Расчет параметров и выбор теплообменника для подогрева толуола, обеспечивающего объёмный расход при турбулентном течении жидкости. Сравнительный анализ конструкций одноходового и двухходового теплообменников, оценка достоинств и недостатков моделей.
Аннотация к работе
В теплообменных аппаратах теплопередача от одной среды к другой через разделяющую их стенку обусловлена рядом факторов и является сложным процессом, который принято разделять на три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 6, и направляется в сборник дистиллята 11 при помощи насоса 10. Исходная смесь из промежуточной емкости 9 центробежным насосом 10 подается в теплообменник 5, где подогревается до температуры кипения. В трубы запустим толуол, в межтрубное пространство - пар.Целью данной курсовой работы было подобрать теплообменник для подогрева толуола. Были рассмотрены несколько вариантов подходящих по площади поверхности и по числу труб, обеспечивающих объемный расход при турбулентном течении жидкости, теплообменников.
Введение
Процессы теплообмена имеют большое значение в химической, энергетической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. В теплообменных аппаратах теплопередача от одной среды к другой через разделяющую их стенку обусловлена рядом факторов и является сложным процессом, который принято разделять на три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. На практике эти явления не обособлены, находятся в каком-то сочетании и протекают одновременно.
Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагревающая среда, и отдающие тепло, принято называть нагревающими агентами, а теплоносители с более низкой температурой, чем среда, от которой они воспринимают тепло, - охлаждающими агентами.
В химической промышленности применяют теплообменные аппараты различных типов и конструкций. К числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников относятся кожухотрубчатые теплообменники.
В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся сред движется внутри труб ( в трубном пространстве ), а другая - в межтрубном пространстве. Однохододовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными или горизонтальными. Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. Горизонтальные теплообменники изготавливают обычно многоходовыми и работают при больших скоростях участвующих в теплообмене сред для того, чтобы свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и плотностей, а также устранить образование застойных зон.
Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 2. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка Xw, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состав XP, которая получается в дефлегматоре 3 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Затем жидкость направляется в делитель флегмы 4. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 6, и направляется в сборник дистиллята 11 при помощи насоса 10.
Из кубовой части колонны насосом 10 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в холодильнике остатка 7 и направляется в емкость 8.
Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравномерный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовой остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.
Схема ректификационной установки
Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис.1. Исходная смесь из промежуточной емкости 9 центробежным насосом 10 подается в теплообменник 5, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 1 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси XF.. Задание на проектирование
Рассчитать теплообменник для нагрева толуола от тн = 500С до тк = 1000С. Расход толуола 20 т/ч. Нагрев производится насыщенным водяным паром ризб = 2,5 кг/см2.
3. Расчет тепловой нагрузки
В трубы запустим толуол, в межтрубное пространство - пар. Трубному пространству присвоим индекс «1», межтрубному - индекс «2».
Найдем температуру конденсации водяного пара при давлении 2,5 кг/см2. Она составляет 125,30С. [1, табл. LVII]
Составим температурную схему процесса:
Определим среднюю разность температур:
С
Средняя температура толуола:
Расход толуола: кг/с
Найдем плотность толуола при его средней температуре: кг/м3 [2, номограмма 1.1]
Объемный расход толуола равен: м3/с
Удельная теплоемкость толуола при его средней температуре: Дж/(кг·С)
Расход греющего пара с учетом 7%-х потерь составит:
кг/см
Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. По табл. 4.8 минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося водяного пара к органическим жидкостям Кмин = 120 Вт/(м2·К).
м2
4.Ориентировочный выбор теплообменника
Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей
В теплообменных трубах O25 х 2 мм холодильников по ГОСТ 15120-79 скорость пара для обеспечения турбулентного режима при Re2 > 10 000 должна быть более:
Найдем коэффициент вязкости для толуола:
Па·с [2, номограмма 2.2] м/с
Число труб O25 х 2 мм, обеспечивающих объемный расход смеси бензол-толуол при Re2 = 10 000:
Условиям n < 98,85 и F < 95,11 м2 удовлетворяют согласно таблице 4.12 [1,с.215] несколько теплообменников: 1.Одноходовой теплообменник с числом труб 62 и внешним сечением кожуха 325 мм.
2. Двухходовой теплообменник с числом труб 100 (50 труб на один ход) и внутренним сечением 400 мм. Хотя он обладает большим числом труб, чем требуется, различие невелико, и эффективность теплообмена может быть достигнута за счет запаса поверхности.
4.1 Одноходовой теплообменник
Уточняем значение критерия Рейнольдса для теплообменника
Найдем коэффициент теплопроводности для толуола: Дж/(м·ч·К)
Критерий Прандтля для толуола:
Отношение было принято равным 1,01 с последующей проверкой. Коэффициент теплопередачи равен:
Вт/(м2·К)
Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб
Расчет осуществляем приближенно по формуле:
Т.к. кг/с и , расчет ведем по формуле: ?2=2,02·?·Bt·(n/C)1/3·L1/3
Где ? - коэффициент, для шахматного расположения труб в пучке и при числе рядов труб по вертикали NB = 14 (табл. 4.12) ? = 0,62 (рис.4.7), Вт = 1105 (табл. 4.6),[1, с.162].
Задаем длину труб (по табл. 4.12) L = 4 м. Получаем: Вт/(м2·К)
Коэффициент теплопередачи
Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара и толуола: Вт/(м2·К)
Коэффициент теплопроводности стали (табл. XXVIII), [1,с.529]. ?ст = 46,5 Вт/(м·К)
Вт/(м2·К)
Вт/м2
Поверхностная плотность теплового потока равна:
Вт/м2
Проверим отношение . Для этого найдем
Определим теплоемкость и коэффициенты вязкости и теплопроводности толуола при 860С: [2, номограмма 4.2]
Па·с [2, номограмма 2.2]
Дж/кг [2, номограмма 3.1]
Критерий Прандтля для толуола:
Относительная ошибка расчета: - менее 5%, поэтому расчет можно считать завершенным.
Определение расчетной площади поверхности теплообмена
Расчетная площадь поверхности теплообмена:
м2
Теплообменник с трубами длиной 4 м имеет площадь теплообмена: м2
Сопоставление расчетной площади поверхности теплообмена с площадью поверхности выбранного теплообменника
Запас площади поверхности теплообмена: - запас площади теплообмена недостаточен, поэтому рассчитаем второй теплообменник (двухходовой)
2. Двухходовой теплообменник
Уточняем значение критерия Рейнольдса для теплообменника
Найдем коэффициент теплопроводности для толуола: Дж/(м·ч·К)
Критерий Прандтля для толуола:
Отношение было принято равным 1,01 с последующей проверкой. Коэффициент теплопередачи равен:
Вт/(м2·К)
Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб
Расчет осуществляем приближенно по формуле:
Т.к. кг/с и , расчет ведем по формуле: ?2=2,02·?·Bt·(n/C)1/3·L1/3
Вт/(м2·К)
Коэффициент теплопередачи
Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара и толуола: Вт/(м2·К)
Коэффициент теплопроводности стали (табл. XXVIII), [1,с.529]. ?ст = 46,5 Вт/(м·К)
Вт/(м2·К)
Вт/м2
Поверхностная плотность теплового потока равна:
Вт/м2
Проверим отношение . Для этого найдем
Определим теплоемкость и коэффициенты вязкости и теплопроводности толуола при 860С: [2, номограмма 4.2]
Па·с [2, номограмма 2.2]
Дж/кг [2, номограмма 3.1]
Критерий Прандтля для толуола:
Относительная ошибка расчета: - менее 5%, поэтому расчет можно считать завершенным.
Определение расчетной площади поверхности теплообмена
Расчетная площадь поверхности теплообмена:
м2
Теплообменник с трубами длиной 3 м имеет площадь теплообмена: м2
Запас площади поверхности теплообмена: - запас площади теплообмена достаточен
5. Расчет гидравлических сопротивлений
Расчет гидравлического сопротивления кожухотрубчатых теплообменников производится по формулам, приведенным ниже.
Скорость жидкости в трубах:
м
Коэффициент трения рассчитывается по формуле:
Где ? - высота выступов шероховатостей (принимаем ? = 0,2 • 10 -3 м)
Диаметр штуцеров к распределительной камере dtp.ш = 0,1 м. (таб. II.8.)
м/с
В трубном пространстве местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, поворот на 1800 и по два раза вход в трубы и выход из них.
Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:
Механические расчеты основных узлов и деталей химических аппаратов, расчет толщины обечаек
Толщину тонкостенных обечаек, работающих под внутренним избыточным давлением р (в МПА), следует рассчитать по формуле:
где D - наружный или внутренний диаметр обечайки, м ?д - допускаемое напряжение на растяжение для материала обечайки, МН/м2 (рис. IV. 1)
Коэффициент ? учитывает ослабление обечайки изза сварного шва и наличия неукрепленных отверстий. При отсутствии неукрепленных отверстий ? = ?ш, причем для стальных обечаек принимают ?ш = 0,7 - 1,0, в зависимости от типа сварного шва.
Нагрев производится насыщенным водяным паром при абсолютном давлении 0,25 МПА и температуре 125,30С. Внутренний диаметр обечайки
Dв = 0,4 м, отверстия в обечайки укрепленные, сварной шов - стыковой двусторонний (?ш = 0,95) допускаемое напряжение для стали марки Х18Н10Т при 140 0С равно ?д = 139 МН/м2.
Толщина обечайки с учетом запаса на коррозию и округления равна:
м
Проверим условие:
- верно.
Расчет толщины тепловой изоляции
Толщину тепловой изоляции ?и находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду.
?в - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2 К):
Примем тст2 = 85 0С тст1 = тг1 = 50 0С. тв = 20 0С - температура окружающей среды (воздуха). ?в - коэффициент теплопроводности изоляционного материала.
Выбирем в качестве материала для тепловой изоляции совелит
(85% магнезии 15% асбеста), имеющий ?в = 0,09 Вт/(м К)
Рассчитаем толщину тепловой изоляции:
Вывод
теплообменник нагрев толуол
Целью данной курсовой работы было подобрать теплообменник для подогрева толуола. Были рассмотрены несколько вариантов подходящих по площади поверхности и по числу труб, обеспечивающих объемный расход при турбулентном течении жидкости, теплообменников. Одноходовой теплообменник имеет недостаточную площадь поверхности теплообмена. Двухходовой является наиболее подходящим по площади и обеспечивает нужный режим движения теплоносителей.
Таким образом, поставленная задача решается применением двухходового кожухотрубчатого теплообменника.
6.
Список литературы
1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1976, 552 с.
2. Определение теплофизических свойств газов, жидкостей и водных растворов веществ: методические указания./ Шадрина Е.М., Волкова Г.В. Иваново.: ИВХТУ, 2009.
3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973, 750 с.
4. Справочник химика. - М. -Л.: Госхимиздат, 1963, Т.1, 1071 с.
5. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование. - М.: Химия, 1974, 270 с.
6. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: учебник: в 2 кн. / В.Г. Айнштейн, М.К. Захаров, Г.А. Носков и др. Под ред. В.Г. Айнштейна. М.: Логос; Высшая школа, 2003.