициент теплоотдачи от органических жидкостей к воде (1):

К_ор= 250 Вт/(м²·К)

Ориентировочная площадь поверхности теплообмена:

м²

Для максимальной эффективности процесса теплообмена необходимо, чтобы режим течения теплоносителей был турбулентным. Рассчитаем требуемую для этого скорость и число труб теплообменника:

Здесь м - коэффициент вязкости воды при ее средней температуре, равная 0,94·10 ^-3 Па·с, с - плотность воды, d - диаметр труб теплообменника, равный 21 мм.

м

Число труб:

Условиям n < 32,7 и F < 87,3 м² удовлетворяют согласно таблице 4.12 [1,с.215] несколько теплообменников:

1. Двухходовый теплообменник с числом труб на один ход трубного пространства n =28 (общее число труб 56), наружный диаметр кожуха D=325 мм;

2. Шестиходовой теплообменник с числом труб 196 (на один ход - 32,6), с внутренним диаметром кожуха 600 мм

3.Одноходовый теплообменник с числом труб n = 13, внутренний диаметр кожуха D=159 мм;

Рассчитаем их

Двухходовой теплообменник

Коэффициент теплоотдачи для воды

Уточняем значение для критерия Re₂:

Критерий Прандтля для воды при t₂ = 23 ⁰С:

Нахождение коэффициента теплопроводности воды при t₂ = 23 ⁰С

С₁ = 4 229 Дж/кг [7]

л_в = 0,657 Дж/(м·К) [7]

Критерий Нуссельта для воды



Отношение принято равным 1,01 (с последующей проверкой).

Таким образом, коэффициент теплоотдачи:

4. Коэффициент теплоотдачи при конденсации ацетона

теплообменник конденсация ацетон

Расчет осуществляем приближенно (без учета влияния поперечных перегородок) по формуле:

Известно, n = 56, поэтому используем зависимость:

Где е - коэффициент, для шахматного расположения труб в пучке и при числе рядов труб по вертикали n_B = 10 (табл. 4.12) е = 0,65 (рис.4.7), В_t = 1105 (табл. 4.6),[1, с.162].

Задаемся длиной труб (по табл. 4.12) L = 3. Имеем:

Вт/(м²·К)

Термическое сопротивление равно:

Коэффициент теплопередачи

K = 909 Вт/м²

Поверхностная плотность теплового потока равна:

Проверим принятое значение

Для этого определим:

t_{cт 2} = t₂ + Дt₂ = 30 + 9,47 = 39,47 ⁰С

Так как проверка принятого значения при t_{cт 2}= 39,47⁰С

Средняя удельная теплоёмкость воды при t_{cт 2} = 53,31 ⁰С равна:

С_в = 4 133 Дж/(кг·К) [7]

Вязкость воды равна 0,6·10^-3 Па·с [7]

Теплопроводность воды равна 0,486 Дж/(м·ч·К) [7]

Следовательно,

Было принято

Разница составляет менее 2% - расчет завершен

Определение расчетной площади поверхности теплообмена

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

Расчетным диаметром при определении поверхности труб следует принять

d₂ = 0.021м.

Аппарат с L = 3м имеет площадь поверхности теплообмена:

F = р•d₂•n•L = 3,1416•0,021•56•3 = 11,08 м²

Сопоставление расчетной площади поверхности теплообмена с площадью поверхности выбранного теплообменника

Запас площади поверхности теплообмена:

Площадь теплообменника недостаточна для данного процесса. Для его проведения потребуется три аппарата.

Шестиходовый теплообменник

Коэффициент теплоотдачи для смеси

Уточняем значение для критерия Re₂:

Критерий Прандтля для воды при t₂ = 63 ⁰С:

Критерий Нуссельта для воды

Коэффициенты теплопроводности смеси и воды t₂ = 23 ⁰С



Отношение принято равным 1,01 (с последующей проверкой).

Таким образом, коэффициент теплоотдачи:

Коэффициент теплоотдачи при конденсации ацетона

Расчет осуществляем приближенно (без учета влияния поперечных перегородок) по формуле:

Известно, n = 196, поэтому используем зависимость:

Где е - коэффициент, для шахматного расположения труб в пучке и при числе рядов труб по вертикали n_B = 10 (табл. 4.12) е = 0,65 (рис.4.7), В_t = 1105 (табл. 4.6),[1, с.162].

Задаемся длиной труб (по табл. 4.12) L = 3. Имеем:

Вт/(м²·К)

Термическое сопротивление равно:

Коэффициент теплопередачи

K = 1000 Вт/м²

Поверхностная плотность теплового потока равна:

Проверим принятое значение

Для этого определим:

t_{cт 2} = t₂ + Дt₂ = 30 + 6,86 = 36,86 ⁰С

Так как проверка принятого значения при t_{cт 2}= 36,86⁰С

Средняя удельная теплоёмкость воды при t_{cт 2} = 36,86 ⁰С равна:

С_в = 4 133 Дж/(кг·К) [7]

Вязкость воды равна 0,6·10^-3 Па·с

Теплопроводность воды равна 0,486 Дж/(м·ч·К)

Следовательно,

Было принято

Разница составляет менее 2% - расчет завершен

Определение расчетной площади поверхности теплообмена

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

м²

Расчетным диаметром при определении поверхности труб следует принять

d₂ = 0.021м.

Аппарат с L = 2 м имеет площадь поверхности теплообмена:

F = р•d₂•n•L = 3,1416•0,021•196•2 = 25,87 м²

Сопоставление расчетной площади поверхности теплообмена с площадью поверхности выбранного теплообменника

Запас площади поверхности теплообмена:

Запас площади теплообмена достаточен. Расчет одноходового теплообменника не имеет смысла ввиду его маленькой площади, поэтому в следующей части будет проведен расчет гидравлического сопротивления для шестиходового теплообменника.

5. Расчет гидравлических сопротивлений

Шестиходовой теплообменник

Определим t_ст2 :

Определяем t_ст1 :

Расчет гидравлического сопротивления кожухотрубчатых теплообменников производится по формулам, приведенным ниже.

Скорость жидкости в трубах:

Коэффициент трения рассчитывается по формуле:

Где д - высота выступов шероховатостей (принимаем д = 0,2 • 10 ^-3 м)

Диаметр штуцеров к распределительной камере d_тр.ш = 0,1 м. (таб. II.8.)

Скорость бензол - толуола в штуцерах:

В трубном пространстве местные сопротивления: вход в камеру и выход из неё, поворот на 180⁰ и по два раза вход в трубы и выход из них.

Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:

Механические расчеты основных узлов и деталей химических аппаратов, расчет толщины обечаек

Толщину тонкостенных обечаек, работающих под внутренним избыточным давлением р (в МПа), следует рассчитать по формуле:

где D - наружный или внутренний диаметр обечайки, м

у_д - допускаемое напряжение на растяжение для материала обечайки, МН/м² (рис. IV. 1)

Коэффициент ц учитывает ослабление обечайки из-за сварного шва и наличия неукреплённых отверстий. При отсутствии неукреплённых отверстий ц = ц_ш, причём для стальных обечаек принимают ц_ш = 0,7 - 1,0, в зависимости от типа сварного шва.

Нагрев производится насыщенным водяным паром при абсолютном давлении 0,3 МПа и температуре 133,9 ⁰С. Внутренний диаметр обечайки

D_в = 0,4 м, отверстия в обечайки укреплённые, сварной шов - стыковой двусторонний (ц_ш = 0,95) допускаемое напряжение для стали марки Х18Н10Т при 140 ⁰С равно у_д = 139 МН/м².

Толщина обечайки с учётом запаса на коррозию и округления равна:

Проверим условие:

Расчет толщины тепловой изоляции

Толщину тепловой изоляции д_и находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду.

б_в - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м² К):

Примем t_ст2 = 53 ⁰С

t_ст1 = t_г1 = 45 ⁰С.

t_в = 20 ⁰С - температура окружающей среды (воздуха).

л_в - коэффициент теплопроводности изоляционного материала.

Выбираем в качестве материала для тепловой изоляции совелит (85% магнезии + 15% асбеста), имеющий л_в = 0,09 Вт/(м К)

Рассчитаем толщину тепловой изоляции:

Вывод

Целью данной курсовой работы было подобрать теплообменник для конденсации смеси ацетон-вода, состава 98% массовых ацетона, 2% массовых бензола, образующейся в аппарат после ректификации. Были рассмотрены несколько вариантов подходящих по площади поверхности и по числу труб, обеспечивающих объёмный расход при турбулентном течении жидкости, теплообменников. Двухходовой и одноходовой теплообменники имеют недостаточную площадь поверхности теплообмена. Шестиходовой является наиболее подходящим, но для обеспечения необходимой площади поверхности их требуется два.

Таким образом, поставленная задача решается применением шестиходового кожухотрубчатого теплообменника принимаемого с учётом всех факторов (гидравлического сопротивления, площади пощади поверхности теплообмена, металлоёмкости, окончательной цены аппарата).

Список использованных источников

Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1976, 552 с.

Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973, 750 с.

Справочник химика. - М. -Л.: Госхимиздат, 1963, Т.1, 1071 с.

Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование. - М.: Химия, 1974, 270 с.

Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: учебник: в 2 кн. / В. Г. Айнштейн, М. К. Захаров, Г. А. Носков и др. Под ред. В. Г. Айнштейна. М.: Логос; Высшая школа, 2003.

Определение теплофизических свойств газов, жидкостей и водных растворов веществ: методические указания./ Шадрина Е.М., Волкова Г.В. Иваново.: ИВХТУ, 2009.

Размещено на Allbest.ru