Расчет спирального конденсатора для охлаждения бутилового спирта речной водой

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Введение

Химическая технология -- наука о наиболее экономичных и экологически целесообразных методах и средствах переработки сырых природных материалов в продукты потребления и промежуточные продукты.

Химическая промышленность начала создаваться на рубеже XVIII и XIX веков и за исторически короткий период, насчитывающий всего 120-150 лет, превратилась в технически развитых странах в одну из основных и ведущих отраслей народного хозяйства. С развитием химической промышленности возникла потребность в инженерной науке, обобщающей закономерности основных производственных процессов и разрабатывающей методы расчетов аппаратов на основе их рациональной классификации.

В курсе « Процессы и аппараты » изучаются теория основных процессов, принципы устройства и методы расчета аппаратов и машин, используемых для проведения процессов.

Классификация основных процессов химической технологии может быть проведена на основе различных признаков. В зависимости от основных законов, определяющих скорость процессов, различают:

1.Гидромеханические процессы. К этим процессам относятся перемещение жидкостей; сжатие и перемещение газов; разделение жидких и газовых неоднородных систем в поле сил тяжести (отстаивание); в поле центробежных сил (центрифугирование). Определяются законами гидродинамики. Аппараты для гидромеханических процессов: насосы, компрессоры, фильтры, центрифуги, циклоны, мешалки.

2.Тепловые процессы. К этим процессам относятся нагревание, охлаждение, конденсация, испарение, выпаривание. Определяется законами термодинамики. Аппараты для тепловых процессов: теплообменники различной конструкции; выпарные аппараты, конденсаторы.

3.Массообменные процессы. К этим процессам относятся абсорбция; ректификация; экстракция; адсорбция; сушка; кристаллизация. Определяется законами массопередачи. Аппараты для массообменных процессов: абсорберы, адсорберы, экстракторы, сушилки и т.д.

4.Химические процессы. Определяются законами химической макрокинетики. Аппараты для химических процессов: реакторы.

5.Механические процессы. К ним относятся измельчение твёрдых материалов; классификация (сортировка) твёрдых сыпучих материалов; транспортирование твёрдых материалов; дозирование и смешение твёрдых материалов. Аппараты для механических процессов: дробилки, грохоты, транспортёры, элеваторы, дозаторы, смесители.

Одним из основных процессов химической промышленности являются теплообменные процессы.

Цель курсовой работы: Рассчитать спиральный конденсатор для охлаждения бутилового спирта речной водой.

1.Технологическая часть

1.1Сравнительная характеристика аппаратов

Поверхностные теплообменные аппараты

Основную группу теплообменных аппаратов, применяемых в промышленности составляют поверхностные теплообменники, в которых тепло от горячего теплоносителя передается холодному теплоносителю через разделяющую их стенку.

Наибольшее распространение получили пластинчатые, спиральные, с поверхностью, образованной стенками аппарата, с оребренной поверхностью теплообмена.

Пластинчатые теплообменники. Поверхность их нагрева состоит из гофрированных пластин, соединяемых последовательно и снабженных промежуточными прокладками. С помощью пластин создается система узких каналов шириной 3-6 мм с волнистыми стенками. Теплоносители движутся в каналах между смежными пластинами, омывая противоположные боковые стороны каждой пластины.

Все пластины в теплообменнике собираются в пакеты. Пакетом называют группу пластин, между которыми теплоноситель движется в одном направлении.

Благодаря малому расстоянию между пластинами, достигаются большие скорости движения теплоносителей и высокие коэффициенты теплопередачи при сравнительно низком сопротивлении.

Теплоносители можно пропускать через пластинчатый теплообменник противотоком, прямотоком и по смешанной схеме.

Недостаток состоит в том, что диапазон рабочих температур и сред ограничен термической и химической стойкостью прокладочных материалов.

Спиральные теплообменники. Такой теплообменник состоит из двух спиралей, входящих одна в другую и образующих таким образом каналы четырехугольного сечения, боковые стенки которых образуют две торцевые крышки. Перегородка в центре теплообменника разделяет полости входа и выхода теплоносителей.

Преимущества:

- компактность;

- малые гидравлические сопротивления;

- возможность работы со средами содержащими мезгу, волокна, твердый осадок (до 20 %), а также с вязкими средами

- высокий коэффициент теплообмена (до 2-3 раз выше, чем у трубчатых теплообменников);

- легкая очистка механическим и химическим способом;

- низкие потери давления.

Недостатки:

- сложность изготовления и ремонта;

- невозможность применения при давлении рабочих сред свыше 10 кгс/см2.

Спиральные теплообменники могут использоваться как для теплообмена между двумя жидкими теплоносителями, так и для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью.

В качестве греющего агента в теплообменниках часто используется насыщенный водяной пар имеющий целый ряд достоинств:

-высокий коэффициент теплоотдачи;

- большое количество тепла, выделяемое при конденсации пара;

- равномерность обогрева, так как. конденсация пара происходит при постоянной температуре;

-легкое регулирование обогрева.

При охлаждении в кожухотрубных теплообменниках в качестве хладагента может использоваться речная или артезианская вода, а в случае, когда требуется получить температуру ниже 5 °С применяют холодильные рассолы (водные растворы CaCL2, NaCl, и др.).

Оребренные теплообменники. Такие теплообменники применяются с целью увеличения поверхности теплообмена со стороны теплоносителя, имеющего низкие значения коэффициента теплоотдачи по сравнению со вторым теплоносителем, участвующим в теплообмене.

Оребрение, используемое как в пластинчатых, так и в трубчатых теплообменниках, являются также эффективным средством повышения компактности аппарата. В трубчатом теплообменнике установка ребер возможна только с одной стороны, в пластинчатом - с обеих сторон рабочей поверхности.

Условием нормальной работы оребренных теплообменников является хороший контакт между основанием ребер и стенкой трубы, обеспечивающий равенство температур стенки и оснований ребра. В литых ребристых трубах это требование выполняется полностью.

Типы оребрения поверхностей теплообмена:

Теплообменники с поверхностью теплообмена, образованной стенками аппарата. Для обогрева и охлаждения реакционных аппаратов применяют различные устройства, в которых поверхность теплообмена образуется стенками самого аппарата. К числу таких устройств относятся рубашки.

Рубашки изготавливают съемными (на болтах) и неразъемными (приваренными). Приварные рубашки проще по устройству и изготовлению, но исключают возможность чистки и осмотра наружной стенки аппарата.

Рубашки обладают ограниченной поверхностью теплообмена. Применяемые давления теплоносителей в рубашке не должны превышать 1МПа, поскольку при больших давлениях необходимо увеличивать толщину стенок.

Для повышения давления греющего теплоносителя применяют аппараты, в чугунные стенки которых заливается змеевик.

Иногда к стенкам корпуса аппарата приваривают стальные треугольники или половинки труб. Аппараты такой конструкции применимы при давлении до 60 МПа, однако они значительно проще в изготовлении и обеспечивают лучшую теплопередачу, чем аппараты с приваренными змеевиками.

1.2 Физико-химическая характеристика продуктов данного процесса

Бутанол (бутиловый спирт- С4Н10О ) - бесцветная, слегка маслянистая жидкость с характерным запахом сивушного масла. Ограниченно растворим в обычной воде. Температура кипения 117 С, температура плавления -90,2 С. Существуют 4 изомера бутанола: (нормальный или первичный бутиловый спирт, нормальный изобутанол, вторичный бутиловый спирт, третичный бутиловый спирт.

Вода (Н2О)

Бинарное неорганическое соединение, химическая формула Н2O. При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеет цвета (в малом объёме), запаха и вкуса. В твёрдом состоянии называется льдом, снегом или инеем, а в газообразном -- водяным паром. При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст., 101 325 Па) вода переходит в твердое состояние при температуре в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки (сублимации) льда падает со снижением давления. При высоком давлении существуют модификации льда с температурами плавления выше комнатной.

С ростом давления температура кипения воды растёт. При росте давления плотность водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды -- падает. При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении и/или температуре исчезает разница между жидкой водой и водяным паром. Такое агрегатное состояние называют «сверхкритическая жидкость». Вода может находится в метастабильных состояниях -- пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость

Применяется как теплоноситель.

Горячая вода. Используется для нагрева до 100 °С. Может быть использован также водный конденсат, поступающий из выпарных установок или теплообменных аппаратов. Коэффициенты теплоотдачи при нагревании горячей водой во много раз ниже, чем коэффициенты теплоотдачи от конденсирующего пара. Нагревание горячей водой сопровождается снижением ее температуры вдоль теплообменной поверхности, что затрудняет регулирование температуры и ухудшает равномерность обогрева.

1.3Технологическая схема установки

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//



Спирт БС, с помощью центробежного насоса Н, подается в спиральный теплообменник СТ, где охлаждается за счет нагревания охлаждающей воды и затем самотеком поступает в приемную емкость ПЕ. Вода, выйдя из теплообменника, сбрасывается в канализацию или используется в качестве оборотной.

1.4 Эксплуатация теплообменных аппаратов

Эксплуатация теплообменных аппаратов заключается в регулировании температуры и очистке их от загрязнений.

Регулирование режима работы теплообменных аппаратов. Регулирование производится с целью поддержания необходимого температурного режима и осуществляется путем изменения количества подаваемого агента (нагревающего или охлаждающего). Так, в подогревателях поддерживают требуемую конечную температуру холодного теплоносителя регулированием подачи нагревающего агента.

Очистка теплообменных аппаратов. При использовании теплоносителей, выделяющих осадки и оказывающих коррозионное действие на аппаратуру, поверхность теплообмена покрывается слоем загрязнений, обладающих низкой теплопроводностью, что снижает коэффициент теплопередачи. Очистку аппаратов от загрязнений производят периодически. Продолжительность работы между очистками зависит от допускаемой степени загрязнения и от и может колебаться от нескольких дней до нескольких месяцев.

Очистка аппаратов производится либо вручную, либо механическим или химическим способами.



1.5 Материалы используемые для изготовления теплообменника

спиральный конденсатор теплообменник спирт охлаждение

При выборе и создании теплообменной аппаратуры необходимо учитывать такие важные факторы, как тепловая нагрузка аппарата, температурные условия процесса, физико-химические параметры рабочих сред, условия теплообмена, характер гидравлических сопротивлений, вид материала и его коррозийную стойкость.

Химические продукты в той или иной мере всегда вызывают коррозию материала аппарата, поэтому для изготовления их применяются различные металлы (железо, чугун, алюминий) и их сплавы. Наибольшее применение находят стали. Благодаря способности изменять свои свойства в зависимости от состава, возможности термической и механической обработке стали с низким содержанием углерода хорошо штампуются, но плохо обрабатываются резанием. Добавки других металлов- легирующих элементов- улучшают качество сталей и придают им особые свойства (например, хром улучшает механические свойства, износостойкость и коррозионную стойкость; никель повышает прочность, пластичность ; кремний увеличивает жаростойкость).

Легирующие элементы обозначаются буквами: Х - хром, Н - никель, М - молибден, Г - марганец, С - кремний, Т - титан, Д - медь, Ю - алюминий и т. д. Например, сталь марки Х18Н12М2Т содержит (в %): углерода - менее 0,1; хрома - 18; никеля - 12; молибдена - 2; титана - менее 1.

Стали обыкновенного качества (например Ст3) применяют для изготовления аппаратов, работающих под избыточным давлением до 6 МПа при температурах от минус 30 оС до плюс 425 оС. Для более жёстких условий применяют углеродистые стали улучшенного качества - марок 15К и 20К.

Для повышения термостойкости и прочности применяют низколегированные стали 10Г2С1, 16ГС, 30Х, 40Х, что позволяет использовать аппараты при температурах от минус 70 оС до плюс 550 оС.

При температурах теплоносителя выше 400 оС применяют легированные марки стали. Трубы для теплообменников выбирают, исходя из агрессивности теплоносителей. Для стандартных теплообменников применяют трубы из углеродистой стали 10 и 20, корозионностойкой стали 0Х18Н10Т и латуни ЛОМ 70-1-0-0,06. Для конденсаторов применяют трубы из стали Х5М, а трубные решётки изготовляют из стали 16ГС или двухслойной стали 16ГС + Х18Н10Т.

Спиральные теплообменники используют для нагрева и охлаждения жидкостей и газов. Теплообменники работают под избыточным давлением до 1 МПа при допустимых температурах от минус 20 оС до плюс 200 оС. Спиральные теплообменники изготовляют из углеродистых сталей ВМСт3сп4 и ВМСт3сп5, для агрессивных сред применяют коррозионную сталь 12Х18Н10Т и 10Х17Н13М2Т.

1.6 Техника безопасности и охрана окружающей среды

Токсичность бутанола относительно невелика (LD50 составляет 2290-4360 мг/кг), но наивысшая среди младших спиртов. При употреблении внутрь возникает эффект, сходный с эффектом от употребления этанола. Бутанол содержится в небольших количествах в различных алкогольных напитках. Иногда бутанол, полученный из технических жидкостей, используется в качестве суррогатного алкогольного напитка.

Концентрация в 0.01% в воздухе никак не влияет на организм, в то время как 0.02% вызывает воспаление роговой оболочки глаза.

Теплообменники не являются источником опасных и вредных производственных факторов. Теплообменники в процессе эксплуатации должны быть снабжены необходимыми контрольно-измерительными приборами. Монтаж, ремонт, демонтаж теплообменника должен производиться специалистом, имеющим соответствующую форму допуска по технике безопасности.

Для защиты теплообменника во время запуска в работу и его эксплуатации комплектом пускозащитного оборудования системы, в которой он устанавливается, должны

быть предусмотрены:

-защита от гидравлического удара;

-защита от пульсации давления;

-защита от превышения давления выше максимального значения;

-защита от повышенной вибрации теплообменника;

-защита от попадания инородных тел во внутренние полости;

- защита от воздействия солнечных лучей, источников ультрафиолетового излучения (сварки) и озона.

Теплообменник чувствителен к гидравлическому удару. Гидравлический удар может произойти при регулировании, ремонтах, запуске насосов и т.д.

Для того чтобы исключить гидравлический удар, рекомендуется использовать дросселирование (понижение давления газа или пара при протекании через сужение проходного канала трубопровода ) пневматических клапанов, устанавливать реле запаздывания в электрической сети управления, организовывать автоматический запуск насосов только при закрытой арматуре (на закрытую задвижку).

При наличии в системе поршневых, шестеренных насосов, дозирующих устройств и т.п., необходимо исключить возможность передачи пульсации давления и вибраций на пластинчатый теплообменник, так как это может вызвать усталостные трещины в пластинах, что приведет к выходу теплообменника из строя.

Очистка теплообменников наиболее эффективная и применяется в том случае, если степень загрязнения теплообменников оценена как сильная. Это может быть связано с тем, что каналы полностью забиты отложениями. Для осуществления длительной работоспособности в процессе эксплуатации при обработке среды, загрязненной или выделяющей отложения на стенках аппарата, необходимо производить периодические осмотры и очистку поверхностей.

К работе допускаются лица не моложе 18 лет и прошедшие инструктаж. Основными профилактическими мероприятиями являются герметизация производственного оборудования, также пользоваться индивидуальными средствами защиты органов дыхания (фильтрующиеся и изолирующие противогазы). К изолирующим СИЗ относятся промышленные противогазы, респираторы. К специальным средствам защиты кожи относятся пасты, мази, кремы. Для защиты глаз применяют защитные очки, щитки, маски.

В своей курсовой работе, я буду рассчитывать спиральный конденсатор который имеет следующие достоинства:

- компактность;

- малые гидравлические сопротивления;

- возможность работы со средами содержащими мезгу, волокна, твердый осадок (до 20 %), а также с вязкими средами

- высокий коэффициент теплообмена (до 2-3 раз выше, чем у трубчатых теплообменников);

- легкая очистка механическим и химическим способом;

- низкие потери давления.

Недостатки:

- сложность изготовления и ремонта;

- невозможность применения при давлении рабочих сред свыше 10 кгс/см2.



2. Расчетная часть

Рассчитать спиральный конденсатор для насыщенных паров бутилового спирта. Производительность аппарата 150м3/ч. Начальная температура бутилового спирта 125 оС, конечная 30 оС. В качестве охлаждающего теплоносителя применяется речная вода, которая на входе в аппарат имеет температуру 10 оС, а на выходе из аппарата 25 оС. Спираль толщиной 3 мм, ширина канала 5 мм.

2.1 Тепловой расчет

Средняя разность температур

Движение теплоносителей противоточное, поэтому большая разность температур равна

Дtб=125-25=100оС,

а меньшая Дtм=30-10=20оС.

Т.к. Дtб/ Дtм>1,7, то Дtср= (Дtб - Дtм)/ln5=(100-20)/ln5=50oC

Тепловая нагрузка аппарата:

Q=GбCб(tн-tк), где Сб=2953,9 Дж/кг*К(при средней температуре бутилового спирта 77оС), G1-массовый расход бутилового спирта.

Gб=V*p=(150*767,8)/3600=32кг/с, где 767,8кг/м3 плотность бутилового спирта при средней температуре 77 оС.

Q=32*2953,9*(125-30)=8979856 Вт

Расход воды:

Gв=Q/Cв(tк-tн)=8979856/4190*(25-10)=142,8 кг/ч

Зная массовый расход воды, можно рассчитать высоту аппарата:

Gв=S*pв*wв , где w=1-3 м/с, а значит

S=Gв/pв*wв

S=142,8/973*3=0,05 м2 , тогда

h=S/b, где b-ширина канала, 5мм.

h=0,05/5*10-3=10 м

2.2 Гидравлический расчет

Коэффициент теплоотдачи от бутанола к стенке можно вычислить следующим образом:

Nu=0,021*Re0,8*Pr0,4 , где Pr- критерий Прандтля для бутилового спирта при 77оС; Re- критерий Рейнольдса

Reб=wб*dэкв*pб/µб , где µ- вязкость бутилового спирта при t=77oC

wб=Gб/S*pб=32/0,05*767,8=0,83 м/с

dэкв=4S/П=4(b*h)/2(b+h),

dэкв=4(5*10-3*10)/2(5*10-3+10)=200*10-3/2*10,005=9,99*10-3 , примем dэкв=10*10-3

Зная скорость и диаметр можем рассчитать критерий Рейнольдса

Reб=0,83*10*10-3*767,8/0,9*10-3=7080

Nuб=0,021*70800,8*150,4=0,021*1202*2,95=74,5

Далее, зная значение критерия Нусельта можно определить коэффициент теплоотдачи для бутилового спирта:



б б =Nu*л/dэкв , где л- коэффициент теплопроводности бутилового спирта при 77оС, л=0,13*1,163=0,15 Вт/м*К;

б б=74,5*0,15/0,01=1117,5 Вт/м2К

Далее, рассчитаем коэффициент теплоотдачи для воды:

Reв=wвdэквpв/µв , где µ- вязкость воды при 15оС;

Reв=3*10*10-3*973/1,069*10-3=27305

Критерий Прандтля для воды при 15С равен 7,5

Nu=0,021*273050,8*7,50,4=0,021*3540*2,24=166,5

б в=Nu*л/dэкв , где л- коэффициент теплопроводности воды при 15С,

л=0,5*1,163=0,58 Вт/м*К

б в=166,5*0,58/0,01=9657 Вт/м2К

Зная значения коэффициентов теплоотдачи можем определить значение коэффициента теплопередачи:

k=1/(1/ б б+д/лст+1/ б в), где д-толщина стенки, 3мм; лст- коэффициент теплопроводности стенки, 14Вт/м*К

k=1/(1/1117,5+3*10-3/14+1/9657)=1/(0,0009+0,0002+0,0001)=833 Вт/м2К

Площадь поверхности теплопередачи можно найти следующим образом:

F=Q/kДtср

F=8979856/833*50=215 м2

2.3 Конструктивный расчет

Определим длину канала

l=F/h*2

l=215/10*2=10,75 ,примем длину канала 11м

Рассчитаем число витков

n=t-do/4t+v((t-do/4t)2+l/2рt) , где do- диаметр внутреннего витка, 0,25м;

t- шаг спиралей, t=b+д;

n=((0,003+0,005)-0,25/4*0,008)+v(0,008-0,25/4*0,008)2+11/2*3,14*0,008=-7,5+v275=9

Найдем диаметр теплообменного аппарата:

D=do+2nt+д

D=0,25+2*9*0,008+0,003=0,397 примем D=400 мм

Определим диаметр входа и выхода бутанола

d1,2=v4Vб/рwб=1,13vGб/pб/wб=1,13v0,04/0,83=0,25м

d3,4=1,13v0,146/3=0,25м

ДP=л*l/d*pw2/2

л=0,3164/Re0,25=0,3164/273050,25=0,025Вт/мК

ДP=0,025*11/0,01*973*32/2=120408 Па

Мощность потребляемая двигателем насоса

Nнас=ДP*Gв/pв

Nнас=120408*142,8/973=17671 Вт

Что бы не перегружать двигатель на любых режимах, его мощность выбирают большей чем потребляемая мощность насоса

Nдв=Nнас/з , где з- КПД двигателя, 0,8

Nдв=17671/0,8=22088 Вт



Литература

1.Романков П.Г., Курочкина М.М. Примеры и задачи по курсу

«Процессы и аппараты химической промышленности»: Учеб. пособие для техникумов. -Л.: химия 1982.-232 с

2. Романков П.Г., Флоров В.Ф., Флисюк О.М., Курочкина М.И. Методы расчетов процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи): Учеб. пособие для вузов.- СПб.:Химия 1993.-496 с

3.Плановский А.М., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. 5-е изд. пер. и доп.-М.: Химия, 1968-848 с.

4.Дытнеркий Ю.И., Борисов Г.С., Брыков В.П. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. 2-е изд., перераб. и дополн.-М.: Химия,-496 с

5. Медведев В.С. Охрана труда и противопожарная защита в химической промышленности. Учебник для техникумов. М., химия 1989 - 288с.: ил.

6. Романков П.Г. примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для техникумов - Л.: химия 1989 - 560с.: ил.

Размещено на Allbest.ru