Расчет теплообменной установки для подогрева сырья ректификационной колонны

Размещено на http://www.allbest.ru

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



Содержание

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 15121-79, теплообменники могут быть двух- четырех- и 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;ВК- октан

Содержание: НК=65%масс; ВК=35%масс.

Количество сырья, кг/ч 26000

Температура входа,°С- 16

Температура выхода,°С- температура 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 остаток- охлаждается 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 одно- и 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°С

Выберем в качестве первого приближения температуры 100°С и 120°С. При этих температурах давления паров указаны в таблице:

	100°С	120°С
Гептан,Рг, мм рт.ст.	792	1369
Октан, Рок, мм рт. ст.	350	645

Найдем значение суммы в уравнении изотермы:

117°С

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°С 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.

Свойство	размерность	Горячая вода	Нагреваемое сырье
			НК	ВК	Смесь
Ср.температура	°С	115	80
плотность	кг/м3	943	627	653	636
теплоемкость	Дж/(кг·К)	4230	2401	2252	2349
Вязкость	Па·с	0,231·10-3	0,24·10-3	0,291·10-3	0,255·10-3
теплопроводность	Вт/(м·К)	0,686	0,108	0,146	0,121

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.

№варианта	1	2	3	4	5	6
Трубы,мм	20?2	20?2	25?2	25?2	25?2	25?2
Fтаб,м2	139	116	127	190	121	181
Sт, м2	0,037	0,02	0,03	0,03	0,022	0,022
Sвп , м2	0,041	0,065	0,065	0,065	0,07	0.07
nобщ,шт	370	618	404	404	384	384
z	2	6	4	4	6	6

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.

Хар-ки/ вариант	1	2	3	4	5	6
w1,м/с	0,488	0,31	0,31	0,31	0,95	0,95
Re1	39827	25122	31628	31628	49995	49995
б1	7364	5585	5134	5134	2542,3	2542,3
w2,м/с	0,308	0,57	0,38	0,38	0,16	0,16
Re2	12295	22746	19903	19903	8529,9	8529,9
б2	702	971	662	662	852	852
Кр	434	505	404	404	428	428
?F,%	20	16	1,6	52	2,7	53,6

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 6м и диаметре кожуха D=600 мм равно m=18.Тогда сопротивление межтрубного пространства будет равно:

=15921Па

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.

Предприятие-потребитель	Расположение аппарата
наименование установки	Тип аппарата
Технологическая позиция	Термообработка
Назначение аппарата	Материал исполнения	углеродистая сталь

Параметр	межтрубное пространство	трубное пространство
	вход	выход	вход	выход
наименование рабочей среды
Общий расход,кг/ч
Вода,кг/ч
температура,°С
Рабочее давление,бар
Термическое сопротивление загрязнений,м2·К/Вт
Допускаемый перепад давления,бар
необходимость очистки

Жидкость	плотность,кг/м3
	кинематическая вязкость,м2/c,*106
	Теплоемкость,Дж/(м·К)
	Теплопроводность, Вт/(м·К)
	Поверхностное натяжение,н/м,*103



Характеристики среды

температура кипения при давлении 007 МПа
Химическийсостав среды,%
Вредность по ГОСТ 2.1.007-7
Воспламеняемость по ГОСТ 12.1.004-91
Взрывоопасность по ГОСТ 12.1.011-78
Вызывает среда коррозию, растрескивание

Характеристика аппарата

Отрицательная температура стенки аппарата под давлением,°С
Средняя температура наиболее холодной пятидневки,°С
аппарат устанавливается на бетонном основании/металлоконструкция
наружный диаметр теплообменных труб,мм
Схема размещения труб в трубной решетки	по квадрату	по треугольнику
испытания на МКК основного металла и сварных соединений	да	нет
Необходимость установки деталей для крепления теплоизлоляции	да	нет
тип крепления труб в трубной решетки	развальцовка	обварка с развальцовкой
шарниры	правые	левые	нет

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.

Размещено на Allbest.ru