Проект системы подогрева 10% раствора NaОН водяным паром

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Описание технологической схемы

2. Технологический расчет теплообменного аппарата

2.1 Расчет тепловой нагрузки (теплового баланса)

2.2 Расчет производительности по хладагенту

2.3 Расчет средней температуры потока

2.4 Расчет среднелогарифмической разности температур

2.5 Расчет объемного расхода хладагента и теплоносителя

2.6 Ориентировочный выбор теплообменного аппарата

2.7 Расчет ориентировочной поверхности теплообмена

2.8 Расчет коэффициента теплоотдачи

2.9 Расчет коэффициента теплопередачи

2.10 Расчет требуемой поверхности теплообмена

2.11 Расчет гидравличского сопротивления теплообменного аппарата

3. Проверочный расчет теплообменного аппарата

Заключение

Библиографический список

Введение

Кожухотрубный теплообменник является наиболее распространенным аппаратом вследствие компактного размещения большой теплопередающей поверхности в единице объема аппарата. Поверхность теплообмена в нем образуется пучком параллельно расположенных трубок концы, которых закреплены в двух трубных досках (решетках). Трубки заключены в цилиндрический кожух, приваренный к трубным доскам или соединенный с ними фланцами. К трубным решеткам крепятся на болтах распределительные головки, что позволяет легко снять их и произвести чистку трубок или в случае необходимости заменить новыми. Для подачи и отбора теплообменивающихся сред в аппарате имеются штуцера. В целях предупреждения смешения сред трубки закрепляются в решетах чаще всего развальцовкой, сваркой или реже для предупреждения термических напряжений с помощью сальников. Преимущества проведения процессов теплообмена по принципу противотока, что обычно и выполняется в кожухотрубных теплообменных аппаратах. При этом охлаждаемую среду можно направить сверху вниз, а нагреваемую на встречу ей, или наоборот.

Выбор, какую среду направить в межтрубное пространство, и какую внутрь трубок, решается сопоставлением ряда условий:

ь среду с наименьшим значением следует направлять в трубки для увеличения скорости ее движения, и, следовательно, для увеличения ее коэффициента теплоотдачи;

ь внутреннюю поверхность трубок легче чистить от загрязнений, поэтому теплоноситель, который может загрязнять теплопередающую поверхность, следует направлять в трубки;

ь среду под высоким давлением целесообразно направлять в трубки, опасность разрыва которых меньше по сравнению с кожухом;

ь среду с очень высокой или, наоборот с низкой температурой лучше подавать в трубки для уменьшения потерь тепла в окружающую среду.

Работу кожухотрубных теплообменников можно интенсифицировать, применяя трубы малого диаметра. Необходимо иметь в виду, что при уменьшении диаметра труб увеличивается гидравлическое сопротивление теплообменника.

Наиболее простой путь обеспечения высоких скоростей состоит в устройстве многоходовых теплообменников. Число ходов в трубном пространстве может доходить до 8 - 12. При этом часто не удается сохранить принцип противотока. Наличие смешанного тока буден несколько снижать движущую силу процесса теплопередачи, что соответственно снизит эффективность работы. С помощью перегородок увеличивается скорость движения той среды, у которой меньше значение коэффициента теплоотдачи. Следует иметь в виду, что в длинных, особенно в многоходовых, теплообменниках уменьшается смешение поступающей среды со всем ее количеством, находящемся в аппарате, и этим предупреждается возможное дополнительное уменьшение средней разности температур.

В кожухотрубных теплообменниках при большой разности температур между средами возникают значительные термические напряжения, особенно в момент пуска или остановки аппарата, вызванные различным удлинением трубок и кожуха под воздействием различных температур. Во избежание возникновения таких напряжений используются следующие меры:

Установка в корпусе аппарата линзового компрессора.

Установка в теплообменнике только одной трубной решетки, в которой закреплены трубки U - образной формы.

Устройство теплообменников с «плавающей головкой».

Закрепление трубок в одной из трубных решеток с помощью сальников.

Сальниковое соединение трубной решетки с кожухом.

В данном курсовом проекте будут рассмотрены и проведены тепловые, гидравлические расчеты для системы нагрева 10% NaOH производительностью 20000 кг/ч, а также подбор насоса для подачи воды в теплообменный аппарат.

1. Описание технологической схемы

Алкилбензосульфонаты в промышленности производят сульфированием нефтяных фракций, содержащих алкилбензолы и другие алкилароматические углеводороды, а также сульфирующиеся при окислении парафинов в присутствии борной кислоты.

Сульфирование первичных спиртов проводят 98% H₂SO₄ при 30-50⁰С при перемешивании. В реакто-сульфатор Р-1 с мешалкой и охлаждающим змеевиком подают 98% H₂SO₄ из емкости Е-1 через мерник М-1. Первичный спирт подают в реактор Р-1 из емкости Е-2 через мерник М-2.

Реакцию продолжают в течении нескольких часов и считают законченной, если проба сульфомассы полностью растворяется в воде.

После первого реактора продукты направляются на нейтрализацию в ректор Р-2, в котором осуществляется нейтрализация. Нейтрализация осуществляется 10-40 % NaOH, который нагревается в теплообменнике Т-1 до 40-60⁰С и через мерник М-3 подается в реактор Р-2. Помимо NaOH на нейтрализацию подается NaOCl.

Газообразные продукты реакции направляются в абсорбер. [4]

2. Технологический расчет теплообменного аппарата

гидравлический расчет нагрев теплообменный аппарат

Горячий раствор (водяной пар) охлаждается от t_1н=100⁰С до t_1к=35⁰С. Начальная температура хладагента (10% NaОН) t_2н=25⁰С, конечная температура хладагента - t_2к=40⁰С. Производительность составляет 2010³ кг/час (5,5556 кг/с). Оба раствора - коррозионно-активные жидкости.

2.1 Расчет тепловой нагрузки (теплового баланса)

Тепловой расчет начинается с определения тепловой нагрузки аппарата и расхода охлаждающего теплоносителя. Тепловой нагрузкой называется количество тепла, переданное от горячего теплоносителя к холодному.

Таким образом:

(2.1)

Тепловой баланс в общем виде можно записать в виде равенства:

(2.2)

(2.3)

В курсовой проекте рассматриваем теплообменник подогреватель, в котором нагрев одного из теплоносителей происходит за счет конденсации греющего водяного насыщенного пара:

(2.4)

где G₁ - производительность теплообменного аппарата по водяному пару, кг/с; с₁ - удельная теплоемкость водяного пара, Дж/(кг·К).

Подставив табличные данные в уравнение (2.4) получаем:

2.2 Расчет производительности по хладагенту

Зная тепловую нагрузку теплового аппарата через уравнение (2.1) и (2.3) найдем производительность по 10% NaOH:

где с₂ - удельная теплоемкость 10% NaOH, Дж/(кг·К).

Тогда:

2.3 Расчет средней температуры потока

Расчет температурного режима теплообменного аппарата состоит из определения средней разности температур t ср, вычисления средних температур рабочих сред, а также определения температуры стенок аппарата.

Предварительно найдем средние температуры охлаждаемого потока и пара:

- средняя температура водяного пара:

- средняя температура 10% NaOH:



Водяной пар при средней температуре t₁=67,5⁰С имеет следующие физико-химические характеристики: ₁=977,8 кг/м³ [7, с. 879]; ₁=0,6620 Вт/(мК) [7, с. 930]; ₁=0,0005 Пас [2, с. 98]; с₁=4190 Дж/(кгК) [2, с. 516].

10% NaОН при средней температуре t₁=32,5⁰С имеет следующие физико-химические характеристики: ₂=1104 кг/м³ [5, с. 98]; ₂= 0,6420 Вт/(мК) [5, с. 337]; ₂=0,00147 Пас [5, с. 175]; с₂=3793 Дж/(кгК) [5, с. 253].

2.4 Расчет среднелогарифмической разности температур

Расчет температурного режима теплообменного аппарата состоит из определения средней разности температур t ср, вычисления средних температур рабочих сред, а также определения температуры стенок аппарата.

Взаимное направление потоков и разность температур определяем по схеме:

100 ⁰С 35 ⁰С

40 ⁰С 25 ⁰С

t₁ = 65⁰С t₂ = 15⁰С.

Среднелогарифмическую разность находим по уравнению:

2.5 Расчет объемного расхода хладагента и теплоносителя

2.6 Ориентировочный выбор теплообменного аппарата

Вопрос о том, какой из потоков направить в трубное пространство, обусловлен его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхность теплообмена, расходом и так далее. В рассматриваемом курсовом проекте в трубное пространство с меньшим проходным сечением целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом, то есть горячий раствор (вода). Это позволит выровнять скорости движения теплоносителей и соответствующие коэффициенты теплопередачи, увеличивая таким образом коэффициент теплопередачи. Кроме того, направляя поток холодной жидкости (10% NaОН) в межтрубное пространство, можно отказаться от теплоизоляции кожуха теплообменника.

Примем ориентировочное значение Re_1ор=15000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения жидкости в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся не один ход, равно:

для труб диаметром d_н=202 мм

для труб диаметром d_н=252 мм

2.7 Расчет ориентировочной поверхности теплообмена

Так как свойства теплоносителя мало отличаются от свойств воды, примем минимальное ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению жидкости для случая теплообмена между жидкостями К_ор=750 Вт/(м²К). При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:

Как видно справочных данных, теплообменники с близкой поверхностью имеют диаметр кожуха 600 мм и число заходов - 6; диаметр кожуха 800 мм и число заходов - 4 и 6.

По справочным данным [1. с. 51] выбираем ряд теплообменных аппаратов, площадь поверхности которых сопоставима с ориентировочной площадью поверхности теплообмена:

1. S=60 м²; D=600 мм; d_н=20х2 мм; z=6; n/z=316/6=52,6667

2. S=63 м²; D=800 мм; d_н=25х2 мм; z=4; n/z=404/4=101

3. S=78 м²; D=800 мм; d_н=20х2 мм; z=6; n/z=618/6=103

Как видно из расчетных данных, из теплообменников с близкой поверхностью теплообмена только аппарат D=600 мм; d_н=20х2 мм имеет соответствующее соотношение количестве труб на один ход аппарата.

В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых, вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей. Поправку для среднелогарифмической разности температур определим по уравнению:

(2.10)

Где

(2.11)

(2.12)

(2.13)

Подставив значения уравнений (2.11) - (2.13) в (2.10), поучим:

С учетом поправки среднелогарифмическая разность температур составит:

. (2.14)

С учетом поправки ориентировочная поверхность теплообмена составит:



С запасом 10% поверхность теплообмена составит:

(2.15)

2.8 Расчет коэффициента теплоотдачи

Коэффициент теплопередачи () является количественной величиной, и зависит от коэффициентов теплоотдачи, термического сопротивления стенки и загрязнений.

Рассмотрим трубное пространство теплообменного аппарата. Рассчитаем для него критерии Re, Pr и Gr.

Критерий Рейнольдса и Прандтля для воды, находящегося в трубном пространстве теплообменника:

(2.16)

. (2.17)

Рис. 2.1. Схема теплоотдачи

Рассчитаем критерий Нуссельта для развитого турбулентного движения жидкости по трубам:

(2.18)

Поправкой (Pr/Pr_ст)^0,25 можно пренебречь, так как разность температур t₁ и t_ст1 не велика.

Тогда скорость течения горячего потока составит:

(м/с). (2.19)

Тогда проходное сечение трубного пространства должно быть не менее:

(м²). (2.20)

Рассчитаем критерий Грастгофа:

, ( 2.21)

где

Тогда коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам, составит:

 (Вт/(м²К)). (2.22)

Рассмотрим межтрубное пространство теплообменного аппарата. Рассчитаем критерии Re, Pr и Gr.

Критерий Рейнольдса и Прандтля для 10% NaOH, находящегося в межтрубном пространстве теплообменника:

; (2.23)

. (2.24)

Рассчитаем критерий Нуссельта для развитого турбулентного движения жидкости между трубами:

(2.25)

Поправкой (Pr/Pr_ст)^0,25 можно пренебречь, так как разность температур t₁ и t_ст1 не велика.

Тогда скорость течения холодного потока составит:

(м/с). (2.26)

Тогда коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся между трубами, составит:

 (Вт/(м²К)). (2.27)

2.9 Расчет коэффициента теплопередачи

Оба теплоносителя - мало концентрированные водные растворы; поэтому, примем термические сопротивления загрязнений одинаковыми, равными r_загр1=r_загр2=1/2900 м2хК/Вт. Повышенная коррозионная активность этих жидкостей диктует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной лст=17,5 Вт/(м·К).

Сумма термических сопротивлений и стенки равна:

(м²К/Вт). (2.28)

Тогда коэффициент теплопередачи составит:

2.10 Расчет требуемой поверхности теплообмена

Зная коэффициент теплопередачи, вычислим требуемую поверхность теплообмена:

(м²). (2.30)

По справочным данным [1. с. 51] выбираем теплообменный аппарат, площадь поверхности которого сопоставима с ориентировочной площадью поверхности теплообмена с учетом коэффициента теплопередачи. Кроме того, принимая во внимание принятое ранее решение, о том, что аппарат D=600 мм; d_н=20х2 мм имеет соответствующее соотношение количестве труб на один ход аппарата, выбираем теплообменный аппарат со следующими характеристиками: S=97 м²; D=600 мм; d_н=20х2 мм; z=4; n=206; l=6000 мм.

Запас поверхности теплообмена составит:

. (2.31)

2.11 Расчет гидравлического сопротивления теплообменного аппарата

Скорость жидкости в трубах составит:

(м/с). (2.32)

Коэффициент трения рассчитываем по формуле:

, (2.33)

где

(2.34)

Скорость потока в штуцерах распределительной камеры равен:

(м/с), (2.35)

где d_шт=0,2000 м - стандартный диаметр для штуцеров.

Тогда гидравлическое сопротивление трубного пространства составит:

Скорость жидкости в штуцере (в кожух) равно:

(2.37)

где d_шт=0,2500 м - стандартный диаметр для штуцеров.

Скорость жидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства:

. (2.38)

Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства:

(Па). (2.39)

3. Поверочный расчет теплообменного аппарата

Так как среднюю движущую силу при двух неизвестных температурах заранее определить нельзя, проверочный расчет будет произведен через преобразование системы уравнений теплового баланса и теплопередачи, в зависимость между эффективностью теплопередачи и числом единиц переноса. Эффективность теплопередачи представляет собой безразмерное изменение температуры холодного теплоносителя, отнесенное к максимальному температурному перепаду в теплообменнике:

; (3.1)

, (3.2)

где

Число единиц переноса:

; (3.3)

. (3.4)

При противотоке:

(3.5)

Конечные температуры теплоносителей определяют по найденным эффективностям:

; (3.6)

. (3.7)

Поверочный расчет показал, что конечная температура теплоносителя и хладагента соответствуют заявленным при проектирования; следовательно, рассчитанный теплообменник удовлетворяет технологическим требованиям.

Заключение

В данном курсовом проекте проведены тепловые и гидравлические расчеты.

Был рассчитан теплообменный аппарат со следующими параметрами: «кожухотрубный» S=97 м²; D=600 мм; d_н=20х2 мм; z=4; n=206; l=6000 мм. (ГОСТ 15122-79).

Рассчитанный теплообменный аппарат имеет следующую маркировку по ТУ 3612-023-00220302-01:

600Т-0,3-М1/25-6-Т

где

600 - диаметр кожуха (от 325 до 1400), мм; (с площадью поверхности теплообмена до 97м2);

T - теплообменник с трубным пучком;

0,3 - давление в кожухе, (от 0,1 до 6,3) МПа;

М1 - материальное исполнение -- ст3сп5;

25 - диаметр теплообменных труб, мм;

6 - длина труб, м;

Т - с теплообменными трубами, расположенными в решетке по вершинам равностороннего треугольника.

На основании данных расчетов курсового проекта составлена графическая часть:

1. Технологическая схема установки для подогрева 10% раствора NaОН с производительностью 20000 кг/ч.

2. Чертеж теплообменного аппарата «кожухотрубный» ГОСТ 15122-79 на формате А1.

3. Чертеж технологической схемы процесса на формате А3.

Таким образам, цель моего курсового проекта: разработка системы подогрева 10% раствора NaОН производительностью 5,5556 кг/с - достигнута.

Библиографический список

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского. 2-е изд., перераб. и дополн. М. Химия, 1991. - 496 с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А., «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии». Л.: Химия, 2004.

3. Романков П.Г., Курочкина М.И. Расчетные диаграммы и номограммы по курсу «Процессы и аппараты химической промышленности»: Учеб. пособие для техникумов. - Л.: Химия, 1985. - 56 с.

4. Белов П.С. Основы технологии нефтехимического синтеза: Учеб. пособие для техникумов. М.: Химия, 1986. - 327 с.

5. Зайцев И.Д., Асеев Г.Г. Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных растворов неорганических веществ. Справ. изд. - М.: Химия, 1988. - 416 с.

6. Справочник химика, Том 1. М.: Химия, 1966. - 1072 с.

Размещено на Allbest