Расчет теплообменника для нагрева толуола
1.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.
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.
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.
2. Задание на проектирование
Рассчитать теплообменник для нагрева толуола от tн
= 500С до tк
= 1000С. Расход толуола 20 т/ч. Нагрев производится насыщенным
водяным паром ризб = 2,5 кг/см2.
3. Расчет тепловой нагрузки
В трубы запустим толуол, в межтрубное
пространство - пар. Трубному пространству присвоим индекс «1», межтрубному -
индекс «2».
Найдем температуру конденсации водяного пара при
давлении 2,5 кг/см2. Она составляет 125,30С. [1, табл. LVII]
Составим температурную схему процесса:
Определим среднюю разность температур:
С
Средняя температура толуола:
Расход толуола:
кг/с
Найдем плотность толуола при его
средней температуре:
кг/м3 [2, номограмма 1.1]
Объемный расход толуола равен:
м3/с
Удельная теплоемкость толуола при
его средней температуре:
Дж/(кг·С)
Определим расход теплоты на нагрев
толуола:
Дж
Определим удельную теплоту
конденсации греющего пара:
кДж/кг
Расход греющего пара с учетом 7%-х
потерь составит:
кг/см
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 Кмин = 120 Вт/(м2·К).
м2
.Ориентировочный выбор
теплообменника
Для обеспечения интенсивного
теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения
теплоносителей
В теплообменных трубах Ø25 х 2 мм
холодильников по ГОСТ 15120-79 скорость пара для обеспечения турбулентного
режима при Re2 > 10 000
должна быть более:
Найдем коэффициент вязкости для
толуола:
Па·с [2, номограмма 2.2]
м/с
Число труб Ø25 х 2 мм,
обеспечивающих объёмный расход смеси бензол-толуол при Re2 = 10 000:
Условиям n
< 98,85 и F < 95,11 м2
удовлетворяют согласно таблице 4.12 [1,с.215] несколько теплообменников:
.Одноходовой теплообменник с числом труб 62 и
внешним сечением кожуха 325 мм.
. Двухходовой теплообменник с числом труб 100
(50 труб на один ход) и внутренним сечением 400 мм. Хотя он обладает большим
числом труб, чем требуется, различие невелико, и эффективность теплообмена
может быть достигнута за счет запаса поверхности.
4.1 Одноходовой теплообменник
Уточняем значение критерия Рейнольдса для
теплообменника
Найдем коэффициент теплопроводности
для толуола:
Дж/(м·ч·К)
Критерий Прандтля для толуола:
Отношение было принято
равным 1,01 с последующей проверкой. Коэффициент теплопередачи равен:
Вт/(м2·К)
Расчет осуществляем приближенно по
формуле:
Т.к. кг/с и , расчет
ведем по формуле:
α2=2,02·ε·Bt·(n/C)1/3·L1/3
Где ε - коэффициент,
для шахматного расположения труб в пучке и при числе рядов труб по вертикали nB = 14 (табл.
4.12) ε
= 0,62 (рис.4.7),
Вt = 1105
(табл. 4.6),[1, с.162].
Задаем длину труб (по табл. 4.12) L = 4 м.
Получаем:
Вт/(м2·К)
Коэффициент теплопередачи
Принимаем тепловую проводимость
загрязнений со стороны греющего пара и толуола:
Вт/(м2·К)
Коэффициент теплопроводности стали
(табл. XXVIII),
[1,с.529].
λст = 46,5
Вт/(м·К)
Вт/(м2·К)
Вт/м2
Поверхностная плотность теплового
потока равна:
Вт/м2
Проверим отношение . Для этого
найдем
Определим теплоемкость и
коэффициенты вязкости и теплопроводности толуола при 860С:
[2, номограмма 4.2]
Па·с [2, номограмма 2.2]
Дж/кг [2, номограмма 3.1]
Критерий Прандтля для толуола:
Относительная ошибка расчета:
- менее 5%, поэтому расчет можно
считать завершенным.
Определение расчетной площади
поверхности теплообмена
Расчетная площадь поверхности
теплообмена:
м2
Теплообменник с трубами длиной 4 м
имеет площадь теплообмена:
м2
Сопоставление расчетной площади
поверхности теплообмена с площадью поверхности выбранного теплообменника
Запас площади поверхности
теплообмена:
- запас площади теплообмена
недостаточен, поэтому рассчитаем второй теплообменник (двухходовой)
. Двухходовой теплообменник
Уточняем значение критерия
Рейнольдса для теплообменника
Найдем коэффициент теплопроводности
для толуола:
Дж/(м·ч·К)
Критерий Прандтля для толуола:
Отношение было принято
равным 1,01 с последующей проверкой. Коэффициент теплопередачи равен:
Вт/(м2·К)
Коэффициент теплоотдачи при
конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб
Расчет осуществляем приближенно по
формуле:
Т.к. кг/с и , расчет
ведем по формуле:
α2=2,02·ε·Bt·(n/C)1/3·L1/3
Вт/(м2·К)
Коэффициент теплопередачи
Принимаем тепловую проводимость
загрязнений со стороны греющего пара и толуола:
Вт/(м2·К)
Коэффициент теплопроводности стали
(табл. XXVIII),
[1,с.529].
λст = 46,5
Вт/(м·К)
Вт/(м2·К)
Поверхностная плотность теплового
потока равна:
Вт/м2
Проверим отношение . Для этого
найдем
Определим теплоемкость и
коэффициенты вязкости и теплопроводности толуола при 860С:
[2, номограмма 4.2]
Па·с [2, номограмма 2.2]
Дж/кг [2, номограмма 3.1]
Критерий Прандтля для толуола:
Относительная ошибка расчета:
- менее 5%, поэтому расчет можно
считать завершенным.
Определение расчетной площади
поверхности теплообмена
Расчетная площадь поверхности
теплообмена:
м2
Теплообменник с трубами длиной 3 м
имеет площадь теплообмена:
м2
Запас площади поверхности
теплообмена:
- запас площади теплообмена
достаточен
. Расчет гидравлических
сопротивлений
Расчет гидравлического сопротивления
кожухотрубчатых теплообменников производится по формулам, приведенным ниже.
Скорость жидкости в трубах:
м
Коэффициент трения рассчитывается по
формуле:
Где δ - высота
выступов шероховатостей (принимаем δ = 0,2 ∙ 10 -3 м)
Диаметр штуцеров к распределительной
камере dтр.ш = 0,1 м. (таб. II.8.)
м/с
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
σд -
допускаемое напряжение на растяжение для материала обечайки, МН/м2 (рис.
IV. 1)
Коэффициент φ учитывает
ослабление обечайки из-за сварного шва и наличия неукреплённых отверстий. При
отсутствии неукреплённых отверстий φ = φш, причём для
стальных обечаек принимают φш = 0,7 -
1,0, в зависимости от типа сварного шва.
Нагрев производится насыщенным
водяным паром при абсолютном давлении 0,25 МПа и температуре 125,30С.
Внутренний диаметр обечайки
Dв = 0,4 м,
отверстия в обечайки укреплённые, сварной шов - стыковой двусторонний (φш = 0,95)
допускаемое напряжение для стали марки Х18Н10Т при 140 0С равно σд = 139 МН/м2.
Толщина обечайки с учётом запаса на
коррозию и округления равна:
м
Проверим условие:
верно.
Расчет толщины тепловой изоляции
Толщину тепловой изоляции δи
находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от
поверхности изоляции в окружающую среду.
αв
- коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в
окружающую среду, Вт/(м2 К):
Примем tст2
= 85 0С
tст1
= tг1
= 50 0С.
tв
= 20 0С - температура окружающей среды (воздуха).
λв -
коэффициент теплопроводности изоляционного материала.
Выбирем в качестве материала для тепловой
изоляции совелит
(85% магнезии + 15% асбеста), имеющий λв
= 0,09 Вт/(м К)
Рассчитаем толщину тепловой изоляции:
6.Вывод
теплообменник нагрев толуол
Целью данной курсовой работы было подобрать
теплообменник для подогрева толуола. Были рассмотрены несколько вариантов
подходящих по площади поверхности и по числу труб, обеспечивающих объёмный
расход при турбулентном течении жидкости, теплообменников. Одноходовой
теплообменник имеет недостаточную площадь поверхности теплообмена. Двухходовой
является наиболее подходящим по площади и обеспечивает нужный режим движения
теплоносителей.
Таким образом, поставленная задача решается
применением двухходового кожухотрубчатого теплообменника.
6.
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. Определение
теплофизических свойств газов, жидкостей и водных растворов веществ:
методические указания./ Шадрина Е.М., Волкова Г.В. Иваново.: ИВХТУ, 2009.
. Касаткин
А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973, 750
с.
. Справочник
химика. - М. -Л.: Госхимиздат, 1963, Т.1, 1071 с.
. Дытнерский
Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование. - М.:
Химия, 1974, 270 с.
. 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.