Проект системы конденсации паров 40% раствора метилового спирта водой производительностью 15103 кг/ч
Министерство образования и науки Российской Федерации
ГОУ ВПО «Омский
государственный технический
Нефтехимический институт
Кафедра «Машины и аппараты химических производств»
Специальность
«Химическая технология органических
веществ»
Курсовой проект
на тему: «Проект
системы конденсации паров 40% раствора
метилового спирта водой производительностью
15×103
кг/ч»
Дисциплина
«Процессы и аппараты химической
технологии»
Студент: Пляшкевич
К.К., группа ХТ-318
Пояснительная записка
Шифр проекта
КП-2068998-49-12 ПЗ
Руководитель проекта:
Омск – 2011.
ГОУ ВПО «Омский
государственный технический
Кафедра: «Химическая технология органических веществ»
Специальность:
«Химическая технология органических
веществ»
Задание
на курсовое проектирование
по дисциплине «Процессы и аппараты химических производств»
Студент: Пляшкевич К.К., группа ХТ-318
1.
Тема проекта: Разработать проект
кожухотрубного теплообменного аппарата.
2. Срок сдачи студентом
законченного проекта:
3.
Исходные данные
к проекту: Разработать проект кожухотрубного
теплообменного аппарата для конденсации
40% раствора метилового спирта водой. Производительность
15000 кг/час. Начальная температура 40%
раствора метилового спирта tн1=700С,
конечная температура 40% раствора метилового
спирта tк1=250С. Начальная температура
воды tн2=200С, конечная температура
воды tк2=350С. Давление в аппарате
составляет 0,1 МПа.
4. Содержание проекта (работы):
4.1.
Разделы пояснительной записки
(перечень подлежащих
4.2.
Перечень графического
5. Основная рекомендуемая
6. Дата выдачи задания:
Зав. кафедрой
(подпись, дата)
Руководитель
(подпись, дата)
Студент
(подпись, дата)
Содержание
Введение…………………………………………………………
- Описание технологической
схемы…….......................
............................6 - Технологический расчет теплообменного аппарата…………………....7
2.1. Расчет тепловой нагрузки (теплового баланса)…………………………………...7
2.2. Расчет производительности по хладагенту………………………………………...7
2.3. Расчет средне температуры потока………………………………………….…...…7
2.4. Расчет среднелогарифмической разности температур……………………….…8
2.5. Расчет объемного расхода хладагента и теплоносителя………………………..8
2.6. Ориентировочный выбор теплообменного аппарата……………………………..8
2.7. Расчет ориентировочной поверхности теплообмена………………….……..…..9
2.8.
Расчет коэффициента теплоотдачи………………………………….………….
2.9. Расчет коэффициента теплопередачи ………………….……………………...…11
2.10. Расчет требуемой поверхности теплообмена………………………………..…11
2.11. Расчет гидравличского сопротивления теплообменного аппарата……...….11
- Проверочный расчет теплообменного аппарата……………………….13
Заключение……………………………………………………
Библиографический
список……………………………………………….…...…
Приложение 1
Приложение
2
Введение
Кожухотрубный теплообменник является наиболее распространенным аппаратом вследствие компактного размещения большой теплопередающей поверхности в единице объема аппарата. Поверхность теплообмена в нем образуется пучком параллельно расположенных трубок концы, которых закреплены в двух трубных досках (решетках). Трубки заключены в цилиндрический кожух, приваренный к трубным доскам или соединенный с ними фланцами. К трубным решеткам крепятся на болтах распределительные головки, что позволяет легко снять их и произвести чистку трубок или в случае необходимости заменить новыми. Для подачи и отбора теплообменивающихся сред в аппарате имеются штуцера. В целях предупреждения смешения сред трубки закрепляются в решетах чаще всего развальцовкой, сваркой или реже для предупреждения термических напряжений с помощью сальников.
Преимущества проведения процессов теплообмена по принципу противотока, что обычно и выполняется в кожухотрубных теплообменных аппаратах. При этом охлаждаемую среду можно направить сверху вниз, а нагреваемую на встречу ей, или наоборот. Выбор, какую среду направить в межтрубное пространство, и какую внутрь трубок, решается сопоставлением ряда условий:
- среду с наименьшим значением a следует направлять в трубки для увеличения скорости ее движения, и, следовательно, для увеличения ее коэффициента теплоотдачи;
- внутреннюю поверхность трубок легче чистить от загрязнений, поэтому теплоноситель, который может загрязнять теплопередающую поверхность, следует направлять в трубки;
- среду под высоким давлением целесообразно направлять в трубки, опасность разрыва которых меньше по сравнению с кожухом;
- среду с очень высокой или, наоборот с низкой температурой лучше подавать в трубки для уменьшения потерь тепла в окружающую среду.
Работу кожухотрубных теплообменников можно интенсифицировать, применяя трубы малого диаметра. Необходимо иметь в виду, что при уменьшении диаметра труб увеличивается гидравлическое сопротивление теплообменника.
Наиболее простой путь обеспечения высоких скоростей состоит в устройстве многоходовых теплообменников. Число ходов в трубном пространстве может доходить до 8 - 12. При этом часто не удается сохранить принцип противотока. Наличие смешанного тока буден несколько снижать движущую силу процесса теплопередачи, что соответственно снизит эффективность работы. С помощью перегородок
увеличивается скорость движения той среды, у которой меньше значение коэффициента теплоотдачи. Следует иметь в виду, что в длинных, особенно в многоходовых, теплообменниках уменьшается смешение поступающей среды со всем ее количеством, находящемся в аппарате, и этим предупреждается возможное дополнительное уменьшение средней разности температур.
В кожухотрубных теплообменниках при большой разности температур между средами возникают значительные термические напряжения, особенно в момент пуска или остановки аппарата, вызванные различным удлинением трубок и кожуха под воздействием различных температур. Во избежание возникновения таких напряжений используются следующие меры:
- Установка в корпусе аппарата линзового компрессора.
- Установка в теплообменнике только одной трубной решетки, в которой закреплены трубки U - образной формы.
- Устройство теплообменников с «плавающей головкой».
- Закрепление трубок в одной из трубных решеток с помощью сальников.
- Сальниковое соединение трубной решетки с кожухом.
В
данном курсовом проекте будут рассмотрены
и проведены тепловые, гидравлические
расчеты для системы конденсации 40% раствора
метилового спирта производительностью
15000 кг/ч.
1. Описание
технологической схемы
Алкилбензосульфонаты в промышленности производят сульфированием нефтяных фракций, содержащих алкилбензолы и другие алкилароматические углеводороды, а также сульфирующиеся при окислении парафинов в присутствии борной кислоты.
Сульфирование первичных спиртов (в рассматриваемом курсовом проекте 40% раствора метилового спирта) проводят 98% H2SO4 при 30-500С при перемешивании. В реакто-сульфатор Р-1 с мешалкой и охлаждающим змеевиком подают 98% H2SO4 из емкости Е-1 через мерник М-1. Первичный спирт подают в реактор Р-1 из емкости Е-2 через мерник М-2.
Реакцию продолжают в течении нескольких часов и считают законченной, если проба сульфомассы полностью растворяется в воде.
После первого реактора продукты направляются на нейтрализацию в ректор Р-2, в котором осуществляется нейтрализация. Нейтрализация осуществляется 10-40 % NaOH, который нагревается в теплообменнике Т-1 до 40-600С и через мерник М-3 подается в реактор Р-2. Помимо NaOH на нейтрализацию подается NaOCl.
Газообразные продукты реакции направляются в абсорбер. [4]
Технологическая
схема процесса представлена в приложении
1.
2. Технологический
расчет теплообменного аппарата
Горячий
раствор (40% раствора метилового спирта)
охлаждается от t1н=700С до t1к=250С.
Начальная температура хладагента (воды)
t2н=200С, конечная температура
хладагента – t2к=350С. Производительность
составляет 15×103 кг/час (4,1667 кг/с).
Оба раствора – коррозионно-активные
жидкости.
2.1.
Расчет тепловой
нагрузки (теплового
баланса)
Тепловой расчет начинается с определения тепловой нагрузки аппарата и расхода охлаждающего теплоносителя. Тепловой нагрузкой называется количество тепла, переданное от горячего теплоносителя к холодному.
Таким образом:
Тепловой баланс в общем виде можно записать в виде равенства:
В курсовой проекте рассматриваем теплообменник-конденсатор, в котором нагрев одного из теплоносителей происходит за счет конденсации паров другого теплоносителя:
где G1 – производительность теплообменного аппарата по водяному пару, кг/с; с1 – удельная теплоемкость водяного пара, Дж/(кг·К).
Подставив
табличные данные в уравнение (2.4)
получаем:
2.2.
Расчет производительности
по хладагенту
Зная
тепловую нагрузку теплового аппарата
через уравнение (2.1) и (2.3) найдем производительность
по холодному потоку:
где с2 – удельная теплоемкость 10% NaOH, Дж/(кг·К).
Тогда:
2.3.
Расчет средней
температуры потока
Расчет температурного режима теплообменного аппарата состоит из определения средней разности температур Dt ср, вычисления средних температур рабочих сред, а также определения температуры стенок аппарата.
Предварительно
найдем средние температуры
- средняя
температура горячего потока:
- средняя
температура холодного потока:
40% раствора метилового спирта при средней температуре t1=47,50С имеет следующие физико-химические характеристики: r1=934,5 кг/м3 [7, с. 879]; l1=0,195 Вт/(м×К) [7, с. 930]; m1=0,000544 Па×с [2, с. 98]; с1=2470 Дж/(кг×К) [2, с. 516].
Вода
при средней температуре t1=27,50С
имеет следующие физико-химические характеристики: r2=977,8
кг/м3 [7, с. 879]; l2=0,6620 Вт/(м×К) [7, с. 930]; m2=0,0005 Па×с [2, с. 98]; с2=4190 Дж/(кг×К) [2,
с. 516].
2.4.
Расчет среднелогарифмической
разности температур
Расчет температурного режима теплообменного аппарата состоит из определения средней разности температур Dt ср, вычисления средних температур рабочих сред, а также определения температуры стенок аппарата.
Взаимное направление потоков и разность температур определяем по схеме:
70 0С 25 0С
35 0С 20 0С
Dt1 = 350С Dt2 = 50С.
Так
как Dt1
/ Dt2
=7, то среднелогарифмическую разность
находим по уравнению:
2.5.
Расчет объемного
расхода хладагента
и теплоносителя
2.6.
Ориентировочный
выбор теплообменного
аппарата
Вопрос о том, какой из потоков направить в трубное пространство, обусловлен его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхность теплообмена, расходом и так далее. В рассматриваемом курсовом проекте в трубное пространство с меньшим проходным сечением целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом, то есть горячий раствор (40% раствора метилового спирта). Это позволит выровнять скорости движения теплоносителей и соответствующие коэффициенты теплопередачи, увеличивая таким образом коэффициент теплопередачи. Кроме того, направляя поток холодной жидкости (вода) в межтрубное пространство, можно отказаться от теплоизоляции кожуха теплообменника.
Примем ориентировочное значение Re1ор=15000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения жидкости в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся не один ход, равно:
для
труб диаметром dн=20´2 мм
для
труб диаметром dн=25´2 мм
2.7.
Расчет ориентировочной
поверхности теплообмена
Так
как свойства теплоносителя мало
отличаются от свойств воды, примем
минимальное ориентировочное значение
коэффициента теплопередачи, соответствующее
турбулентному течению жидкости для случая
теплообмена между жидкостями Кор=800
Вт/(м2×К). При этом ориентировочное
значение поверхности теплообмена составит:
Как видно справочных данных, теплообменники с поверхностью удовлетворяющей заданию на проектирование (с учетом запаса поверхности) имеют диаметр кожуха 600 мм и число заходов – 6; диаметр кожуха 800 мм и число заходов – 4 и 6.
По справочным данным [1. с. 51] выбираем ряд теплообменных аппаратов, площадь поверхности которых сопоставима с ориентировочной площадью поверхности теплообмена:
1. S=60 м2; D=600 мм; dн=20х2 мм; z=6; n/z=316/6=52,6667
2. S=63 м2; D=800 мм; dн=25х2 мм; z=4; n/z=404/4=101
3. S=78 м2; D=800 мм; dн=20х2 мм; z=6; n/z=618/6=103
Как видно из расчетных данных, из теплообменников с близкой поверхностью теплообмена только аппарат D=600 мм; dн=20х2 мм имеет соответствующее соотношение количестве труб на один ход аппарата.
В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых, вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей. Поправку для среднелогарифмической разности температур определим по уравнению:
где
(2.11)
(2.12)
h (2.13)
Подставив значения уравнений (2.11) – (2.13) в (2.10), поучим:
С учетом поправки среднелогарифмическая разность температур составит:
. (2.14)
С
учетом поправки ориентировочная поверхность
теплообмена составит:
С запасом 10% поверхность теплообмена составит:
(2.15)
2.8.
Расчет коэффициента
теплоотдачи
Коэффициент теплопередачи (a) является количественной величиной, и зависит от коэффициентов теплоотдачи, термического сопротивления стенки и загрязнений.
Рассмотрим трубное пространство теплообменного аппарата. Рассчитаем для него критерии Re, Pr и Gr.
Критерий Рейнольдса и Прандтля для 40% раствора метилового спирта, находящегося в трубном пространстве теплообменника:
l
.
Рассчитаем критерий Нуссельта для
развитого турбулентного движения жидкости
по трубам:
(2.18)
Поправкой (Pr/Prст)0,25 можно пренебречь, так как разность температур t1 и tст1 не велика.
Тогда скорость течения горячего потока составит:
(м/с). (2.19)
Тогда проходное сечение трубного пространства должно быть не менее:
(м2). (2.20)
Рассчитаем критерий Грастгофа:
, ( 2.21)
где
Тогда
коэффициент теплоотдачи к
(Вт/(м2×К)). (2.22)
Рассмотрим межтрубное пространство теплообменного аппарата. Рассчитаем критерии Re, Pr и Gr.
Критерий Рейнольдса и Прандтля для холодного потока, находящегося в межтрубном пространстве теплообменника:
;
l.
Рассчитаем
критерий Нуссельта для развитого
турбулентного движения жидкости между
трубами:
(2.25)
Поправкой (Pr/Prст)0,25 можно пренебречь, так как разность температур t1 и tст1 не велика.
Тогда скорость течения холодного потока составит:
(м/с).
Тогда
коэффициент теплоотдачи к
l
(Вт/(м2×К)).
(2.27)
2.9.
Расчет коэффициента
теплопередачи
Оба теплоносителя – мало концентрированные водные растворы; поэтому, примем термические сопротивления загрязнений одинаковыми, равными rзагр1=rзагр2=1/2900 м2хК/Вт. Повышенная коррозионная активность этих жидкостей диктует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной λст=17,5 Вт/(м·К).
Сумма термических сопротивлений и стенки равна:
ll (м2К/Вт). (2.28)
Тогда
коэффициент теплопередачи
l
2.10.
Расчет требуемой
поверхности теплообмена
Зная
коэффициент теплопередачи, вычислим
требуемую поверхность
(м2). (2.30)
По справочным данным [1. с. 51] выбираем теплообменный аппарат, площадь поверхности которого сопоставима с ориентировочной площадью поверхности теплообмена с учетом коэффициента теплопередачи. Кроме того, принимая во внимание принятое ранее решение, о том, что аппарат D=800 мм; dн=25х2 мм имеет соответствующее соотношение количестве труб на один ход аппарата, выбираем теплообменный аппарат со следующими характеристиками: S=63 м2; D=800 мм; dн=25х2 мм; z=4; n=404; l=2000 мм.
Запас
поверхности теплообмена
.
(2.31)
2.11.
Расчет гидравлического
сопротивления теплообменного
аппарата
Скорость жидкости в трубах составит:
