Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание на проектирование

Рассчитать и спроектировать теплообменник для подогрева раствора NaOH перед выпариванием. Раствор с С=15%массовых долей NaOH поступает в количестве 10 м3/час. Начальная температура 15⁰С, конечная температура равна температуре кипения NaOH. Нагрев производится водяным паром при р=3 атм.

Содержание

Введение

1. Расчет тепловой нагрузки

2. Ориентировочный выбор теплообменника

3. Определение коэффициента теплоотдачи для бензол - толуола

4. Определение коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб

5. Определение коэффициента теплопередачи

6. Сопоставление расчетной площади поверхности теплообмена с площадью поверхности выбранного теплообменника

7. Составление схемы процесса теплопередачи

8. Расчёт гидравлического сопротивления

9. Механические расчеты основных узлов и деталей химических аппаратов. Расчет толщины обечаек

10. Расчёт тепловой изоляции

Вывод

Список использованных источников

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.



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.

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.

1. Расчет тепловой нагрузки

Принимаем для межтрубного пространства индекс «1», для трубного- «2».

Температура конденсации водяного пара t_конд= 139,5 ⁰С

Температура кипения NaOH по табл. XXXVI =108 ⁰С

Температурная схема:

Средняя разность температур:

Средняя температура NaOH:

t₂ = t₁- Дt_ср

t₂ = 139,5 ⁰С - 68 ⁰С = 71,5 ⁰С

Расход NaOH:



где -плотность NaOH при t₂ = 71,5 ⁰С (табл. IV)

Расход теплоты на нагрев NaOH:

где -удельная теплоемкость NaOH при t₂ = 71,5 ⁰С (табл.LII)

Расход сухого греющего пара с учётом 7% потерь теплоты:

Где - удельная теплота конденсации водяного пара (табл. LVII)

где -плотность водяного пара (табл. LVII)

Ориентировочно определяю максимальную величину площади поверхности теплообмена. По табл. 4.8 минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося водяного пара к органическим жидкостям (подогреватели К_мин = 800 Вт/(м²*К)). При этом:



2. Ориентировочный выбор теплообменника

Из величины следует, что проектируемый теплообменник типа «труба в трубе».

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаюсь подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Смесь направлю в трубное пространство, так как он даёт загрязнение, водяной пар - в межтрубное пространство.

В теплообменных трубах Ш25 х 2 мм холодильников по ГОСТ 15120-79 скорость течения NaOH при Re₂ > 10 000 должна быть более:

Где динамического коэффициента вязкости NaOH при t₂ = 71,5 ⁰С равен Па*с (табл. LI).

Проходное сечение трубного пространства при этом должно быть:

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

Теплообменник наименьшего диаметра 159 мм с числом труб 13 имеет (табл.4.12). Следовательно, турбулентное течение NaOH можно обеспечить в аппарате с наименьшим сечением трубного пространства, т.е. в теплообменнике «труба в трубе».

3. Коэффициент теплоотдачи для бензол - толуола

Уточняю значение для критерия Re₂:

Критерий Прандтля для бензол-толуола при t₂ = 70 ⁰С:

Нахождение коэффициента теплопроводности бензол-толуола при t₂ = 70 ⁰С



коэффициенты теплопроводности бензола и толуола при t₂ = 70 ⁰С (рис. X)

Критерий Нуссельта для бензол-толуола:

Отношение принято равным 1,05 (с последующей проверкой).

Таким образом,



4. Определение коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб

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

б₁ = б_ср =

Известно, что и n = 206 , поэтому использую зависимость:

Где е - коэффициент, для шахматного расположения труб в пучке и при числе рядов труб по вертикали n_B = 14 (табл. 4.12) е = 0,62 (рис.4.7), В_t = 1105 (табл. 4.6).

Задаюсь длиной труб (по табл. 4.12) L = 2м. Имею:

5. Определение коэффициента теплопередачи

Принимаю тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара

,

со стороны бензол - толуола (табл. XXXI).

Коэффициент теплопроводности стали (табл. XXVIII).

Термическое сопротивление стенки и загрязнений определяются по формуле:



Коэффициент теплопередачи равен:

Поверхностная плотность теплового потока равна:

Проверяю принятое значение . Определяю:



? 35 ⁰С

t_{cт 2} = t₂ + Дt₂ = 70 + 35 = 105 ⁰С

Средняя удельная теплоёмкость бензол-толуола при t_{cт 2} = 105 ⁰С равна:

Средние удельные теплоёмкости бензола и толуола при t_{cт 2} = 105 ⁰С (рис. XI)

Нахождение динамического коэффициента вязкости бензол-толуола при t_ст2 = 105 ⁰С



-

динамические коэффициенты вязкости бензола и толуола при t_ст2 = 105 ⁰С (табл. IX)

Нахождение коэффициента теплопроводности бензол-толуола при t_ст2 = 105 ⁰С

коэффициенты теплопроводности бензола и толуола при t_ст2 = 105 ⁰С (рис. X)

Следовательно,

= 1,043

Было принято = 1,05.

Разница ~ 0,7 %. Расчет К закончен.

6. Сопоставление расчетной площади поверхности теплообмена с площадью поверхности выбранного теплообменника

Определение расчетной площади поверхности теплообмена

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

Коэффициент теплоотдачи б₁ = 14970 >> б₂ =789,92 Вт/(м² •K), поэтому расчетным диаметром при определении поверхности труб следует принять

d₂ = 0.021м.

Аппарат с L = 2м имеет площадь поверхности теплообмена:

F = р•d₂•n•L = 3,14•0,021•196•2 = 25,85 м²

Запас площади поверхности теплообмена:

Запас площади поверхности теплообмена достаточен.

Принимаю один шестиходовый кожухотрубчатый теплообменник с внутренним диаметром кожуха 600 мм, числом труб 32,67/196 и длиной труб

L = 2 м.

Ввиду того, что общая разность температур Дt_cp = 63.4 К не близка к допускаемой разности (t_k - t_н)_макс = 40 К (табл. XXXV), принимаю аппарат типа ТК.

Определяю t_ст2 :

Определяю t_ст1 :

7. Составление схемы процесса теплопередачи

Схема процесса теплопередачи изображена на рис. 3.

рис. 3

8. Расчёт гидравлического сопротивления

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

Скорость жидкости в трубах:

Коэффициент трения рассчитывается по формуле:

Где Д - высота выступов шероховатостей (принимаю 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, пять поворотов на 180⁰ и по шесть раз вход в трубы и выход из них.

Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:



9. Механические расчеты основных узлов и деталей химических аппаратов. Расчет толщины обечаек

Главным составным элементом корпуса большинства химических аппаратов является обечайка. В химическом аппаратостроении наиболее распространены цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления, рациональным расходом материала и достаточной прочностью. Цилиндрические обечайки из стали, сплавов из основы цветных металлов и других пластичных материалов при избыточном давлении среды в аппарате до 10 МПа изготавливают вальцовкой листов с последующей сваркой стыков.

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

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.

Определю толщину стенки сварной цилиндрической обечайки корпуса шестиходового кожухотрубчатого теплообменника при следующих данных: материал обечайки - сталь марки Х18Н10Т, коррозионная проницаемость П ? 0,1 мм/год запас на коррозию С_к определяется:

Где ф_а - амортизационный срок службы аппарата (можно принять ф_а = 10 лет)

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

D_в = 0,6 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:

Проверю условие:

- верно.

10. Расчет толщины тепловой изоляции

теплообменник изопропиловый спирт ректификация

Нагреваемые объекты, оборудование и коммуникации нагревающих установок, работающих при температурах выше температуры среды, покрывают тепловой изоляцией.

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):

t_ст2 - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов, работающих в закрытом помещении, выбирается в интервале 35 - 45 ⁰С. Выбираю t_ст2 = 40 ⁰С

t_ст1 - температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительности термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции t_ст1 принимаю равной температуре греющего пара t_г1;

То есть t_ст1 = t_г1 = 133,9 ⁰С.

t_в = 23 ⁰С - температура окружающей среды (воздуха).

л_в - коэффициент теплопроводности изоляционного материала.

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

Рассчитаю толщину тепловой изоляции:

Вывод

В данной курсовой работе проведён расчёт и подобран теплообменник для охлаждения раствора изопропилового спирта и воды, поступающего в аппарат перед ректификацией. Установлен наиболее подходящий вариант теплообменника.

Поставленная задача решается применением одноходового кожухотрубчатого теплообменника принимаемого с учётом всех факторов (гидравлического сопротивления, площади поверхности теплообмена, металлоёмкости, окончательной цены аппарата).

Но наиболее полно оптимизировать весь технологический процесс можно, если рассматривать отдельные его стадии (конденсация, ректификация и т.п.) не отдельно друг от друга, а считая их единым целым. В результате, сложность вычислений заметно усложняется, но применение ЭВМ позволяет и в этом случае оптимизировать технологический процесс.

Список использованных источников

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

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

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

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

5. 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