Проект системы охлаждения этилового спирта
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… Читать ещё >
Проект системы охлаждения этилового спирта (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
на тему:
" Проект системы охлаждения этилового спирта"
по дисциплине процессы и аппараты химической технологии
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 °C — начальная температура горячего теплоносителя (этиловый спирт);
t2н = 20 °C — начальная температура холодного теплоносителя (воды);
t2к = 55 °C — конечная температура холодного теплоносителя (воды).
1) большая разность температур:
Дtб = t1н — t2к = 80−55 = 25 єС;
2) для холодного теплоносителя:
Дtм = t1к — t2н = 35−20 = 15єС Так как отношение Дtб/Дtм = 25/15 = 1,66<2, то средний температурный напор определяется как среднеарифметическая величина:
Дtср = (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:
tк = 78,39 oС с1=735 кг/м3;
=0,152 Вт/(м•К);
=0,435•10-3 Пас;
с1=3060 Дж/(кгК);
2) для воды:
с2=998 кг/м3;
=0,598 Вт/(м•К);
=1,004•10-3 Пас;
с2=4178•103 Дж/(кгК);
2.3 Тепловая нагрузка аппарата
Q = G1c1(t1н — t1к),
где с1= 3060 Дж/кг•К — теплоемкость этилового спирта,
G1 — массовый расход этилового спирта.
G1 = 35 000/3600 = 9,72 кг/с,
Q = 9,72•3060 (80−35)=1 338 444 Вт.
2.4 Массовый расход воды
G2= Q/(с2(t2к — t2н)),
где с2 = 4178 кДж/кг· К — теплоемкость воды.
G2 =1 338 444/(4,182•103•(55−20))=9,14 кг/с.
2.5 Объемный расход воды
Vв = Gв/св
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/(KDtср) = 861,415Ч103/(699Ч27,9) = 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 | |
0,012 | 43,2 | 12Х18Н10Т | ||||||
3. Уточнённый расчёт 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/(868Ч1) = 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 12 067;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) = 2Ч0,012Ч0,6/(0,012+0,6) = 0,0235 м.
Скорость движения бензола:
w1 = G1/(bhr1) = 5,55/(0,012Ч0,6Ч868) = 0,88 м/с.
Критерий Рейнольдса:
Re1 = w1d r1/m1 = 0,88Ч0,0235Ч868/0,360Ч10-3 = 49 862,
где m1 = 0,360Ч10-3 ПаЧс — вязкость бензола.
Критерий Нуссельта:
Nu1 = 0,021ЧRe10,8ЧPr10,43Ч (Pr1/Prст1)0,25.
Критерий Прандтля:
Pr1 = см/л = 1,826· 0,36/0,1338 = 4,9.
где l1 = 0,1338 Вт/(мЧK) — теплопроводность бензола.
Принимаем в первом приближении (Pr1/Prст1)0,25 = 1, тогда
Nu1 = 0,021Ч49 8620,8Ч4,90,43 = 238,35.
a1 = Nu1l1/d = 238?35Ч0,1338/0,0235 = 1357 Вт/(м2ЧK)
3.3 Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде
Скорость движения воды:
w2 = G2 /(bhr2) = 10,308/(0,012Ч0,6Ч995) = 1,44 м/с,
где r2 = 995 кг/м3 — плотность воды.
Критерий Рейнольдса:
Re2 = w2d r2/m2 = 1,44Ч0,0235Ч995/0,797Ч10-3 = 41 348,
где m1 = 0,797Ч10-3 ПаЧс — вязкость воды.
Критерий Нуссельта:
Nu2 = 0,021ЧRe20,8ЧPr20,43Ч (Pr2/Prст2)0,25.
Критерий Прандтля для воды определяем по монограмме «Значения критерия Прандтля для жидкостей»:
Pr2 = 6,286
Примем в первом приближении (Pr1/Prст1)0,25 = 1, тогда
Nu2 = 0,021Ч41 3480,8Ч6,2860,43 = 228,4.
a2 = Nu2l2/d = 228,4Ч0,615/0,0235 = 5977,3 Вт/(м2ЧK).
теплообменник аппарат охлаждение спирт
где l2 = 0,615 Вт/(мЧK) — теплопроводность воды.
3.4 Тепловое сопротивление стенки
где lcт =17,5 Вт/(мЧК) — теплопроводность нержавеющей стали
r1=r2=1/5800 мЧК / Вт — тепловое сопротивление загрязнений
= (0,0035/17,5) + (1/5800) + (1/5800) = 5,4Ч10-4 мЧК / Вт.
3.5 Коэффициент теплопередачи
=1/(1/1357+ 5,4Ч10-4 + 1/5977,3) = 689,65 Вт/(м2ЧК).
Рассчитываем температуру стенки:
tст1 = tcр1 — KDtср/a1 = 67,5 — 689,65Ч27,9/1357 = 53,3° С
tст2 = tcр2 + KDtср/a2 = 28 + 689,65Ч27,9/5977,3 = 28,1° С
Уточняем коэффициенты теплоотдачи при температуре стенки по монограмме «Значения критерия Прандтля для жидкостей»: Pr1ст = 5,8
a1ут = 1357Ч (6,286/5,8)0,25 = 1384 Вт/(м2ЧК).
Pr2ст = 6,3
a2ут = 5977,3Ч (6,286/6,3)0,25 = 5974 Вт/(м2ЧК).
Уточненный коэффициент теплопередачи:
K = 1/(1/1384 + 5,4Ч10-4+1/5974) = 699 Вт/(м2ЧК)
Проверяем температуру стенки
tст1 = tcр1 — KDtср/a1 = 67,5 — 699Ч27,9/1384 = 53,4° С
tст2 = tcр2 + KDtср/a2 = 28 + 699Ч27,9/5974 = 31,2° С
Полученные значения близки к ранее принятым.
3.6 Поверхность теплопередачи
Поверхность теплообмена рассчитываем исходя из основного уравнения теплопередачи:
F = Q/(KDtср) = 861,415Ч103/(699Ч27,9) = 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/(0,785Ч1Ч868)]0,5 = 0,09 м,
принимаем d1 = 10 мм.
Штуцер для входа и выхода воды:
= [10,308/(0,785Ч1Ч995)]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+2Ч16,7/(pЧ0,0155)]0,5 = 16,6.
Число полувитков второй спирали:
=(0,0155−0,5Ч0,0155−0,2)/0,0155+{[(0,2+0,5Ч0,0155−0,0155)/0,0155]2+2Ч16,7/(pЧ0,0155)}0,5 = 16,6.
4.4 Диаметр аппарата
D = 2 [r1 + (n2 + 1) t2 — t1] + 2d =2Ч[0,2 + (16,6 + 1) Ч0,0155 — 0,0155]+0,0035 = 0,92 м,
принимаем D = 1000 мм.
4.5 Выбор опор аппарата
Масса теплообменника:
m = m1+mв+m2,
где m1 — масса спиралей,
mв — масса воды заполняющей аппарат при гидроиспытании,
m2 — масса вспомогательных элементов (фланцев, штуцеров).
m1 = 2hLdrст = 2Ч0,6Ч16,7Ч0,0035Ч7900 = 554 кг,
где rст = 7900 кг/м3 — плотность стали.
mв = (0,785D2h — 2hLd) rв =
= (0,785Ч1,02Ч0,6 — 2Ч0,6Ч16,7Ч0,0035) 1000 = 401 кг.
m2 принимаем 5% от основного веса аппарата. Тогда
mp = 1,05 (m1+mв) = 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/(0,785Ч0,12Ч868) = 0,81 м/с.
Коэффициент трения:
l1 = 856/Re0,25 = 0,856/49 8620,25 = 0,057.
DР1 = 0,057Ч16,7Ч (0,88)2Ч868/(2Ч0,0235) + 1,5Ч0,812Ч842 = 14 443 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 = 14 443/(868Ч9,8) + 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: Объёмный 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 = 0,856/41 3480,25 = 0,06
DP2 = 0,06Ч16,7Ч (1,44)2Ч995/(2Ч0,0235) + 1,5Ч (1,32)2Ч995 = 47 784 Па
H1 = DP1 / (r1g) + h
5.4 Требуемый напор насоса
Н2 = 47 784/(995Ч9,8) + 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: Объёмный 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 tст.в = 40 °C, температуру окружающего воздуха tв = 18 °C, тогда толщина стекловолокнистой изоляции:
где lиз = 0,09 Вт/мЧК — коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала,
aв — коэффициент теплоотдачи от наружной стенки корпуса в окружающую среду
aв = 8,4+0,06Dtв = 8,4+0,06Ч22 = 9,72 Вт/м2ЧК,
где Dtв = tст.в — tв = 40 — 18 = 22 °C.
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.
Заключение
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 12 067;80
Тимонин А. С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Том 2.-Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. — 1025 с.