Теплообменник для нагрева смеси бензол-толуол

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание на проектирование

Рассчитать и спроектировать теплообменник для подогрева исходной смеси перед ректификацией. Исходная смесь бензол-толуол поступает в количестве 15 тонн/час.

Состав исходной смеси 40% массовых бензола, 60% массовых толуола. Начальная температура смеси 20⁰С, конечная равна температуре кипения. Нагрев производится водяным паром при давлении 3 атм.

ректификационный теплообменник гидравлический сопротивление

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.

1. 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.

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.

2. Расчет тепловой нагрузки

Ввиду того, что в трубах нагревается бензол-толуол, а не вода и температура в трубах выше 60 ⁰С, использую аппараты типа ТН или ТК. Принимаем для межтрубного пространства индекс «1», для трубного - «2».

Температура конденсации водяного пара t_конд= 133,9 ⁰С

Определение температуры кипения бензол-толуола.

Определение температуры кипения бензол-толуола производится при помощи диаграммы t-x, y (рис. 2).

Рис. 2

t_кип= 103 ⁰C

Температурная схема:

133,9 ⁰С 133,9 ⁰С

20⁰С 94⁰С

Дt_б= 113,9 ⁰С Дt_м= 39,9 ⁰С

Средняя разность температур:

Дt_ср= 70,62 ⁰С

Средняя температура бензол-толуола: t₂ = t₁ - Дt_ср

t₂ = 133,9 ⁰С - 70,62 ⁰С = 63,28 ⁰С ? 63 ⁰С

Расход бензол-толуола:

G₂=15т/час

= 4,167 кг/с

Плотность смеси:

Плотности бензола и толуола при t = 63⁰С

с₁ = 836,8 кг/м³ с2 = 824,2 кг/м³

(табл. IV)

Объёмный расход смеси:

V₂=G₂/ =4,167/829,6=0,0050м³/с

Средняя удельная теплоемкость смеси (при 63 ⁰С):

С₁ = 1963,0 Дж/кг·К С₂ = 1927,4 Дж/кг·К

1/С=Х₁/С₁+Х₂/С₂=0,4/1963,0+0,6/1927,4 С₂ =1942,9 Дж/(кг·К)

Расход теплоты на нагрев смеси:

Q = G₂C₂(t_2k-t_2H) = 4.167·1942,9·(94-20) = 599 108,782 Дж

Расход сухого греющего пара с учетом 7% потерь теплоты:

G₁ = 1,07·Q/r = 1,07·599 108,782 /2171·10³ = 0,295 кг/с

Где r-удельная теплота конденсации водяного пара (табл.LVII)

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 (подогреватели К_мин = 120 Вт/(м²·К)). При этом:

F_max= Q/K_min·Дt_ср = 599 108,782 /120·70,62 = 70,69 м²

3. Ориентировочный выбор теплообменника

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Смесь направляем в трубное пространство, так как она даёт загрязнение, водяной пар - в межтрубное пространство.

В теплообменных трубах Ш25 х 2 мм холодильников по ГОСТ 15120-79 скорость течения рассола для обеспечения турбулентного режима при Re₂ > 10 000 должна быть более:

Нахождение динамического коэффициента вязкости смеси при t₂ = 63⁰С

Где x₁ и x₂ - мольные доли компонентов смеси. Рассчитаем их:

Здесь

- динамические коэффициенты вязкости бензола и толуола при t₂ = 70

⁰С (табл. IX) [1, с. 516]

щ₂ = 0,196 м\с - скорость, необходимая для достижения турбулентного режима

Число труб Ш25 х 2 мм, обеспечивающих объёмный расход смеси бензол-толуол при Re₂ = 10 000:

Условиям n < 73,689 и F < 70,69 м² удовлетворяют согласно таблице 4.12 [1, с. 215] несколько теплообменников:

I. одноходовый теплообменник с числом труб n = 62, наружный диаметр кожуха D=325 мм;

II. двухходовый теплообменник с числом труб на один ход трубного пространства n =50 (общее число труб 100), внутренний диаметр кожуха D=400 мм;

III. четырёхходовый теплообменник с числом труб на один ход трубного пространства n =51,5 (общее число труб 206), внутренний диаметр кожуха D=600 мм;

IV. Шестиходовый теплообменник, диаметром 600 мм с числом труб на один ход трубного пространства n = 32,67 (общее число труб 196).

Вариант №1 Шестиходовый теплообменник

Коэффициент теплоотдачи для смеси

Уточняем значение для критерия Re₂:

Критерий Прандтля для смеси при t₂ = 63 ⁰С:

Нахождение коэффициента теплопроводности смеси при t₂ = 63 ⁰С

коэффициенты теплопроводности бензола и толуола при t₂ = 63 ⁰С (рис. X) [1, с. 561]



Критерий Нуссельта для смеси:

Отношение принято равным 1,01 (с последующей проверкой).

Таким образом, коэффициент теплоотдачи:



Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб

Расчет осуществляем приближенно (без учета влияния поперечных перегородок) по формуле:

б₁ = б_ср =

Известно, что G₁ = 0,295 кг/с и n = 196, поэтому использую зависимость:

б₁=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), [1, с. 162].

Задаем длину труб (по табл. 4.12) L = 2 м. Получаем:

б₁=12 075,87 Вт/м²·К

Коэффициент теплопередачи

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара со стороны смеси (табл. XXXI) [1, с. 531].



Коэффициент теплопроводности стали (табл. XXVIII), [1, с. 529].

л_ст = 46,5 Вт/(м·К)

Термическое сопротивление стенки и загрязнений определяются по формуле:

Коэффициент теплопередачи равен:

K= 637 Вт/м²

Поверхностная плотность теплового потока равна:

Проверим принятое значение

Для этого определим:

t_{cт 2} = t₂ + Дt₂ = 63 + 51,4 = 114,4 ⁰С

Средняя удельная теплоёмкость смеси при t_{cт 2} = 114,4 ⁰С равна:

Средние удельные теплоёмкости бензола и толуола при t_{cт 2} = 106,6⁰С (рис. XI) [1, с. 562]

Нахождение динамического коэффициента вязкости смеси при t_ст2 = 114 ⁰С

- динамические коэффициенты вязкости бензола и толуола при t_ст2 = 106,6⁰С (табл. IX), [1, с. 516]

Нахождение коэффициента теплопроводности бензол-толуола при t_ст2 = 106,6 ⁰С

коэффициенты теплопроводности бензола и толуола при t_ст2 = 106,6 ⁰С (рис. X)



= 1,0102

Было принято

Разница ~ 0,01%. Расчет К закончен

Определение расчетной площади поверхности теплообмена

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

Коэффициент теплоотдачи б₁ = 12 075,87 >> б₂ = 899,5 Вт/(м² •K), поэтому расчетным диаметром при определении поверхности труб следует принять

d₂ = 0.021 м.

Аппарат с L = 2 м имеет площадь поверхности теплообмена:

F = р•d₂•n•L = 3,14•0,021•196•2 = 25,861 м²

Сопоставление расчетной площади поверхности теплообмена с площадью поверхности выбранного теплообменника

Запас площади поверхности теплообмена:

Запас площади поверхности теплообмена неоправданно велик.

Вариант №2 Четырёхходовый теплообменник

Коэффициент теплоотдачи для бензол - толуола

Уточняем значение для критерия Re₂:

Критерий Прандтля для смеси при t₂ = 70 ⁰С:

Нахождение коэффициента теплопроводности смеси при t₂ = 63 ⁰С



Критерий Нуссельта для смеси:

Отношение принято равным 1,01 (с последующей проверкой).

Таким образом, коэффициент теплоотдачи:

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб

Расчет осуществляю приближенно (без учета влияния поперечных перегородок) по формуле:



б₁ = б_ср =

известно, что G₁ = 0,295 и n = 206, поэтому используем зависимость:

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), [1, с. 162].

Нахождение динамического коэффициента вязкости смеси при t_ст2 = 124 ⁰С

- динамические коэффициенты вязкости бензола и толуола при t_ст2 = 124⁰С (табл. IX), [1, с. 516]



Нахождение коэффициента теплопроводности смеси при t_ст2 = 124 ⁰С

коэффициенты теплопроводности бензола и толуола при t_ст2 = 124 ⁰С (рис. X)

Следовательно,



= 0,9956

Было принято = 1,01.

Разница ~ 1,446%. Расчет К закончен.

Определение расчетной площади поверхности теплообмена

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

Коэффициент теплоотдачи б₁ = 15 465,32 >> б₂ = 646,9 Вт/(м² •K), поэтому расчетным диаметром при определении поверхности труб следует принять

d₂ = 0.021 м.

Аппарат с L = 2 м имеет площадь поверхности теплообмена:

F = р•d₂•n•L = 3,1416•0,021•206•2 = 27,167м²

Сопоставление расчетной площади поверхности теплообмена с площадью поверхности выбранного теплообменника

Запас площади поверхности теплообмена:

Запас площади поверхности теплообмена избыточен.

Вариант №3 Двухходовой теплообменник

Коэффициент теплоотдачи для бензол - толуола

Уточняем значение для критерия Re₂:

Критерий Прандтля для бензол-толуола при t₂ = 63 ⁰С:

Нахождение коэффициента теплопроводности бензол-толуола при t₂ = 63 ⁰С



Критерий Нуссельта для бензол-толуола:

Отношение принято равным 1,01 (с последующей проверкой).

Таким образом, коэффициент теплоотдачи:

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб

Расчет осуществляю приближенно (без учета влияния поперечных перегородок) по формуле:

б₁ = б_ср =

Известно, что G₁ =0,295 и n = 100, поэтому используем зависимость:

Где е - коэффициент, для шахматного расположения труб в пучке и при числе рядов труб по вертикали n_B = 10 (табл. 4.12) е = 0,65 (рис. 4.7), В_t = 1105 (табл. 4.6), [1, с. 162].

Коэффициент теплопередачи

К = 511,12 Вт/м²

Поверхностная плотность теплового потока равна:



Проверим принятое значение

Для этого определим:

t_{cт 2} = t₂ + Дt₂ = 63 + 55 = 118 ⁰С

Так как проверка принятого значения при t_{cт 2}= 118⁰С

Средняя удельная теплоёмкость смеси при t_{cт 2} = 118 ⁰С равна:

Средние удельные теплоёмкости бензола и толуола при t_{cт 2} = 118 ⁰С (рис. XI) [1, с. 562]

Нахождение динамического коэффициента вязкости бензол-толуола при t_ст2 = 118 ⁰С

- динамические коэффициенты вязкости бензола и толуола при t_ст2 = 118⁰С (табл. IX), [1, с. 516]

Нахождение коэффициента теплопроводности бензол-толуола при t_ст2 = 118 ⁰С

коэффициенты теплопроводности бензола и толуола при t_ст2 = 118 ⁰С (рис. X)



Следовательно,

= 0,96

Было принято = 1,01.

Разница ~ 4,9%. Расчет К закончен.

Определение расчетной площади поверхности теплообмена

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

Коэффициент теплоотдачи б₁ = 14587 >> б₂ = 662,5 Вт/(м² •K), поэтому расчетным диаметром при определении поверхности труб следует принять

d₂ = 0.021 м.

Аппарат с L = 2 м имеет площадь поверхности теплообмена:

F = р•d₂•n•L = 3,1416•0,021•100•3 = 26,389 м²

Сопоставление расчетной площади поверхности теплообмена с площадью поверхности выбранного теплообменника

Запас площади поверхности теплообмена:

Запас площади поверхности теплообмена достаточен.

Вариант №4 Одноходовый теплообменник

Коэффициент теплоотдачи для смеси

Уточняем значение для критерия Re₂:

Отношение принято равным 1,01 (с последующей проверкой).

Таким образом, коэффициент теплоотдачи:

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб

Расчет осуществляем приближенно (без учета влияния поперечных перегородок) по формуле:

б₁ = б_ср

Известно, что G1=0,29 и n = 62 поэтому использую зависимость:

Где е - коэффициент, для шахматного расположения труб в пучке и при числе рядов труб по вертикали n_B = 9 табл. 4.12) е = 0,65 (рис. 4.7), В_t = 1105 (табл. 4.6), [1, с. 162].

Задаемся длиной труб (по табл. 4.12) L = 3. Имеем:



Коэффициент теплопередачи

К = 442,8 Вт/м²

Поверхностная плотность теплового потока равна:

Проверим принятое значение

Для этого определим:

? 71⁰С

t_{cт 2} = t₂ + Дt₂ = 63 + 71= 134⁰С

Средняя удельная теплоёмкость смеси при t_{cт 2} = 134 ⁰С равна:

Средние удельные теплоёмкости бензола и толуола при t_{cт 2} = 124 ⁰С (рис. XI) [1, с. 562]



Нахождение динамического коэффициента вязкости смеси при t_ст2 = 118 ⁰С

- динамические коэффициенты вязкости бензола и толуола при t_ст2 =

124⁰С (табл. IX), [1, с. 516]

Нахождение коэффициента теплопроводности бензол-толуола при t_ст2 = 124 ⁰С

коэффициенты теплопроводности бензола и толуола при t_ст2 = 124 ⁰С (рис. X)

Следовательно,

= 0,961

Было принято = 1,01.

Разница ~ 4,88%. Расчет К закончен.

Определение расчетной площади поверхности теплообмена

Расчетная площадь поверхности теплообмена:



F=15,14 м

Коэффициент теплоотдачи б₁ = 12 438 >>б₂ = 557,3 Вт/(м² •K), поэтому расчетным диаметром при определении поверхности труб следует принять

d₂ = 0.021 м.

Аппарат с L = 3 имеет площадь поверхности теплообмена:

F = р•d₂•n•L = 3,1416•0,021•62•3=12,67 м

Сопоставление расчетной площади поверхности теплообмена с площадью поверхности выбранного теплообменника

Необходимое число аппаратов:

Fр 15,14

F 12,67

Запас площади поверхности теплообмена:

Запас площади поверхности одного теплообменника недостаточен, а двух - избыточен

Рассмотрев возможные варианты теплообменников подведём промежуточные итоги: Шестиходовый и четырехходовой теплообменники имеют неоправданно высокий запас площади поверхности теплообмена (41,18%), к тому же является самым сложным в эксплуатации. Одноходовый является наиболее простым, но для обеспечения необходимой площади поверхности их требуется два, а это влечет за собой высокую металлоёмкость. Поэтому далее рассмотрим только двухходовой теплообменник.

4. Расчет гидравлических сопротивлений

4.1 Двухходовый теплообменник

Ввиду того, что общая разность температур Дt_cp = 63.694 К не близка к допускаемой разности (t_k - t_н)_макс = 40 К (табл. XXXV), [1, с. 534], принимаем аппарат типа ТК.

Определим t_ст2:

Примем ее за 100⁰С

Определяем t_ст1:



4.2 Расчёт гидравлического сопротивления

Расчет гидравлического сопротивления кожухотрубчатых теплообменников производится по формулам, приведенным ниже.

Скорость жидкости в трубах:

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.)

Скорость бензол - толуола в штуцерах:

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 0,3 МПа и температуре 133,9 ⁰С. 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:

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 = 40 ⁰С

t_ст1 = t_г1 = 133,9 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:

Вывод

Целью данной курсовой работы было подобрать теплообменник для нагрева смеси бензол - толуол, состава 40% массовых бензола, 60% массовых толуола, поступающего в аппарат перед ректификации. Были рассмотрены несколько вариантов подходящих по площади поверхности и по числу труб, обеспечивающих объёмный расход при турбулентном течении жидкости, теплообменников. Шестиходовый и четырехходовой теплообменники имеют неоправданно высокий запас площади поверхности теплообмена, к тому же является самым сложным в эксплуатации. Одноходовый является наиболее простым, но для обеспечения необходимой площади поверхности их требуется два, а это влечет за собой высокую металлоёмкость. Поэтому эти теплообменники использовать нерационально.

Таким образом, поставленная задача решается применением двухходового кожухотрубчатого теплообменника принимаемого с учётом всех факторов (гидравлического сопротивления, площади пощади поверхности теплообмена, металлоёмкости, окончательной цены аппарата).

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. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973, 750 с.

3. Справочник химика. - М. - Л.: Госхимиздат, 1963, Т. 1, 1071 с.

4. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование. - М.: Химия, 1974, 270 с.

5. 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.

Размещено на Allbest.ru