Расчет теплообменной установки для подогрева сырья ректификационной колонны

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Самарский государственный технический университет»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ По дисциплине: «Процессы и аппараты химической технологии»

На тему: «Расчет теплообменной установки для подогрева сырья ректификационной колонны»

Вариант № 15

Самара 2012

1.Введение

2. Исходные данные и постановка задачи

3.Описание технологической схемы

4.Описание конструкции проектируемого аппарата

5.Технологический расчет

5.1 Пересчет массовых концентраций компонентов в мольные

5.2 Определение неизвестных температур

5.3Определение теплофизических свойств индивидуальных веществ и смесей

5.4 Определение тепловой нагрузки и расхода горячей воды

5.5Выбор ориентировочной поверхности аппарата и конструкции

5.6 определение коэффициента теплоотдачи б2 для нагреваемого сырья (трубное пространство)

5.7 Определение коэффициента теплоотдачи б1 для горячей воды

5.8 Расчет коэффициента теплопередачи для выбранного аппарата

5.9 Определение расчетной поверхности теплопередачи и ее запаса

5.10 Проверочный расчет аппарата № 2

6.Расчет гидравлического сопротивления аппарата

6.1Определение гидравлического сопротивления трубного и межтрубного пространств

Бланк заказа Заключение Библиографический список теплообменная установка ректификационный

1.

Введение

Целью данного курсового проекта является расчет теплообменного 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

— смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубчатые, оросительные, погруженные и «труба в трубе» .

Одним из самых распространенных типов теплообменников являются кожухотрубчатые теплообменники. Они представляют из себя пучек труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучек труб расположен внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой — в пространстве между кожухом и трубами.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15 121–79, теплообменники могут быть двухчетырехи шестиходовыми по трубному пространству.

Достоинствами кожухотрубчатых теплообменников являются: компактность; небольшой расход метала; легкость очистки труб изнутри, а недостатками — трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями; трудность очистки межтрубного пространства и трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

Кожухотрубчатые теплообменники могут использоваться как для нагрева, так и для охлаждения.

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.

2. Исходные данные и постановка задачи Теплоноситель: горячая вода (ГВ) Расход ГВ, кг/ч-определить Температура входа,°С-125

Температура выхода,°С-105

Рабочее давление, МПа-0,35

Хладагент: сырье колонны Состав: НК-гептан;ВКоктан Содержание: НК=65%масс; ВК=35%масс.

Количество сырья, кг/ч 26 000

Температура входа,°С- 16

Температура выхода,°Стемпература начала кипения (рассчитать) Рабочее давление, МПа — 0,14

3.Описание технологической схемы Продуктами процесса ректификации являются дистиллят и кубовый остаток. При разделении двухкомпонентной смеси в качестве дистиллята отбирается практически чистый низкокипящий компонент (НКК), в нашем случае гептан, а в качестве кубового остатка-практически чистый октан (ВКК).

Уходящие с верха колонны пары НКК конденсируются в теплообменнике. Образовавшаяся жидкая фаза поступает в рефлюксную емкость, откуда самотеком поступает на прием насоса. После насоса жидкая фаза делится на два потока: один поступает на орошение колонны, а второй охлаждается в холодильнике и отводится в емкость-сборник товарного дисциллята. Паровой поток в колонне создается за счет испарения части кубовой жидкости в кипятильнике.

Второй продукт ректификации — кубовый остатокохлаждается водой в холодильнике и отводится в емкость сбора остатка. Так как количество отводимой теплоты в холодильнике значительно, с целью его рационального использования можно направить поток кубовой жидкости в рекупиративный теплообменник для нагрева сырья. Это позволит, во-первых, снизить расход хладагента, и во-вторых, уменьшить затраты теплоносителя на нагрев питания.

4.Описание конструкции проектируемого аппарата Кожухотрубчатые теплообменники — наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготовляют однои многоходовыми.

Конструктивное оформление машин и аппаратов, применяемых в химической и пищевой промышленности, неразрывно связано с их функциональным назначением и полностью определяется характером и технологическими параметрами протекающих в них процессов. При этом конструкция химического и пищевого оборудования должна не только отвечать требованиям самых совершенных технологий, но и обладать также прочностью, высокой надежностью, быть легкой, эстетичной и требовать как можно меньшего расхода дорогостоящих и дефицитных материалов. Для обеспечения сочетания прочности и надежности пищевой и химической аппаратуры с ее экономичностью и малой материалоемкостью на стадии проектирования необходимо провести подробный механический (прочностной) расчет каждого узла и детали вновь создаваемого оборудования.

Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой — в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб. Особенностью аппаратов типа Н является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции. Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители.

5.Технологический расчет

5.1 Пересчет массовых концентраций компонентов в мольные Пересчет выполним по формуле:

Где Мк-мольная масса компонента К (кг/кмоль);

Мольная масса гептана- 100,2кг/кмоль;

Мольная масса октана- 114,23 кг/кмоль;

Проверка: =0,68+0,32=1

Расчет выполнен правильно.

5.2 Определение неизвестных температур Температура смеси на выходе из подогревателя (конечная температура) равна температуре начала кипения t2k. Для нахождения этой температуры воспользуемся уравнением изотермы жидкой фазы:

Необходимые для расчета давления паров возьмем из таблицы.

Температуры кипения при нормальном давлении (101кПа):

Гептан- 98,4°С Октан- 112 °C Выберем в качестве первого приближения температуры 100 °C и 120 °C. При этих температурах давления паров указаны в таблице:

Найдем значение суммы в уравнении изотермы:

117 °C Определим среднюю разность температур между потоками и среднии температуры потоков.

Температурная схема при противотоке:

t1н=125° t1к=105°

t2к=117° t2н=16°

?tм=125−117=8° ?tб=105−16=89°

Средняя разность температур рассчитывается по формуле:

Горячий поток меняет температуру на? t1=20°C, а холодный на? t2=101°C, поэтому средняя температура горячего потока составит:

t1ср=С, а средняя температура холодного потока равна:

t2cр=t1cр-?tср=115−34=81°С

5.3 Определение теплофизических свойств индивидуальных веществ и смесей Свойства нагреваемого сырья при средней температуре 81 °C найдем по таблицам. Учитывать незначительное, на 3ч5°, изменение температуры от указанного в таблице для плотности и теплопроводности нет смысла.

Плотности сг=627 кг/м3, сок=653 кг/м3

Теплоемкость сг=2401 Дж/(кг· К), сок=2252 Дж/(кг· К) Вязкость мг=0,24· 10−3 Па· с, мок=0,291· 10−3 Па· с Теплопроводность лг=0,108 Дж/(кг· К), лок= 0,146Дж/(кг· К) Определяем свойства смеси углеводородов:

Плотность кг/м3

Теплоемкость с2= Дж/(кг· К) Вязкость Теплопроводность

Вт/(м· К) Все полученные значения сведем в таблицу.

5.4 Определение тепловой нагрузки и расхода горячей воды Тепловую нагрузку на аппарат определим из уравнения:

Требуемый расход горячей воды найдем по уравнению:

5.5Выбор ориентировочной поверхности аппарата и конструкции Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи для нагрева углеводородов водой Кор=340 Вт/(м2· К). Тогда ориентировочная площадь поверхности теплопередачи составит:

104?Fор?193

По таблице [1, стр.102]выбираем теплообменники, предположительно подходящие в нашем случае.

Проведем проверочный расчет теплообменника № 1 с целью установления его пригодности для проведения процесса теплообмена при заданных расходах и температурах.

5.6 определение коэффициента теплоотдачи б2 для нагреваемого сырья (трубное пространство) Определим объемный расход сырья по уравнению:

Определение средней скорости потока в трубах пучка:

=

Определим режим движения в трубном пространстве. Для этого вычислим по уравнению критерий Рейнольдса:

Следовательно, режим движения в трубах турбулентный.

Определим значение критерия Прандтля по уравнению:

Для определения критерия Нуссельта при турбулентном движении воспользуемся уравнением: 0,25=

=

Тогда значение коэффициента теплоотдачи б2 составит:

5.7 Определение коэффициента теплоотдачи б1 для горячей воды Объемный расход горячей воды и ее скорость в межтрубном пространстве составят:

=

Определим значение критерия Рейнольдса для воды в межтрубном пространстве:

Значение критерия Прандтля для воды при 115°найдем в приложении[1,стр.98]: Pr1=1,45

Определим значение критерия Нуссельта:

=

Тогда значение коэффициента теплоотдачи б1 от горячей воды к стенкам труб трубного пучка будет равно:

5.8 Расчет коэффициента теплопередачи для выбранного аппарата Считаем, что аппарат выполнен из углеродистой стали, имеющей коэффициент теплопроводности лст=46,5 Вт/(м2· К) [2,стр. 529]. Учтем также появление в процессе эксплуатации аппарата загрязнений как со стороны горячей воды rзаг1=1/1800 Вт/(м2· К), так и со стороны нагреваемого сырья rзаг2=1/5800 Вт/(м2· К).

Тогда коэффициент теплопередачи будет равен:

5.9 Определение расчетной поверхности теплопередачи и ее запаса Рассчитаем величину требуемой поверхности теплопередачи:

Запас поверхности теплопередачи составит:

Что соответствует нормам проектирования.

5.10 Проверочный расчет аппарата № 2

Аналогично проводим расчет аппарата под вариантом № 2.

=

0,25=

=

Уточним значение (

Тогда для 100°: С=2484(Дж/кг· К); м=0,22· 10−3(Па· с); л=0,11705(Вт/К· м)

Prст=

(=1,01

Принимаем (=1

=

Что соответствует нормам проектирования.

Расчет вариантов № 3−6 проводится аналогично. Результаты занесем в таблицу.

Запас поверхности теплоотдачи по нормам технологического проектирования должен входить в интервал 10ч30%, поэтому мы выбираем аппараты № 1 и № 2 для дальнейших расчетов.

6.Расчет гидравлического сопротивления аппарата

6.1 Определение гидравлического сопротивления трубного и межтрубного пространств Проводим расчет аппарата № 1.

Коэффициент трения для потока в трубном пространстве определим по формуле:

По таблице принимаем следующие диаметры штуцеров и их вылет:

— вход и выход горячей воды Dy=200мм, lш=130мм

— вход и выход углеводородного сырья Dy=200мм, lш=130мм Уточним значения скоростей в штуцерах:

Гидравлическое сопротивление трубного пространства в соответствии с формулой будет равно:

Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства определим по уравнению. Число установленных в аппарате перегородок при длине труб 6 м и диаметре кожуха D=600 мм равно m=18.Тогда сопротивление межтрубного пространства будет равно:

=15 921Па По аналогии определяем сопротивление трубного и межтрубного пространства для аппарата № 2.

По таблице принимаем следующие диаметры штуцеров и их вылет:

— вход и выход горячей воды Dy=250мм, lш=140мм

— вход и выход углеводородного сырья Dy=150мм, lш=130мм Уточним значения скоростей в штуцерах:

=3155Па Анализируя полученные данные приходим к выводу, что аппарат под номером, является наиболее подходящим по техническим требованиям.

Бланк заказа Для изготовления стандартного кожухотрубчатого теплообменного аппарата.

Характеристики среды

Характеристика аппарата

Конструкция аппарата подлежит согласованию с Заказчиком Подпись руководителя проектной Подпись руководителя организации, выполнившей технологический низации «Заказчика»

Заключение

Произведен расчет шести теплообменных аппаратов. По результатам был выбран аппарат № 2.

Библиографический список Расчет теплообменных аппаратов: Учебное пособие/В.Д.Измайлов, В. В. Филиппов;Самар. гос.техн.ун-т.Самара, 2006.108 с.

Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособ. По курсовому проектированию/Г.С.Борисов, В. П. Брыков, Ю. И. Дытнерский и др.;Под ред.Ю.Дытнерского.М.:Химия, 1991.496 с.