Теплообменник для охлаждения кубового остатка после ректификации смеси бензол-толуол

Размещено на http://www.allbest.ru/

16

1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

Учреждение высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

Курсовой проект:

Теплообменник для охлаждения кубового остатка после ректификации смеси бензол-толуол

Студент

Хлевнов О.А.

Руководитель

Воротынцев В.Х.

Нижний Новгород

2011 г.



Содержание

Задание к работе

1. Теоретическая часть

1.1 Тепловые балансы

1.2 Передача тепла теплопроводностью

1.3 Передача тепла конвекцией

1.4 Типы теплообменников

1.4.1 Кожухотрубные теплообменники

1.4.2 Теплообменники типа «труба в трубе»

1.5 Теплоотдача от конденсирующегося пара

2. Материальные и тепловые расчеты

2.1 Общая часть

2.2 Выбор теплообменных аппаратов

3. Гидравлический расчет

4. Экономический расчет

Заключение

Литература

4.1 

1. Задание к работе

Рассчитать и спроектировать теплообменник для охлаждения кубового остатка после ректификации смеси бензол-толуол. Смесь поступает на ректификацию в количестве 15 тонн в час. Состав исходной смеси: 20% массовых бензола и 80% массовых толуола. Кубовый остаток содержит 3% массовых бензола, дистиллят -- 98%. Флегмовое число R = 2,5. Охлаждение производится водой t_н=15⁰С, t_к=25⁰С.

При расчете будем исходить из того, что давления воды и смеси бензол-толуол равны атмосферному давлению, а также то, что на выходе из теплообменника температуры воды и смеси равны.



1. Теоретическая часть

1.1. Тепловые балансы

При расчете тепловых балансов необходимо знать удельные величины теплоемкости, энтальпии (теплосодержания), теплоты фазовых или химических превращений.

Удельная теплоемкость -- это количество тепла, необходимого для нагревания (или охлаждения) 1 кг вещества на 1 градус (Дж/кг Ч град). Теплоемкость характеризует способность тела аккумулировать тепло. Так как теплоемкость зависит от температуры, то различают истинную теплоемкость при данной температуре с и среднюю теплоемкость в некотором интервале температур

ф = (1.1)

где Q -- количество тепла, сообщаемого единице количества вещества при изменении температуры от t₁ до t₂. В практике тепловых расчетов, как правило, приходится пользоваться средними теплоемкостями.

Удельная энтальпия i (если все расчеты вести от 0 ⁰С) определяется количеством тепла, которое необходимо для нагревания 1 кг вещества от 0 ⁰С до данной температуры, энтальпия i измеряется в Дж/кг, в технической системе ккал/кг.

= с?t (1.2)

Удельная теплота фазовых или химических превращений r -- это количество тепла, которое выделяется (или поглощается) при изменении агрегатного состояния или химическом превращении единицы массы вещества. Она измеряется Дж/кг, а в технической системе ккал/кг.

«Внутренний» метод составления теплового баланса (с использование величин теплоемкостей). В непрерывно действующем теплообменнике осуществляется теплообмен между двумя текучими средами, разделенными теплопередающей перегородкой. Если в процессе теплообмена не происходит добавочного выделения или поглощения теплоты в результате фазовых или химических превращений и нет тепловых потерь в окружающую среду, то количество тепла, переходящего от первой среды ко второй в единицу времени -- тепловой поток, или тепловая нагрузка, -- равно:

Q = G₁c?₁(t_1н - t_1н) = G₂c?₂(t_2н - t_2к) (1.3)

Если процесс теплообмена происходит, в первой среде, фазовые или химические превращения (испарения жидкости, конденсация пара, плавление, химические реакции, и т.п.), то уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

Q = G₁c?₁(t₁ - t_1p) + r_tm + (G₁ - m)c?₁(t_1p - t_1n) + mc?_p(t_1p - t_1n)

= G₂c?₂(t₂ - t_2p) (1.4)

«Внешний» метод составления теплового баланса (с использованием величин удельных энтальпий). Тепловой баланс составляется исходя из того, что количество тепла Q₁, поступающего в аппарат за 1 час с входящими средами, равно количеству тепла, уходящего со средами из аппарата за то же время,

Q₁ = G₁i_1н + G₂i_2н = G₁i_1к + G₂i_2к (1.5)

где i_1н, i_1н, i_1к и i_1к -- энтальпии веществ, соответственно входящих в аппарат и выходящих из него.

В отличие от внутреннего метода составления теплового баланса, где рассматривается перераспределение тепла между теплообменивающимися средами в самом аппарате, в данном методе тепловой баланс составляется как бы по внешним показателям: до аппарата и после аппарата.

Из уравнения (2.5) можно определить количество тепла Q, переданного от одной среды к другой, как разность энтальпий

Q₁ = G₁(i_1н - i_2н) = G₁(i_1к- i_2к) (1.6)

При наличии фазовых или химических превращений в теплообменнике количество тепла, переданного от одной среды к другой,

Q = (G₁ -m)(i_1н - i_1к) + mr₀ + m(i_1н - i_пр) = G₂(i_2к - i_2н) (1.7)

где i_np -- энтальпия продуктов превращения при температуре выхода из аппарата t_1к.

1.2 Передача тепла теплопроводностью

Под теплопроводностью понимают переход тепловой энергии в среде без массовых ее движений относительно направления теплоперехода. Здесь тепло передается как энергия упругих колебаний атомов и молекул около их среднего положения. Эта энергия переходит к соседним атомам и молекулам в направлении ее уменьшения, то есть уменьшения температуры.

Передача тепла теплопроводностью описывается законом Фурье, согласно которому количество тепла dQ, проходящее за время dф через поверхность dF, нормальную к направлению теплоперехода, равно:



dQ_ф = -л dFdф, (1.8)

где -- коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности или теплопроводностью; -- градиент температуры, т.е. изменение температуры на единицу длины в направлении теплопередачи.

Коэффициент теплопроводности определяет скорость передачи тепла, т.е. количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу поверхности тела при длине его в направлении теплопередачи, равной единице и разности температур 1 градус. Наибольшее значение л имеют металлы -- от нескольких десятков до нескольких сотен Вт/(м Ч град). Значительно меньшие коэффициенты теплопроводности имеют твердые тела -- не металлы. Теплопроводность жидкостей меньше теплопроводности большинства твердых тел. Для них л колеблется в пределах десятых долей Вт/(м Ч град). Коэффициенты теплопроводности еще меньше.

Передача тепла теплопроводностью через стенку. Количество передаваемого тепла за 1 час через плоскую стену можно подсчитать по уравнению Фурье как количество тепла, проходящего через плоскость бесконечно малой толщины dx внутри стенки:

= Q = -л F (1.9)

Проинтегрировав изменение температуры по всей толщине стенки получим

Q = F(t_ст1 - t_ст2) (1.10)

Из интегрального выражения видно, что температура t внутри плоской стенки падает по толщине стенки д в направлении теплоперехода по закону прямой линии.

1.3 Передача тепла конвекцией

Конвекционная теплопередача -- это перенос тепла объемами среды путем взаимного их перемещения в направлении теплопередачи. Переход тепла от среды к стенке или от стенки к среде называется теплоотдачей. Количество передаваемого тепла определяется законом Ньютона:

Q = бF(t₁ - t_ст) (1.11)

где б -- коэффициент теплоотдачи вт /(м² Ч град).

Коэффициент теплоотдачи при турбулентном движении среды. Среда, имеющая турбулентный характер движения и температуру t₁ в основном ядре потока, протекая вдоль стенки с температурой t_ст передает ей свое тепло. У стенки всегда существует тонкий пограничный слой, где имеет место ламинарное течение. В этом ламинарном слое сосредоточено основное сопротивление передачи тепла. Согласно закону Фурье:

Q = F(t₁ - t_ст) (1.12)

Сравнивая уравнения (1.11) и (1.12), видим, что

б = (1.13)

Величину ? называют толщиной приведенного слоя. Величина б зависит от следующих основных факторов: физических свойств текучей среды: теплопроводности, теплоемкости, вязкости, плотности гидравлических условий омывания жидкостью или газом тепловоспринимающей (или теплоотдающей) поверхности: скорости и направления текучей среды относительно этой поверхности пространственных условий, ограничивающих поток: диаметр, длина, форма и шероховатость поверхности. Таким образом коэффициент теплоотдачи является функцией многих величин:

б = f(л, C_p, м, с, щ, d, l)

Функциональная связь между критериями подобия, характеризующими теплоотдачу при турбулентном движении потока в прямых, гладких и длинных трубах, выведена методом анализа размерностей.

= A

или коротко

Nu = A Re^a Pr^e (1.15)

где А, а и е -- некоторые численные величины.

Безразмерные комплексы имеют наименования:

-- критерий Нуссельта, включающий в себя искомую величину коэффициента теплоотдачи б (Нуссельт впервые применил теорию подобия для решения вопросов теплообмена);

-- критерий Рейнольдса, определяющий гидравлическую характеристику потока;

-- критерий Прандтля, характеризующий физические свойства среды. Определение А, а и е производится на основе экспериментальных исследований.

Наиболее часто в химической технологии встречается передача тепла от одной текучей среды к другой через разделяющую их стенку. Передача тепла от одной среды к другой складывается из трех стадий, и для установившегося процесса тепловой поток в направлении теплоперехода остается постоянным. Тепловой поток от первой среды к стенке:

Q = б₁F(t₁ - t_ст1); (1.16)

через стенку:

Q = F(t₁ - t_ст1); (1.17)

от стенки ко второй среде:

Q = б₂F(t₂ - t_ст2); (1.18)

Совместное решение уравнений (1.16, 1.17, 1.18) дает:

Q = F(t₁ - t₂) = KF(t₁ - t₂); (1.19)

В уравнении (2.19) величина

К = (1.20)

называется коэффициентом теплопередачи. В системе СИ имеет размерность вт/(м² Ч град).

В основу расчетов требуемой поверхности теплообмена F для передачи заданного тепловым балансом количества тепла в единицу времени Q положено уравнение (2.19). В подавляющем большинстве случаев температуры сред в процессе теплопередачи будут изменяться в результате происходящего теплообмена, а следовательно, будет изменяться и разность температур (t₁ - t₂) вдоль поверхности теплообмена. Поэтому рассчитывают среднюю разность температур по длине аппарата ?t_ср, но так как этом изменение нелинейно, то рассчитываю логарифмическую разность температур.

?t_ср = = (1.21)

Это доказано математическими выкладками. При противотоке всегда требуется меньшая теплопередающая поверхность, чем при прямотоке, для передачи равного количества тепла в одинаковых условиях начальных и конечных температур сред.

В случае смешивания тока в одном ходу теплообменника среды движется противотоком, а в другом прямотоком. В этих случаях среднюю разность температур ?t_ср определяют из соотношения

?t_ср = е?t_ср (1.22)

где ?t_ср -- средняя логарифмическая разность температур при противотоке; -- поправочный коэффициент, который всегда меньше единицы.

1.4 Типы теплообменников

1.4.1 Кожухотрубные теплообменники

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 (днища), что позволяет легко снять их и произвести чистку трубок или в случае необходимости заменить новыми. Для подачи и отвода 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.

Существуют значительные 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 навстречу ей, или наоборот. Выбор, какую среду направить в межтрубное пространство и какую внутрь трубок, решается сопоставлением ряда условий:

-среду с наименьшим значением следует направлять в трубки для увеличения скорости ее движения, а следовательно, и 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.

1.4.2 Теплообменники типа «труба в трубе»

Теплообменники этого типа смонтированы из труб, каждая из которых окружена трубой несколько большего диаметра. Одна среда течет по внутренней трубе, другая -- по кольцевому каналу. Внутренние трубы соединены последовательно «калачами», а наружные -- патрубками. При необходимости получить большую поверхность теплопередачи возможно не только последовательное, но и параллельное и комбинированное соединение таких секций с помощью коллекторов. В теплообменнике типа «труба в трубе» соответствующим подбором диаметров труб для обеих теплообменивающих сред можно назначить любую скорость, а следовательно получить соответственно высокие значения величин б₁ и б₂. Недостатком таких теплообменников является большой расход металла на единицу теплопередающей поверхности вследствие затрат на бесполезные для теплообмена внешние трубы, что приводит к значительному увеличению стоимости аппарата. Этот недостаток становится менее ощутимым, если внешние трубы изготовлены из обычной углеродистой стали, а внутренние -- из дорогостоящего материала в условиях агрессивных сред. Теплообменники типа «труба в трубе» особенно широко применяются тогда, когда среды подаются под высоким давлением (десятков и сотен атмосфер).

2.5 Теплоотдача от конденсирующегося пара

Одним из наиболее часто применяемых в химической промышленности методов нагревания является обогрев конденсирующимся водяным паром. Достоинства такого обогрева следующие:

-Пар обладает большим теплосодержанием, обусловленным теплотой конденсации.

-- Есть возможность применения мятого пара после турбин, который еще не потерял свою теплоту конденсации.

-- Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара имеет большую величину.

-- Конденсирующийся пар обеспечивает равномерность и точность обогрева, легко регулируемого изменением давления.

Различают два механизма конденсации пара на тепловоспринимающей стенке: пленочный на смачиваемой поверхности и капельный на не смачиваемой конденсатом стенки. При ламинарном режиме коэффициент теплоотдачи можно определить через утолщающуюся пленку конденсата, стекающего под действием силы тяжести, тепло предается теплопроводностью. При конденсации пара на поверхности вертикальных труб

б = 0,94 вт/(м² Ч град), (1.23)

где ?t = t_нас - t_ст -- разность между температурами конденсации пара t_нас и стенки t_ст, r -- теплота конденсации, дж/кг, л -- коэффициент теплопроводности конденсата, вт/(м² Ч град), с -- плотность конденсата, кг/м³, м -- вязкость конденсата, кг/(м Ч сек), H -- высота вертикальной трубы или стенки, м.

В уравнении (2.23) отображается физическая сущность явления. При расчете этого уравнения получается заниженный результат, так как не учитывается волнообразное движение пленки конденсата. Экспериментальные данные показывают, что более точные результату дает уравнение

б = 1,15 вт/(м² Ч град), (1.24)

Также на величину коэффициента теплоотдачи влияют в различной степени следующие факторы:

-изменение величин ?t и H (турбулентный режим стекания пленки);

-изменение скорости движения пара и его направления;

-изменение расположения теплопередающей поверхности (при горизонтальном расположении условия теплообмена ухудшаются);

-изменение состояния поверхности и характера конденсации;

-влияние перегрева пара;

-влияние примесей конденсирующихся газов.



2. Материальные и тепловые расчеты

Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющим заданным технологическим условиям оптимальным образом.

2.1 Общая часть

Рассчитаем выход дистиллята из ректификационной колонны. При поступлении 15 тонн в час и известном флегмовом числе R = 2,5 имеем выход дистиллята в количестве 15 Ч R/(R + 1) = 10,71 тонн в час или G₁ = 2,976 кг в секунду.

Так как содержание толуола в кубовом остатке равно 98%, то для расчетов содержанием бензола можно пренебречь. Все параметры смеси при разлычных условиях будем брать как для чистого толуола. Температуру кубового остатка возьмем равно температуре конденсации толуола -- 110,8 ⁰С.

Определим расход теплоты и расход воды. Примем индекс «1» для горячего теплоносителя (бензол + толуол), индекс «2» -- для холодного теплоносителя (вода). В ходе работы аппарата агрегатное состояние веществ не меняется, следовательно, найдем среднюю температуру воды -- рассчитываем среднее арифметическое между начальной и конечной температурами воды как более холодного теплоносителя:

t₂ = 0,5 (15 + 25) = 20 ⁰С;

а также среднюю температуру смеси бензол-толуол:

t₁ = t₂ + ?t_ср = 35,26 + 20 = 55,26 ⁰С; (2.1)

где ?t_ср -- средняя разность температур, равная при потоке теплоносителей 35,26 ⁰С.

+110,8 ⁰С +25 ⁰С;

+25 ⁰С +15 ⁰С;

?t_смеси = 85,5 ⁰С ?t_воды = 10 ⁰С

?t_ср = = = 35,26 ⁰С (2.2)

С учетом потерь холода в размере 5% расход теплоты:

Q = (1 + 0,05) G₁c₁(t_1н - t_1к) = 2,976 Ч 1757,28 Ч (110,8 - 25) =

= 471170,7 Вт (2.3)

расход воды аналогично (3.3) выразив через расход:

G₂ = = = 11,26 кг/см (2.4)

где с₁ = 1757,28 Дж/(кг Ч К) и с₂ = 4184 Дж/(кг Ч К) -- удельные теплоемкости смеси и воды при их средних температурах t₁ = 35,26 ⁰С и t₂ = 20 ⁰С. [1, Рис. XI. стр. 562].

Объемные расходы смеси и воды:

V₁ = G₁/с₁ = 2,97 / 832 = 0,0035 м³/с (2.5)

V₂ = G₂/с₂ = 11,26 / 988 = 0,0112 м³/с (2.6)

где с₁ = 832 кг/м³ и с₂ = 998 кг/м³ -- плотность смеси, [1, Таб. IV] и воды [1, Таб. XXXIX] при t₁ = 35,26 ⁰С и t₂ = 20 ⁰С.



3.2 Выбор теплообменных аппаратов

Наметим варианты теплообменных аппаратов. Для этого определим ориентировочно значение площади поверхности теплообмена, полагая К = 500 Вт/(м² Ч К) по [1, Таб. 4.8. стр. 172], то есть приняв его таким же, как и при теплообмене от жидкости к жидкости для воды:

F = = = 26,72 м² (2,7)

Из величины F = 26,72 м² следует, что проектируемый теплообменник может быть много ходовым. Поэтому для правильности расчета нужно сделать поправку ?t_ср для многоходовых теплообменников.

В аппаратах с противоточным движением теплоносителей ?t_ср при прочих равных условиях больше чем в случае прямотока. При сложном взаимном движении теплоносителей ?t_ср принимает промежуточные значения, которые учитывают, вводя поправку е_?t к среднелогарифмической разности температур для противотока.

е_?t = ; (2.8)

где з = ; д = = при R 1; P = ; R = ;

P = = 0,104; R = = 8,58;

з = = 8,63; д = = 3,52;

Рассчитаем коэффициент по формуле (2.8)



е_?t = = 0,82

Рассчитаем новое значение с учетом поправочного коэффициента:

?t_ср = е_?t Ч ?t_ср = 0,82 Ч 35,26 = 29,16 (2.9)

Рассчитаем значение поверхности теплопередачи для многоходовых теплообменников:

F = = = 32,31 м²

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Смесь бензол-толуол направим в трубное пространство, так как это активная среда, воду -- в межтрубное пространство.

В теплообменных трубах 25Ч2 мм холодильников по ГОСТ Р 53677-2009 скорость течения смеси при Re₂ > 10000 должна быть более

щ?₂ = = = 0,228 м/с (2.10)

где м = 0,40 -- вязкость смеси при t₁ = 55,26 ⁰С; [1, рис. V].

Проходное сечение трубного пространства должно быть при этом

S₂? = V₂/щ?₂ = 0,0035 / 0,228 = 0,0156 м²

Число труб, обеспечивающих такой режим, должно быть:

n? = = = 45,11; (2.11)

то есть число труб n ~ 45 на один ход.

Выберем возможные варианты теплообменников [1, таб. 4.8]:

-Теплообменник кожухотрубный D = 400мм, n = 100, двухходовой,

d = 25*2, труб на ход = 50, S_т = 0,017 м², S_м = 0,025 м²

-Теплообменник кожухотрубный D = 600мм, n = 206, четырехходовой,

d = 25*2, труб на ход = 51,5, S_т = 0,018 м², S_м = 0,045 м²

-Теплообменник кожухотрубный D = 600мм, n = 196, шестиходовой, d = 25*2, труб на ход = 32,66, S_т = 0,011 м², S_м = 0,045 м²

-Теплообменник кожухотрубный D = 273мм, n = 37, одноходовой,

d = 25*2, труб на ход = 37, S_т = 0,013 м², S_м = 0,011 м²

Вариант 1. Теплообменник «кожухотрубный» D = 400мм, n = 100, z = 2 (ГОСТ Р 53677-2009).

Скорость течения в трубах, для обеспечения турбулентного режима, должна быть более щ₂ = 0,228 м/с. Скорость смеси в трубах равна:

щ₁ = = = = 0,206 м/с (2.12)

Re₁ = = = 9022,38 (2.13)

Скорость и критерий Рейнольдса в межтрубном пространстве для воды:

щ₂ = = = 0,451 м/с

Re₂ = = = 11261,25 (2.14)

Где S₁ = 0,025 м² проходное сечение трубного пространства между перегородками, м₂ = 0,0004 ПаЧс -- вязкость смеси при 55 ⁰С [1, Таб. IX], d₁ = 0,025 м наружный диаметр труб, определяющий линейный размер при поперечном обтекании.

Для расчёта процесса теплопередачи необходимо знать температуры стенок t_ст1 и t_ст2. Для потока в трубах при Re₁ < 10000 влияет на выбор расчетной формулы через посредство произведения GrPr. Зададимся значениями t_ст1 и t_ст2, исходя из условия t₁ > t_ст1 > t_ст2 > t_ст2, примем t'_ст1 = 45 ⁰С, t'_ст2 = 25 ⁰С с последующей проверкой.

а) Коэффициент теплоотдачи для воды (Re = 11261):

Nu = 0,4еRe^0,6Pr^0,36(Pr/Pr_ст)^0,25 (2.15)

Критерий Прандтля для воды при t = 20 ⁰С:

Pr₂ = (см/л)_t2 = 4184Ч0,001 / 0,1337 = 7,054 (2.16)

Примем е = 0,6, так как так надо, неважно почему. Критерий Прандтля для эфира при t_ст2 = 20.

Pr'_ст2 = (см/л)_tст2 = 4184Ч0,0009 / 0,604 = 6,226 (2.17)

Тогда теплообменник ректификация бензол толуол

Nu'₁ = 0,4Ч0,6Ч11261,25^0,67,054^0,36(7,054/6,226)^0,25 = 134,946 (2.18)

б'₂ = Nu₁л₁/d₁ = 134,946Ч0,59313 / 0,021= 3201,54 (2.19)

б) Коэффициент теплоотдачи для смеси (Re₁ = 9022,38).

t?₂ = 0,5(t_ст1 + t₁) = 0,5(55,26 + 45) = 50 ⁰C (2.20)

Физические свойства смеси при t?₂ = 50 ⁰С: с₂ = 838 кг/м³ [1, Таб. IV],

м₂ = 0,00044 ПаЧс [1, Таб. IX], л₂ = 0,1314 Вт/(мЧК) [1, Рис. Х],

c₂ = 1736,36 Дж/(кгЧК) [1, Рис. XI], в₂ = 0,0011 K^-1[1, Таб. XXXIII].

Pr' = с₂м₂/л₂ = 1736,36Ч0,00042 / 0,1314 = 5,549 (2.21)

Gr' = = Ч0,0011Ч(55,26 - 45) = 4269503

Gr'Pr' = 4269503Ч5,549 = 23692355 (2.22)

Так как критерий Re > 3500 и Gr > 80000, воспользуемся формулой [1, 4.27]

Nu'₁ = 0,022Re^0,6Pr^0,4(м/м_ст)^0,25 =

= 0,022Ч9022,38^0,6Ч5,549^0,4(0,00044 / 0,00044)^0,25 (2.23)

б'1 = Nu'₁л₁ / d₁ =

где =0,14 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности смеси бензол-толуол [1, рис. X].

Рассчитаем критерий Нуссельта для турбулентного течения смеси:

; (2.24)

где примем равному 1, и соотношение =1 с дальнейшей поправкой.

Коэффициент теплоотдачи смеси бензол-толуол к стенке:

; (2.25)

б) Межтрубное пространство. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для воды. Скорость воды в межтрубном пространстве.



; (2.26)

Критерий Рейнольдса для воды:

; (2.27)

где =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX], = 998 при температуре +17,5 С;

Критерий Прандтля для воды при +17,5 С:

; (2.28)

где =0,59 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности воды [1, рис. XXXIX].

Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10000.

; (2.29)

где - плотность воды при 17,5 С [1, таб. XXXIX]; ; и - плотности воды при 10 и 25 С; =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX] - динамический коэффициент вязкости воды при 17,5 С.

;

Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28]

; (2.30)

примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость воды при 17,5 С и температуре стенки соответственно по формуле (3.20).

;

Коэффициент теплоотдачи для воды:

; (2.31)

Рассчитаем термическое сопротивление стенки и загрязнений [1, таб. XXXI]:

; (2.32)

;

Коэффициент теплопередачи:

; (2.33)



Поверхностная плотность потока:

; (2.34)

Определим ориентировочно значения и , исходя из того, что

; (2.35)

где сумма .

Найдем: С; (2.36)

С; (2.37)

С; (2.38)

Проверка: сумма ;

12,3 + 4,3 + 8,5 = 25,1 С;

Отсюда

С; (2.39)

С; (2.40)

Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи, определив .Критерий Прандтля для смеси бензол-толуол при С;

; (2.41)

где [1, с.262]; [1, с.556]; [1, с.561].

Коэффициент теплоотдачи для смеси:

(2.42)

Коэффициент теплоотдачи для воды:

(2.43)

где [1, таб. XXXIX];

Исправленные значения К, q, и (2.43):

;

; (2.44)

С; (2.45)

С; (2.46)

(2.47)

(2.48)

Дальнейшее уточнение , и других величин не требуется, так как расхождение между крайними значениями не превышает 5%.

Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

; (2.49)

запас

Вариант 2. Теплообменник «кожухотрубный» (ГОСТ 15120-79)

Скорость течения в трубах, для обеспечения турбулентного режима, должна быт более

Составим схему процесса теплопередачи (Рис. 1).

а) В трубное пространство. Определим критерии Рейнольдса и Прандтля для смеси бензол-толуол. Рассчитаем Рейнольдс по формуле (2.12)

Бензол-толуол Вода

Рис.1 (ко второму варианту расчета)



;

Критерий Прандтля (3.13).

;

где =0,14 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности смеси бензол-толуол [1, рис. X].

Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10000.

где - плотность воды при 48,5 С [1, таб. XXXIX]; ; и - плотности смеси при 25 и 80,5 С; =0,00045 Па с [1, с.556] - динамический коэффициент вязкости смеси при 48,5 С.

;

Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28] примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость смеси бензол-толуол при 48,5 С и температуре стенки соответственно. Рассчитаем по формуле (3.20).

;

Коэффициент теплоотдачи для смеси бензол-толуол (2.15):

;

б) Межтрубное пространство. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для воды. Скорость воды в межтрубном пространстве (2.16).

;

Критерий Рейнольдса для воды (2.17):

;

где =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX], = 998 при температуре +17,5 С;

Критерий Прандтля для воды при +17,5 С (2.18):

;

где =0,59 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности воды [1, рис. XXXIX].

Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10000 (3.19).

;

где - плотность воды при 17,5 С [1, таб. XXXIX]; ; и - плотности воды при 10 и 25 С; =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX] - динамический коэффициент вязкости воды при 17,5 С.

;

Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28] примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость воды при 17,5 С и температуре стенки соответственно (2.20).

;

Коэффициент теплоотдачи для воды (2.21):

;

Рассчитаем термическое сопротивление стенки и загрязнений [1, таб. XXXI] (3.22):

;

Коэффициент теплопередачи (2.23):

Поверхностная плотность потока (2.24):

;

Определим ориентировочно значения и , исходя из формулы

(2.25).

Найдем: С; (2.26)

С; (2.27)

С; (2.28)

Проверка: сумма ;

13,9 + 3,6 + 7,6 = 25,1 С;

Отсюда

С; (2.29)

С; (2.30)

Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи, определив . Для смеси бензол-толуол при С и воды при С;

Коэффициент теплоотдачи для смеси (2.33):

где - кинематическая вязкость [1, с.556].

Коэффициент теплоотдачи для воды (2.33):

где - вязкость воды при температуре стенки [1, таб. XXXIX];

Исправленные значения К, q, и (2.23),(2.34),(2.35) и (2.36):

;

;

С;

С;

Проверка расхождения по формулам (2.37) и (2.38).

Дальнейшее уточнение , и других величин не требуется, так как расхождение между крайними значениями не превышает 5%.

Расчетная площадь поверхности теплопередачи (2.39):

;

запас



3. Гидравлический расчет

Расчет гидравлического сопротивления. Сопоставим два выбранных варианта кожухотрбчатых теплообменников по гидравлическому сопротивлению.

Вариант 1. Скорость жидкости в трубах

; (3.1)

; (3.2)

Коэффициент трения рассчитываем по формуле (3.2):

;

где - высота выступов шероховатости на поверхности, d - диаметр трубы.

Диаметр штуцеров в распределительной камере - трубного пространства, - межтрубного пространства [2, с.55].

; (3.3)

Рассчитаем скорость в штуцерах по формуле (3.3).

В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, 5 поворотов на 180 градусов, 6 входов в трубы и 6 выходов из них. В соответствии с формулой [2, форм. 2.35] получим

(3.4)

Рассчитаем гидравлическое сопротивление по формуле (4.4)

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве, ; примем округляя в большую сторону 9. Число сегментных перегородок x = 10 [2, таб. 2.7]

Диаметр штуцеров к кожуху - межтрубного пространства [2, с.55], скорость потока в штуцерах по формуле (3.3)

Скорость потока в наиболее узком сечении [2, таб. 2.3]

(3.5)

В межтрубном пространстве следующие местные сопротивления: вход и выход жидкости через штуцера, 10 поворотов сегменты и 11 сопротивлений трубного пучка при его обтекании



(3.6)

Рассчитаем гидравлическое сопротивление по формуле (3.6)

Вариант 2. Скорость жидкости в трубах (3.1)

;

Коэффициент трения рассчитываем по формуле (3.2):

;

Диаметр штуцеров в распределительной камере - трубного пространства, - межтрубного пространства [2, с.55].

Рассчитаем скорость в штуцерах по формуле (3.3).

В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, 3 поворотов на 180 градусов, 4 входов в трубы и 4 выходов из них. В соответствии с формулой [2, форм. 2.35] рассчитаем гидравлическое сопротивление по формуле (3.4)

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве, ; примем округляя в большую сторону 9. Число сегментных перегородок x = 10 [2, таб. 2.7]

Диаметр штуцеров к кожуху - межтрубного пространства [2, с.55], скорость потока в штуцерах по формуле (3.3)

Скорость потока в наиболее узком сечении [2, таб. 2.3]

(3.5)

В межтрубном пространстве следующие местные сопротивления: вход и выход жидкости через штуцера, 10 поворотов сегменты и 11 сопротивлений трубного пучка при его обтекании. Рассчитаем гидравлическое сопротивление по формуле (4.6)



4. Экономический расчет

Вариант 1. Масса теплообменника по [2, таб. 2.8]

Чтобы оценить стоимость аппарата необходимо рассчитать массу теплообменных труб.

(4.1)

где по [1, с.529]

Доля массы труб от массы всего теплообменника

Цена единицы массы теплообменника по [2, таб. 2.17] Цтр = 0,99 руб/кг. Цена теплообменника

Энергетические затрату с учетом КПД насосной установки на прокачивание горячей жидкости по трубам составит:

(4.2)

где по практическим расчетам [2, с.82].

Энергетические затраты на прокачивание холодной жидкости по межтрубному пространству

(4.3)

Приведенные затраты составят

(4.4)

где 8000 - время работы насосов в году; = 0,02 - стоимость одного киловата энергии руб/кВт.

Вариант 2. Масса теплообменника по [2, таб. 2.8]

Чтобы оценить стоимость аппарата необходимо рассчитать массу теплообменных труб (4.1).

Доля массы труб от массы всего теплообменника

Цена единицы массы теплообменника по [2, таб. 2.17] Цтр = 0,975 руб/кг. Цена теплообменника

Энергетические затрату с учетом КПД насосной установки на прокачивание горячей жидкости по трубам составит (4.2):

где по практическим расчетам [2, с.82].

Энергетические затраты на прокачивание холодной жидкости по межтрубному пространству (4.3)

Приведенные затраты составят (4.4)

Для наглядности результаты расчетов сведем в таблицу.

Таблица 1.

Технико-экономические показатели	Вариант 1	Вариант 2
D, м	0,6	0,6
L, м	4	4
K,	306,7	250,1
F,	61	65
M, кг	2290	2290
	0,03495	0,01379
	680,1	669,9
	5,6	2,4
П,	685,7	672,3

Из (таб. 1) видно, что разница между приведенными затратами выбранных вариантов незначительна. Но все-таки наиболее экономичным является второй вариант по приведенным затратам. К тому же у второго варианта больший запас поверхности, что дает преимущества, при загрязнении аппарата, перед первым вариантом.



Заключение

В данном документе были произведены материальные ,тепловые, экономические и гидравлические расчеты на основании которых были сделаны выводы. Был выбран наиболее оптимальный теплообменный аппарат. Также во введении были отражены основные законы теплообмена и течения жидкостей.



Литература

Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А., «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии». Л.: Химия, 1983.

Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и другие, «Основные процессы и аппараты химической технологии». М.: Химия, 1991

«Справочник химика» под ред. Никольского т.3, Л.: Химия, 1971

Авербух Я.Д., Заостровский Ф.П., Матусевич Л.Н., «Процессы и аппараты химической технологии: курс лекций» Ч.2: «Теплообменные и массообменные процессы». Свердловск: изд. УПИ, 1973

Локотанов Н.С. «Процессы и аппараты химической технологии: Методические указания к курсовому проектированию». Свердловск: изд. УПИ, 1985

Лащинский А.А., Толчинский А.Р., «Основы конструирования и расчета химической аппаратуры». Л.: Машиностроение, 1970

Размещено на Allbest.ru

...