Расчет теплообменника для нагрева толуола

1.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.

2. Задание на проектирование

Рассчитать теплообменник для нагрева толуола от t_н = 50⁰С до t_к = 100⁰С. Расход толуола 20 т/ч. Нагрев производится насыщенным водяным паром р_изб = 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) Определим расход теплоты на нагрев толуола:

Дж Определим удельную теплоту конденсации греющего пара:

кДж/кг

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 К_мин = 120 Вт/(м²· К).

м²

4.Ориентировочный выбор теплообменника

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей В теплообменных трубах O25×2 мм холодильников по ГОСТ 15 120–79 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 O25×2 мм, обеспечивающих объёмный 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:

б₂=2,02· е·B_t·(n/C)^1/3·L^1/3

Где е — коэффициент, для шахматного расположения труб в пучке и при числе рядов труб по вертикали n_B = 14 (табл. 4.12) е = 0,62 (рис. 4.7), В_t = 1105 (табл. 4.6),.

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].

л_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:

б₂=2,02· е·B_t·(n/C)^1/3·L^1/3

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].

л_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 д — высота выступов шероховатостей (принимаем д = 0,2? 10 ^-3 м) Диаметр штуцеров к распределительной камере d_тр.ш = 0,1 м. (таб. II.8.)

м/с В трубном пространстве местные сопротивления: вход в камеру и выход из неё, 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 у_д — допускаемое напряжение на растяжение для материала обечайки, МН/м² (рис. IV. 1)

Коэффициент ц учитывает ослабление обечайки из-за сварного шва и наличия неукреплённых отверстий. При отсутствии неукреплённых отверстий ц = ц_ш, причём для стальных обечаек принимают ц_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

D_в = 0,4 м, отверстия в обечайки укреплённые, сварной шов — стыковой двусторонний (ц_ш = 0,95) допускаемое напряжение для стали марки Х18Н10Т при 140 ⁰С равно у_д = 139 МН/м².

Толщина обечайки с учётом запаса на коррозию и округления равна:

м Проверим условие:

— верно.

Расчет толщины тепловой изоляции Толщину тепловой изоляции д_и находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду.

б_в — коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м² К):

Примем t_ст2 = 85 ⁰С

t_ст1 = t_г1 = 50 ⁰С.

t_в = 20 ⁰С — температура окружающей среды (воздуха).

л_в — коэффициент теплопроводности изоляционного материала.

Выбирем в качестве материала для тепловой изоляции совелит

(85% магнезии + 15% асбеста), имеющий л_в = 0,09 Вт/(м К) Рассчитаем толщину тепловой изоляции:

6.Вывод

теплообменник двухходовой одноходовой Целью данной курсовой работы было подобрать теплообменник для подогрева толуола. Были рассмотрены несколько вариантов подходящих по площади поверхности и по числу труб, обеспечивающих объёмный 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 использованных источников

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.