Расчет теплообменника ректификационной колонны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет теплообменника ректификационной колонны

Реферат

Представлен обзор литературы по вопросам теплообмена и конструкциям теплообменников.

Предложена технологическая схема разделения смеси бензол-толулол способом ректификации и конструкция теплообменника. Произведен технологический расчет теплообменника. Обоснован выбор конструкционного материала теплообменника. Рассчитан центробежний насос для передачи смеси бензол-толулол из емкости в ректификационную колону.

Пояснительная записка: с., рис., таблиц.

Содержание

теплообменник ректификационная колонна

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Рекуперативные теплообменные аппараты

1.2 Регенерационные теплообменные аппараты

1.3. Смешаные теплообменные аппараты

2.Описание технологической схемы

3. Расчетная часть теплообменного аппарат

3.1 Тепловой расчет теплообменника

3.2 Выбор теплообменника по каталогу

3.3.Расчет патрубков теплообменника

4.Расчет вспомогательного оборудования

5. Выбор конструкционного материала

7.Список использованных ГОСТов

Заключение

Список литературы

Введение

Наличие развитой химической индустрии является важнейшим признаком высокого уровня научно-технического и экономического развития страны.

Повышенное внимание к развитию этой отрасли объясняется не только ее возможностями в обеспечении материалами, но и спецификой задач, которые стоят перед экономикой Украины в условиях независимости.

Химическая индустрия Украины сегодня -- это многоотраслевой комплекс, который занимает значительное место в промышленном потенциале Украины. Достаточно сказать, что доля химической продукции в валовом внутреннем продукте, хотя и несколько уменьшилась в 1997 г. по сравнению с 1996 г., все же довольно значительна и составляет 6,1%. Стабильным является также уровень химической продукции в общем объеме промышленного производства -- 6,6%.

В течение последних трех лет химическая промышленность обрела определенную устойчивость к экономическому спаду производства в Украине. Об этом свидетельствует соотношение динамики объема производства отрасли и динамики ВВП Украины. Традиционна и высокая экспортабельность химической промышленности от 11 до 15% в экспортном товарообращении промышленности в 1996 1997 гг. С другой стороны, химическую промышленность Украины характеризует высокая концентрация производства, внутриотраслевая технологическая интеграция, разветвленная система межотраслевых и внешнеэкономических связей.

В 1990 г. в Украине производилось почти 20% продукции химического комплекса бывшего Союза, что свидетельствует о значительном потенциале химической промышленности Украины и который за последние годы существенно сократился.

Общие объемы производства химической продукции в 1991-1997 гг. уменьшились на 68.2%. Снижение производства в этот период произошло почти во всех подотраслях и по большинству видов основной химической продукции.

И все же динамика отраслевого производства в последние два года несколько улучшилась: прекратился обвальный спад объемов производства, в большинстве секторов появились первые признаки, хотя и депрессивной, но все же стабилизации. Если в 1995 г. индекс продукции химической и нефтехимической промышленности по данным Минстата составлял 91%, то в 1996 г. он возрос до 97%. В 1997 г. он достиг уровня 99,4% (а по химическим и нефтехимическим предприятиям Минпромполитики -- 99,9%), что свидетельствует о переходе отрасли от этапа спада клапу неустойчивой стабилизации.

На фоне продолжающегося спада объемов производства в ряде подотраслей (химические волокна и нити, синтетические красители, стеклопластики, бытовая химия, синтетические смолы и пластмассы) наблюдается определенный прирост объемов производства отУ/и до 40% в таких подотраслях как шины, аммиак, азотные и фосфорные удобрения, технический углерод и др. Постепенно выходят из кризиса производства «ниши» на внутреннем товарном рынке, ощущая постоянную торговую экспансию со стороны зарубежных конкурентов. Хроническая нестабильность продолжает определять состояние производства в большинстве секторов органического синтеза, целый ряд из которых разным причинам приостановил выпуск товарной продукции (соль АГ, капролактам, фталевый ангидрид и др.).

2.Технологическая схема

Рис.12 Технологическая схема ректификации

1 - колона ректификационная; 2 - теплообменник кипятильник; 3 - дефлегматор; 4.1, 4.2 - распределитель; 5 - теплообменник подогреватель;

6.1, 6.2 - теплообменник холодильник; 7.1, 7.2, 7.3 - емкость;

8.1,8.2, 8.3 - насос.

Технологическая схема (Рис. 12 ), представляет процесс ректификации бинарных смесей, в нашем случае смеси бензол - толуол. Смесь бензол - толуол из емкости 7.1 по трубопроводу С1 поступает через центробежный насос 8.1, через теплообменник - подогреватель где нагревается до температуры кипения толуола и поступает на верхнюю тарелку исчерпывающей части ректификационной колоны. После чего низкокипящая жидкость в виде пара через тарелки поступает в верхнюю часть колоны. Высококипящая жидкость конденсируется, при этом отдает свое тепло низкокипящей жидкости, которая осталась на тарелках колоны. Конденсат поступает в нижнюю часть колоны. С нижней части колоны жидкость (кубовый остаток) поступает в распределитель 4.2. Часть кубового остатка поступает в теплообменник - кипятильник 2, где нагревается до температуры кипения толуола и возвращается обратно в нижнюю часть колоны. На тарелках колоны происходит смешивания конденсата с паром толуола. Высококипящая жидкость конденсируется, отдавая теплоту остатку низкокипящей жидкости, что производит к ее испарению. Другая часть кубового остатка по трубопроводу К1 поступает по межтрубному пространству в горизонтальный теплообменник - холодильник 6.2., где происходит отбор тепла. После теплообменника жидкость (толулол) поступает в емкость 7.2.

Из верхней части колоны пар бензола поступает в дефлегматор 3, где конденсирует за счет воды которая поступает в дефлегматор по трубопроводу В4. Конденсат бензола поступает в распределитель 4.1. Из распределителя часть жидкости (бензол) поступает обратно в верхнюю часть колоны для орошения паров (флегма). Остальная жидкость (дистиллят) с распределителя по трубопроводу D1 поступает в теплообменник - холодильник 6 по трубному пространству, где происходит отбор тепла водой, которая проходит с трубопровода В4 по межтрубному пространству теплообменника. После теплообменника жидкость (бензол) по трубопроводу D2 поступает в емкость 7.3.

3.Расчетная часть теплообменного аппарата

3.1 Тепловой расчет

Находим поверхность теплообмена с помощи уравнения теплопередачи [2.с.168]:

Для нахождения тепловой нагрузки аппарата Q составим уравнение теплового баланса процесса. Процесс идёт с изменением агрегатного состояния горячего теплоносителя, поэтому уравнение теплового баланса имеет вид:

=790875 Вт (3.2)

где: G - массовый расход теплоносителя, кг/с;

с - массовая теплоемкость;

- конечная температура смеси;

- начальная температура смеси.

Находим среднюю разность температур для прямоточного теплообменного аппарата:

Рис.13

 С⁰

С⁰

Так как разность большой и малой температур больше 2 среднюю температуру рассчитаем логарифмическим способом.

Находим коэффициент теплопередачи. Его можно рассчитать с помощи уравнения термических сопротивлений:

Вт/м²*К (3.4)

где: коэфициент теплоотдачи паров бензола, Вт/м²*К;

- коэффициент теплоотдачи воды, Вт/м²*К;

Найдем сумму термических сопротивлений.

где: - толщина стенки трубки теплообменника, м;

- теплопроводность материала стенки, Вт/м*К;

r₁ ,r₂ - термическое сопротивление слоев загрязнений с обоих сторон стенки,Вт/м²*К.

Материал трубочек теплообменника выбираю медь.

Находим коэффициент теплоотдачи для пара воды по формуле :

 (2.5)

где: - теплопроводность конденсата воды , Вт/м*К;

с- плотность конденсата воды, кг/м³;

g- Ускорение свободного падения, м/с;

µ- динамическая вязкость конденсата воды, Па*с;

-высота трубок, м;

удельная теплота парообразования кДж/кг.

= С⁰ (3.6)

где: - температура конденсации пара воды;

температура стенки.

Температура стенки на 20 С⁰ меньше температуры конденсации :

Длину трубок выбираем,=4 м.

Найдем коэффициент теплоотдачи для смеси с помощи критерия Нуссельта:

(3.7)

где: Nu - критерий Нуссельта;

- коэффициент теплопроводности смеси , Вт/м*К;

- эквивалентный диаметр трубочки, м.

Находим критерий Нуссельта по формуле :

 (3.8)

где: Re - критериальное уравнения Релйнольдса для смеси;

Pr - критерий Прандтля для смеси;

- поправочный коэффициент, зависящий от отношения длины к диаметру трубочки критерия Рейнольдса, :

Так как отношение длины к диаметру трубочки больше 50,=1

За счет небольшой разности температуры жидкости и температуры стенки:

Находим критериальное уравнения Релйнольдса для смеси бензол - толуол по формуле :

(3.9)

где : w- скорость жидкости смеси внутри трубки, м/с;

Скорость жидкости выбираем, w=0,5м/с;

- эквивалентный диаметр трубки, м;

_см- плотность смеси, кг/м³;

µ_см- динамическая вязкость смеси, Па*с.

Находим плотность смеси бензол - толуол по формуле

где: Х - массовая часть;

с - плотность, кг/м³.

Находим динамический коэффициент вязкость смеси по формуле :

Находим эквивалентный диаметр трубки, для круглых сечений он равен :

где: d - внутренний диаметр трубки, м.

Выбираю диаметр трубки , d=25*2 мм.

Рассчитаем критериальное уравнения Релйнольдса для смеси по формуле (3.9) :

=

Находим коэффициент теплопроводности смеси бензол - толуол по формуле для t=30⁰C

где: М - мольная масса смеси.

А - коэффициент, зависящий от степени ассоциации жидкости.

Для неассоциированных А=4.22*

Проведем уточненный расчет коэффициента теплопроводности для t=65⁰C по формуле .

где: е - температурный коэффициент, для бензол - толуола е=1.8*10^-3;

t - средняя температура смеси.

Находим мольную массу бензол - толуола:

Находим массовую теплоемкость смеси бензол - толуол

по формуле :

Рассчитаем критерий Прандля для смеси бензол - толуол по формуле (3.12)

Рассчитаем критерий Нуссельта по формуле (2.8):

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для воды формуле (3.7):

Рассчитаем коэффициент теплопередачи по формуле (3.4):

Вт/м²*К

Рассчитаем поверхность теплообмена по формуле (3.1):

Выбираю по ГОСТ 15118-79 поверхность теплообмена F=49 м².

3.2 Выбор теплообменника по каталогу

Выбираю теплообменник по поверхности теплообмена F=49 м² по ГОСТ 15118-78:

D_в- внутренний диаметр кожуха, D_в=600 мм;

D_н - наружный диаметр кожуха,D_н =600 мм;

d- диаметр трубочки, d=25*2 мм;

Общее число труб - 257 шт;

l - длина трубочек, L=4 м;

L - общая длина аппарата,L=4,95 м;

Площадь сечения потока, 10² м²:

- в вырезе перегородок - 4,0 м²;

- между перегородками - 5,3 м².

Площадь сечения одного хода по трубам - 7,8 м².

Масса теплообменного аппарата - не более 2480 кг.

3.3 Расчет патрубков теплообменника

Рассчитаем патрубок для входа в трубное пространство теплообменника смеси бензол - толуол, при t=20 C⁰, через площадь поперечного сечения.

Рассчитаем площадь патрубка по формуле:

, м² (3.16)

Где: V- объемная затрата, ;

W - скорость воды, .

Рассчитаем объемную затрату по формуле :

Где: G- массовая затрата, ;

с- плотность смеси, кг/м³.

Найдем площадь патрубка по формуле (3.16):

Рассчитаем диаметр патрубка по формуле :

(3.18)

Выбираю диаметр патрубка d=120*4,5 мм.

Рассчитаем патрубок для выхода смеси из теплообменника при t=112,9 C⁰.

Рассчитаем объемную затрату по формуле (3.17):

Рассчитаем площадь патрубка по формуле (3.16):

Рассчитаем диаметр патрубка по формуле (3.18)

Выбираю диаметр патрубка d=120*4,5 мм.

Рассчитаем патрубок для входа в межтрубное пространство пара воды.

Рассчитаем объемную затрату для пара по формуле

(3.19)

Рассчитаем объемную затрату для пара воды по формуле (3.17):

Рассчитаем площадь патрубка по формуле (3.16):

Рассчитаем диаметр патрубка по формуле (3.18)

Принимаю диаметр входного патрубка для пара, D=0.12 м.

Рассчитаем патрубок для выхода из межтрубного пространство конденсата воды.

Рассчитаем объемную затрату для пара по формуле (3.17):

Рассчитаем площадь патрубка по формуле (3.16):

Рассчитаем диаметр патрубка по формуле (3.18)

Принимаю диаметр выходного патрубка для конденсата D=0.08 м.

4.Расчет вспомогательного оборудования

4.1 Расчет центробежного насоса

В расчете вспомогательного оборудования, рассчитаю центробежный насос для передачи смеси бензол - толуол от емкости к теплообменнику - конденсатору со скоростьюW=0.5 м/с, массовый расход смеси G=15 т/час.

Найдем мощность, затрачиваемую на перекачивание жидкости по формуле :

(4.1)

где: с - плотность воды, кг/м³;

g - ускорения свободного падения, ;

V- объемная затрата, ;

Н - напор, м;

к.п.д. для центробежного насоса

Найдем, какой нужно создать напор, для перекачивания жидкости по вертикальной трубе по формуле :

(4.2)

Где: h_г - высота подъема жидкости, м;

h_зтр - общий затрат напора при движении по трубам, аппаратам.

Высота подъема жидкости h_г =35 м.

Найдем общий затрат напора по формуле :

(4.3)

Где: - давление, необходимое для преодоления сопротивления вертикального теплообменного аппарата.

- давление, необходимое для создания скоростного потока:

(4.4)

где: с - плотность смеси бензол - толуол, кг/м³;

W - скорость смеси, м/с;

- давление, необходимое для преодоления трения в трубе:

(4.5)

Где: L - общая длина трубопровода, м;

Общая длина трубопровода равна L=70 м.

- эквивалентный диаметр трубы, м;

Эквивалентный диаметр трубы равен, =0,1 м;

- коэффициент трения, графически зависящий от режима движения жидкости и отношения эквивалентного диаметра к средней высоте выступов, стенки ,

 (4.6)

Рассчитаем критериальное уравнение Рейнольдса по формуле:

= (4.7)

Отношения эквивалентного диаметра к средней высоте выступов настенке,

=50

Коэффициент трений равен :=0,04

Рассчитаем давление, необходимое для одоления трения в трубе

по формуле (4.5):

- давление, необходимое для поднятия жидкости;

?h_под = gH=922*9,8*35=284004 Па (4.8)

где: H- высота подъема жидкости, Н=35 м;

g- Ускорение свободного падения 9,8 м/с;

с_см- плотность воды, кг/м³;

-давление, необходимое для преодоления местных сопротивлений:

(4.9)

где: - сумма местных сопротивлений:3 колена, 4вентиля.

Принимаю, что давление, которое необходимое для преодоления сопротивления вертикального теплообменного аппарата равно 15% от суммы всех остальных сопротивлении.

Найдем общий затрат напора по формуле (4.3):

Па.

Переведем общий затрат напора (Па) в метры столба подъема воды.

где: - плотность воды, кг/м³:

- плотность смеси бензол - толуол, кг/м³;

= м.

Найдем, какой нужно создать напор, для перекачивания жидкости по вертикальной трубе по формуле (4.2):

Найдем мощность, затрачиваемую на перекачивание жидкости по формуле (4.1):

.

Вибираю насос центробежный марки - Х90/85, частота вращения

, Н =70 м ст., V=5,5 *.

5. Выбор конструкционного материала

Такой вопрос возникает при проектировании аппаратуры, которая работает в агрессивной среде. Аппаратура должна быть изготовлена из материала, который должен отвечать некоторым свойствам: быть стойкими к действиям среды, легко поддаваться обработке и по возможности быть не дорогим. Поскольку объединить все эти условия в одном материале невозможно, то исходя из таких соображений, как ответственна эта деталь или нет, или легко её заменить, или можно использовать доступные способы защиты и тому подобное. В химическом машиностроение используют главным образом сплавы черных металлов. Имеют также широкое использование детали и изделия из пластичных масс.

К черным металлам относят сталь и чугун.

Углеродная сталь обычной качества разделяют на две группы и одну подгруппу. К группе А относятся стали, к которым предъявляют только механические свойства, к группе Б - стали, к которым предъявляют только химические свойства, к группе В - стали, к которым предъявляют только механические свойства и с дополнительными требованиями по химическому составу.

Эти стали используют как конструкционные, в общем, и химическом машиностроении при работе в неагрессивных средах. Качественные углеродистые конструкционные стали (с добавками марганца), имеющие повышенную прочность и упругие свойства, используют для изготовления ответственных деталей при работе в неагрессивных средах. В ряде случаев для этих целей также используют конструкционные легированные стали (с добавкой марганца, молибдена, никеля, вольфрама, ванадия, титана, хрома, алюминия).

Если среда отличается определенной агрессивностью, то используют специальные стали: а) нержавеющие и кислотостойкие, б) жаростойкие и жаропрочные. Для каждой агрессивной среды нужно подобрать соответственную марку стали, поскольку нет универсально стойких сталей. Основной добавкой к железу является хром, дополнительно сталь легируется никелем, молибденом, титаном, марганцем.

При работе с повышенными температурами используют жаростойкие и жаропрочные стали. К первым относят стали, которые противостоят химическому разрушению поверхности под влиянием горячих газов, к жаропрочным - те, которые работают в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и имеют при этом высокую стойкость к образованию окалины. Жаропрочные стали, как правило, являются и жаростойкими. Они имеют в основном добавки хрома и никеля, как легирующие вещества используют также молибден и вольфрам.

К сталям со специальными физическими свойствами относят высокомарганцевую и низкоуглеродную стали.

Чтобы оценить коррозионную стойкость для более четкого разделения металлов по их отношению к агрессивным средам используют пятибалльную или десятибалльную шкалу оценки коррозионной стойкости.

Для изготовления химического оборудования рекомендуется использовать материалы 1 и 2 группы стойкости. Но в отдельных случаях используют и 3-4 группы. Тогда приходится сокращать срок службы аппаратов и считаться с возможностью загрязнения окружающей среды продуктами коррозии.

Таблица 1. Десятибалльная шкала оценки коррозионной стойкости металлов

Группа стойкости	П, мм/год	Бал стойкости
1.Полность стойкие	Меньше 0,001	1
2. Относительно стойкие	0,001-0,005 0,005-0,01	2 3
3. Стойкие	0,01-0,05 0,05-0,10	4 5
4. Сниженностойкие	0,10-0,50 0,5-1,0	6 7
5. Малостойкие	1,0-5,0 5,0-10,0	8 9
6. Нестойкие	Больше 10,0	10

В современной химической промышленности вместе с неметаллическими конструкционными материалами используются неметаллические, в том числе пластические материалы. Пластические материалы могут вступать в химическую взаимосвязь с агрессивной средой или набухать в нем. Эти процессы сопровождаются сменой физико-химических и механических свойств пластмасс.

В данном курсовом проекте при изучении всех возможных теплообменников

При выборе материала теплообменника руководствуемся условиями процесса и агрессивностью среды. Смесь бензол - толулола поступает в теплообменник в трубное пространство с температурой t= 20 С⁰ и нагревается до t=110 C⁰ , эта среда агрессивна. Пар поступает в межтрубное пространство с t= 132,9 где конденсируется, эта среда менее агрессивна.

Материал для кожуха и крышек выбираю Сталь 12Х18Н10Т , материал для трубочек выбираю Медь.

6. Список использованных гостов

1. ГОСТ 1050-88- Прокат сортовой, калиброванной со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия.

2. ГОСТ 1412-88- Чугун с пластинчатым графитом для отливок.

3. ГОСТ 2.201-80- Обозначение изделий и конструкторской документации.

4. ГОСТ 2.002-72- Правила выполнения конструкторских документов на печатающих и графических устройствах вывода ЭВМ.

5. ГОСТ 2.103-68- Стадии разработки.

6. ГОСТ 2.118-73- Техническое предложение.

7. ГОСТ 2.119-73- Эскизный проект.

8. ГОСТ 2.120-73- Технический проект.

9. ГОСТ 2.501-88- Правила учета и хранения.

10. ГОСТ 2.502- 68- Правила дублирования.

11. ГОСТ 2.505- 82- Правила внесения изменений.

12. ГОСТ 2.505-82- Правила внесения изменений при автоматизированном управлении.

13. ГОСТ 380-71- Стали общего назначения.

14. ГОСТ 5632-72- Стали Х18Н10Т.

Заключение

В данном курсовом проекте была разработана схема процесса разделения смеси бензол-толуол ректификацией.

В литературном обзоре были рассмотрены типичные конструкции теплообменников, а также был произведен обзор работы теплообменников и выбор конструкции. В технологической части описана технологическая схема процесса, Выбрано и обосновано основное технологическое оборудовании, рассчитан основной технологический аппарат теплообменник - подогреватель для подогрева смеси бензол - толуол до t_k=110 C⁰ паром, давления пара P=0.3 МПа. Начальная температура смеси t_н=20 С⁰. В ходе расчета получил данные:

площадь теплообмена F=35 м²; коэффициент теплопередачи К=483 Вт/м²*К;

тепловой нагрузки аппарата Q=790875 Вт; внутренний диаметр кожуха D_в=400 мм; диаметр трубочки d=25*2 мм; общее число труб - 86 шт; длина трубочек l=4 м; общая длина аппарата L=4.98 м;

Для теплообменника выбраны конструкционные материалы. Также был произведен расчет вспомогательного оборудования - центробежного насоса:

мощность, затрачиваемую на перекачивание жидкости N=.

Выбераем насос центробежный марки - Х90/85, чистота вращения

; напор Н =70 м ст.; объемная затрата V=5,5 В проекте разработана графическая часть:

1.Технологическая схема процесса.

2.Общий вид основного аппарата кожухотрубчатого теплообменника - подогревателя.

Литература

теплообменник ректификационная колонна

Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.- М.: Химия, 1974- 752 с.

Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. -Л.: Химия, 1987- 576 с.

Стабников В.Н., Лысянский В.М., Попов В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств.-М.: Агропромиздат, 1985.-511 с.

Коваленко І.В., Малиновський В.В. Основні процеси, машини та апарати хімічних виробництв. - К.: Інрес: Воля, 2006.-264 с.

Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии.-М.: Химия, 1981.- 812 с.

Флореа О., Смигельский О. Расчеты по процессам и аппаратам химической технологии /Под ред. С.З. Кагана/Пер. с румынского - З.М. Хаимского.- М.: Химия, 1971.- 448 с.

Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию /Под ред. Ю.И. Дытнерского.- М.: Химия, 1983.- 272 с.

Расчеты химико-технологических процессов /Под общей редакцией И.П. Мухленова - Л.: Химия, 1976.- 304 с.

Лекае В.М., Лекае А.К. Процессы и аппараты химической промышленности. М.: Высшая школа, 1984.- 289 с.

Справочник химика. Т. ІV - Л.: Химия, 1968. - 974 с.

Луняка К.В. Процеси і апарати хімічних виробництв. Курс лекцій. Навчальний посібник.- Херсон: ХНТУ, 2006.-152 с.

Размещено на Allbest