Расчет кожухотрубного теплообменника

Содержание 
 

Введение                                                                                                          4

Краткая история  производства  

1.  Технологическая   часть                                                                  

1.1. Физико-химические свойства бензола      

         и толуола                                                                                       

  1.2. Теоретические основы процесса происходящего в аппарате                                         

  1.3.  Описание технологической схемы установки                                                                          

  1.4. Устройство, принцип работы основного аппарата                                     

  1.5. Техника безопасности                                                                                    

  1.5.1. Пожаро и взрывобезопасность

  1.5.2. Пожаро – и взрывопредупреждение

  2.   Расчетная часть                                                                                               

  2.1.  Материальный баланс

  2.2.  Технологический расчет основного аппарата

  2.3.  Тепловой баланс

          Графическая часть                                                                                          

          Литература                                                                                                  
 
 
 
 
 
 

                                                             Введение 

Краткая история производства  

 Впервые  бензол описал немецкий ученый Иоганн Глаубер в 1649 году, получив вещество перегонкой каменноугольной смолы. Открыт бензол был впервые в 1825 году Майклом Фарадеем. Английский ученый заинтересовался странным явлением, происходившим со светильным газом. Газ этот получали фабричным способом: нагревали китовый и тресковый жир в железных  сосудах до красного каления, а затем для транспортировки помещали под давление 30 атм.в железные баллоны. Обнаружилось, однако, что при длительном хранении газ постепенно терял свои осветительные и тепловые свойства, а на дне баллона скапливалась жидкость, легко воспламеняющаяся. Ее то и исследовал Фарадей, а в результате выделил неизвестный углеводород, элементный состав, а так же физические и химические свойства которого попытался определить. На основании анализа он приписал ему формулу C2H, назвал двууглеродистым водородом и доложил об открытии нового  вещества Лондонскому Королевскому обществу 16 июня 1825 года.

      Некоторое время бензол не  привлекал особого внимания химиков. В 1833-35 годах немецкий химик Эйльхард Митчерлих обстоятельно исследовал это вещество, определил его формулу-C6H6 и назвал его бензином (то арабского слова,  
 
 
 
 
 
 
 

которое означает благовоние). Юстус Либих, проводивший с Митчерлихом ряд работ, предложил новое имя соединению - бензол, которое прижилось и в русской

номенклатуре. В 1835 году французский химик Огюст Лоран предложил название “бензен”, а затем “фен” (от греческого блистающий, яркий), поскольку бензол

горит ярким пламенем. Это название не привилось, однако, именно от него произошли общеизвестные термины “фенол’ и ”фенил” .                                       

Структурная формула бензола была предложена в 1865 году Августом  Кекуле. В результате синтеза бензол впервые был получен французским химиком Марселеном Бертло в 1866 году.

   Наиболее  старый метод промышленного получения бензола выделение его из предварительно охлажденных пирогазовых продуктов коксования каменных углей, абсорбцией органическими поглотителями, например маслами каменноугольного и нефтяного происхождения. Для отделения поглотителя используют перегонку с водяным паром. От примесей (например, тиофена) сырой бензол отделяют гидроочисткой. Основное количество бензола получают риформингом (470-550 °С) нефтяной фракции, выкипающей при 62-85°С; извлекают экстракцией. Бензол высокой чистоты получают экстрактивной перегонкой с ДМФА. Бензол выделяют также из жидких продуктов пиролиза нефтепродуктов, образующихся в производстве этилена и пропилена. При избытке ресурсов толуола бензол производят деалкилированием последнего, которое проводят термическим способом при 600-820°С в присутствии водорода и водяного пара или каталитически при 227-627°С в присутствии цеолитов или оксидных катализаторов. Наиболее экономически выгодно выделение бензола из продуктов  
 
 
 
 

пиролиза, но ресурсы этого источника недостаточны, поэтому бензол часто производят риформингом. Доля коксохимического бензола в общем балансе невелика.В лабораториях особо чистый бензол синтезируют декарбоксилированием бензойной кислоты.

   Основные  области применения бензола (более 80%): производство этил-бензола, кумола и циклогексана; остальное количество для получения   анилина

малеинового ангидрида, как компонент моторного  топлива для повышения октанового числа, как растворитель и экстрагент в производстве лаков, красок, ПАВ и др.

   Толуол был впервые получен и охарактеризован в 1844 году. Сен-Клер

Девилем при сухой перегонке толуанского бальзама (исп.Balsamo Tolu)- смолы дерева Myroxylon balsamum.

   Получают  толуол преимущественно из нефти при вторичной ее переработке, риформинге низкокипящих продуктов, полученных при прямой перегонке нефти или каталитическом крекинге, пиролизе газойля и рафинатов риформинга, направленном одновременно на получение непредельных и ароматических углеводородов. Очистку нефтяного толуола осуществляют методом экстракции (экстрагенты: ид - и триэтиленгликоли, К-метилгшрролидон, ДМФА) или экстрактивной ректификации.

   Каменноугольный толуол, образующийся в процессе коксования, извлекают из коксового газа в  виде компонента сырого бензола, подвергают сернокислотной очистке (для удаления непредельных и серосодержащих соединений) и выделяют ректификацией. Чистоту и качество толуола контролируют методами ГЖХ.  
 
 
 
 
 

   Значительное  количество толуола получают как  побочный продукт при синтезе стирола из бензола и этилена.

   Толуол  применяется для растворения тощих алкидов, кремнийорганической смолы, полистиролов. В качестве основной  добавки применяется в  смесевых растворителях для растворения эпоксидных, виниловых и акрилатных полимеров, хлоркаучука. Также толуол применяется в качестве сырья для органического синтеза, высокооктанового компонента моторных   топлив, растворителя.

   Основное количество толуола перерабатывают в бензол, фенол, капролактам, толуилендиизоцианаты; остальное количество используют в качестве растворителя для пластических масс, нитроцеллюлозных, алкидных лаков и эмалей, высокооктанового компонента моторных топлив, исходного вещества для получения многочисленных производных (в т.ч. галоген -, сульфо - и нитропроиз-водных). Толуол используется как сырье для получения взрывчатого вещества тринитротолуола. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                            1 .    Технологическая часть 

   1.1.  Физико-химические свойства бензола и толуола 

   Бензол, молекулярная масса 78,11; бесцветная жидкость с характерным запахом; температура  плавления 5,53 ⁰С, температура кипения 80,1 °С. Растворимость в воде 0,073% по массе (25 °С), воды в бензоле-0,05% (26 °С). Неограниченно растворяется в углеводородах, эфирах, хуже в метаноле, не растворим в этиленгликоле, глицерине; растворяет жиры, каучуки, гудрон, серу, фосфор, иод. Образует азеотропные смеси.

   Молекула  бензола - плоский правильный шестиугольник  с внутренними углами 120° и  расстоянием между атомами углерода 0,139 нм.

   Бензол - родоначальник углеводородов ароматического ряда. Химические свойства определяются наличием в молекуле стабильной замкнутой  системы. Он склонен к донорно-акцепторному взаимодействию с соединениями, имеющими дефицит электронов; в результате образуются малостабильные и существующие только в растворах комплексы, которые могут превращаться в более прочные комплексы.

   Бензол  сульфируется до бензолсульфокислот, алкилируется олефинами с образованием алкилбензолов. В зависимости от природы первого введенного заместителя дальнейшее электрофильное замещение направляется преимущественно в орто - и пара - положения или в мета - положение.

  Для бензола характерна устойчивость к действию высоких температур и окислителей. Лишь выше 650 °С он частично превращается в дифенил, выше 750°С разлагается на углерод и водород. Бензол не изменяется под действием Н₂СгО₄ и КМпО₄, с О₂ в присутствии катализаторов (V, Мо) при 350-450 °С образует малеиновый ангидрид. Гидрируется до циклогексаиа в присутствии различных катализаторов (например, в присутствии Ni при 120-200°С и 2,96-6,94МПа). Щелочными металлами в жидком NH₃ восстанавливается до 1,4-циклогексадиена. При фотохимическом присоединении хлора превращается в гексахлорциклогексан. При УФ - облучении способен к циклоприсоединению и изомеризации в фульвен и бензвален.

   Толуол, молекулярная масса  92,14; бесцветная жидкость с ароматическим запахом; температура плавления 94,99 ⁰С, температура кипения 110,62 °С. Смешивается со спиртами, углеводородами, хорошо растворим в большинстве органических растворителей; растворимость в воде 0,014% по массе (20 °С); растворимость воды в толуоле 0,4% (20 °С). Образует азеотропные смеси: с водой (86,5% толуола по массе, температура кипения °С), метанолом (31% олуола, 63,8 °С), уксусной кислотой (72,5% толуола, 100,6 °С) и др.

   По  химическим свойствам толуол – типичный представитель ароматических углеводородов. Легко образует комплексы с переносом заряда: с переходными металлами (Со, Мо и др.) комплексы «сэндвичевого» типа, с трикарбонилхромом - «зонтичного» типа, а также со многими органическими акцепторами электронов (тринитробензол и др.). В реакции электрофильного

замещения (нитрование, галогенирование, сульфирование и др.) вступает  легче  
 
 
 
 
 

бензола. При окислении по метильной группе в зависимости от условий основные продукты реакции - бензиловый спирт (окислитель-02), бензальдегид (Сг₂0₃) или бензойная кислота (0₂, Вг₂, бензоаты Со и Мn). При галогенировании в боковую цепь под действием УФ облучения превращается в смесь бензилхлорида, а, а - дихлортолуола (бензальхлорид) и (трихлорметил) бензола (бензотрихлорид); процесс сопровождается хлорированием в ядро. Гидрирование толуола на цеолитных и оксидных (Сг₂0₃, Мо0₃, СоО) катализаторах при высоких температурах (600-800°С, давление 3,5-6 МПа)  приводит к бензолу, гидрирование в присутствии  Ni, Pt и др. в жидкой (10-30 МПа, 100-200°С) или газовой (0,1МПа, 110-180°С) фазе к метилпикло - гексану. 

1.2. Теоретические основы процесса происходящего в аппарате 

   Теплота от одного тела к другому передается: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

   Теплопроводность (кондукция) — перенос теплоты  вследствие движения и колебаний  микрочастиц, соприкасающихся друг с другом. Теплопроводностью передается теплота в твердых телах и тонких слоях жидкости и газа.

   Конвекция — перенос теплоты путем перемещения макрообъектов жидкости или газов. Перемещение возможно за счет разности плотностей, обусловленной неодинаковой температурой отдельных участков объема системы (естественная,  
 
 
 
 

или свободная, конвекция), а также  путем принудительного их перемещения в результате внешних механических воздействий с помощью насосов, компрессоров, воздуходувок и т.п. (вынужденная конвекция).

   Тепловое  излучение (лучеиспускание) — перенос  теплоты в виде элек-тромагнитных волн, излучаемых нагретым телом.

   Указанные механизмы распространения теплоты  редко встречаются в чистом виде. Обычно они сопутствуют друг другу - происходит так называемый сложный теплообмен.

   Теплопроводность  описывается основным законом передачи теплоты — законом Фурье, указывающим, что количество теплоты, переданное вследствие теплопроводности, пропорционально градиенту температуры dt / dn, площади dF, через которую осуществляется передача теплоты, времени dt проведения

процесса:

   Q= - λ  dF dt

   Знак  минус в уравнении  компенсирует отрицательное  значение градиента температур. Коэффициент пропорциональности λ, называется коэффициентом теплопроводности и показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности через 1м² поверхности за 1с при разности температур 1⁰К, приходящейся на 1м длины нормали к изотермической  поверхности.

   Коэффициент теплопроводности зависит в первую очередь от природы и агрегатного состояния веществ, через которые  осуществляется передача теп-

лоты. В меньшей степени на теплопроводность газов влияют температура, давление и влажность. 
 
 
 
 

   При нормальных температурах и давлениях лучшими  проводниками

теплоты являются металлы (λ  = 17,5... 384 Вт/(м • К)), худшими — газы (λ  = 0,006- 0,6 Вт/(м*К)). Для строительных материалов (в том числе теплоизоляторов) λ = 0,05... 1,0 Вт/(м*К), для капельных жидкостей   λ = 0,1 ...0,7 Вт/(м*К).

   Конвекция — процесс  распространения теплоты в жидкости или газе от поверхности твердого тела или наоборот. Процесс передачи теплоты одно-временно конвекцией и теплопроводностью называют теплоотдачей.

   При теплоотдаче теплота передается от стенки через тонкий пограничный слой теплопроводностью, а затем в поток (ядро) жидкости конвекцией.

   Основным  законом теплоотдачи является закон  Ньютона, согласно которому количество теплоты dQ_KOHB, переданное конвекцией от поверхности к окружающей среде (или наоборот), пропорционально поверхности теплообмена dF, разности температур поверхности t_ст и окружающей среды t_f и времени dt проведения процесса:

   dQ_KOHB = αF( t_ст - t_f ) dt.

   Коэффициент пропорциональности α, называется коэффициентом теплоотдачи и показывает, какое количество теплоты передается от теплообменной поверхности 1м² в окружающую среду или наоборот в течение 1с при разности температур теплообменной поверхности и окружающей среды 1⁰ К.

   Коэффициент теплоотдачи не является постоянной величиной для рас-сматриваемой среды и зависит в первую очередь от гидродинамических 

условий течения жидкости вдоль теплопередающей поверхности,  а также плотности, вязкости, удельной теплоемкости и других параметров теплоносителя. 
 
 
 
 
 

     В большинстве случаев взаимодействие теплоносителей происходит через некоторую поверхность раздела, которая в общем случае может рассматриваться как многослойная твердая стенка. В трубчатых теплообменниках теплообмен происходит через стенку трубы и два слоя загрязнений с обеих сторон стенки.

     Этот вид теплообмена называется  теплопередачей. Количество передаваемой  теплоты определяется основным  уравнением теплопередачи: 

                                       Q=KF∆tср,

где Q- тепловой поток, т.е. количество теплоты, передаваемое через поверхность теплообмена в 1с, Вт; К – коэффициент теплопередачи, м²; ∆tср – средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, К.

Коэффициент теплопередачи К показывает, какое  количество теплоты переходит в  единицу времени от более нагретого  к менее нагретому теплоносителю  через разделяющую их стенку площадью 1м² в течении 1с, при разности температур между теплоносителями 1К.

Удельная тепловая нагрузка (удельный тепловой поток):

                                          q = Q/F = K∆tср.

   Движущей силой теплопередачи  является разность температур  между горячим и холодным теплоносителем.

   Наиболее часто теплопередача  в промышленной аппаратуре протекает при переменных температурах теплоносителей. Температуры теплоносителей изменяются вдоль поверхности разделяющей их стенки, поэтому в тепловых расчетах пользуются средней разностью температур ∆tср, которая и входит в уравнение теплопередачи. 
 
 
 

     Количество теплоты, передаваемое  через поверхность при теплообмене,  нагрева или охлаждения средняя разность температур будет среднеарифметической, т.е.

                                     ∆tср = (∆tб + ∆tм) / 2,

если  отношение  ∆tб / ∆tм < 2. Здесь ∆tб  и  ∆tм – большая и меньшая разности температур на концах теплообменника.

    При более интенсивном теплообмене и больших  разностях  температур, т.е. при 

∆tб / ∆tм > 2, падение температур по длине поверхности неравномерно. В этом случае средняя разность будет среднелогарифмической, изменяющейся по кривой от начальной до конечной разности температур теплоносителей, и  расчет ведется по уравнению:

                                  ∆tср = ∆tб - ∆tм / 2,3 lg ∆tб / ∆tм.

        Теплопередача при переменных температурах зависит от взаимного направления движения теплоносителей вдоль разделяющей их стенки. Параллельный ток, или прямоток, - теплоносители (1 и 2) движутся в одном направлении (рис. 1,а). Противоток – теплоносители движутся в противоположных направлениях  (рис. 1,б). Перекрестный ток – теплоносители движутся взаимно перпендикулярно один другому (рис. 1,в). Смешанный ток – один из теплоносителей движется в одном направлении, а другой – как прямотоком, так и противотоком к первому (рис.1,г).

    Сопоставление температурных режимов  работы теплообменных аппаратов  при прямотоке и противотоке  убеждает, что при прямотоке (рис.2,а) максимальный температурный напор имеет место у входа в теплообменник. Затее этот напор уменьшается, достигая минимального значения на выходе из аппарата. При противотоке (рис.2,б) тепловая нагрузка более равномерна, а конечная температура 
 
 
 

нагревающей среды может быть выше конечной температуры  охлаждающей среды. Это позволяет  при регенерации теплоты обеспечить более высокий подогрев нагреваемой среды, а при охлаждении – снизить расход охлаждающего агента или при  том  же  расходе  понизить  конечную  температуру  охлаждаемой  среды.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                              1.3.Описание технологической схемы установки 

   Ректификационная  установка непрерывного действия (рис. 1) состоит из ректификационного массообменного аппарата - ректификационной колонны 1, представляющей собой вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого расположены контактные устройства (насадка, тарелки).

   Снизу вверх по колонне движется поток пара, поступающий в ее нижнюю часть из испарителя 2, находящегося рядом или под самой колонной. Поступающий в колонну пар по составу представляет собой практически чистый труднолетучий компонент. На каждой тарелке при его перемещении  по колонне происходит конденсация поднимающегося пара, и за счет теплоты его конденсации — испарение находящегося в этой зоне легколетучего компонента.

Таким образом, происходят постоянное удаление из выходящего пара труднолетучего компонента и обогащение его легколетучим. В результате из верхней части колонны выгружаются пары практически чистого легколетучего компонента, который конденсируется в дефлегматоре 3. Получаемая жидкость разделяется в делителе 4 на два потока. Первый поток - флегма, возвращается  назад в колонну 1,создавая тем самым нисходящий поток жидкости, состоящий практически из чистого легколетучего компонента. Стекая вниз по колонне и взаимодействуя с восходящим паром, флегма постоянно обогащается   конденсирующимся  из нее труднолетучим компонентом, заменяющим постоянно испаряющийся легколетучий компонент. В результате жидкость, достигающая  
 
 
 
 

нижней  части колонны и поступающая в испаритель 2, состоит практически из низколетучего компонента.

    Подаваемую  на разделение исходную смесь подогревают  до температуры кипения в теплообменнике 5 и подают в колонну, в зону (или на тарелку), положение которой определяют в результате расчета контактного ректификационного аппарата.

    Зона  питания (или тарелка питания) делит колонну на две части. Верхняя, или укрепляющая, часть la обеспечивает  наибольшее укрепление поднимающихся паров, т.е. обогащение их легколетучим компонентом. Нижняя, или кубовая (исчерпывающая), часть 16, обеспечивает наибольшее удаление из жидкости легколетучего компонента. Второй поток жидкости, получаемый в дефлегматоре 3 и называемый дистиллятом, поступает в холодильник- теплообменник 6, а затем в сборник 9, откуда перекачивается в качестве целевого продукта насосом 10.

    Жидкость, выходящая из нижней части колонны, также делится на два потока. Первый возвращается в испаритель 2, откуда в виде пара подается назад в колонну, второй, называемый кубовым остатком, после охлаждения в холодильнике 7 направляется в сборник 8. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                       1.4 . Устройство, принцип работы основного аппарата  

   Применяемая в промышленности теплообменная  аппаратура разнообразна как по своему функциональному назначению, так и по конструктивному исполнению. В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые процессы: нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, кипение и др.

   Учитывая  большой диапазон температур и давлений рабочих сред, а также разнообразие свойств теплоносителей при различных параметрах тепловой обработки, к основным требованиям, которым должны удовлетворять современные теплообменные аппараты, относятся следующие:

- аппарат  должен обеспечивать передачу  требуемого количества теплоты от одной среды к другой с получением необходимых конечных температур и при возможно большей интенсивности теплообмена;

- при  заданной тепловой нагрузке и  других рабочих параметрах аппарат  должен иметь меньшие габаритные  размеры и низкую удельную материалоемкость;

- аппарат  должен  работать стабильно при изменении в процессе теплообмена физических (а возможно и химических) свойств рабочей среды (вязкость, плотность, теплопроводность, фазовое состояние и др.);

- поверхность  теплообмена и другие элементы конструкции аппарата, омываемые рабочей средой, должны обладать высокой химической стойкостью;