Расчет теплообменной установки для подогрева сырья ректификационной колонны
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
.
Исходные данные и постановка задачи
.Описание
технологической схемы
.Описание
конструкции проектируемого аппарата
.Технологический
расчет
.1
Пересчет массовых концентраций компонентов в мольные
.2
Определение неизвестных температур
.3Определение
теплофизических свойств индивидуальных веществ и смесей
.4
Определение тепловой нагрузки и расхода горячей воды
.5Выбор
ориентировочной поверхности аппарата и конструкции
.6
определение коэффициента теплоотдачи α2 для нагреваемого
сырья(трубное пространство)
.7
Определение коэффициента теплоотдачи α1 для горячей воды
.8
Расчет коэффициента теплопередачи для выбранного аппарата
.9
Определение расчетной поверхности теплопередачи и ее запаса
.10
Проверочный расчет аппарата №2
.Расчет
гидравлического сопротивления аппарата
.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.
.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.
.Технологический расчет
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.
.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:
н=125° t1к=105°к=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:
ср=С
а средняя температура холодного потока равна:
cр=t1cр-∆tср=115-34=81°С
.3 Определение теплофизических свойств
индивидуальных веществ и смесей
Свойства нагреваемого сырья при средней
температуре 81°С найдем по таблицам. Учитывать незначительное, на 3÷5°,
изменение
температуры от указанного в таблице для плотности и теплопроводности нет
смысла.
Плотности ρг=627
кг/м3, ρок=653
кг/м3
Теплоемкость сг=2401 Дж/(кг·К), сок=2252
Дж/(кг·К)
Вязкость μг=0,24·10-3
Па·с, μок=0,291·10-3
Па·с
Теплопроводность λг=0,108
Дж/(кг·К), λок= 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
|
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
|
.4 Определение тепловой нагрузки и расхода
горячей воды
Тепловую нагрузку на аппарат определим из
уравнения:
Требуемый расход горячей воды найдем по
уравнению:
.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:
≥Fор≥193
По таблице [1, стр.102]выбираем теплообменники,
предположительно подходящие в нашем случае.
№варианта
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
Трубы,мм
|
20ˣ2
|
20ˣ2
|
25ˣ2
|
25ˣ2
|
25ˣ2
|
25ˣ2
|
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
|
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.
.6 определение коэффициента теплоотдачи α2
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 α2
составит:
.7 Определение коэффициента теплоотдачи α1
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 α1
от горячей воды к стенкам труб трубного пучка будет равно:
.8 Расчет коэффициента теплопередачи для
выбранного аппарата
Считаем, что аппарат выполнен из углеродистой
стали, имеющей коэффициент теплопроводности λст=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:
.9 Определение расчетной поверхности теплопередачи
и ее запаса
Рассчитаем величину требуемой поверхности
теплопередачи:
Запас поверхности теплопередачи составит:
Что соответствует нормам проектирования.
.10 Проверочный расчет аппарата №2
Аналогично проводим расчет аппарата под
вариантом №2.
=
0,25=
=
Уточним значение (
Тогда для 100°: С=2484(Дж/кг·К); μ=0,22·10-3(
Па·с); λ=0,11705(Вт/К·м)
ст=
(=1,01
Принимаем (=1
=
Что соответствует нормам проектирования.
Расчет вариантов №3-6 проводится аналогично.
Результаты занесем в таблицу.
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
|
α1
|
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
|
α2
|
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 10÷30%,
поэтому
мы выбираем аппараты №1 и №2 для дальнейших расчетов.
6.Расчет гидравлического сопротивления аппарата
.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 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
|
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.