Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола

Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования

«Белорусский государственный технологический университет»

Кафедра процессов и аппаратов химических производств

РАСЧЕТНО — ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по процессам и аппаратам химических технологий на тему " Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола"

Разработал студент 3 курса инженерно-экономического факультета специальности 1−43 01 06 02

Стригельский А. В.

Руководитель Калишук Д. Г.

Минск 2005

1. Литературный обзор

1.1 Теоретические основы теплообмена

1.2 Основные типы теплообменников

1.2.1 Назначение и классификация теплообменных аппаратов

1.2.2 Обзор типовых теплообменных аппаратов

1.3 Современное аппаратурно-технологическое оформление процесса теплообмена

2. Расчет холодильника первой ступени

2.1 Определение тепловой нагрузки

2.2 Определение расхода и тепловой нагрузки воздуха

2.3 Вычисление средней разности температур теплоносителей

2.4 Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена F_ор и выбор рассчитываемого теплообменника

2.5 Расчет коэффициента теплопередачи K

2.6 Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника

3. Расчет конденсатора паров толуола

3.1 Определение тепловой нагрузки

3.2 Определение тепловой нагрузки для второго теплоносителя — жидкого толуола и его расхода

3.3 Вычисление средней разности температур теплоносителей

3.4 Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена F_ор и выбор рассчитываемого теплообменника

3.5 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

3.6 Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника

Заключение

Список использованных литературных источников Приложение, А Приложение Б

Современная химическая промышленность в Беларуси развивается с 60-х годов в комплексе с нефтеперерабатывающими и нефтехимическими предприятиями. Интенсивному развитию в республике этой отрасли способствовал ряд благоприятных факторов: большая потребность народного хозяйства в химической и нефтехимической продукции и высокая эффективность её применения в промышленности и сельском хозяйстве; открытие богатых запасов калийных солей на юге Минской области и нефтяных месторождений в Гомельской области; разветвлённая сеть железных и автомобильных дорог.

Начиная с 1958 года, в республике осуществляется развёрнутое строительство новых, расширение и реконструкция действующих химических предприятий. Химическая промышленность стала одной из ведущих отраслей хозяйства, охватывающей многочисленные производства разнообразных неорганических и органических продуктов, имеющих важное значение. Возникли и получили промышленное применение процессы адсорбции, экстракции, молекулярной дистилляции и др.

Современная химическая промышленность насчитывает множество разнообразных производств, часто сильно различающихся химической природой и физическими свойствами исходных веществ, промежуточных и конечных продуктов, а также характером и условиями протекания технологических процессов. Несмотря на перечисленные различия, число элементарных процессов, повторяющихся в разных сочетаниях во всех химических производствах, едва достигает двадцати. Из этого ограниченного числа элементарных процессов или из некоторой их части, но в различной последовательности и при разных рабочих условиях строится технология любого химического производства.

1 Литературный обзор

1.1 Теоретические основы теплообмена

При тепловых процессах тепло передаётся от одного вещества к другому. Для самопроизвольного переноса тепла одно из этих веществ должно быть более нагрето, чем другое. Вещества, участвующие в процессе перехода тепла (теплообмен), называются теплоносителями. Вещество с более высокой температурой, которое в процессе теплообмена отдаёт тепло, называется горячим теплоносителем, а вещество с более низкой температурой, воспринимающее тепло, холодным теплоносителем.

Существуют два основных способа проведения тепловых процессов: путём непосредственного соприкосновения теплоносителей и передачей тепла через стенку, разделяющую теплоносители.

При передаче тепла непосредственным соприкосновением теплоносители обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо; поэтому данный способ применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном оформлении.

При передаче тепла через стенку теплоносители не смешиваются, и каждый из них движется по отдельному каналу; поверхность стенки, разделяющей теплоносители, используются для передачи тепла и называется поверхностью теплообмена.

Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. При установившемся (стационарном) процессе температуры в каждой точке аппарата не изменяются во времени, тогда как при неустановившемся (нестационарном) процессе температуры изменяются во времени. Установившиеся процессы соответствуют непрерывной работе аппаратов с непрерывным режимом; неустановившиеся процессы протекают в аппаратах периодического действия, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия и изменении режима их работы.

Передача тепла от одного тела к другому может происходить посредством теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.

Передача тепла теплопроводностью осуществляется путём переноса тепла при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела. При этом энергия передаётся от одной частицы к другой в результате колебательного движения частиц, без их перемещения друг относительно друга.

Передача тепла конвекцией происходит только в жидкостях и газах путём перемещения их частиц. Перемещение частиц обусловлено движением всей массы жидкости или газа (вынужденная или принудительная конвекция), либо разностью плотностей жидкости в разных точках объёма, вызываемой неравномерным распределением температуры в массе жидкости или газа (свободная, или естественная, конвекция).

Конвекция всегда сопровождается передачей тепла посредством теплопроводности.

Передача тепла лучеиспусканием происходит путём переноса энергии в виде электромагнитных волн. В этом случае тепловая энергия превращается в лучистую энергию (излучение), которая проходит через пространство и затем снова превращается в тепловую при поглощении энергии другим телом (поглощение).

Рассмотренные виды передачи тепла редко встречаются в чистом виде; обычно они сопутствуют друг другу (сложный теплообмен). Так при передаче тепла через стенку перенос тепла от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю осуществляется конвекцией, а через стенку — путём теплопроводности.

Теплообменными аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). В химической технологии теплообменные аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твёрдых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзои эндотермических реакций и т. д. соответственно своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами, сублиматорами, плавителями и т. п.

Количество тепла, передаваемого в единицу времени от одного тела к другому, называется тепловым потоком, и выражается в Дж/сек или Вт, т. е. единицах мощности.

При теплообмене между теплоносителями происходит уменьшение энтальпии (теплосодержания) горячего теплоносителя и увеличение энтальпии холодного теплоносителя. Пусть количество горячего теплоносителя, его начальная и конечная энтальпия равны соответственно G кг/сек I₁ и I₂ Дж/кг, а количество холодного теплоносителя и его начальная и конечная энтальпия g кг/сек i₁ и i₂ Дж/кг.

Примем также, что количество тепла, передаваемое от горячего теплоносителя к холодному, составляет Q Вт (эта величина называется тепловой нагрузкой аппарата), а потери тепла в окружающую среду равны Q_n Вт. Тогда уравнение теплового баланса запишется в виде:

G?I₁+g?i₁ = G? I₂ + g? i₂ + Q_{n ,} (1)

Произведя перегруппировку, получим:

G?(I₁ — I₂) = g?(i₂ — i₁) + Q_n, (2)

Величина Q_гор = G?(I1 — I2) представляет собой количество тепла, отданного горячим теплоносителем, а величина Q_хол = g?(i₂ — i₁) количество тепла, сообщённое холодному теплоносителю.

Таким образом:

Q_гор = Q_хол + Q_{n ,} (3)

Т. е. тепло, отданное горячим теплоносителем, частично передаётся холодному теплоносителю и частично расходуется на компенсацию потерь в окружающую среду.

В теплообменных аппаратах потери тепла обычно невелики (не более 2 — 3%) и ими можно пренебречь. Тогда уравнение теплового баланса примет вид:

Q = Q_гор = Q_{хол ,} (4)

или

Q = G?(I₁ -I₂) = g?(i₂ — i₁), (5)

Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом. Необходимую поверхность теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи:

F = Q/(K??t_cp), (6)

Тепловую нагрузку Q в соответствии с заданными технологическими условиями находят из уравнения теплового баланса для одного из теплоносителей:

— если агрегатное состояние теплоносителя не меняется — из уравнения

Q = G_i?c_i?[t_{i н} — t_{i k}], i =1,2, (7)

— при конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата или при кипении — из уравнения

Q = G_i?r_i, i = 1,2, (8)

— при конденсации перегретых паров с охлаждением конденсата

Q = G₁?(I_1н — c₁?t_1k), (9)

где I_1н — энтальпия перегретого пара Дж/кг.

Если агрегатное состояние теплоносителя не меняется, его среднюю температуру можно определить как среднеарифметическую между начальной и конечной температурами:

t_i = (t_iн + t_ik)/2, i = 1,2, (10)

Более точное значение средней температуры одного из теплоносителей

можно получить, используя среднюю разность температур:

t_i = t_j ± ?t_cp, (11)

где t_j — среднеарифметическая температура теплоносителя с меньшим перепадом температуры вдоль поверхности теплообмена, °С.

При изменении агрегатного состояния теплоносителя его температура постоянна вдоль всей поверхности теплопередачи и равна температуре кипения (или конденсации) зависящей от давления и состава теплоносителя.

Для протекания процесса передачи тепла необходимо наличие некоторой разности температур между горячим и холодным теплоносителями. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором. Если Т — температура горячего теплоносителя, а t — температура холодного теплоносителя в °С, то температурный напор:

= T — t, (12)

Чем больше температурный напор, тем выше скорость передачи тепла, причём количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному, пропорционально поверхности теплообмена F (м²), температурному напору и времени ф, с :

Q = K? F??ф, (13)

где K — коэффициент теплопередачи, Вт/м²•К.

Если тепло переносится путём теплопроводности через стенку, то, согласно закону Фурье, количество передаваемого тепла пропорционально поверхности F, разности температур между обеими поверхностями стенки (_ст. = t_ст.₁-t_ст.₂), времени ф и обратно пропорционально толщине стенки д:

Q = [л?F (t_ст1 — t_ст2)?ф]/д = (л?F?_ст.?ф)/д, (14)

где t_ст1 и t_ст2 — температура поверхностей стенки; л — коэффициент теплопроводности, Вт/(м•К).

1.2 Основные типы теплообменников

1.2.1 Назначение и классификация теплообменных аппаратов

Теплообменными аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). В химической технологии теплообменные аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твердых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзои эндотермических реакций и т. д.

Соответственно своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами, сублиматорами, плавителями и т. п.

По способу передачи тепла различают теплообменные аппараты поверхностные и смесительные. В первом случае передача тепла происходит через разделяющие твердые стенки, во втором — непосредственным контактом (смешением) нагретых и холодных сред (жидкостей, газов, твердых веществ). Поверхностные аппараты подразделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах тепло от горячих теплоносителей к холодным передается через разделяющую их стенку, поверхность которой называется теплообменной поверхностью, или поверхностью нагрева. В регенеративных аппаратах оба теплоносителя попеременно соприкасаются с одной и той же стенкой, нагревающейся (аккумулируя тепло) при прохождении горячего потока и охлаждающейся (отдавая аккумулированное тепло) при последующем прохождении холодного потока. Регенераторы являются аппаратами периодического действия, рекуператоры могут работать как в периодическом, так и в непрерывном режимах.

1.2.2 Обзор типовых теплообменных аппаратов

При небольших тепловых нагрузках, когда требуемая поверхность теплообмена не превышает 20 — 30 м², целесообразно применение теплообменников типа «труба в трубе» Такие теплообменники изготовляют следующих типов: 1) неразборные однопоточные малогабаритные; 2) разборные однои двухпоточные малогабаритные; 3) разборные однопоточные; 4) неразборные однопоточные; 5) разборные многопоточные.

Неразборный теплообменник типа «труба в трубе» изображен на рисунке 1 Эти теплообменники могут иметь один ход или несколько (обычно четное число) ходов.

1 — теплообменная труба, 2 — кожуховая труба, 3 — калач Рисунок 1 — Неразборный теплообменник типа «труба в трубе»

Конструкция разборного теплообменника показана на рисунке 2 Однопоточный малогабаритный теплообменник (рисунок 2) имеет распределительную камеру для наружного теплоносителя, разделенную на две зоны продольной перегородкой. В крышке размещен калач, соединяющий теплообменные трубы. Кожуховые трубы крепятся в трубных решетках, теплообменные трубы герметизируются с помощью сальниковых уплотнений. Однопоточные разборные теплообменники из труб большого диаметра (более 57 мм) выполняются без распределительной камеры, так как штуцер для подвода наружного теплоносителя можно приварить непосредственно к кожуховым трубам.

1 — теплообменная труба 2 — распределительная камера для наружного теплоносителя 3 — кожуховая труба, 4 — крышка Рисунок 2 — Разборный однопоточный малогабаритный теплообменник типа «труба в трубе»

Достоинством рассматриваемых теплообменных аппаратов ям является возможность создания высоких и даже одинаковых скоростей обоих теплоносителей и, следовательно, больших коэффициентов теплоотдачи. К числу их недостатков относятся большое гидравлическое сопротивление и значительная металлоемкость.

Наиболее широкое распространение получили кожухотрубчатые теплообменные аппараты, используемые для теплообмена между потоками в различных агрегатных состояниях (пар — жидкость, жидкость — жидкость, газ — газ, газ — жидкость).

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты могут использоваться в качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей.

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники — для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожарои невзрывоопасным хладоагентом) жидких и газообразных сред. Кожухотрубчатые теплообменники и холодильники могут быть двух типов: Н — с неподвижными трубными решетками и К — с линзовым компенсатором неодинаковых температурных удлинений кожуха и труб. Наибольшая допускаемая разность температур кожуха и труб для аппаратов типа Н может составлять 20 — 60 градусов, в зависимости от материала кожуха и труб, давления в кожухе и диаметра аппарата.

Теплообменники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, двух-, четырехи шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали.

Кожухотрубчатые конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогрева жидкостей и газов за счет теплоты конденсации пара. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. Конденсаторы могут быть двух-, четырехи шестиходовыми по трубному пространству В кожухотрубчатых испарителях в трубном пространстве кипит жидкость, а в межтрубном пространстве может быть жидкий, газообразный, парообразный, парогазовый или парожидкостной теплоноситель. Эти теплообменники могут быть только вертикальными одноходовыми, с трубками диаметром 25X2 мм. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе. Применение кожухотрубчатых теплообменников с температурным компенсатором на кожухе (линзовый компенсатор) ограничено предельно допустимым давлением в кожухе, равным 1,6 МПа. При большем давлении в кожухе (1,6 — 8,0 МПа) следует применять теплообменники с плавающей головкой или с U-образными трубами.

На рисунке 3 изображен кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой, предназначенной для охлаждения (нагревания) жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Не закрепленная на кожухе вторая трубная решетка вместе с внутренней крышкой, отделяющей трубное пространство от межтрубного, образует так называемую плавающую головку. Такая конструкция исключает температурные напряжения в кожухе и в трубах. Кожухотрубчатые конденсаторы с плавающей головкой отличаются от аналогичных теплообменников большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство. Допустимое давление охлаждающей среды в трубах до 1,0 МПа, в межтрубном пространстве — от 1,0 до 2,5 МПа. Эти аппараты могут быть двух-, четырехи шестиходовыми по трубному пространству. Диаметр кожуха от 600 до 1400 мм, высота труб 6,0 м.

1 — крышка распределительной камеры, 2 — распределительная камера, 3 — кожух, 4 — теплообменные трубы, 5 — перегородка с сегментным вырезом, 6 — штуцер, 7 — крышка плавающей головки, 8 — крышка кожуха Рисунок 3 — Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой Теплообменники с U-образными трубами (рисунок 4) применяют для нагрева и охлаждения жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Они рассчитаны на давление до 6,4 МПа, отличаются от теплообменников с плавающей головкой менее сложной конструкцией (одна трубная решетка, нет внутренней крышки), однако могут быть лишь двухходовыми, из труб только одного сортамента: 20X2 мм. Кожухотрубчатые испарители с трубными пучками из U-образных труб или с плавающей головкой имеют паровое пространство над кипящей в кожухе жидкостью. В этих аппаратах, всегда расположенных горизонтально, горячий теплоноситель (в качестве которого могут быть использованы газы, жидкости или пар) движется по трубам. Кожухотрубчатые испарители могут быть с коническим днищем (рисунок 5) диаметром 800—1600 мм и с эллиптическим днищем диаметром 2400—2800 мм. Последние могут иметь два или три трубных пучка. Допустимые давления в трубах составляют 1,6—4,0 МПа, в кожухе — 1,0—2,5 МПа при рабочих температурах от —30 до 450 °C, т. е. выше, чем для испарителей с линзовым компенсатором.

1 — распределительная камера, 2 — кожух, 3 — теплообменные трубы, 4 — перегородка с сегментным вырезом, 5 — штуцер Рисунок 4 — Кожухотрубчатый теплообменник с U образными трубами Наибольшей компактностью отличаются пластинчатые теплообменные аппараты; их удельная рабочая поверхность достигает 1500 м²/м³.

В пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образована набором тонких штампованных гофрированных пластин Эти аппараты могут быть разборными, элуразборными и неразборными (сварными) В пластинах разборных теплообменников (рисунок 6) имеются угловые отверстия для прохода теплоносителей и пазы, в которых закрепляются уплотнительные и компонующие прокладки из специальных термостойких резин. Пластины сжимаются между неподвижной и подвижной плитами таким образом, что благодаря прокладкам между ними образуются каналы для поочередного прохода горячего и холодного теплоносителей. Плиты снабжены штуцерами для присоединения трубопроводов. Неподвижная плита крепится к полу, пластины и подвижная плита закрепляются в специальной раме. Группа пластин, образующих систему параллельных каналов, в которых данный теплоноситель движется только в одном направлении (сверху вниз или наоборот), составляет пакет. Пакет по существу аналогичен одному ходу по трубам в многоходовых кожухотрубчатых теплообменниках.

1 — кожух, 2 — трубчатая решетка плавающей головки, 3 — теплообменные трубы, 4 — неподвижная трубная решетка, 5 — распределительная камера 6 — крышка распределительной камеры, / — люк для монтажа трубного пучка, // — выход остатка продукта, /// — дренаж, IV — вход жидкого продукта V — выход газа или жидкости (теплового агента), VI — вход пара или жидкости (теплового агента), VII — выход паров продукта, VIII — люк Рисунок 5 — Кожухотрубчатый испаритель с паровым пространством Широкое применение получили пластинчато-ребристые теплообменные аппараты компактность которых достигает 2000 м²/м³. Большими достоинствами этих аппаратов являются: возможность осуществления теплообмена между тремя, четырьмя и более теплоносителями; наименьший вес и объем (следовательно, и стоимость) по сравнению с другими аппаратами. По своему устройству пластинчато-ребристые теплообменники представляют собой набор тонких пластин, между которыми располагаются тонкие гофрированные листы, припаянные к каждой пластине. Таким образом, образуются сребренные поверхности теплообмена, а теплоноситель разбивается на ряд мелких потоков. Аппарат может быть собран из любого числа пластин, а теплоносители могут двигаться либо прямотоком, либо перекрестным током.

1 — неподвижная плита, 2 — теплообменная пластина, 3 — прокладка, 4 — концевая пластина, 5 — подвижная плита Рисунок 6 — Пространственная схема движения теплоносителей (а) и условная схема компоновки пластин (б) в однопакетном пластинчатом разборном теплообменнике

1.3 Современное аппаратурно-технологическое оформление процесса теплообмена

Теплообмен является одним из важнейших процессов как в живой природе, так и для технологических производств. Поэтому немало было разработано и разрабатывается по сей день теплообменных установок, разнообразных методов проведения и контроля теплообменных процессов.

К современному теплообменному оборудованию относят теплообменник который был изобретён в 1998 году Плоским А. А., Банниковым Н. В., Громовым А. П., Суворовым А. П. и Федоровым Н. Н. (акционерное общество открытого типа «Чебоксарский завод промышленных тракторов»). Изобретение может быть использовано в теплообменниках для нагрева теплом газов жидкого теплоносителя. Изобретение позволяет компенсировать сердцевины теплообменников из сравнительно дешевых штампованных пакетов, обеспечивающих удобство их чистки в эксплуатации и должную турбулизацию теплоносителей.

Задачей данного изобретения является создание теплообменника, исключающего сварку при изготовлении пакетов сердцевины, а также обеспечивающего удобство чистки их в условиях эксплуатации и должную турбулизацию теплоносителей.

Поставленная задача достигнута здесь благодаря тому, что пакеты теплообменника, содержащего корпус с состоящей из штампованных пакетов сердцевиной и патрубками для подвода теплоносителей в соответствующие полости для вывода их из тех же полостей, выполнены в виде бесшовных труб с прямоугольными торцами, соседние боковые стороны которых совмещены друг с другом, а полости теплоносителей внутри пакетов и между ними образованы волнообразными углублениями на сплющенных боковых поверхностях пакетов, крайние из которых образуют боковые стенки корпуса. Указанная совокупность отличается от прототипа и не обнаружена среди аналогичных теплообменников — аналогов в тракторной отрасли техники. Более подробное описание данного теплообменника представлено в приложении А.

Государственная морская академия им. адм. С. О. Макарова (Овсянников М.К., Петухов В.А.) в 1998 году разработала способ контроля тепловой эффективности теплообменного аппарата. Изобретение предназначено для использования в теплотехнике и металлургии. Применение предлагаемого способа в практике эксплуатации судовых теплообменных аппаратов позволит объективно и достаточно точно оценить эффективность работы теплообменных аппаратов и определить периодичность их профилактической чистки и других работ по техобслуживанию, снизить затраты и повысить эффективность технической эксплуатации теплообменных аппаратов различного типа и назначения, более качественно выполнять работы по их совершенствованию на стадии проектирования и технологии изготовления.

Это способ контроля тепловой эффективности теплообменного аппарата (ТА), включающий измерение входных и выходных значений температуры теплообменных сред, вычисление коэффициента тепловой эффективности ТА (теплового КПД ТА), отличающийся тем, что измеряют одновременно разности значений температур обоих теплоносителей? t_max и? t_min в установившемся режиме работы ТА, после чего вычисляют e_t по формуле:

e_t = 1 — (?t_cp /?t_max), (15)

где:

?t_cp = (?t_max — ?t_min)/(ln (?t_max /?t_min)), (16)

e_t — коэффициент тепловой эффективности ТА;

?t_max — максимальная разница значений температур теплоносителей на входе ТА;

?t_min — минимальная разница значений температур теплоносителей на выходе из ТА;

и сравнивают его значения с критическим, добиваясь выполнения условия

e_t—і—e_t^kp, (17)

Более подробное описание данного способа контроля тепловой эффективности теплообменного аппарата. представлено в приложении Б.

2 Расчет холодильника первой ступени

Рассчитаем необходимую поверхность теплообменника, в трубном пространстве, которого охлаждается со 160 до 110,8 °С толуол, с заданным массовым расходом G_А = 2,92 кг/с.

В качестве охлаждающего теплоносителя применяем воздух под давлением P = 0,15 МПа.

2.1 Определение тепловой нагрузки

Тепловая нагрузка со стороны толуола рассчитывается следующим образом:

Q_А= G_А•c_А•(T_А2-T_А1), (2.1)

где G_А — массовый расход толуола, кг/с; c_A = 1530,8 Дж/кг· К — теплоемкость толуола, при его температуре t_A= 135,4 °С.

Q_А= 2,92•1530,8•(160−110,8) = 219 920,85 Вт.

2.2 Определение расхода и тепловой нагрузки воздуха

Тепловую нагрузку со стороны воздуха примем равной тепловой нагрузке со стороны толуола c учетом потерь тепла в окружающую среду:

Q_В = в•Q_А, (2.2)

где в — коэффициент, учитывающий потерю тепла (примем его равным — 0,95).

Q_В = 0,95•219 920,85 = 208 924,8 Вт.

G_В = Q_В/[c_В•(T_В2-T_В1)], (2.3)

где G_B — массовый расход воздуха, кг/с; c_В = 1007,3 Дж/кг· К — теплоемкость воздуха, при его температуре t_B = 42,5 °С.

G_В = 208 924,8 /[1007,3•(60−25)] = 5,9 кг/с.

2.3 Вычисление средней разности температур теплоносителей

Принимаем схему движения теплоносителей — противоток.

Тогда разность температур на входе — Дt_вх и на выходе — Дt_вых из теплообменника соответственно равны:

Дt_вх = |Т_А1-Т_В2| = |160−60| = 100 °C;

Дt_вых = |Т_А2-Т_В1| = |110,8−25| = 85,8 °С.

Средняя разность температур теплоносителей:

Дt_ср = (Дt_вх + Дt_вых)/2, (2.4)

Дt_ср = (100 + 85,8)/2 = 92,9 °С.

2.4 Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена F_ор и выбор рассчитываемого теплообменника

Решение вопроса о том, какой теплоноситель направить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена, расходом и др. В рассматриваемом примере в трубное пространство целесообразно направить толуол, так как он является наиболее взрывопожароопасным теплоносителем. Это позволит снизить вероятность возникновения аварийной ситуации при эксплуатации теплообменника.

Ориентировочное значение поверхности:

F_ор.= Q/(K•?t_ср), (2.5)

где К — приблизительное значение коэффициента теплопередачи.

В соответствии с таблицей 2.1[2] примем К_ор= 45 Вт/м²•К.

F_ор.= 219 920,85/(45•92,9) = 52,9 м²

Рассчитаем необходимое число труб, приходящееся на один ход теплообменника

n/z = 4•G_А/(р?d_вн•µ_А• Re_op), (2.6)

где n — число труб; z — число ходов по трубному пространству; d_вн — внутренний диаметр труб, м;

Примем ориентировочное значение Re_op= 15 000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:

— для труб диаметром d_н = 20Ч2 мм ;

n/z = 4•2,92/(3,14•0,016•0,9 635•15000) = 1608,6;

— для труб диаметром d_н = 25Ч2 мм ;

n/z = 4•2,92/(3,14•0,021•0,9 635•15000) = 1225,6.

В соответствии с ГОСТ 15 120–79 и ГОСТ 15 122–79 соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значению у теплообменника параметры, которого представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 — Параметры кожухотрубчатого теплообменника согласно ГОСТ 15 120–79 и ГОСТ 15 122–79

Так как поверхность теплообмена стандартного теплообменника намного больше ориентировочного значения поверхности теплообмена, то принимаем решение установить нестандартный теплообменник параметры, которого представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2-Параметры нестандартного кожухотрубчатого теплообменника

2.5 Расчет коэффициента теплопередачи K

Коэффициент теплопередачи K рассчитывается по формуле (2.7):

К = (1/б₁+д_ст/л_ст+r_з1+ r_з2+1/б₂)^-1, (2.7)

где б₁ и б₂ — коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей, Вт/(м²•К); л_ст — теплопроводность материала стенки, Вт/(м•К); д_ст — толщина стенки, м; 1/r_з1 и 1/r_з2 — термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки, Вт/(м²•К).

Сумма термических сопротивлений со стороны стенки и загрязнений равна:

Уд/л = д_ст/л_ст+ r_з1+ r_з2, (2.8)

При д_ст= 2 мм = 0,002 м, Для стали сталь 20 теплопроводность л_ст= 46,5 Вт/(м•К). 1/r_з1 = 5800 Вт/(м²•К), 1/r_з2 = 2800 Вт/(м²•К) [3], термическое сопротивление со стороны стенки равно:

Уд/л= 0,002/46,5+1/5800+1/2800 = 5,7?10^-4 м²•К/Вт Действительное число Re вычисляется по формуле:

Re_A = 4•G_А?z/(р?d_вн•n•µ_А) (2.9)

Re_A= 4•2,92•1/(3,14•0,021•747•0,9 635) = 24 610,56

Коэффициент теплоотдачи со стороны толуола к стенке б₁ равен:

б₁ = л/d_вн(0,023•Re^0,8•(Pr/Pr_ст)^0,25•Pr^0,4), (2.10)

где Рг_ст — критерий Прандтля, рассчитанный при температуре стенки t_ст.

Рг_A = c_A•µ_А/л_A = 1530,8•0,9635 •10^-5 /0,022 = 0,67

Среднюю температуру воздуха определим, как среднее арифметическое его начальной и конечной температур:

Т_В = (Т_В1+Т_В2)/2 = (60+25)/2 = 42,5 °С Среднюю температуру толуола определяется следующим образом:

Т_A = Т_B + Дt_cp = 42,5 + 92,9 = 135,4 °С Температуру стенки можно определить из соотношения

t_ст = T_ср± Дt, (2.11)

где T_ср — средняя температура теплоносителя, Дt — разность температур теплоносителя и стенки.

Расчет б₁ — ведем методом последовательных приближений.

В первом приближении примем Дt₁ = 60 °C. Тогда

t_ст1 =135,4 — 60 = 75,4 °С Рг_Аст=c_Aст•µ_Аст/л_Aст= 1320,5•0,8348 •10^-5 /0,0153 = 0,72

б₁ = (0,0153/0,021)•0,023•24 610,56^0,8•(0,67/0,72)^0,25•0,67^0,4 = 65,68 Вт/(м²•К) Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

q = б₁?Дt₁ = Дt_ст/(УДд/л) = б₂?Дt₂, (2.12)

где q — удельная тепловая нагрузка, Вт/м²; Дt_cт — перепад температур на стенке, °С; Дt₂ — разность между температурой стенки со стороны воздуха и температурой самого теплоносителя, °С.

Отсюда:

Дt_ст = б₁?Дt₁?(Уд/л) = 65,68?60?5,7 ?10^-4 = 2 °C Тогда Дt₂ = Дt_ср-Дt_ст-Дt₁= 92,9−2-60 = 30,9 °С Коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха к стенке б₂

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве для подобранного теплообменника S_мтр= 0,143 м², тогда

Re_В = G_В•d_н/(S_мтр•µ_B) (2.13)

Re_В = 5,9•0,025/(0,143•0,1 926) = 53 555

Рг_B = c_B•µ_B/л_B = 1007,5•0,1 926/0,0279 = 0,6955

б₂ = (0,0279/0,025)•0,24•53 555^0,6•0,6955^0,36 = 161,89 Вт/(м²•К) Вычислим тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей:

— со стороны толуола ;

q? = б₁?Дt₁ = 65,68•60 = 3940,8 Вт/м²;

— со стороны воздуха ;

q? = б₂?Дt₂ = 161,89•30,9 = 5018,8 Вт/м².

Как видим, q?? q?.

Для второго приближения примем Дt₁ = 65 °C.

Тогда

t_ст1 = 135,4−65 = 70,4 °С Рг_Аст = 1282,4•0,8116 •10^-5 /0,0145 = 0,72

б₁ = (0,022/0,021)•0,023•24 610,56^0,8•(0,67/0,72)^0,25•0,67^0,4 = 65,68 Вт/(м²•К) Дt_ст = 65,68•65•5,7 •10^-4 = 2 °C Дt₂ = 92,9−2-65 = 25,9 °С

t_ст2 = 42,5 + 25,9 = 68,9 °С б₂ = (0,0279/0,025)•0,24•53 555^0,6•0,6955^0,36 = 160,18 Вт/(м²•К) Тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей равны:

— со стороны толуола ;

q? = 65,68•65 = 4269,2 Вт/м²;

— со стороны воздуха ;

q? = 160,18•25,9 = 4148,8 Вт/м².

Как видим, q?? q?.

Расхождение между тепловыми нагрузками (2,8%) не превышает 5%, следовательно, расчет коэффициентов б₁ и б₂ на этом можно закончить.

Коэффициент теплопередачи равен:

К=1/(1/65,68+1/160,18+5,7•10^-4) = 45,3 Вт/(м²К) Найдем уточненное значение относительной тепловой нагрузки q_ср, как среднее арифметическое q? и q?

q_ср = (q? + q?)/2 = (4269,2 + 4148,8)/2 = 4209 Вт/м²

Известно, что относительная тепловая нагрузка связана с коэффициентом теплопередачи следующим образом:

q = K•Дt_ср (2.14)

Тогда выражение для нахождения уточненного значения требуемой поверхности теплообмена примет вид

F = Q/(K•Дt_ср) = Q/q_ср (2.15)

F = 219 920,85/4209 = 52,25 м²

? = [(58,67−52,25)/58,67]•100% = 10,94%

Результаты уточненного расчета поверхности теплопередачи сведены в таблицу 2.3.

Таблица 2.3 — Результаты уточненного расчета поверхности теплопередачи

2.6 Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве? p_тр рассчитываем по формуле:

?p_тр= л? L?z?w²_тр?с_тр/2d +[2,5(z-1)+2z]•w²_тр?с_тр/2+3 w²_тр.ш?с_тр/2 (2.16)

Скорость толуола рассчитывается по формуле:

w_тр = 4•G_А?z/(р?d²_вн?n?с_А) (2.17)

Отсюда скорость будет равна:

w_тр = 4•2,92•1/(3,14•0,021² •747•2,74) = 4,1 м/с Коэффициент трения в трубах рассчитывается по формуле:

л = 0,25{lg[e/3,7+(6,81/Re_тр)^0,9]}^-2, (2.18)

где е = Д/d_вн — относительная шероховатость труб; Д — высота выступов шероховатостей е = 0,0002/0,021 = 0,0095

Отсюда коэффициент трения будет равен:

л = 0,25{lg[0,0095/3,7+ (6,81/24 610,56) ^0,9]}^-2 = 0,04.

Скорость раствора в штуцерах рассчитывается по формуле:

w_шт = 4•G_А/(р•d_шт²?с_А) (2.19)

Отсюда скорость раствора в штуцерах будет равна:

w_шт = 4•2,92/(3,14•0,3² •2,74) = 15 м/с.

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве:

?p_тр = 0,04•1•1•4,1² •2,74/(0,021•2)+[2,5(1−1)+2•1]•4,1² •2,74/2+3•2,74•15²/2 = 10 147 Па.

Расчётная формула для определения гидравлического сопротивления в межтрубном пространстве? p_мтр имеет вид:

?p_мтр=3•m•(x+1)•с_мтр w²_мтр/2 Re_мтр^0,2+1,5•x•с_мтр² w²_мтр/2+3•с_мтр w²_мтр.шт /2, (2.20)

где x — число сегментных перегородок, m — число рядов труб, преодолеваемых потоком теплоносителя в межтрубном пространстве.

Скорость воздуха в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью S_мтр= 0,143 м², рассчитывается по формуле:

w_мтр = G_В/(S_мтр?с_В) (2.21)

w_мтр= 5,9•/(0,143•1,65) = 25 м/с Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве,

__________ ___________

m = v (n-1)/3+0,25 = v (747−1)/3+0,25 = 15,78

округляя в большую сторону, получим m = 16. Число сегментных перегородок х = 0. Диаметр штуцеров к кожуха d_мтр.шт = 0,3 м, скорость потока в штуцерах

w_мтр.шт = 5,9•4/(3,14•0,3² •1,65) = 50,6 м/с В соответствии с формулой (2.20) сопротивление межтрубного пространства равно

?p_мтр= 3•16•(0+1)•1,65•25²/(2•53 555^0,2) + 1,5•0•1,65² •25²/2 +3•1,65•50,6²/2 = 9141,1 Па.

Результаты гидравлического расчета холодильника сведены в таблицу 2.4

Таблица 2.4 — Результаты гидравлического расчета

3 Расчет конденсатора паров толуола

Кожухотрубные конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогревания жидкостей за счет теплоты конденсации пара.

Рассчитаем необходимую поверхность теплообменника, в межтрубном пространстве, которого конденсируется толуол, с заданным массовым расходом G_А = 2,92 кг/с, удельная теплота конденсации r_А = 362 031 Дж/кг, температура толуола Т_А = 110,8 °С.

В качестве теплоносителя применяем толуол под давлением P = 0,5 МПа, который в трубном пространстве нагревается от 20 до 95 °C.

3.1 Определение тепловой нагрузки

Тепловая нагрузка аппарата:

Q_А = G_А•r_А, (3.1)

где G_А — массовый расход толуола, кг/с; r_A = 362 031 Дж/кг — удельная теплота конденсации толуола, при его температуре t_A= 110,8 °С.

Q_А = 2,92•362 031 = 1 057 130,52 Вт

3.2 Определение тепловой нагрузки для второго теплоносителя — жидкого толуола и его расхода

Тепловую нагрузку со стороны второго теплоносителя примем равной тепловой нагрузке со стороны паров толуола c учетом потерь тепла в окружающую среду:

Q_С = в•Q_А, (3.2)

где в — коэффициент, учитывающий потерю тепла (примем его равным — 0,95).

Q_С = 0,95•1 057 130,52 = 1 004 274 Вт Расход жидкого толуола на охлаждение:

G_C = Q_С/[c_А•(T_С2-T_С1)], (3.2)

где c_С = 2062,53 Дж/кг· град — теплоемкость насыщенного водяного пара, при его давлении P = 0,5 МПа, и температуре t_С= 57,5 °С.

G_C = 1 004 274/[2062,53•(95−20)] = 6,5 кг/с.

3.3 Вычисление средней разности температур теплоносителей

Принимаем схему движения теплоносителей — противоток.

Тогда разность температур на входе — t_вх и на выходе — t_вых из теплообменника соответственно равны:

Дt_вх = |Т_А-Т_C1| = |110,8−20| = 90,8 °С, Дt_вых = |Т_А-Т_C2| = |110,8−95| = 15,8 °С.

Средняя разность температур теплоносителей:

Дt_cp?Дt_cp.л=(Дt_вх-Дt_вых)/ln (Дt_вх/Дt_вых) (3.4)

Дt_сp= (90,8−15,8)/ln (90,8/15,8) = 42,9 °С.

Среднюю температуру толуола определяется следующим образом:

Т_С = Т_А — Дt_cp = 110,8−42,9 = 67,9 °С

3.4 Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена F_ор и выбор рассчитываемого теплообменника

Решение вопроса о том, какой теплоноситель направить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена, расходом и др. В рассматриваемом примере в трубное пространство целесообразно направить толуол для охлаждения паров толуола, которые, в свою очередь, будут конденсироваться в межтрубном пространстве. Ориентировочное значение поверхности:

F_ор.= Q/(K•?t_ср), (3.5)

где К — приблизительное значение коэффициента теплопередачи.

В соответствии с таблицей 2.1[2] примем К_ор = 400 Вт/м²•К.

F_ор.= 1 004 274/(400•42,9) = 58,5 м²

Рассчитаем необходимое число труб, приходящееся на один ход теплообменника

n/z = 4•G_С/(р?d_вн•µ_С• Re_op), (3.6)

где n — число труб; z — число ходов по трубному пространству; d_вн — внутренний диаметр труб, м; коэффициент динамической вязкости толуола равен — µ_С= 0,3888• •10^-3 Па•с.

Примем ориентировочное значение Re_op = 15 000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:

— для труб диаметром d_н=20Ч2 мм ;

n/z = 4•6,5/(3,14•0,016•0,3 888•15000) = 88,7

— для труб диаметром d_н=25Ч2 мм ;

n/z = 4•6,5/(3,14•0,021•0,3 888•15000) = 67,6

В соответствии с ГОСТ 15 120–79 и ГОСТ 15 122–79 соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значению у теплообменника параметры, которого представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 — Параметры кожухотрубчатого теплообменника согласно ГОСТ 15 120–79 и ГОСТ 15 122–79

3.5 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

Коэффициент теплопередачи K рассчитывается по формуле (3.7):

К = (1/б₁+д_ст/л_ст+r_з1+ r_з2+1/б₂)^-1, (3.7)

где б₁ и б₂ — коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей, Вт/(м²•К); л_ст — теплопроводность материала стенки, Вт/(м•К); д_ст — толщина стенки, м; 1/r_з1 и 1/r_з2 — термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки, Вт/(м²•К).

Сумма термических сопротивлений со стороны стенки и загрязнений равна:

Уд/л = д_ст/л_ст+ r_з1+ r_з2, (3.8)

При д_ст= 2 мм = 0,002 м, Для стали сталь 20 теплопроводность л_ст= 46,5 Вт/(м•К). 1/r_з1= 5800 Вт/(м²•К), 1/r_з2= 5800 Вт/(м²•К) термическое сопротивление со стороны стенки равно:

Уд/л = 0,002/46,5+1/5800+1/5800 = 3,88? 10^-4 м²•К/Вт.

Действительное число Re вычисляется по формуле:

Re_С = 4•G_С?z/(р?d_вн•n•µ_С) (3.9)

Re_С = 4•6,5•6/(3,14•0,016•316•0,3 888) = 25 273,28.

Коэффициент теплоотдачи со стороны толуола к стенке б₂ равен:

б₂= л/d_вн(0,023•Re^0,8•(Pr/Pr_ст)^0,25•Pr^0,4), (3.10)

где Рг_ст — критерий Прандтля, рассчитанный при температуре стенки t_ст.

Рг_С = c_С•µ_С/л_С = 2062,53•0,3888 •10^-3 /0,128 = 6,62

Температуру стенки можно определить из соотношения

t_ст = T_ср± Дt, (3.11)

где T_ср — средняя температура теплоносителя, Дt — разность температур теплоносителя и стенки.

Расчет б₂ — ведем методом последовательных приближений.

В первом приближении разность температур между толуолом и стенкой примем Дt₂= 17 °C. Тогда

t_ст2 = 67,9 + 17 = 84,9 °С Рг_Сст = c_Сст•µ_Сст/л_Сст = 2003,9•0,307 •10^-3 /0,1218 = 5,05

б₂ = (0,1218/0,016)•0,023•25 273,28^0,8•(6,62/5,05)^0,25•6,62^0,4 = 1325,14 Вт/(м²•К) Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

Q = б₂?Дt₂ = Дt_ст/(УДд/л) = б₁?Дt₁, (3.13)

где q — удельная тепловая нагрузка, Вт/м²; Дt_cт — перепад температур на стенке, °С; Дt₁ — разность между температурой стенки со стороны паров толуола и температурой самого теплоносителя, °С.

Отсюда:

Дt_ст = б₂?Дt₂?(Уд/л) = 1325,14 ?17?3,88 ?10^-4 = 8,75

Тогда Дt₁ = Дt_ср-Дt_ст-Дt₂ = 42,9−8,75−17 = 17,15 °С Коэффициент теплоотдачи б₁ толуола, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб, определим по уравнению:

б ₁=0,72?е?[(r_А?с_ж²?л_ж³?g)/(м_ж•d_н?Дt₂)]^¼, (3.14)

где r_А — теплота конденсации паров толуола, Дж/кг; d_н — наружный диаметр труб; е — коэффициент, учитывающий то что при конденсации пара на наружной поверхности пучка из n горизонтальных труб средний коэффициент теплоотдачи несколько ниже, чем в случае одиночной трубы, вследствие утолщения пленки конденсата на трубах, расположенных ниже: а_ср = еб. При n > 100 приближенно можно принять е = 0,6 [2]; с_ж; л_ж; м_ж — соответственно плотность, кг/м³; теплопроводность Вт/(м•К); вязкость, Па•с; конденсата при средней температуре пленки:

t_пл = T_А-Дt₁/2 (3.15)

t_пл = 110,8−17,15/2 = 102,23 °С

Таблица 3.2 — Параметры r_С, с_ж, л_ж, м_ж для толуола при температуре t_пл = = 102,23 °С [3]