Проектирование теплообменника для охлаждения изопропилового спирта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Введение

2. Задание на проектирование

3. Расчет тепловой нагрузки

4. Ориентировочный выбор теплообменника

4.1 Одноходовой теплообменник

4.2 Двухходовый теплообменник

5. Расчёт гидравлических сопротивлений. Механические расчеты основных узлов и деталей химических аппаратов. Расчет толщины обечаек. Расчёт тепловой изоляции

Вывод

Список использованных источников

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.

Рис.1 Схема ректификационной установки.

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.

2. Задание на проектирование

Рассчитать теплообменник для охлаждения изопропилового спирта от t_н = 75⁰С до t_к = 30⁰С. Расход спирта 15 м³/ч. Охлаждение производится водой t_н = 12⁰С, t_к = 23⁰С.

3. Расчет тепловой нагрузки

В трубы запустим изопропанол, в межтрубное пространство - воду. Трубному пространству присвоим индекс «1», межтрубному - индекс «2».

Составим температурную схему процесса:

Определим среднюю разность температур:

С

Средняя температура изопропанола:

Найдем плотность спирта при его средней температуре:

кг/м³ [2, номограмма 1.1]

Объемный расход изопропанола равен:

м³/с

Расход изопропанола:

кг/с

Удельная теплоемкость спирта при его средней температуре:

Дж/(кг·С)

Определим расход теплоты на охлаждение спирта:

Дж

Определим удельную теплоемкость воды при ее средней температуре (17,5⁰С):

кДж/кг

Расход воды с учетом 7%-х потерь составит:

кг/см

Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. По табл. 4.8 минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от воды к органическим жидкостям К_мин = 250 Вт/(м²·К).

м²

4. Ориентировочный выбор теплообменника

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей

В теплообменных трубах Ш25 х 2 мм холодильников по ГОСТ 15120-79 скорость спирта для обеспечения турбулентного режима при Re₂ > 10 000 должна быть более:

Найдем коэффициент вязкости для изопропанола:

Па·с [2, номограмма 2.2]

м/с

Число труб Ш25 х 2 мм, обеспечивающих объёмный расход спирта при Re₂ = 10 000:

Условиям n < 163 и F < 65,96 м² удовлетворяют согласно таблице 4.12 [1,с.215] несколько теплообменников:

1.Одноходовой теплообменник с числом труб 111 и внутренним сечением кожуха 400 мм.

2. Двухходовой теплообменник с числом труб 100 и внутренним сечением 400 мм.

4.1 Одноходовой теплообменник

Уточняем значение критерия Рейнольдса для теплообменника

Найдем коэффициент теплопроводности для изопропанола:

Дж/(м·ч·К)

Критерий Прандтля для спирта:

При турбулентном потоке (Re > 10 000) в прямых трубах и каналах для расчета критерия Нуссельта используется формула 4.17 [1, с. 152]:

Отношение было принято равным 1,01 с последующей проверкой. Коэффициент теплопередачи равен:

 Вт/(м²·К)

Скорость воды:

м/с

Критерий Рейнольдса для воды:

,

где 0,2 м - эквивалентный диаметр межтрубного пространства, равный 4F/П.

Найдем коэффициент теплопроводности для воды:

Дж/(м·ч·К)

Вязкость воды:

Па·с

Критерий Прандтля для воды:

При 3 500 < Re < 10 000 критерий Нуссельта определяется по графику 4.1 [1, c. 154].

Nu₂ = 95,14

Отношение было принято равным 1,01 с последующей проверкой. Коэффициент теплопередачи равен:



Вт/(м²·К), где 0,2 м - эквивалентный диаметр межтрубного пространства (4F/П)

Коэффициент теплопередачи

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны воды и изопропанола:

Вт/(м²·К)

Коэффициент теплопроводности стали (табл. XXVIII), [1,с.529].

л_ст = 46,5 Вт/(м·К)

Вт/(м²·К)

Вт/м²

Поверхностная плотность теплового потока равна:



Вт/м²

Проверим отношение .Для этого найдем

Определим теплоемкость и коэффициенты вязкости и теплопроводности изопропанола при 51⁰С:

[2, номограмма 4.2]

Па·с [2, номограмма 2.2]

Дж/кг [2, номограмма 3.1]

Критерий Прандтля для спирта:

Относительная ошибка расчета:

- менее 5%

Проверим это соотношение для воды. Примем температуру стенки 1 равной 15⁰С

Определим теплоемкость и коэффициенты вязкости и теплопроводности воды при 16,5⁰С:

[2, номограмма 4.2]

Па·с [2, номограмма 2.2]

Дж/кг [2, номограмма 3.1]

Критерий Прандтля для воды:

Относительная ошибка расчета:

- менее 5%, т.е. расчет можно считать завершенным

Определение расчетной площади поверхности теплообмена

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

м²

Теплообменник с трубами длиной 6 м имеет площадь теплообмена:

м²

Сопоставление расчетной площади поверхности теплообмена с площадью поверхности выбранного теплообменника

Запас площади поверхности теплообмена:

- запас площади одного теплообмена недостаточен, для двух теплообменников он составит 33%. Рассчитаем второй теплообменник (двухходовой)

4.2 Двухходовой теплообменник

теплообменник химический изопропиловый спирт

Уточняем значение критерия Рейнольдса для теплообменника

Найдем коэффициент теплопроводности для изопропанола:

Дж/(м·ч·К)

Критерий Прандтля для спирта:

Отношение было принято равным 1,01 с последующей проверкой. Коэффициент теплопередачи равен:

Вт/(м²·К)

Скорость воды:

м/с

Критерий Рейнольдса для воды:

Найдем коэффициент теплопроводности для воды:

Дж/(м·ч·К)

Вязкость воды:

Па·с

Критерий Прандтля для воды:

По графику определяем Nu₂ = 90,12

Отношение было принято равным 1,01 с последующей проверкой. Коэффициент теплопередачи равен:



Вт/(м²·К), где 0,1 м - эквивалентный диаметр межтрубного пространства (4F/П)

Коэффициент теплопередачи

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны воды и спирта:

Вт/(м²·К)

Коэффициент теплопроводности стали (табл. XXVIII), [1,с.529].

л_ст = 46,5 Вт/(м·К)

Вт/(м²·К)

Вт/м² - - коэффициент теплопередачи такого теплообменника не удовлетворяет условию К > 250, поэтому рассчитаем гидравлическое сопротивление для одноходового теплообменника, остающегося единственным применимым вариантом.

5. Расчет гидравлических сопротивлений

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

Скорость жидкости в трубах:

м

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.)

м/с

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.

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:

м

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 = 50 ⁰С

t_ст1 = t_г1 = 18 ⁰С.

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

л_в - коэффициент теплопроводности изоляционного материала.

Выбирем 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 охлаждения изопропилового спирта. Были рассмотрены несколько вариантов подходящих по площади поверхности и по числу труб, обеспечивающих объёмный расход при турбулентном течении жидкости, теплообменников. Одноходовой теплообменник имеет недостаточную площадь поверхности теплообмена, но двухходовой имеет еще меньшую площадь, а варианты с большим числом ходов не обеспечивают нужного значения коэффициента теплопередачи, что вынуждает к применению двух одноходовых теплообменников.

Таким образом, поставленная задача решается применением двух одноходовых кожухотрубчатых теплообменников.

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.

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

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.

Размещено на Allbest.ru