Проект системы охлаждения этилового спирта - Курсовая работа

Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника; Спиральные теплообменники могут использоваться как для теплообмена между двумя жидкими теплоносителями, так и для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью. Так как при непрерывно изменяющихся температурах теплоносителей лучшие результаты (снижение расхода теплоносителей) дает противоточное движение, то принимаем противоточную схему движения теплоносителей: пар поступает в межтрубное пространство, а раствор двигается по внутренней трубе. Так как при непрерывно изменяющихся температурах теплоносителей лучшие результаты (снижение расхода теплоносителей) дает противоточное движение, то принимаем противоточную схему движения теплоносителей: пар поступает в межтрубное пространство, а раствор двигается по внутренней трубе [6 c.В рамках проекта были произведены следующие расчеты: нахождения и описание технологической схемы с использованием данного теплообменника, расчет и выбор наиболее оптимального варианта аппарата (теплообменника), а также графическое изображение технологической схемы и самого аппарата.

Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов: поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через поверхность стенки;

регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;

смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

Поэтому в химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, которые, в свою очередь, разделяются на трубчатые, пластинчатые, спиральные, с поверхностью, образованной стенками аппарата, с оребренной поверхностью теплообмена.

К конструкции теплообменных аппаратов предъявляется ряд требований: они должны отличаться простотой, удобством монтажа и ремонта. В ряде случаев конструкция теплообменника должна обеспечивать, возможно меньшее загрязнение поверхности теплообмена и быть легко доступной для осмотра и очистки.

Этим требованиям во многом отвечают спиральные теплообменники, поверхность теплообмена в котором образуется двумя металлическими листами свернутыми в спирали, образующие два спиральных прямоугольных канала, по которым двигаются теплоносители. Внутренне концы спиралей соединены разделительной перегородкой - керном. Для придания спиралям жесткости и фиксирования расстояния между ними служат металлические прокладки. Система каналов закрыта с торцов крышками.

Преимущества спиральных теплообменников: компактность;

возможность пропускания обоих теплоносителей с высокими скоростями, что обеспечивает большой коэффициент теплопередачи;

малое гидравлическое сопротивление по сравнению с другими типа ми поверхностных теплообменников.

Недостатками спиральных теплообменников являются: сложность изготовления и ремонта;

пригодность для работы под избыточным давлением не более 0,6 МПА.

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.

1. Материальный и тепловой расчет

1.1 Температурный режим аппарата

Так как при непрерывно изменяющихся температурах теплоносителей лучшие результаты (снижение расхода теплоносителей) дает противоточное движение, то принимаем противоточную схему движения теплоносителей: пар поступает в межтрубное пространство, а раствор двигается по внутренней трубе.

1.2 Средняя разность температур теплоносителей

Для нахождения теплофизических свойств, рассчитываем среднею температуру для веществ, исходя из начальных и конечных температур горячего теплоносителя (бензола) и холодного теплоносителя (воды). Давление составляет 0,3 МПА. t1н = 80°С - начальная температура горячего теплоносителя (этиловый спирт);

t2н = 20°С - начальная температура холодного теплоносителя (воды);

t2к = 55°С - конечная температура холодного теплоносителя (воды).

1) большая разность температур: ?tб = t1н - t2к = 80-55 = 25 ЄС;

2) для холодного теплоносителя: ?tм = t1к - t2н = 35-20 = 15ЄС

Так как отношение ?tб/?tм = 25/15 = 1,66<2, то средний температурный напор определяется как среднеарифметическая величина: ?tср = (25 15)/2= 20ЄС

Средняя температура горячего теплоносителя:

t1ср = (t1н t1к)/2 = (80 35)/2 = 57,5 ЄС

Средняя температура холодного теплоносителя: t2ср = (t2н t2к)/2= (20 55)/2= 37,5 ?С.

На основании средних температур находим следующие физико-химические параметры: 1) для этилового спирта: тк = 78,39 ОС ?1=735 кг/м3;

=0,152 Вт/(м•К);

=0,435•10-3 Па с;

с1=3060 Дж/(кг К);

2) для воды: ?2=998 кг/м3;

=0,598 Вт/(м•К);

=1,004•10-3 Па с;

с2=4178•103 Дж/(кг К);

2.3 Тепловая нагрузка аппарата

Q = G1c1(t1н - t1к), где с1= 3060 Дж/кг•К - теплоемкость этилового спирта, G1 - массовый расход этилового спирта.

G1 = 35000/3600 = 9,72 кг/с, Q = 9,72•3060 (80-35)=1338444 Вт.

2.4 Массовый расход воды

G2= Q/(с2(t2к - t2н)), где с2 = 4178 КДЖ/кг·К - теплоемкость воды.

G2 =1338444/(4,182•103•(55-20))=9,14 кг/с.

2.5 Объемный расход воды

Vв = Gв/?в

Vв= 9,14/998 = 0,0091 м3/с

2.6 Ориентировочный выбор теплообменника

Так как при непрерывно изменяющихся температурах теплоносителей лучшие результаты (снижение расхода теплоносителей) дает противоточное движение, то принимаем противоточную схему движения теплоносителей: пар поступает в межтрубное пространство, а раствор двигается по внутренней трубе [6 c. 729].

F = Q/(KDTCP) = 861,415?103/(699?27,9) = 44 м2.

Принимаем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена [6 c. 739]: Поверхность теплообмена, м2 Ширина канала, мм Ширина ленты, мм Длина канала, м Площадь поперечного сечения канала, м2 Пропускная способность при скорости 1 м/секм3/ч Масса, кг Материал ленты по ГОСТ 5632-72

40 12 1000 20 0,012 43,2 2800 12Х18Н10Т

3. Уточненный расчет теплообменного аппарата

3.1 Размер каналов

Задаемся скоростью движения бензола w1 = 1 м/с, тогда площадь поперечного сечения канала составит: S1 = G1/(r1w1) = 5,55/(868?1) = 0,0064 м2, где r1 = 868 кг/м3 - плотность бензола;

При ширине канала b1 = 12 мм высота ленты должна составлять: h = S1/b1 = 0,0064/0,012 = 0,53 м;

принимаем по ГОСТ 12067-80 h = 0,6 м;

ширину второго канала принимаем b2 = b1 = 0,012 м;

толщина листа ? = 3,5 мм.

3.2 Коэффициент теплоотдачи от бензола к стенке

Эквивалентный диаметр канала: dэк = 2bh/(b h) = 2?0,012?0,6/(0,012 0,6) = 0,0235 м.

Скорость движения бензола: w1 = G1/(bhr1) = 5,55/(0,012?0,6?868) = 0,88 м/с.

Критерий Рейнольдса: Re1 = w1d r1/m1 = 0,88?0,0235?868/0,360?10-3 = 49862,

где m1 = 0,360?10-3 Па?с - вязкость бензола.

Критерий Нуссельта: Nu1 = 0,021?Re10,8?Pr10,43?(Pr1/Prct1)0,25.

Критерий Прандтля: Pr1 = с?/? = 1,826·0,36/0,1338 = 4,9. где l1 = 0,1338 Вт/(м?K) - теплопроводность бензола.

Принимаем в первом приближении (Pr1/Prct1)0,25 = 1, тогда Nu1 = 0,021?498620,8?4,90,43 = 238,35. a1 = Nu1l1/d = 238?35?0,1338/0,0235 = 1357 Вт/(м2?K)

3.3 Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде

Скорость движения воды: w2 = G2 /(bhr2) = 10,308/(0,012?0,6?995) = 1,44 м/с, где r2 = 995 кг/м3 - плотность воды.

Критерий Рейнольдса: Re2 = w2d r2/m2 = 1,44?0,0235?995/0,797?10-3 = 41348, где m1 = 0,797?10-3 Па?с - вязкость воды.

Критерий Нуссельта:

Nu2 = 0,021?Re20,8?Pr20,43?(Pr2/Prct2)0,25.

Критерий Прандтля для воды определяем по монограмме «Значения критерия Прандтля для жидкостей»: Pr2 = 6,286

Примем в первом приближении (Pr1/Prct1)0,25 = 1, тогда Nu2 = 0,021?413480,8?6,2860,43 = 228,4. a2 = Nu2l2/d = 228,4?0,615/0,0235 = 5977,3 Вт/(м2?K). теплообменник аппарат охлаждение спирт где l2 = 0,615 Вт/(м?K) - теплопроводность воды.

3.4 Тепловое сопротивление стенки

, где lct =17,5 Вт/(м?К) - теплопроводность нержавеющей стали r1=r2=1/5800 м?К / Вт - тепловое сопротивление загрязнений

= (0,0035/17,5) (1/5800) (1/5800) = 5,4?10-4 м?К / Вт.

3.5 Коэффициент теплопередачи

=1/(1/1357 5,4?10-4 1/5977,3) = 689,65 Вт/(м2?К).

Рассчитываем температуру стенки: тст1 = тср1 - KDTCP/a1 = 67,5 - 689,65?27,9/1357 = 53,3° С тст2 = тср2 KDTCP/a2 = 28 689,65?27,9/5977,3 = 28,1° С

Уточняем коэффициенты теплоотдачи при температуре стенки по монограмме «Значения критерия Прандтля для жидкостей»: Pr1ст = 5,8 а1ут = 1357?(6,286/5,8)0,25 = 1384 Вт/(м2?К).

Pr2ст = 6,3 а2ут = 5977,3?(6,286/6,3)0,25 = 5974 Вт/(м2?К).

Уточненный коэффициент теплопередачи: K = 1/(1/1384 5,4?10-4 1/5974) = 699 Вт/(м2?К)

Проверяем температуру стенки тст1 = тср1 - KDTCP/a1 = 67,5 - 699?27,9/1384 = 53,4° С тст2 = тср2 KDTCP/a2 = 28 699?27,9/5974 = 31,2° С

Полученные значения близки к ранее принятым.

3.6 Поверхность теплопередачи

Поверхность теплообмена рассчитываем исходя из основного уравнения теплопередачи: F = Q/(KDTCP) = 861,415?103/(699?27,9) = 44 м2.

Так как теплообменник с ближайшей большей поверхностью F = 40 м2 изготовляется с шириной листа 0,7 или 1,0 м, то принимаем к установке два последовательно соединенных теплообменника с поверхностью теплообмена 20,0 м2 каждый.

4. Конструктивный расчет

Задачей конструктивного расчета теплообменных аппаратов является определение их основных размеров. Конструктивный расчет выполняется в зависимости от типа аппарата. Детальный расчет проводится в том случае, если нет возможности выбрать стандартный теплообменник серийного производства. При выборе стандартного теплообменника конструктивный расчет сводится к определению диаметра и подбора штуцеров.

4.1 Длина спирали l = F/(2h) = 20,0/(2?0,6) = 16,7 м

4.2 Расчет штуцеров

Принимаем скорость жидкости в штуцере wшт = 1 м/с.

Штуцер для входа и выхода бензола: = [5,55/(0,785?1?868)]0,5 = 0,09 м, принимаем d1 = 10 мм.

Штуцер для входа и выхода воды: = [10,308/(0,785?1?995)]0,5 = 0,01 м, принимаем d2 = 10 мм.

4.3 Число витков спирали

Шаг спиралей t1 = t2 = b d = 0,012 0,035 = 0,0155 м.

Принимаем радиус полувитка с учетом расположения штуцера r = 0,2 м.

Число полувитков первой спирали: =(0,5-0,2/0,0155) [(0,2/0,0155)2 2?16,7/(p?0,0155)]0,5 = 16,6.

Число полувитков второй спирали: =(0,0155-0,5?0,0155-0,2)/0,0155 {[(0,2 0,5?0,0155-0,0155)/0,0155]2 2?16,7/(p?0,0155)}0,5 = 16,6.

4.4 Диаметр аппарата

D = 2 [r1 (n2 1) t2 - t1] 2d =2?[0,2 (16,6 1)?0,0155 - 0,0155] 0,0035 = 0,92 м, принимаем D = 1000 мм.

4.5 Выбор опор аппарата

Масса теплообменника: m = m1 мв m2,

где m1 - масса спиралей, мв - масса воды заполняющей аппарат при гидроиспытании, m2 - масса вспомогательных элементов (фланцев, штуцеров). m1 = 2HLDRCT = 2?0,6?16,7?0,0035?7900 = 554 кг, где rct = 7900 кг/м3 - плотность стали. мв = (0,785D2h - 2HLD)rв =

= (0,785?1,02?0,6 - 2?0,6?16,7?0,0035) 1000 = 401 кг. m2 принимаем 5% от основного веса аппарата. Тогда mp = 1,05 (m1 мв) = 1,05 (554 401) = 1002 кг = 10,02 КН.

Принимаем для аппарата две опоры в виде лап. Нагрузка на одну опору: G = m/2 = 100,2/2 = 5,01 КН

Выбираем опору с допускаемой нагрузкой 6,3 КН, конструкция которой приводятся на рисунке: 4.6 Уплотнение каналов

Каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. Такой способ предотвращает смешение теплоносителей при в случае неплотности в прокладки. Кроме того, этот тип уплотнения позволяет легко очистить каналы при их загрязнении.

5. Гидравлический расчет

Задачей гидравлического расчета является определение гидравлического сопротивления аппарата и выбор насоса для подачи жидкого теплоносителя.

5.1 Гидравлическое сопротивление аппарата для бутанола

.

Скорость бензола в штуцере: w1шт = G1/(0,785dшт2r1) = 5,55/(0,785?0,12?868) = 0,81 м/с.

Коэффициент трения: l1 = 856/Re0,25 = 0,856/498620,25 = 0,057.

DP1 = 0,057?16,7?(0,88)2?868/(2?0,0235) 1,5?0,812?842 = 14443 Па.

5.2 Требуемый напор насоса

H1 = DP1 / (r1g) h где h - геометрическая высота подъема жидкости и потери напора в подводящем трубопроводе. Принимаем h = 3 м.

H1 = 14443/(868?9,8) 3 = 4,7 м.

Объемный секундный расход раствора: Q1 = G1 / r1 = 5,55/868 = 0,0064 м3/с.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х45/21. Данный насос имеет следующие технические характеристики: Объемный расход: 1,25•10-2м3/с; напор: 13,5 м ст. ж.; обороты: 48,3 с-1; КПД: 0,88; тип двигателя: АО2-51-2; мощность 10 КВТ [4 c. 38].

5.3 Гидравлическое сопротивление для воды

Скорость раствора в штуцере: w2шт = G2/(0,785dшт2?2) = 10,308/(0,785?0,12?995) = 1,32 м/с.

Коэффициент трения l2 = 0,856/Re0,25 = 0,856/413480,25 = 0,06

DP2 = 0,06?16,7?(1,44)2?995/(2?0,0235) 1,5?(1,32)2?995 = 47784 Па

H1 = DP1 / (r1g) h

5.4 Требуемый напор насоса

Н2 = 47784/(995?9,8) 3= 7,9 м.

Объемный секундный расход воды: Q2 = G2 / r2 = 10,308/995 = 0,01 м3/с.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х45/21. Данный насос имеет следующие технические характеристики: Объемный расход: 1,25•10-2м3/с; напор: 13,5 м ст. ж.; обороты: 48,3 с-1; КПД: 0,88; тип двигателя: АО2-51-2; мощность 10 КВТ [4 c. 38].

6. Расчет тепловой изоляции

Принимаем температуру наружной поверхности стенки тст.в = 40°С, температуру окружающего воздуха тв = 18°С, тогда толщина стекловолокнистой изоляции: , где lиз = 0,09 Вт/м?К - коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала, ав - коэффициент теплоотдачи от наружной стенки корпуса в окружающую среду ав = 8,4 0,06Dtв = 8,4 0,06?22 = 9,72 Вт/м2?К, где Dtв = tct.в - тв = 40 - 18 = 22 °С. dиз = 0,09 (110-40)/[9,72 (40 - 18) = 0,029 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 30 мм.

7. Поверочный расчет теплообменника

Поверочный расчет теплообменника с известной поверхностью теплопередачи заключается в определении конечных температур теплоносителей при их начальных значениях. Необходимость в таком расчете возникает в результате проектного расчета, когда был выбран нормализованный аппарат со значительным запасом поверхности. Поверочные расчеты также могут понадобиться с целью выявления возможностей имеющегося аппарата при переходе к непроектным режимам работы.

В принятом варианте оптимально подобранный теплообменник имеет нормализованное значение поверхности F=20,0 м2. Определим конечные температуры теплоносителей при неизменном коэффициенте теплопередачи К = 700 Вт/(м2 К).

7.1 Определим число единиц переноса

N1 = KF/G1c1 = 700•20/5,55•1,826•103 = 1,38

N2 = KF/G2c2 = 700•20/10,308•4,178•103 = 0,325

R = G2c2/G1c1 = (t1н-t1к)/(t2к-t2н) = 10,308•4,178•103/5,55•1826 = (110 - 25)/(38 - 18) = 4,25

7.2 Эффективность теплопередачи

7.3 Конечная температура холодного и горячего теплоносителей t2к = t2н E2•(t1н-t2н) = 18 0,24•(110 - 18) = 40,080С t1к = t1н - E1•(t1н-t2н) = 110 - 0,58•(110 - 18) = 56,640С

Таким образом полученная температура не сильно отличается от заданной. Расчет верен.

Целью данного курсового проекта являлся расчет теплообменника типа спиральный для охлаждения бензола водой. В рамках проекта были произведены следующие расчеты: нахождения и описание технологической схемы с использованием данного теплообменника, расчет и выбор наиболее оптимального варианта аппарата (теплообменника), а также графическое изображение технологической схемы и самого аппарата. В конечном итоге был получен следующий результат: теплообменник типа спиральный с поверхностью теплообмена 40,0 м2, из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т.

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

Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1991. - 352 с.

Плановский А.Н., Процессы и аппараты химической технологии.-М.: Химия, 1962, 846 с.

Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Пособие по курсовому проектированию. М.: Химия, 1991. - 496 с.

Спиральные теплообменники ГОСТ 12067-80

Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Том 2.-Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. - 1025 с.

Размещено на