Проект системы охлаждения этилового спирта

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему:

"Проект системы охлаждения этилового спирта"

по дисциплине процессы и аппараты химической технологии

Введение

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 и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;

·   смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

Поэтому в химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, которые, в свою очередь, разделяются на трубчатые, пластинчатые, спиральные, с поверхностью, образованной стенками аппарата, с оребренной поверхностью теплообмена.

К конструкции теплообменных аппаратов предъявляется ряд требований: они должны отличаться простотой, удобством монтажа и ремонта. В ряде случаев конструкция теплообменника должна обеспечивать, возможно меньшее загрязнение поверхности теплообмена и быть легко доступной для осмотра и очистки.

Этим требованиям во многом отвечают спиральные теплообменники, поверхность теплообмена в котором образуется двумя металлическими листами свернутыми в спирали, образующие два спиральных прямоугольных канала, по которым двигаются теплоносители. Внутренне концы спиралей соединены разделительной перегородкой - керном. Для придания спиралям жесткости и фиксирования расстояния между ними служат металлические прокладки. Система каналов закрыта с торцов крышками.

Преимущества спиральных теплообменников:

·   компактность;

·   возможность пропускания обоих теплоносителей с высокими скоростями, что обеспечивает большой коэффициент теплопередачи;

·   малое гидравлическое сопротивление по сравнению с другими типа ми поверхностных теплообменников.

Недостатками спиральных теплообменников являются:

·   сложность изготовления и ремонта;

·   пригодность для работы под избыточным давлением не более 0,6 МПа.

Спиральные теплообменники могут использоваться как для теплообмена между двумя жидкими теплоносителями, так и для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью.

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.

1. Материальный и тепловой расчет

.1 Температурный режим аппарата

Так как при непрерывно изменяющихся температурах теплоносителей лучшие результаты (снижение расхода теплоносителей) дает противоточное движение, то принимаем противоточную схему движения теплоносителей: пар поступает в межтрубное пространство, а раствор двигается по внутренней трубе.

1.2 Средняя разность температур теплоносителей

Для нахождения теплофизических свойств, рассчитываем среднею температуру для веществ, исходя из начальных и конечных температур горячего теплоносителя (бензола) и холодного теплоносителя (воды). Давление составляет 0,3 МПа.

t_1н = 80°С - начальная температура горячего теплоносителя (этиловый спирт);

t_2н = 20°С - начальная температура холодного теплоносителя (воды);

t_2к = 55°С - конечная температура холодного теплоносителя (воды).

1)       большая разность температур:

Δt_б = t_1н - t_2к = 80-55 = 25 єС;

2)       для холодного теплоносителя:

Δt_м = t_1к - t_2н = 35-20 = 15єС

Так как отношение Δt_б/Δt_м = 25/15 = 1,66<2, то средний температурный напор определяется как среднеарифметическая величина:

Δt_ср = (25+15)/2= 20єС

Средняя температура горячего теплоносителя:

t_1ср = (t_1н + t_1к)/2 = (80+35)/2 = 57,5 єС

Средняя температура холодного теплоносителя:

t_2ср = (t_2н + t_2к)/2= (20+55)/2= 37,5 С.

На основании средних температур находим следующие физико-химические параметры:

1)       для этилового спирта:_к = 78,39 ^oС

ρ₁=735 кг/м^3;

=0,152 Вт/(м∙К);

=0,435∙10^-3 Пас;

с₁=3060 Дж/(кгК);

2)       для воды:

ρ₂=998 кг/м^3;

=0,598 Вт/(м∙К);

=1,004∙10^-3 Пас;

с₂=4178∙10³ Дж/(кгК);

2.3 Тепловая нагрузка аппарата

Q = G₁c₁(t_1н - t_1к),

где с₁= 3060 Дж/кг∙К - теплоемкость этилового спирта,

G₁ - массовый расход этилового спирта.

G₁ = 35000/3600 = 9,72 кг/с,

Q = 9,72∙3060 (80-35)=1338444 Вт.

2.4 Массовый расход воды

G₂= Q/(с₂(t_2к - t_2н)),

где с₂ = 4178 кДж/кг·К - теплоемкость воды.

G₂ =1338444/(4,182∙10³∙(55-20))=9,14 кг/с.

2.5 Объемный расход воды

^в = G^в/ρ^в

_в= 9,14/998 = 0,0091 м³/с

2.6 Ориентировочный выбор теплообменника

Так как при непрерывно изменяющихся температурах теплоносителей лучшие результаты (снижение расхода теплоносителей) дает противоточное движение, то принимаем противоточную схему движения теплоносителей: пар поступает в межтрубное пространство, а раствор двигается по внутренней трубе [6 c. 729].

F = Q/(KDt_ср) = 861,415×10³/(699×27,9) = 44 м².

Принимаем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена [6 c. 739]:

3. Уточнённый расчёт теплообменного аппарата

.1 Размер каналов

Задаемся скоростью движения бензола w₁ = 1 м/с, тогда площадь поперечного сечения канала составит:

S₁ = G₁/(r₁w₁) = 5,55/(868×1) = 0,0064 м²,

где r₁ = 868 кг/м³ - плотность бензола;

При ширине канала b₁ = 12 мм высота ленты должна составлять:

h = S₁/b₁ = 0,0064/0,012 = 0,53 м;

принимаем по ГОСТ 12067-80 h = 0,6 м;

ширину второго канала принимаем b₂ = b₁ = 0,012 м;

толщина листа  = 3,5 мм.

3.2 Коэффициент теплоотдачи от бензола к стенке

Эквивалентный диаметр канала:

d_эк = 2bh/(b+h) = 2×0,012×0,6/(0,012+0,6) = 0,0235 м.

Скорость движения бензола:

w₁ = G₁/(bhr₁) = 5,55/(0,012×0,6×868) = 0,88 м/с.

Критерий Рейнольдса:

Re₁ = w₁d r₁/m₁ = 0,88×0,0235×868/0,360×10^-3 = 49862,

где m₁ = 0,360×10^-3 Па×с - вязкость бензола.

Критерий Нуссельта:

Nu₁ = 0,021×Re₁^0,8×Pr₁^0,43×(Pr₁/Pr_ст1)^0,25.

Критерий Прандтля:

Pr₁ = сμ/λ = 1,826·0,36/0,1338 = 4,9.

где l₁ = 0,1338 Вт/(м×K) - теплопроводность бензола.

Принимаем в первом приближении (Pr₁/Pr_ст1)^0,25 = 1, тогда

Nu₁ = 0,021×49862^0,8×4,9^0,43 = 238,35.

a₁ = Nu₁l₁/d = 23835×0,1338/0,0235 = 1357 Вт/(м²×K)

3.3 Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде

Скорость движения воды:

w₂ = G₂ /(bhr₂) = 10,308/(0,012×0,6×995) = 1,44 м/с,

где r₂ = 995 кг/м³ - плотность воды.

Критерий Рейнольдса:

Re₂ = w₂d r₂/m₂ = 1,44×0,0235×995/0,797×10^-3 = 41348,

где m₁ = 0,797×10^-3 Па×с - вязкость воды.

Критерий Нуссельта:

Nu₂ = 0,021×Re₂^0,8×Pr₂^0,43×(Pr₂/Pr_ст2)^0,25.

Критерий Прандтля для воды определяем по монограмме «Значения критерия Прандтля для жидкостей»:

Pr₂ = 6,286

Примем в первом приближении (Pr₁/Pr_ст1)^0,25 = 1, тогда

Nu₂ = 0,021×41348^0,8×6,286^0,43 = 228,4.

₂ = Nu₂l₂/d = 228,4×0,615/0,0235 = 5977,3 Вт/(м²×K).

теплообменник аппарат охлаждение спирт

где l₂ = 0,615 Вт/(м×K) - теплопроводность воды.

3.4 Тепловое сопротивление стенки

,

где l_cт =17,5 Вт/(м×К) - теплопроводность нержавеющей стали

r₁=r₂=1/5800 м×К / Вт - тепловое сопротивление загрязнений

 = (0,0035/17,5) + (1/5800) + (1/5800) = 5,4×10^-4 м×К / Вт.

3.5 Коэффициент теплопередачи

 =1/(1/1357+ 5,4×10^-4 + 1/5977,3) = 689,65 Вт/(м²×К).

Рассчитываем температуру стенки:

t_ст1 = t_cр1 - KDt_ср/a₁ = 67,5 - 689,65×27,9/1357 = 53,3° С

t_ст2 = t_cр2 + KDt_ср/a₂ = 28 + 689,65×27,9/5977,3 = 28,1° С

Уточняем коэффициенты теплоотдачи при температуре стенки по монограмме «Значения критерия Прандтля для жидкостей»: Pr_1ст = 5,8

a_1ут = 1357×(6,286/5,8)^0,25 = 1384 Вт/(м²×К).

Pr_2ст = 6,3

a_2ут = 5977,3×(6,286/6,3)^0,25 = 5974 Вт/(м²×К).

Уточненный коэффициент теплопередачи:

Проверяем температуру стенки

t_ст1 = t_cр1 - KDt_ср/a₁ = 67,5 - 699×27,9/1384 = 53,4° С

t_ст2 = t_cр2 + KDt_ср/a₂ = 28 + 699×27,9/5974 = 31,2° С

Полученные значения близки к ранее принятым.

3.6 Поверхность теплопередачи

Поверхность теплообмена рассчитываем исходя из основного уравнения теплопередачи:

F = Q/(KDt_ср) = 861,415×10³/(699×27,9) = 44 м².

Так как теплообменник с ближайшей большей поверхностью F = 40 м² изготовляется с шириной листа 0,7 или 1,0 м, то принимаем к установке два последовательно соединенных теплообменника с поверхностью теплообмена 20,0 м² каждый.

4. Конструктивный расчет

Задачей конструктивного расчета теплообменных аппаратов является определение их основных размеров. Конструктивный расчет выполняется в зависимости от типа аппарата. Детальный расчет проводится в том случае, если нет возможности выбрать стандартный теплообменник серийного производства. При выборе стандартного теплообменника конструктивный расчет сводится к определению диаметра и подбора штуцеров.

4.1 Длина спирали

l = F/(2h) = 20,0/(20,6) = 16,7 м

4.2 Расчет штуцеров

Принимаем скорость жидкости в штуцере w_шт = 1 м/с.

Штуцер для входа и выхода бензола:

 = [5,55/(0,785×1×868)]^0,5 = 0,09 м,

принимаем d₁ = 10 мм.

Штуцер для входа и выхода воды:

 = [10,308/(0,785×1×995)]^0,5 = 0,01 м,

принимаем d₂ = 10 мм.

4.3 Число витков спирали

Шаг спиралей t₁ = t₂ = b + d = 0,012 + 0,035 = 0,0155 м.

Принимаем радиус полувитка с учетом расположения штуцера r = 0,2 м.

Число полувитков первой спирали:

=(0,5-0,2/0,0155)+ [(0,2/0,0155)²+2×16,7/(p×0,0155)]^0,5 = 16,6.

Число полувитков второй спирали:

=(0,0155-0,5×0,0155-0,2)/0,0155+{[(0,2+0,5×0,0155-0,0155)/0,0155]²+2×16,7/(p×0,0155)}^0,5 = 16,6.

4.4 Диаметр аппарата

D = 2 [r₁ + (n₂ + 1) t₂ - t₁] + 2d =2×[0,2 + (16,6 + 1)×0,0155 - 0,0155]+0,0035 = 0,92 м,

принимаем D = 1000 мм.

4.5 Выбор опор аппарата

Масса теплообменника:

m = m₁+m_в+m₂,

где m₁ - масса спиралей,

m_в - масса воды заполняющей аппарат при гидроиспытании,

m₂ - масса вспомогательных элементов (фланцев, штуцеров).

m₁ = 2hLdr_ст = 2×0,6×16,7×0,0035×7900 = 554 кг,

где r_ст = 7900 кг/м³ - плотность стали.

m_в = (0,785D²h - 2hLd)r_в =

= (0,785×1,0²×0,6 - 2×0,6×16,7×0,0035) 1000 = 401 кг.

m₂ принимаем 5% от основного веса аппарата. Тогда

m_p = 1,05 (m₁+m_в) = 1,05 (554+401) = 1002 кг = 10,02 кН.

Принимаем для аппарата две опоры в виде лап. Нагрузка на одну опору:

G = m/2 = 100,2/2 = 5,01 кН

Выбираем опору с допускаемой нагрузкой 6,3 кН, конструкция которой приводятся на рисунке:

4.6 Уплотнение каналов

Каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. Такой способ предотвращает смешение теплоносителей при в случае неплотности в прокладки. Кроме того, этот тип уплотнения позволяет легко очистить каналы при их загрязнении.

5. Гидравлический расчет

Задачей гидравлического расчета является определение гидравлического сопротивления аппарата и выбор насоса для подачи жидкого теплоносителя.

5.1 Гидравлическое сопротивление аппарата для бутанола

.

Скорость бензола в штуцере:

w_1шт = G₁/(0,785d_шт²r₁) = 5,55/(0,785×0,1²×868) = 0,81 м/с.

Коэффициент трения:

l₁ = 856/Re^0,25 = 0,856/49862^0,25 = 0,057.

DР₁ = 0,057×16,7×(0,88)²×868/(2×0,0235) + 1,5×0,81²×842 = 14443 Па.

5.2 Требуемый напор насоса

H₁ = DP₁ / (r₁g) + h

где h - геометрическая высота подъема жидкости и потери напора в подводящем трубопроводе. Принимаем h = 3 м.

H₁ = 14443/(868×9,8) + 3 = 4,7 м.

Объемный секундный расход раствора:

Q₁ = G₁ / r₁ = 5,55/868 = 0,0064 м³/с.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х45/21. Данный насос имеет следующие технические характеристики: Объёмный расход: 1,25∙10^-2м³/с; напор: 13,5 м ст. ж.; обороты: 48,3 с^-1; КПД: 0,88; тип двигателя: АО2-51-2; мощность 10 кВт [4 c. 38].

5.3 Гидравлическое сопротивление для воды

Скорость раствора в штуцере:

w_2шт = G₂/(0,785d_шт²₂) = 10,308/(0,7850,1²995) = 1,32 м/с.

Коэффициент трения

l₂ = 0,856/Re^0,25 = 0,856/41348^0,25 = 0,06

DP₂ = 0,06×16,7×(1,44)²×995/(2×0,0235) + 1,5×(1,32)²×995 = 47784 Па

H₁ = DP₁ / (r₁g) + h

Н₂ = 47784/(995×9,8) + 3= 7,9 м.

Объемный секундный расход воды:

Q₂ = G₂ / r₂ = 10,308/995 = 0,01 м³/с.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х45/21. Данный насос имеет следующие технические характеристики: Объёмный расход: 1,25∙10^-2м³/с; напор: 13,5 м ст. ж.; обороты: 48,3 с^-1; КПД: 0,88; тип двигателя: АО2-51-2; мощность 10 кВт [4 c. 38].

6. Расчет тепловой изоляции

Принимаем температуру наружной поверхности стенки t_ст.в = 40°С, температуру окружающего воздуха t_в = 18°С, тогда толщина стекловолокнистой изоляции:

,

где l_из = 0,09 Вт/м×К - коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала,

a_в - коэффициент теплоотдачи от наружной стенки корпуса в окружающую среду

_в = 8,4+0,06Dt_в = 8,4+0,06×22 = 9,72 Вт/м²×К,

где Dt_в = t_ст.в - t_в = 40 - 18 = 22 °С.

_из = 0,09 (110-40)/[9,72 (40 - 18) = 0,029 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 30 мм.

7. Поверочный расчет теплообменника

Поверочный расчет теплообменника с известной поверхностью теплопередачи заключается в определении конечных температур теплоносителей при их начальных значениях. Необходимость в таком расчете возникает в результате проектного расчета, когда был выбран нормализованный аппарат со значительным запасом поверхности. Поверочные расчеты также могут понадобиться с целью выявления возможностей имеющегося аппарата при переходе к непроектным режимам работы.

В принятом варианте оптимально подобранный теплообменник имеет нормализованное значение поверхности F=20,0 м². Определим конечные температуры теплоносителей при неизменном коэффициенте теплопередачи К = 700 Вт/(м² К).

.1 Определим число единиц переноса

N₁ = KF/G₁c₁ = 700∙20/5,55∙1,826∙10³ = 1,38

N₂ = KF/G₂c₂ = 700∙20/10,308∙4,178∙10³ = 0,325

R = G₂c₂/G₁c₁ = (t_1н-t_1к)/(t_2к-t_2н) = 10,308∙4,178∙10³/5,55∙1826 = (110 - 25)/(38 - 18) = 4,25

7.2 Эффективность теплопередачи

7.3 Конечная температура холодного и горячего теплоносителей

t_2к = t_2н + E₂∙(t_1н-t_2н) = 18 + 0,24∙(110 - 18) = 40,08⁰С

t_1к = t_1н - E₁∙(t_1н-t_2н) = 110 - 0,58∙(110 - 18) = 56,64⁰С

Таким образом полученная температура не сильно отличается от заданной. Расчет верен.

Заключение

Целью данного курсового проекта являлся расчет теплообменника типа спиральный для охлаждения бензола водой. В рамках проекта были произведены следующие расчеты: нахождения и описание технологической схемы с использованием данного теплообменника, расчет и выбор наиболее оптимального варианта аппарата (теплообменника), а также графическое изображение технологической схемы и самого аппарата. В конечном итоге был получен следующий результат: теплообменник типа спиральный с поверхностью теплообмена 40,0 м², из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т.

Список литературы

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курс процессов и аппаратов. Л.:Химия, 1987, 576 с.

2. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1991. - 352 с.

3. Плановский А.Н., Процессы и аппараты химической технологии.-М.: Химия, 1962, 846 с.

4. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Пособие по курсовому проектированию. М.: Химия, 1991. - 496 с.

5. Спиральные теплообменники ГОСТ 12067-80

6. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Том 2.-Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. - 1025 с.