При низкой оригинальности работы "Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Министерство образования Республики Беларусь РАСЧЕТНО - ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовой работе по процессам и аппаратам химических технологий на тему "Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола"Вещества, участвующие в процессе перехода тепла (теплообмен), называются теплоносителями. При передаче тепла через стенку теплоносители не смешиваются, и каждый из них движется по отдельному каналу; поверхность стенки, разделяющей теплоносители, используются для передачи тепла и называется поверхностью теплообмена. Так при передаче тепла через стенку перенос тепла от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю осуществляется конвекцией, а через стенку - путем теплопроводности. Теплообменными аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). При теплообмене между теплоносителями происходит уменьшение энтальпии (теплосодержания) горячего теплоносителя и увеличение энтальпии холодного теплоносителя.В данной курсовой работе произведены теплотехнический, конструктивный и гидравлический расчеты теплообменников. На основании этих данных было подобрано следующее оборудование для проведения процесса охлаждения пара толуола и его конденсации: вертикальный холодильник и горизонтальный конденсатор. поверхность теплообмена 58,67 м2. поступает пар толуола (массовый расход равен 2,92 кг/с) при атмосферном давлении. Охлаждающим теплоносителем служит воздух (давление 0,15 МПА, массовый расход 5,9кг/с).
Введение
Современная химическая промышленность в Беларуси развивается с 60-х годов в комплексе с нефтеперерабатывающими и нефтехимическими предприятиями. Интенсивному развитию в республике этой отрасли способствовал ряд благоприятных факторов: большая потребность народного хозяйства в химической и нефтехимической продукции и высокая эффективность ее применения в промышленности и сельском хозяйстве; открытие богатых запасов калийных солей на юге Минской области и нефтяных месторождений в Гомельской области; разветвленная сеть железных и автомобильных дорог.
Начиная с 1958 года, в республике осуществляется развернутое строительство новых, расширение и реконструкция действующих химических предприятий. Химическая промышленность стала одной из ведущих отраслей хозяйства, охватывающей многочисленные производства разнообразных неорганических и органических продуктов, имеющих важное значение. Возникли и получили промышленное применение процессы адсорбции, экстракции, молекулярной дистилляции и др.
Современная химическая промышленность насчитывает множество разнообразных производств, часто сильно различающихся химической природой и физическими свойствами исходных веществ, промежуточных и конечных продуктов, а также характером и условиями протекания технологических процессов. Несмотря на перечисленные различия, число элементарных процессов, повторяющихся в разных сочетаниях во всех химических производствах, едва достигает двадцати. Из этого ограниченного числа элементарных процессов или из некоторой их части, но в различной последовательности и при разных рабочих условиях строится технология любого химического производства.
1 Литературный обзор
1.1 Теоретические основы теплообмена
При тепловых процессах тепло передается от одного вещества к другому. Для самопроизвольного переноса тепла одно из этих веществ должно быть более нагрето, чем другое. Вещества, участвующие в процессе перехода тепла (теплообмен), называются теплоносителями. Вещество с более высокой температурой, которое в процессе теплообмена отдает тепло, называется горячим теплоносителем, а вещество с более низкой температурой, воспринимающее тепло, холодным теплоносителем.
Существуют два основных способа проведения тепловых процессов: путем непосредственного соприкосновения теплоносителей и передачей тепла через стенку, разделяющую теплоносители.
При передаче тепла непосредственным соприкосновением теплоносители обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо; поэтому данный способ применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном оформлении.
При передаче тепла через стенку теплоносители не смешиваются, и каждый из них движется по отдельному каналу; поверхность стенки, разделяющей теплоносители, используются для передачи тепла и называется поверхностью теплообмена.
Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. При установившемся (стационарном) процессе температуры в каждой точке аппарата не изменяются во времени, тогда как при неустановившемся (нестационарном) процессе температуры изменяются во времени. Установившиеся процессы соответствуют непрерывной работе аппаратов с непрерывным режимом; неустановившиеся процессы протекают в аппаратах периодического действия, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия и изменении режима их работы.
Передача тепла от одного тела к другому может происходить посредством теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.
Передача тепла теплопроводностью осуществляется путем переноса тепла при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела. При этом энергия передается от одной частицы к другой в результате колебательного движения частиц, без их перемещения друг относительно друга.
Передача тепла конвекцией происходит только в жидкостях и газах путем перемещения их частиц. Перемещение частиц обусловлено движением всей массы жидкости или газа (вынужденная или принудительная конвекция), либо разностью плотностей жидкости в разных точках объема, вызываемой неравномерным распределением температуры в массе жидкости или газа (свободная, или естественная, конвекция).
Конвекция всегда сопровождается передачей тепла посредством теплопроводности.
Передача тепла лучеиспусканием происходит путем переноса энергии в виде электромагнитных волн. В этом случае тепловая энергия превращается в лучистую энергию (излучение), которая проходит через пространство и затем снова превращается в тепловую при поглощении энергии другим телом (поглощение).
Рассмотренные виды передачи тепла редко встречаются в чистом виде; обычно они сопутствуют друг другу (сложный теплообмен). Так при передаче тепла через стенку перенос тепла от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю осуществляется конвекцией, а через стенку - путем теплопроводности.
Теплообменными аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). В химической технологии теплообменные аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твердых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзо- и эндотермических реакций и т. д. соответственно своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами, сублиматорами, плавителями и т. п.
Количество тепла, передаваемого в единицу времени от одного тела к другому, называется тепловым потоком, и выражается в Дж/сек или Вт, т. е. единицах мощности.
При теплообмене между теплоносителями происходит уменьшение энтальпии (теплосодержания) горячего теплоносителя и увеличение энтальпии холодного теплоносителя. Пусть количество горячего теплоносителя, его начальная и конечная энтальпия равны соответственно G кг/сек I1 и I2 Дж/кг, а количество холодного теплоносителя и его начальная и конечная энтальпия g кг/сек i1 и i2 Дж/кг.
Примем также, что количество тепла, передаваемое от горячего теплоносителя к холодному, составляет Q Вт (эта величина называется тепловой нагрузкой аппарата), а потери тепла в окружающую среду равны Qn Вт. Тогда уравнение теплового баланса запишется в виде: G?I1 g?i1 = G?I2 g?i2 Qn , (1)
Величина Qгор = G?(I1 - I2) представляет собой количество тепла, отданного горячим теплоносителем, а величина Qхол = g?(i2 - i1) количество тепла, сообщенное холодному теплоносителю.
Qгор = Qхол Qn , (3)
Т. е. тепло, отданное горячим теплоносителем, частично передается холодному теплоносителю и частично расходуется на компенсацию потерь в окружающую среду.
В теплообменных аппаратах потери тепла обычно невелики (не более 2 - 3 %) и ими можно пренебречь. Тогда уравнение теплового баланса примет вид: Q = Qгор = Qхол , (4)
Q = G?(I1 -I2) = g?(i2 - i1), (5)
Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом. Необходимую поверхность теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи: F = Q/(K??tcp), (6)
Тепловую нагрузку Q в соответствии с заданными технологическими условиями находят из уравнения теплового баланса для одного из теплоносителей: - если агрегатное состояние теплоносителя не меняется - из уравнения
Q = Gi?ci?[ti н - ti k], i =1,2, (7)
- при конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата или при кипении - из уравнения
Q = Gi?ri , i = 1,2, (8)
- при конденсации перегретых паров с охлаждением конденсата
Q = G1?(I1н - c1?t1k), (9) где I1н - энтальпия перегретого пара Дж/кг.
Если агрегатное состояние теплоносителя не меняется, его среднюю температуру можно определить как среднеарифметическую между начальной и конечной температурами: ti = (тін tik)/2, i = 1,2, (10)
Более точное значение средней температуры одного из теплоносителей можно получить, используя среднюю разность температур: ti = tj ± ?tcp, (11) где tj - среднеарифметическая температура теплоносителя с меньшим перепадом температуры вдоль поверхности теплообмена, °С.
При изменении агрегатного состояния теплоносителя его температура постоянна вдоль всей поверхности теплопередачи и равна температуре кипения (или конденсации) зависящей от давления и состава теплоносителя.
Для протекания процесса передачи тепла необходимо наличие некоторой разности температур между горячим и холодным теплоносителями. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором. Если Т - температура горячего теплоносителя, а t - температура холодного теплоносителя в °С, то температурный напор:
q = T - t, (12)
Чем больше температурный напор, тем выше скорость передачи тепла, причем количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному, пропорционально поверхности теплообмена F (м2), температурному напору q и времени ?, с : Q = K?F?q??, (13) где K - коэффициент теплопередачи, Вт/м2•К.
Если тепло переносится путем теплопроводности через стенку, то, согласно закону Фурье, количество передаваемого тепла пропорционально поверхности F, разности температур между обеими поверхностями стенки (qct. = tct.1-tct.2),времени ? и обратно пропорционально толщине стенки ?: Q = [??F(tct1 - tct2)??]/? = (??F?qct.??)/?, (14) где тст1 и тст2 - температура поверхностей стенки; ? - коэффициент теплопроводности, Вт/(м•К).
1.2 Основные типы теплообменников
1.2.1 Назначение и классификация теплообменных аппаратов
Теплообменными аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). В химической технологии теплообменные аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твердых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзо- и эндотермических реакций и т. д.
Соответственно своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами, сублиматорами, плавителями и т.п.
По способу передачи тепла различают теплообменные аппараты поверхностные и смесительные. В первом случае передача тепла происходит через разделяющие твердые стенки, во втором - непосредственным контактом (смешением) нагретых и холодных сред (жидкостей, газов, твердых веществ). Поверхностные аппараты подразделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах тепло от горячих теплоносителей к холодным передается через разделяющую их стенку, поверхность которой называется теплообменной поверхностью, или поверхностью нагрева. В регенеративных аппаратах оба теплоносителя попеременно соприкасаются с одной и той же стенкой, нагревающейся (аккумулируя тепло) при прохождении горячего потока и охлаждающейся (отдавая аккумулированное тепло) при последующем прохождении холодного потока. Регенераторы являются аппаратами периодического действия, рекуператоры могут работать как в периодическом, так и в непрерывном режимах.
1.2.2 Обзор типовых теплообменных аппаратов
При небольших тепловых нагрузках, когда требуемая поверхность теплообмена не превышает 20 - 30 м2, целесообразно применение теплообменников типа «труба в трубе» Такие теплообменники изготовляют следующих типов: 1) неразборные однопоточные малогабаритные; 2) разборные одно- и двухпоточные малогабаритные; 3) разборные однопоточные; 4) неразборные однопоточные; 5) разборные многопоточные.
Конструкция разборного теплообменника. Однопоточный малогабаритный теплообменник имеет распределительную камеру для наружного теплоносителя, разделенную на две зоны продольной перегородкой. В крышке размещен калач, соединяющий теплообменные трубы. Кожуховые трубы крепятся в трубных решетках, теплообменные трубы герметизируются с помощью сальниковых уплотнений. Однопоточные разборные теплообменники из труб большого диаметра (более 57 мм) выполняются без распределительной камеры, так как штуцер для подвода наружного теплоносителя можно приварить непосредственно к кожуховым трубам.
Достоинством рассматриваемых теплообменных аппаратов ям является возможность создания высоких и даже одинаковых скоростей обоих теплоносителей и, следовательно, больших коэффициентов теплоотдачи. К числу их недостатков относятся большое гидравлическое сопротивление и значительная металлоемкость.
Наиболее широкое распространение получили кожухотрубчатые теплообменные аппараты, используемые для теплообмена между потоками в различных агрегатных состояниях (пар - жидкость, жидкость - жидкость, газ - газ, газ - жидкость).
Кожухотрубчатые теплообменные аппараты могут использоваться в качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей.
Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники - для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладоагентом) жидких и газообразных сред. Кожухотрубчатые теплообменники и холодильники могут быть двух типов: Н - с неподвижными трубными решетками и К - с линзовым компенсатором неодинаковых температурных удлинений кожуха и труб. Наибольшая допускаемая разность температур кожуха и труб для аппаратов типа Н может составлять 20 - 60 градусов, в зависимости от материала кожуха и труб, давления в кожухе и диаметра аппарата.
Теплообменники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали.
Кожухотрубчатые конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогрева жидкостей и газов за счет теплоты конденсации пара. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. Конденсаторы могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству
В кожухотрубчатых испарителях в трубном пространстве кипит жидкость, а в межтрубном пространстве может быть жидкий, газообразный, парообразный, парогазовый или парожидкостной теплоноситель. Эти теплообменники могут быть только вертикальными одноходовыми, с трубками диаметром 25X2 мм. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе. Применение кожухотрубчатых теплообменников с температурным компенсатором на кожухе (линзовый компенсатор) ограничено предельно допустимым давлением в кожухе, равным 1,6 МПА. При большем давлении в кожухе (1,6 - 8,0 МПА) следует применять теплообменники с плавающей головкой или с U-образными трубами.
Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой, предназначенной для охлаждения (нагревания) жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Не закрепленная на кожухе вторая трубная решетка вместе с внутренней крышкой, отделяющей трубное пространство от межтрубного, образует так называемую плавающую головку. Такая конструкция исключает температурные напряжения в кожухе и в трубах. Кожухотрубчатые конденсаторы с плавающей головкой отличаются от аналогичных теплообменников большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство. Допустимое давление охлаждающей среды в трубах до 1,0 МПА, в межтрубном пространстве - от 1,0 до 2,5 МПА. Эти аппараты могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Диаметр кожуха от 600 до 1400 мм, высота труб 6,0 м.
Теплообменники с U-образными трубами применяют для нагрева и охлаждения жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Они рассчитаны на давление до 6,4 МПА, отличаются от теплообменников с плавающей головкой менее сложной конструкцией (одна трубная решетка, нет внутренней крышки), однако могут быть лишь двухходовыми, из труб только одного сортамента: 20X2 мм. Кожухотрубчатые испарители с трубными пучками из U-образных труб или с плавающей головкой имеют паровое пространство над кипящей в кожухе жидкостью. В этих аппаратах, всегда расположенных горизонтально, горячий теплоноситель (в качестве которого могут быть использованы газы, жидкости или пар) движется по трубам. Кожухотрубчатые испарители могут быть с коническим днищем диаметром 800-1600 мм и с эллиптическим днищем диаметром 2400-2800 мм. Последние могут иметь два или три трубных пучка. Допустимые давления в трубах составляют 1,6-4,0 МПА, в кожухе - 1,0-2,5 МПА при рабочих температурах от -30 до 450°С, т. е. выше, чем для испарителей с линзовым компенсатором.
Наибольшей компактностью отличаются пластинчатые теплообменные аппараты; их удельная рабочая поверхность достигает 1500 м2/м3.
В пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образована набором тонких штампованных гофрированных пластин Эти аппараты могут быть разборными, элуразборными и неразборными (сварными) В пластинах разборных теплообменников (рисунок 6) имеются угловые отверстия для прохода теплоносителей и пазы, в которых закрепляются уплотнительные и компонующие прокладки из специальных термостойких резин. Пластины сжимаются между неподвижной и подвижной плитами таким образом, что благодаря прокладкам между ними образуются каналы для поочередного прохода горячего и холодного теплоносителей. Плиты снабжены штуцерами для присоединения трубопроводов. Неподвижная плита крепится к полу, пластины и подвижная плита закрепляются в специальной раме. Группа пластин, образующих систему параллельных каналов, в которых данный теплоноситель движется только в одном направлении (сверху вниз или наоборот), составляет пакет. Пакет по существу аналогичен одному ходу по трубам в многоходовых кожухотрубчатых теплообменниках.
Широкое применение получили пластинчато-ребристые теплообменные аппараты компактность которых достигает 2000 м2/м3. Большими достоинствами этих аппаратов являются: возможность осуществления теплообмена между тремя, четырьмя и более теплоносителями; наименьший вес и объем (следовательно, и стоимость) по сравнению с другими аппаратами. По своему устройству пластинчато-ребристые теплообменники представляют собой набор тонких пластин, между которыми располагаются тонкие гофрированные листы, припаянные к каждой пластине. Таким образом, образуются сребренные поверхности теплообмена, а теплоноситель разбивается на ряд мелких потоков. Аппарат может быть собран из любого числа пластин, а теплоносители могут двигаться либо прямотоком, либо перекрестным током.
1.3 Современное аппаратурно-технологическое оформление процесса теплообмена
Теплообмен является одним из важнейших процессов как в живой природе, так и для технологических производств. Поэтому немало было разработано и разрабатывается по сей день теплообменных установок, разнообразных методов проведения и контроля теплообменных процессов.
К современному теплообменному оборудованию относят теплообменник который был изобретен в 1998 году Плоским А.А., Банниковым Н.В., Громовым А.П., Суворовым А.П. и Федоровым Н.Н. (акционерное общество открытого типа "Чебоксарский завод промышленных тракторов"). Изобретение может быть использовано в теплообменниках для нагрева теплом газов жидкого теплоносителя. Изобретение позволяет компенсировать сердцевины теплообменников из сравнительно дешевых штампованных пакетов, обеспечивающих удобство их чистки в эксплуатации и должную турбулизацию теплоносителей.
Задачей данного изобретения является создание теплообменника, исключающего сварку при изготовлении пакетов сердцевины, а также обеспечивающего удобство чистки их в условиях эксплуатации и должную турбулизацию теплоносителей.
Поставленная задача достигнута здесь благодаря тому, что пакеты теплообменника, содержащего корпус с состоящей из штампованных пакетов сердцевиной и патрубками для подвода теплоносителей в соответствующие полости для вывода их из тех же полостей, выполнены в виде бесшовных труб с прямоугольными торцами, соседние боковые стороны которых совмещены друг с другом, а полости теплоносителей внутри пакетов и между ними образованы волнообразными углублениями на сплющенных боковых поверхностях пакетов, крайние из которых образуют боковые стенки корпуса. Указанная совокупность отличается от прототипа и не обнаружена среди аналогичных теплообменников - аналогов в тракторной отрасли техники. Более подробное описание данного теплообменника представлено в приложении А.
Государственная морская академия им. адм. С.О. Макарова (Овсянников М.К., Петухов В.А.) в 1998 году разработала способ контроля тепловой эффективности теплообменного аппарата. Изобретение предназначено для использования в теплотехнике и металлургии. Применение предлагаемого способа в практике эксплуатации судовых теплообменных аппаратов позволит объективно и достаточно точно оценить эффективность работы теплообменных аппаратов и определить периодичность их профилактической чистки и других работ по техобслуживанию, снизить затраты и повысить эффективность технической эксплуатации теплообменных аппаратов различного типа и назначения, более качественно выполнять работы по их совершенствованию на стадии проектирования и технологии изготовления.
Это способ контроля тепловой эффективности теплообменного аппарата (ТА), включающий измерение входных и выходных значений температуры теплообменных сред, вычисление коэффициента тепловой эффективности ТА (теплового КПД ТА), отличающийся тем, что измеряют одновременно разности значений температур обоих теплоносителей ?tmax и ?tmin в установившемся режиме работы ТА, после чего вычисляют et по формуле: et = 1 - (?tcp /?tmax) , (15) где: ?tcp = (?tmax - ?tmin)/(ln(?tmax /?tmin)), (16) et - коэффициент тепловой эффективности ТА;
?tmax - максимальная разница значений температур теплоносителей на входе ТА;
?tmin - минимальная разница значений температур теплоносителей на выходе из ТА;
и сравнивают его значения с критическим, добиваясь выполнения условия et ? etkp , (17)
Более подробное описание данного способа контроля тепловой эффективности теплообменного аппарата. представлено в приложении Б.
2. Расчет холодильника первой ступени
Рассчитаем необходимую поверхность теплообменника, в трубном пространстве, которого охлаждается со 160 до 110,8 °С толуол, с заданным массовым расходом GA = 2,92 кг/с.
В качестве охлаждающего теплоносителя применяем воздух под давлением P = 0,15 МПА.
2.1 Определение тепловой нагрузки
Тепловая нагрузка со стороны толуола рассчитывается следующим образом: QA= GA•CA•(TA2-TA1), (2.1) где GA - массовый расход толуола, кг/с; CA = 1530,8 Дж/кг·К - теплоемкость толуола, при его температуре TA= 135,4 °С [3].
QA= 2,92•1530,8•(160-110,8) = 219920,85 Вт.
2.2 Определение расхода и тепловой нагрузки воздуха
Тепловую нагрузку со стороны воздуха примем равной тепловой нагрузке со стороны толуола c учетом потерь тепла в окружающую среду: QB = ?•QA, (2.2) где ? - коэффициент, учитывающий потерю тепла (примем его равным - 0,95).
QB = 0,95•219920,85 = 208924,8 Вт.
GB = QB/[CB•(TB2-TB1)], (2.3) теплообменник холодильник толуол где GB - массовый расход воздуха, кг/с; СВ = 1007,3 Дж/кг·К - теплоемкость воздуха, при его температуре TB = 42,5 °С [3].
GB = 208924,8 /[1007,3•(60-25)] = 5,9 кг/с.
2.3 Вычисление средней разности температур теплоносителей
Принимаем схему движения теплоносителей - противоток.
Тогда разность температур на входе - ?tвх и на выходе - ?tвых из теплообменника соответственно равны: ?tвх = |ТА1-ТВ2| = |160-60| = 100 °С;
?tвых = |ТА2-ТВ1| = |110,8-25| = 85,8 °С.
Средняя разность температур теплоносителей: ?tср = (?tвх ?tвых)/2, (2.4)
?tср = (100 85,8)/2 = 92,9 °С.
2.4 Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена Fop и выбор рассчитываемого теплообменника
Решение вопроса о том, какой теплоноситель направить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена, расходом и др. В рассматриваемом примере в трубное пространство целесообразно направить толуол, так как он является наиболее взрывопожароопасным теплоносителем. Это позволит снизить вероятность возникновения аварийной ситуации при эксплуатации теплообменника.
Ориентировочное значение поверхности: Fop.= Q/(K•?tcp), (2.5) где К - приблизительное значение коэффициента теплопередачи.
В соответствии с таблицей 2.1[2] примем Кор= 45 Вт/м2•К.
Fop.= 219920,85/(45•92,9) = 52,9 м2
Рассчитаем необходимое число труб, приходящееся на один ход теплообменника n/z = 4•GA/(?•dвн•?A• Reop), (2.6) где n - число труб; z - число ходов по трубному пространству; dвн - внутренний диаметр труб, м;
Примем ориентировочное значение Reop= 15000 , что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно: - для труб диаметром dн = 20Ч2 мм - n/z = 4•2,92/(3,14•0,016•0,000009635•15000) = 1608,6;
- для труб диаметром dн = 25Ч2 мм - n/z = 4•2,92/(3,14•0,021•0,000009635•15000) = 1225,6.
В соответствии с ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79 соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значению у теплообменника параметры, которого представлены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 - Параметры кожухотрубчатого теплообменника согласно ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79
D, мм dн, мм z n L, м F, м2
1000 0,025 1 747 3 176
Так как поверхность теплообмена стандартного теплообменника намного больше ориентировочного значения поверхности теплообмена, то принимаем решение установить нестандартный теплообменник параметры, которого представлены в таблице 2.2.
Коэффициент теплопередачи K рассчитывается по формуле (2.7): К = (1/?1 ?ст/?ст rз1 rз2 1/?2)-1, (2.7) где ?1 и ?2 - коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей, Вт/(м2•К); ?ст - теплопроводность материала стенки, Вт/(м•К); ?ст - толщина стенки, м; 1/rз1 и 1/rз2 - термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки, Вт/(м2•К).
Сумма термических сопротивлений со стороны стенки и загрязнений равна: ??/? = ?ст/?ст rз1 rз2, (2.8)
При ?ст= 2 мм = 0,002 м, Для стали сталь 20 теплопроводность ?ст= 46,5 Вт/(м•К). 1/rз1 = 5800 Вт/(м2•К), 1/rз2 = 2800 Вт/(м2•К) [3], термическое сопротивление со стороны стенки равно: ??/?= 0,002/46,5 1/5800 1/2800 = 5,7•10-4 м2•К/Вт
Действительное число Re вычисляется по формуле: REA = 4•GA•z/(?•dвн•n•?A) (2.9)
Коэффициент теплоотдачи со стороны толуола к стенке ?1 равен: ?1 = ?/dвн(0,023•Re0,8•(Pr/Prct)0,25•Pr0,4), (2.10) где Ргст - критерий Прандтля, рассчитанный при температуре стенки тст.
Среднюю температуру воздуха определим, как среднее арифметическое его начальной и конечной температур:
ТВ = (ТВ1 ТВ2)/2 = (60 25)/2 = 42,5 °С
Среднюю температуру толуола определяется следующим образом: ТА = ТВ ?tcp = 42,5 92,9 = 135,4 °С
Температуру стенки можно определить из соотношения тст = Тср± ?t, (2.11) где Тср - средняя температура теплоносителя, ?t - разность температур теплоносителя и стенки.
Расчет ?1 - ведем методом последовательных приближений.
В первом приближении примем ?t1 = 60 °С. Тогда тст1 =135,4 - 60 = 75,4 °С
Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение: q = ?1•?t1 = ?tст/(???/?) = ?2•?t2, (2.12) где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; ?tcт - перепад температур на стенке, °С; ?t2 - разность между температурой стенки со стороны воздуха и температурой самого теплоносителя, °С.
Найдем уточненное значение относительной тепловой нагрузки qcp, как среднее арифметическое q? и q? qcp = (q? q?)/2 = (4269,2 4148,8)/2 = 4209 Вт/м2
Известно, что относительная тепловая нагрузка связана с коэффициентом теплопередачи следующим образом: q = K•?tср (2.14)
Тогда выражение для нахождения уточненного значения требуемой поверхности теплообмена примет вид
F = Q/(K•?tср) = Q/qcp (2.15)
F = 219920,85/4209 = 52,25 м2
? = [(58,67-52,25)/58,67]•100% = 10,94%
Результаты уточненного расчета поверхности теплопередачи сведены в таблицу 2.3.
Таблица 2.3 - Результаты уточненного расчета поверхности теплопередачи
Количество теплообменников, N F, м2 REA REB ?1, Вт/(м2•К) ?2, Вт/(м2•К)
1 1000 24610,56 53555 65,68 160,18
2.6 Расчет гидравлического сопротивления теплообменника
Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве ?ртр рассчитываем по формуле: ?ртр= ?•L•z•w2тр•?тр/2d [2,5(z-1) 2z]•w2тр•?тр/2 3 w2тр.ш•?тр/2 (2.16)
Скорость толуола рассчитывается по формуле: wtp = 4•GA•z/(?•d2вн•n•?А) (2.17)
Отсюда скорость будет равна:
wtp = 4•2,92•1/(3,14•0,0212 •747•2,74) = 4,1 м/с
Коэффициент трения в трубах рассчитывается по формуле: ? = 0,25{lg[e/3,7 (6,81/Retp)0,9]}-2, (2.18) где е = ?/dвн - относительная шероховатость труб; ? - высота выступов шероховатостей е = 0,0002/0,021 = 0,0095
Скорость раствора в штуцерах рассчитывается по формуле: wшт = 4•GA/(?•dшт2•?А) (2.19)
Отсюда скорость раствора в штуцерах будет равна: wшт = 4•2,92/(3,14•0,32 •2,74) = 15 м/с.
Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве: ?ртр = 0,04•1•1•4,12 •2,74/(0,021•2) [2,5(1-1) 2•1]•4,12 •2,74/2 3•2,74•152/2 = 10147 Па.
Расчетная формула для определения гидравлического сопротивления в межтрубном пространстве ?рмтр имеет вид:
?рмтр=3•m•(x 1)•?мтр w2мтр/2 Remtp0,2 1,5•x•?мтр2 w2мтр/2 3•?мтр w2мтр.шт /2, (2.20) где x - число сегментных перегородок, m - число рядов труб, преодолеваемых потоком теплоносителя в межтрубном пространстве.
Скорость воздуха в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью Smtp= 0,143 м2, рассчитывается по формуле: wmtp = GB/(Smtp•?В) (2.21) wmtp= 5,9•/(0,143•1,65) = 25 м/с
Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве, m = v(n-1)/3 0,25 = v(747-1)/3 0,25 = 15,78 округляя в большую сторону, получим m = 16. Число сегментных перегородок х = 0. Диаметр штуцеров к кожуха dmtp.шт = 0,3 м, скорость потока в штуцерах wmtp.шт = 5,9•4/(3,14•0,32 •1,65) = 50,6 м/с
В соответствии с формулой (2.20) сопротивление межтрубного пространства равно ?рмтр= 3•16•(0 1)•1,65•252/(2•535550,2) 1,5•0•1,652 •252/2 3•1,65•50,62/2 = 9141,1 Па.
Результаты гидравлического расчета холодильника сведены в таблицу 2.4
Таблица 2.4 - Результаты гидравлического расчета ? wtp, м/с wtp.шт, м/с wmtp, м/с wmtp.шт, м/с m x ?PТР, Па ?PМТР, Па
0,04 4,1 15 25 50,6 16 0 10147 9141,1
3. Расчет конденсатора паров толуола
Кожухотрубные конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогревания жидкостей за счет теплоты конденсации пара.
Рассчитаем необходимую поверхность теплообменника, в межтрубном пространстве, которого конденсируется толуол, с заданным массовым расходом GA = 2,92 кг/с, удельная теплота конденсации RA = 362031 Дж/кг, температура толуола ТА = 110,8 °С [3].
В качестве теплоносителя применяем толуол под давлением P = 0,5 МПА, который в трубном пространстве нагревается от 20 до 95 °С [3].
3.1 Определение тепловой нагрузки
Тепловая нагрузка аппарата: QA = GA•RA, (3.1) где GA - массовый расход толуола, кг/с; RA = 362031 Дж/кг - удельная теплота конденсации толуола, при его температуре TA= 110,8 °С [3].
QA = 2,92•362031 = 1057130,52 Вт
3.2 Определение тепловой нагрузки для второго теплоносителя - жидкого толуола и его расхода
Тепловую нагрузку со стороны второго теплоносителя примем равной тепловой нагрузке со стороны паров толуола c учетом потерь тепла в окружающую среду:
QC = ?•QA, (3.2) где ? - коэффициент, учитывающий потерю тепла (примем его равным - 0,95).
QC = 0,95•1057130,52 = 1004274 Вт
Расход жидкого толуола на охлаждение: GC = QC/[CA•(TC2-TC1)], (3.2) где СС = 2062,53 Дж/кг·град - теплоемкость насыщенного водяного пара, при его давлении P = 0,5 МПА, и температуре ТС= 57,5 °С [3].
GC = 1004274/[2062,53•(95-20)] = 6,5 кг/с.
3.3 Вычисление средней разности температур теплоносителей
Принимаем схему движения теплоносителей - противоток.
Тогда разность температур на входе - твх и на выходе - твых из теплообменника соответственно равны: ?tвх = |ТА-ТС1| = |110,8-20| = 90,8 °С, ?tвых = |ТА-ТС2| = |110,8-95| = 15,8 °С.
Средняя разность температур теплоносителей: ?tcp??tcp.л=(?tвх-?tвых)/ln(?tвх/?tвых) (3.4)
?tсp= (90,8-15,8)/ln(90,8/15,8) = 42,9 °С.
Среднюю температуру толуола определяется следующим образом: ТС = ТА - ?tcp = 110,8-42,9 = 67,9 °С
3.4 Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена Fop и выбор рассчитываемого теплообменника
Решение вопроса о том, какой теплоноситель направить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена, расходом и др. В рассматриваемом примере в трубное пространство целесообразно направить толуол для охлаждения паров толуола, которые, в свою очередь, будут конденсироваться в межтрубном пространстве. Ориентировочное значение поверхности: Fop.= Q/(K•?tcp), (3.5) где К - приблизительное значение коэффициента теплопередачи.
В соответствии с таблицей 2.1[2] примем Кор = 400 Вт/м2•К.
Fop.= 1004274/(400•42,9) = 58,5 м2
Рассчитаем необходимое число труб, приходящееся на один ход теплообменника n/z = 4•GC/(?•dвн•?C• Reop), (3.6) где n - число труб; z - число ходов по трубному пространству; dвн - внутренний диаметр труб, м; коэффициент динамической вязкости толуола равен - ?C= 0,3888• •10-3 Па•с.
Примем ориентировочное значение Reop = 15000 , что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно: - для труб диаметром dн=20Ч2 мм - n/z = 4•6,5/(3,14•0,016•0,0003888•15000) = 88,7
- для труб диаметром dн=25Ч2 мм - n/z = 4•6,5/(3,14•0,021•0,0003888•15000) = 67,6
В соответствии с ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79 соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значению у теплообменника параметры, которого представлены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 - Параметры кожухотрубчатого теплообменника согласно ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79
D, мм dн, мм z n L, м F, м2
600 0,02 6 316 3 60
3.5 Уточненный расчет поверхности теплопередачи
Коэффициент теплопередачи K рассчитывается по формуле (3.7): К = (1/?1 ?ст/?ст rз1 rз2 1/?2)-1, (3.7) где ?1 и ?2 - коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей, Вт/(м2•К); ?ст - теплопроводность материала стенки, Вт/(м•К); ?ст - толщина стенки, м; 1/rз1 и 1/rз2 - термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки, Вт/(м2•К).
Сумма термических сопротивлений со стороны стенки и загрязнений равна: ??/? = ?ст/?ст rз1 rз2, (3.8)
При ?ст= 2 мм = 0,002 м, Для стали сталь 20 теплопроводность ?ст= 46,5 Вт/(м•К). 1/rз1= 5800 Вт/(м2•К), 1/rз2= 5800 Вт/(м2•К) [3] термическое сопротивление со стороны стенки равно: ??/? = 0,002/46,5 1/5800 1/5800 = 3,88 • 10-4 м2•К/Вт.
Действительное число Re вычисляется по формуле: REC = 4•GC•z/(?•dвн•n•?C) (3.9)
Коэффициент теплоотдачи со стороны толуола к стенке ?2 равен: ?2= ?/dвн(0,023•Re0,8•(Pr/Prct)0,25•Pr0,4), (3.10) где Ргст - критерий Прандтля, рассчитанный при температуре стенки тст.
Температуру стенки можно определить из соотношения тст = Тср± ?t, (3.11)
где Тср - средняя температура теплоносителя, ?t - разность температур теплоносителя и стенки.
Расчет ?2 - ведем методом последовательных приближений.
В первом приближении разность температур между толуолом и стенкой приме
Вывод
В данной курсовой работе произведены теплотехнический, конструктивный и гидравлический расчеты теплообменников. На основании этих данных было подобрано следующее оборудование для проведения процесса охлаждения пара толуола и его конденсации: вертикальный холодильник и горизонтальный конденсатор.
В вертикальный одноходовой холодильник с параметрами: - диаметр кожуха 1000 мм;
- число труб 747;
- длина труб 1 м;
- поверхность теплообмена 58,67 м2. поступает пар толуола (массовый расход равен 2,92 кг/с) при атмосферном давлении. Там он охлаждается со 160 °С до 110,8 °С. Охлаждающим теплоносителем служит воздух (давление 0,15 МПА, массовый расход 5,9кг/с). Который нагревается с 25 °С до 60 °С. Тепловая нагрузка со стороны толуола равна 219920,85 Вт, а со стороны воздуха - 208924,8 Вт.
Конденсация паров толуола производится в горизонтальном конденсаторе с параметрами: - диаметр кожуха 600 мм;
- число труб 316;
- длина труб 3 м;
- число ходов 6;
- поверхность теплообмена 60 м2.
Охлаждающим теплоносителем служит толуол (давление 0,5 МПА, массовый расход 6,5 кг/с), который нагревается с 20 °С до 95 °С. Тепловая нагрузка со стороны паров толуола равна 1057130,52 Вт, со стороны толуола 1004274 Вт.
Список литературы
1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973.
2. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского.- М.: Химия, 1991.
3. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1970.
4. Калишук Д.Г., Протасов С.К., Марков В.А. Процессы и аппараты химической технологии. Методические указания к курсовому проектированию по одноименной дисциплине для студентов очного и заочного обучения. - Мн: Ротапринт БГТУ, 1992.
5. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии М.: Химия, 1981. Т. 1. 384 с.
6. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии М.: Химия, 1967 848 с.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
