Теплообменные аппараты
Классификация теплообменных аппаратов, которые применяются в нефтегазопереработке. Назначение, устройство испарителей. Проектирование испарителя с паровым пространством для подвода тепла в низ ректификационной колонны, разделяющей смесь ацетона и бензола.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 19.10.2017 |
| Размер файла | 1020,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
37
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- Введение
- 1. Технологический раздел
- 1.1 Классификация теплообменных аппаратов применяемых в нефтегазопереработке
- 1.2 Теоретические основы процесса теплопередачи
- 1.3 Назначение и устройство испарителей
- 1.4 Технологическая схема и ее описание
- 1.5 Обслуживание и чистка теплообменника
- 1.6 Техника безопасности и охрана окружающей среды
- 2. Расчетный раздел
- 2.1 Последовательность технологического расчета теплообменников
- 2.2 Исходные данные на проектирование
- 2.3 Определение температур холодного теплоносителя
- 2.4 Тепловая нагрузка испарителя
- 2.5 Расход греющего пара
- 2.6 Температурный напор по поверхности нагрева испарителя
- 2.7 Коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости
- 2.8 Коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося водяного пара
- 2.9 Коэффициент теплопередачи, поверхность теплообмена
- 2.10 Определение диаметров штуцеров
- 2.11 Определение потерянного напора в межтрубном пространстве испарителя
- 3. Основные выводы по результатам проекта
- Список использованной литературы
Введение
Для создания и поддержания температурного режима в химических, массообменных и других процессах химической технологии и защиты окружающей среды необходимо осуществлять подвод или отвод тепловой энергии от рабочей среды.
В промышленности для проведения таких процессов широко применяют кожухотрубчатые теплообменные аппараты, которые просты по конструкции, надежны в эксплуатации и могут иметь площадь поверхности теплообмена до 1000 м.
Цель данной работы: рассчитать и спроектировать испаритель с паровым пространством для подвода тепла в низ ректификационной колонны, разделяющей смесь ацетона и бензола.
При разработке теплообменных аппаратов необходимо, как правило, решать следующие задачи:
1. Определение тепловой нагрузки на аппарат.
2. Обоснованный выбор теплоносителя, который будет двигаться по трубному пространству.
3. Предварительный проектный расчет необходимой поверхности теплообменника.
4. Выбор стандартного теплообменного аппарата и схемы движения теплоносителей через него.
5. Гидравлический расчет теплообменника.
6. Конструирование теплообменного аппарата.
Структура работы: курсовая работа состоит из введения, технологического раздела, расчетного раздела, основных выводов по результатам проекта и списка литературы.
1. Технологический раздел
1.1 Классификация теплообменных аппаратов применяемых в нефтегазопереработке
Большинство процессов химической технологии протекает в заданном направлении только при определенной температуре, которая достигается путем подвода или отвода тепловой энергии (теплоты). Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты (нагревание, охлаждение, испарение (или кипение), конденсация и др.), называют тепловыми. Движущей силой тепловых процессов является разность температур более нагретого и менее нагретого тела. Эти процессы осуществляют в теплообменниках, конденсаторах, холодильниках. В зависимости от способа передачи тепла различают три группы теплообменных аппаратов:
поверхностные; в которых тепло передается через поверхность, разделяющую обменивающиеся теплом среды;
смешения, в которых тепло от одной среды к другой передается при непосредственном соприкосновении;
регенеративные, в которых среды нагреваются при соприкосновении с ранее нагретыми твердыми телами, заполняющими аппарат и периодически нагревающимися другим теплоносителем.
К поверхностным теплообменникам относятся кожухотрубчатые; элементные, змеевиковые, спиральные, типа "труба в трубе" и др. Наиболее распространены кожухотрубчатые теплообменники, которые применяют при больших расходах маловязких жидкостей или газов. Если жидкости имеют высокую вязкость и их расход невелик; используют теплообменники типа "труба в трубе". Змеевиковые теплообменники обычно применяют при небольших тепловых нагрузках. В конденсаторах охлаждаются пары нефтяных дистиллятов, отводимых с верха ректификационной колонны. Конденсаторы по конструкции и принципу работы делятся на трубчатые, погружные и смешения. Наиболее пожароопасны трубчатые конденсаторы, так как при внезапном прекращении подачи охлаждающей воды на установку пары бензина могут не сконденсироваться в аппарате. Погружные конденсаторы широко распространены, однако на вновь строящихся установках их не применяют, так как они громоздки и коэффициент теплопередачи их невысок. В конденсаторах смешения пары нефтепродукта конденсируются при непосредственном смешении с охлаждающей водой. Конденсат и вода собираются внизу аппарата и разделяются на два слоя из-за разной плотности.
Холодильники на нефтеперерабатывающих заводах предназначены для охлаждения жидких дистиллятов и остатков после перегонки нефти. По конструкций холодильники мало отличаются от теплообменников и бывают двух видов: трубчатые и погружные. Холодильники трубчатого типа наиболее пожароопасны, так как запас воды в них невелик и трубки часто выходят из строя.
Для охлаждения аппаратов на нефтеперерабатывающих заводах расходуется очень много воды. Чтобы уменьшить ее расход, используют оборотные системы. В настоящее время в нефтепереработке и нефтехимии объем оборотного водоснабжения составляет 85 % общего расхода. Оборотные системы довольно сложны - это водозаборы, насосные станции, очистные сооружения, сеть водопроводов и т.п. Создание и эксплуатация таких комплексов требует больших капиталовложений.
1.2 Теоретические основы процесса теплопередачи
Тепловые процессы или теплообмен - обобщенное название процессов передачи энергии в виде теплоты между телами, имеющими различную температуру.
испаритель теплообменный аппарат
Движущей силой процесса теплообмена является разность температур. Причем передача теплоты осуществляется от тела с большей к телу с меньшей температурой.
К тепловым процессам, используемым в промышленности, относятся процессы нагревания, охлаждения, испарения и конденсации.
Вещества и тела, участвующие в процессе теплообмена, называются теплоносителями. Теплоносители с более высокой температурой, отдающие теплоту в процессе теплообмена, называются горячими теплоносителями, вещества с более низкой температурой, воспринимающие теплоту в процессе теплообмена, называются холодными теплоносителями.
Передача теплоты может осуществляться как при непосредственном соприкосновении теплоносителей, так и через тепло-проводящую стенку (поверхность теплообмена) и является основным расчетным конструктивным параметром теплообменных аппаратов (теплообменников).
Различают стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся) теплообменные процессы.
При стационарных процессах, характерных обычно для непрерывно действующих теплообменных устройств, температура в каждой точке рабочего объема (тела) не меняется во времени.
При нестационарных процессах, характерных для периодически действующего оборудования, температура, напротив, меняется во времени.
Совокупность значений температур во всех точках объема (тела) называется температурным полем. Кроме трехмерного температурного поля, в зависимости от условий проведения процесса и числа используемых координат могут рассматриваться двумерные, и одномерные температурные поля.
Так же, как тепловые процессы, температурное поле может быть стационарным и нестационарным.
Изотермическая поверхность в температурном поле - поверхность, объединяющая точки с одинаковыми температурами. Из-за отсутствия разности температур теплота вдоль такой поверхности не распространяется.
Теплота в температурном поле, таким образом, может распространяться только между изотермическими поверхностями. При этом степень интенсивности изменения температуры характеризуется температурным градиентом, выраженным пределом отношения приращения температуры к расстоянию между изотермическими поверхностями, направленным по нормали к этой поверхности.
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 электромагнитных волн, излучаемых нагретым телом.
Указанные механизмы распространения теплоты редко встречаются в чистом виде. Обычно они сопутствуют друг другу - происходит так называемый сложный теплообмен.
Конвекция - процесс распространения теплоты в жидкости или газе от поверхности твердого тела или наоборот. Процесс передачи теплоты одновременно 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, переданное конвекцией от поверхности к окружающей среде (или наоборот), пропорционально поверхности теплообмена dF, разности температур поверхности tст и окружающей среды tf и времени dф проведения процесса:
dQ = a (tст - tf) dFdф.
Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплоотдачи и показывает, какое количество теплоты передается от теплообменной поверхности 1 м2 в окружающую среду или наоборот в течении 1 с при разности температур теплообменной поверхности и окружающей среды 1 К.
Коэффициент теплоотдачи не является постоянной величиной для рассматриваемой среды и зависит в первую очередь от гидродинамических условий течения жидкости вдоль теплопередающей поверхности, а также плотности, вязкости, удельной теплоемкости и других параметров. Теплопередача - процесс передачи теплоты от более нагретой среды к менее нагретой среде через стенку.
Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через разделяющую их стенку с площадью поверхностью 1 м2 при разности температур между теплоносителями один градус.
В случае рассмотрения процесса передачи теплоты через стенку цилиндрической формы механизм теплопередачи остается прежним, а количество теплоты, передаваемой на каждой стадии.
1.3 Назначение и устройство испарителей
Испарители предназначены для получения дистиллята, восполняющего потери пара и конденсата в основном цикле паротурбинных установок электростанций, а также выработки пара для общестанционных нужд и внешних потребителей.
Испарители могут использоваться в составе как одноступенчатых, так многоступенчатых испарительных установок для работы в технологическом комплексе тепловых электростанций.
В качестве греющей среды может использоваться пар среднего и низкого давления из отборов турбин или РОУ, а в некоторых моделях даже вода с температурой 150-180°С.
В зависимости от назначения и требований по качеству вторичного пара испарители изготавливаются с одно - и двухступенчатами паропромывочными устройствами.
Испаритель представляет собой сосуд цилиндрической формы и, как правило, вертикального типа. Продольный разрез испарительной установки представлен на рисунке 1. Испаритель с паровым пространством (рибойлер) состоит из корпуса и одного - трех трубчатых пучков.
Рис. 1. Испаритель с паровым пространством:
1 - корпус; 2 - штуцер для предохранительного клапана; 3 - трубчатый пучок; 4 - горловина; 5 - распределительная камера; 6 - козырек; 7 - балка поперечная; 8 - штуцер для дренажа; 9 - перегородка; 10 - муфта для регулятора уровня; 11-12 - люки; 13 - муфты для мерных стекол; а - отверстие для перетока в дренаж;
I - остаток низа колонны; II - продукт; III - пар; IV - водяной пар; V - конденсат
Для обеспечения достаточной поверхности зеркала испарения и объема парового пространства расстояние от верха сливной перегородки до верхней части корпуса 1 принимают не менее 1/3 диаметра корпуса. Уровень жидкости в испарителе (подогревателе) поддерживается сливной перегородкой 9, имеющей зубчатую кромку для равномерного перелива жидкости. В испарителях с паровым пространством применяют такие же трубчатые пучки, как у аппаратов с плавающей головкой или с U - образными трубками. При этом диаметр неподвижной трубной решетки несколько больше, что необходимо для того, чтобы плавающая головка в собранном виде могла свободно пройти через горловину 4 при демонтаже.
Обычно в качестве горячего теплоносителя в рибойлере используется насыщенный водяной пар, так как расход перегретого водяного пара вследствие его малой теплоемкости высок, а коэффициент теплоотдачи от перегретого пара к теплообменной поверхности мал. Водяной пар подается в трубное пространство испарителя, а в межтрубное пространство поступает жидкость низа ректификационной колонны, где она нагревается и частично испаряется. Пары возвращаются в колонну под нижнюю тарелку, а жидкость перетекает через перегородку и отводится в качестве готового продукта разделяемой смеси в ректификационной колонне.
Корпус испарителя состоит из цилиндрической обечайки и двух эллиптических днищ, приваренных к обечайке. Для крепления к фундаменту к корпусу приварены опоры. Для подъема и перемещения испарителя предусмотрены грузовые штуцеры (цапфы).
На корпусе испарителя предусмотрены патрубки и штуцеры для:
подвода греющего пара;
отвода вторичного пара;
отвода конденсата греющего пара;
подвода питательной воды испарителя;
подвода воды на паропромывочное устройство;
непрерывной продувки;
слива воды из корпуса и периодической продувки;
перепуска неконденсирующихся газов;
установки предохранительных клапанов;
установки приборов контроля и автоматического регулирования;
отбора проб.
В корпусе испарителя предусмотрено два люка для осмотра и ремонта внутренних устройств.
1.4 Технологическая схема и ее описание
Схема ректификационной установки непрерывного действия представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Технологическая схема ректификации:
1 - емкость для исходной смеси; 2 - подогреватель; 3 - колонна;
4 - кипятильник; 5 - дефлегматор; 6 - делитель флегмы; 7 - холодильник; 8 - сборник дистиллята; 9 - сборник кубового остатка
Исходную смесь из емкости 1 центробежным насосом подают в теплообменник 2, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 3, где состав жидкости равен составу исходной смеси xF. Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка xW, то есть 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) состава хD, получаемой в дефлегматоре 5 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в емкость 8.
Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в емкость 9.
1.5 Обслуживание и чистка теплообменника
Наиболее часто отложения зависят от температуры и при фиксированной мощности теплообменник с развитой поверхностью имеет меньшую температуру металла, чем в случае применения гладких труб. Тем самым снижается скорость образования отложений. Продольный поток также не имеет застойных зон, в которых могут накапливаться отложения. Наконец, когда на поверхности накапливаются отложения (уменьшаются коэффициенты теплоотдачи), увеличивается эффективность оребрения и тем самым частично компенсируются потери в теплоотдаче.
Ремонт и очистку теплообменной аппаратуры от накипи и загрязнений проводят в сроки, предусмотренные инструкциями. Перед началом работ полностью освобождают теплообменную аппаратуру от нефтепродуктов, открывают крышку, промывают трубное и межтрубное пространство водой, продувают паром и только после этого приступают к механической или химической очистке. Вместо промывки аппаратов обычными углеродами - растворителями (керосином, сольвентом и т.п.), целесообразно применять пожаробезопасные моющие средства.
1.6 Техника безопасности и охрана окружающей среды
Теплообменные аппараты, как и многие другие технологические аппараты нефтепереработки, создают пожарную опасность такого рода:
во-первых, они сами, могут послужить местом возникновения развития пожара;
во-вторых они существенно влияют на пожарную опасность связанных с ними технологических аппаратов и установок в целом.
Пожары и загорания на теплообменных аппаратах возникают главным образом в результате образования неплотностей и повреждений при чрезмерном повышении давления, температурных деформациях и коррозии.
Повышенное давление в теплообменном аппарате может образовываться при отсутствии контроля и регулирования подачи нагреваемого продукта, образовании пробок в трубках или в линии за теплообменником из-за отложений, неправильной регулировке подачи теплоносителя.
Опасность потери герметичности особенно велика при пусках остановках теплообменных аппаратов. Ори этом наиболее вероятны две причины повреждения аппарата: в результате теплового расширения несжимаемой жидкости элементов и неравномерных температурных деформаций аппарата. В теплообменном аппарате (например, в кожухотрубчатом теплообменнике), предназначенном для подогрева жидких продуктов, опасен горячий (т.е. с подогревом) пуск при случайно оставленных, закрытыми задвижках на концах теплообменных труб, заполненных жидким продуктом. Находящаяся внутри отключенных труб жидкость при нагревании значительно увеличивается в объеме.
Неравномерные температурные деформации в теплообменном аппарате возникают в результате разности температур нагрева конструктивных элементов, жёстко связанных между собой. Для предотвращения опасных температурных деформаций ограничивают длину теплообменников, а при превышении безопасной длины в конструкции теплообменников предусматривают температурные компенсаторы (плавающая головка, сальниковое устройство, изогнутые трубки, линза).
В случае прохода через теплообменники высоковязких жидкостей с высокой температурой нагрева (например гудроновые теплообменники типа "труба в трубе") наружные поверхности теплообменных аппаратов, нагретые выше температуры самовоспламенения нефти и нефтепродуктов, могут послужить источниками зажигания при утечке жидкостей, паров и газов в атмосферу. Тепловая изоляция не устраняет эту опасность, если фланцевые соединения или другие фасонные детали теплообменников оставлены неизолированными.
Компактное расположение большого количества теплообменных аппаратов в блоках, наличие фланцевых соединений и задвижек, быстро теряющих герметичность во время пожара, а так же наличие тепловой изоляции, пропитанной нефтепродуктами, способствует быстрому развитию пожара.
Фундаменты для теплообменных аппаратов выполняют из негорючих и огнестойких материалов. Если теплообменники размещают на металлических конструкциях, то их защищают термоизоляцией или обкладывают у основания бетоном. Теплообменники ограждают у основания сплошной негорючей стеной высотой не менее 0,3 м, или кольцевым кюветом на расстоянии 0,5 м от выступающих частей аппаратуры.
Поверх теплоизоляции теплообменника рекомендуется надевать кожух из листвой стали, окрашенной в светлый цвет.
Периодически кожухи очищают от загрязнений, а при износе отдельных листов - заменяют новыми на работающем аппарате.
На пожарную опасность других технологических аппаратов и установок в целом теплообменные аппараты влияют прежде всего при ухудшении условий теплообмена. В результате уменьшения теплоотвода и степени конденсации в технологических аппаратах и трубопроводах, связанных с теплообменниками, конденсаторами и холодильниками, значительно возрастает давление, что означает пожароопасное нарушение технологического режима.
Безопасная работа зависит от квалификации и внимательности работающего персонала, а также от строгого соблюдения производственных инструкций и требований настоящего регламента.
К работе допускаются только те лица, которые прошли необходимую подготовку, сдали экзамены на допуск к рабочему месту и прошли инструктаж по охране труда и промышленной безопасности, стажировку не менее 10 смен.
Все действующие инструкции и положения по охране труда и промышленной безопасности должны быть в наличии, знание и их соблюдение персоналом должны постоянно контролироваться.
Работать разрешается только на исправном оборудовании, на исправных коммуникациях, арматуре и приборах КИП.
Систематически следить за исправностью и включением в работу приборов контроля и автоматики, систем сигнализации и автоматических блокировок. Постоянно следить за исправностью и работой сигнализаторов взрывоопасных концентраций. Не допускать загазованности территории и помещений.
Следить за работой насосов, своевременно устранять пропуски торцовых уплотнений и фланцевых соединений. Систематически контролировать работу предохранительных клапанов, Отбор проб осуществлять через специальные вентили с помощью герметизированных пробоотборников.
При переработке нефти в атмосферу могут выделиться вредные вещества - углеводороды, сероводород, оксид углерода и азота, аммиак. Основными источниками загрязнения являются резервуарные парки нефти нефтепродуктов, сливо-наливные эстакады, узлы оборотного водоснабжения и очистительные сооружения, факельные свечи для открытого сжигания газа, предохранительные клапана, системы вытяжной вентиляции. Свыше 40 % от всего выброса приходится на долю резервуарных парков. Резкого снижения углеводородов можно добиться, применяю для хранения нефти и светлых нефтепродуктов резервуары с понтонами или с плавающей крышей. Это мероприятие позволяет понизить потерю углеводородов на 85-90 %. Предотвращению потере углеводородов способствует также соединение резервуаров между собой газоуравнительными линиями. В этом случае пары вытисняемый из резервуара, в который закачивается продукт, вытесняются по уравнительной линии в соседний резервуар.
2. Расчетный раздел
2.1 Последовательность технологического расчета теплообменников
Технологический расчет испарителя включает в себя тепловой и гидравлический расчеты, в результате которых определяют необходимую поверхность теплообмена и основные размеры аппарата.
Расчет поверхности теплообмена состоит из следующих основных стадий.
1. Определение тепловой нагрузки аппарата, средней движущей силы и средних температур теплоносителей.
2. Определение расхода второго вещества из теплового баланса.
3. Определение ориентировочной площади поверхности теплообмена, а также выбор размеров теплообменных труб и, если возможно, расчет необходимого их количества при обеспечении заданного режима движения теплоносителей.
4. Предварительный выбор нормализованного теплообменника по принятым параметрам. Выписываются те фиксированные геометрические размеры аппарата, которые будут фигурировать в расчете (внутренний диаметр кожуха, число теплообменных труб и т.д.) Параметры, которые не будут непосредственно участвовать в расчете, можно варьировать для обеспечения расчетной поверхности теплообмена при окончательном выборе нормализованного аппарата.
5. Определение частных коэффициентов теплоотдачи для обоих теплоносителей с использованием критериальных уравнений для соответствующих тепловых процессов, режимов теплоносителей, геометрического расположения труб и т.д. Определение термических сопротивлений стенок и загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителей.
6. Определение общего коэффициента теплопередачи и уточнение температур стенки со стороны горячего и холодного теплоносителей. Пересчет коэффициента теплопередачи.
7. Определение расчетной поверхности теплообмена по основному уравнению теплопередачи и окончательный выбор нормализованного теплообменника. Определение запаса поверхности теплообмена, необходимого для обеспечения длительной работы аппарата, т.к. на поверхности труб и кожуха образуются разного вида загрязнения (отложение нерастворимых осадков, накипеобразование, ржавчина и т.д.), которые снижают эффективность процесса теплообмена, уменьшая коэффициент теплопередачи.
2.2 Исходные данные на проектирование
Рассчитать испаритель с паровым пространством, предназначенный для подвода тепла в низ ректификационной колонны, разделяющей смесь ацетона и бензола при следующих исходных данных:
содержание низкокипящего компонента (НКК) в жидкости, поступающий в испаритель при температуре кипения - 6 %;
количество поступающей в испаритель жидкости - 17500 кг/час;
мольная доля отгона 0,7;
среднее давление в испарителе 800 мм рт. ст.;
горячий теплоноситель - насыщенный водяной пар.
2.3 Определение температур холодного теплоносителя
В рассматриваемом случае холодным теплоносителем является смесь ацетон-бензол, которая при температуре кипения поступает в испаритель из ректификационной колонны. Поэтому при определении температуры смеси на входе в испаритель задача сводится к определению температуры низа ректификационной колонны.
Эту температуру определяют по уравнению изотермы жидкой фазы методом последовательных приближений:
,
где - мольная доля i - компонента в смеси;
- константа фазового равновесия i - компонента;
Рi - давление насыщенного пара i - компонента;
Р - давление в испарителе.
По условию состав смеси задан в % масс. Произведем перерасчет состава смеси в мольные доли по уравнению
,
где х1 и х2 - массовые доли ацетона и бензола в смеси;
М1=58; М2=78 - их мольные массы.
Зададимся рядом значений температур в области температуры кипения чистого бензола при 800 мм рт. ст. (поскольку смесь состоит в основном из бензола): 70; 80; 90 0С. Для этих температур давления насыщенных паров составят соответственно: для ацетона 1190, 1611, 2142 мм рт. ст.; для бензола 547, 754, 1016 мм рт. ст. [1].
Рассчитываем
70 0С:
80 0С:
90 0С:
Строим график (рисунок 3).
Рис. 3. График зависимости от температуры
Из построения при температура смеси на входе в испаритель t1 равна 78 0С.
Температуры потоков смеси и их составы на выходе из испарителя определяются по уравнениям:
(2.1)
,
где - мольная доля i-компонента в жидком потоке, покидающем испаритель;
- мольная доля i-компонента в отгоне;
=0,7 - мольная доля отгона (мольная доля образовавшихся паров в результате однократного испарения смеси в аппарате)
Остальные обозначения прежние.
Уравнение (2.1) решается методом последовательного приближения и для ускорения решения также воспользуемся графической интерполяцией.
Зададимся рядом значений температур (в области ожидаемой температуры), например: 70, 80, 90 0С. Для этих температур давления насыщенных паров составят соответственно:
для ацетона 1190, 1611, 2142 мм рт. ст.;
для бензола 547, 754, 1016 мм рт. ст. [1]
Рассчитываем .
70 0С:
80 0С:
90 0С:
Строим график (рисунок 4).
Рис. 4. График зависимости температуры от .
Из построения при температуры потоков смеси на выходе из испарителя t2 равны 81 0C.
Определим равновесные составы и образовавшихся жидкой и паровой фаз при температуре однократного испарения 81 0С.
При этой температуре давления насыщенных паров ацетона и бензола соответственно равны 1664 мм рт. ст. и 780 мм рт. ст. [1].
Для последующих расчетов выразим составы потоков, уходящих из испарителя, в массовых долях и определим их количества. Для этого также пересчитаем мольную долю отгона в массовую e.
Массовая доля отгона паров находится по соотношению
где My и Mx - средние мольные массы паровой фазы и смеси, входящей в испаритель.
Количество поступающей флегмы в испаритель Y1=17500 кг/час=
=4,86 кг/с. Количество жидкой фазы, уходящей из испарителя:
= 1,46 кг/с.
Количество паровой фазы уходящей из испарителя
кг/с.
2.4 Тепловая нагрузка испарителя
Эта величина определяется из уравнения теплового баланса аппарата:
,
где Qр - расход тепла в испарителе (тепловая нагрузка), кВт;
Y1; Y2; Y3 - количество потоков, кг/с;
- энтальпии потоков при соответствующих температурах, кДж/кг.
кДж/кг
кДж/кг
кДж/кг
где
; - средняя удельная теплоемкость жидкости при температуре потока, ;
r - удельная теплота испарения, кДж/кг.
,
где х1=0,06; х2=0,94; х01=0,033; х02=0,967 - массовые доли ацетона (1) и бензола (2) в исходной и уходящей флегме из испарителя;
С1=2,43 ; С2=1,95 - удельные теплоемкости ацетона и бензола [1].
кДж/кг
где r1=512,46 кДж/кг; r2=357,25 кДж/кг - теплоты испарения ацетона и бензола при температуре 81 0С [1].
Тогда
1234,1 кВт.
2.5 Расход греющего пара
В качестве горячего теплоносителя в испарителе используется насыщенный водяной пар. Флегма низа ректификационной колонны, поступающая в испаритель, нагревается от t1=78 0C до t2=81 0C и частично испаряется за счет тепла конденсации водяного пара. На основе данных промышленной эксплуатации аналогичных испарителей и с целью обеспечения достаточного температурного напора при теплопередаче от конденсирующегося водяного пара к кипящей флегме принимаем следующие параметры греющего пара [2, с.549]: давление 3 кгс/см2; температура t3=132,9 0C; удельная теплота конденсации rв=2171 кДж/кг.
Расход водяного пара определяется из следующего равенства:
,
где Yв - расход греющего пара, кг/с;
- коэффициент удержания тепла.
С учетом коэффициента удержания тепла (в среднем для теплообменников =0,95) получим:
кг/с.
2.6 Температурный напор по поверхности нагрева испарителя
Температура горячего теплоносителя - конденсирующегося водяного пара - остается неизменной и равной t3=132,9 0С. Температура кипящей флегмы в испарителе также остается практически постоянной и равной t2=81 0С. Следовательно, температурный напор в испарителе будет одинаковым по всей его поверхности и равным
51,9 0С.
2.7 Коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости
Уравнения теплоотдачи при кипении жидкостей существенно различаются в зависимости от вида термомеханического режима этого энергоемкого гетерогенного процесса, сопровождающегося фазовым превращением. По характеру и интенсивности кипения различают три основных режима процесса: пузырьковый; пузырчато-пленочный и пленочный. В химической технологии наибольшее применение нашел первый режим, обеспечивающий более высокую интенсивность теплообмена.
Для пузырькового режима кипения в большом объеме коэффициент теплоотдачи от поверхности горизонтальных трубок пучка рассчитывается по следующей зависимости [2, с.165]:
,
где b - коэффициент, равный
- коэффициент теплопроводности жидкой фазы при температуре кипения, ;
- коэффициент кинематической вязкости жидкости при этой же температуре, м2/с;
- поверхностное натяжение на границе раздела между жидкостью и паром при температуре кипения, Н/м;
Ткип - температура кипения, 0К;
q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;
- соответственно плотности паровой и жидкой фаз, кг/м3.
В рассматриваемом случае Ткип = t2 = 81 0С = 354 0К, так как при определении значения коэффициента теплопередачи за жидкую фазу принимается флегма, уходящая из испарителя, а она находится в равновесии с паром при температуре t2=81 0C.
Плотность паровой фазы определим по уравнению Менделеева-Клайперона:
,
где - плотность пара при нормальных условиях, кг/м3;
Т0 = 273 0К;
Р = 800 мм рт. ст. - давление в испарителе;
Р0 = 760 мм рт. ст.
кг/м3
После подстановки всех величин в формулу получим:
кг/м3.
Плотность жидкости, уходящей из испарителя, определяем по уравнению:
кг/м3
где х01=0,033; х02=0,967 - содержание ацетона и бензола в уходящей из испарителя жидкости, % масс.;
=717,7 кг/м3; =813,9 кг/м3 - их плотности при t2=81 0C [1].
Коэффициент теплопроводности жидкой фазы определяется по правилу аддитивности:
где - коэффициенты теплопроводности ацетона и бензола при t2=81 0С [1].
Коэффициент динамической вязкости определяем по уравнению:
где - мольные доли ацетона и бензола в жидкости, уходящей из испарителя;
- их динамические вязкости при t2=81 0C [1].
Тогда кинематическая вязкость жидкой смеси определяется как
Поверхностное натяжение на границе раздела пар - жидкость определим по уравнению:
где Н/м; Н/м - поверхностные натяжения ацетона и бензола при t2=81 0C [1].
Коэффициент теплоотдачи определим после предварительного расчета коэффициента b
Тогда
.
Коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости, как функция удельной тепловой нагрузки испарителя, определяется по формуле ():
.
2.8 Коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося водяного пара
Для случая конденсации водяного пара внутри горизонтальных труб коэффициент теплоотдачи определяется по уравнению ():
,
где - коэффициент, зависящий от средней температуры конденсата и определяемый по графику (рис.5);
q - удельная тепловая нагрузка испарителя, Вт/м2;
L - длина трубы, м;
dв - внутренний диаметр трубы, м.
Испарители с паровым пространством изготовляются только из труб длиной 6,0 м и диаметром 25х2 мм. Тогда L = 6,0 м и dв = 0,021 м.
Средняя температура конденсата равна:
,
где t3 = 132,9 0С - температура насыщенного водяного пара при давлении 3 кгс/см2;
tст - температура стенки со стороны конденсирующегося пара, 0С.
Рис. 5. График зависимости величины А от tср.
Температура стенки tст, как правило, мало отличается от температуры конденсации насыщенного водяного пара, поэтому без большой погрешности можно принимать .
По графику (рис.5) при tср=132,9 0С А=7,3. Тогда коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующего пара будет равен:
.
Таким образом, коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося водяного пара, как функция удельной тепловой нагрузки испарителя, определяется по формуле ():
.
2.9 Коэффициент теплопередачи, поверхность теплообмена
С учетом тепловых сопротивлений стенки и загрязнений ее обеих поверхностей коэффициент теплопередачи определим из уравнения ():
где = 0,002 м - толщина стенки трубы;
= 46,5 - коэффициент теплопроводности материала стенки трубы (углеродистая сталь);
- тепловое сопротивление загрязнения наружной поверхности труб [2];
- тепловое сопротивление загрязнения внутренней поверхности труб [2];
Тогда
Так как коэффициенты теплоотдачи и являются функциями удельной тепловой нагрузки испарителя q, величина которой неизвестна, то вычисление коэффициента теплопередачи К ведется методом последовательного приближения. Задаются различными числовыми значениями удельной тепловой нагрузки q и для каждого из них определяются коэффициенты теплоотдачи и и температурный напор .
Результаты расчетов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Расчеты коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи и температурного напора
|
Величины |
Результаты расчетов |
|||
|
1 |
2 |
3 |
||
|
q, Вт/м2 (принимается) |
30000 |
50000 |
70000 |
|
|
, |
1639 |
2304,7 |
2884,6 |
|
|
, |
8455,9 |
10916,5 |
12916,6 |
|
|
, |
895,8 |
1094,7 |
1231,3 |
|
|
, 0С |
33,49 |
45,67 |
56,85 |
По данным таблицы 1.1 строим график зависимости от q (рис.6).
Рис. 6. График зависимости
Зная, что в рассчитываемом испарителе температурный напор =51,9 0С, находим по графику, называемому нагрузочной характеристикой испарителя (рис.6), соответствующую удельную тепловую нагрузку испарителя q = 61500 Вт/м2.
Коэффициент теплопередачи в испарителе будет равен:
.
Расчетная поверхность теплообмена равна:
м2.
В результате расчета поверхности теплообмена по ГОСТ 14248-79 [3] принимаем кожухотрубчатый испаритель с паровым пространством, имеющий следующую техническую характеристику:
Диаметр кожуха 800 мм
Диаметр распределительный камеры трубного пучка 400 мм
Длина трубок 4000 мм
Диаметр трубок 25х2 мм
Число ходов по трубам 2
Поверхность теплообмена 38 м2
В выбранном испарителе запас поверхности
2.10 Определение диаметров штуцеров
Диаметр штуцеров определяют из уравнения расхода:
м
где V - объемный расход потока, м3/с;
Y - массовый расход потока, кг/с;
- плотность вещества потока, кг/м3;
w - допустимая линейная скорость потока, м/с.
Величина допустимой скорости потока для расчета диаметра штуцеров (а также трубопроводов и других деталей и узлов химических аппаратов) принимается по опытным данным скоростей движения жидкостей и газов (паров) в промышленных условиях, приведенным в таблице 2.
Таблица 2. Ориентировочные значения допустимой скорости потока
|
Среда и условия движения |
Скорость, м/с |
|
|
Маловязкие жидкости (до 0,01 при перекачивании насосом Вязкие жидкости (свыше 0,01 при перекачивании насосом Жидкости (конденсаты) при движении самотеком Пар насыщенный Пар перегретый (газы) Парожидкостный поток в пересчете на однофазный жидкостный поток |
По рассчитанным значениям диаметров штуцеров принимают нормализованные диаметры, числовые значения которых приведены ниже.
dш (мм): 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400,500, 600, 800.
Для принятых значений диаметров уточняются скорости потоков в штуцерах.
В межтрубном пространстве испарителя поступает смесь ацетона и бензола в количестве Y1=4,86 кг/с при температуре 78 0С.
Плотность поступающей смеси определим по уравнению:
кг/м3
где х1=0,06; х2=0,94 - содержание ацетона и бензола во входящей флегме, % масс.;
кг/м3; кг/м3 - их плотности при температуре 78 0С [1] (получены интерполяцией).
Ориентировочное значение скорости жидкости, поступающей самотеком с низа ректификационной колонны в испаритель, примем согласно таблице 2 равным 0,5 м/с.
Тогда
м.
Принимаем мм.
Уточненное значение скорости в штуцере составит:
м/с.
Из испарителя уходит жидкость в количестве кг/с при температуре 81 0С. Плотность ее кг/м3 (расчет приведен выше). Жидкость движется также самотеком на прием насоса, поэтому ориентировочное значение скорости примем равным м/с.
Тогда
м.
Принимаем мм.
Уточненное значение скорости в штуцере составит:
м/с.
Из испарителя уходит паровая фаза в виде насыщенного пара в количестве кг/с. Плотность ее кг/м3 (расчет приведен выше).
Примем ориентировочное значение скорости м/с.
Тогда
м.
Принимаем мм.
Уточненное значение скорости в штуцере составит:
м/с.
В трубное пространство испарителя поступает насыщенный водяной пар в количестве кг/с при давлении 3 кгс/см2 и температуре 132,9 0С. При этих условиях плотность водяного пара равна кг/м3 [2].
Примем ориентировочное значение скорости м/с.
Тогда
м.
Рассчитанное числовое значение диаметра штуцера соответствует нормализованному значению диаметра. Поэтому скорость водяного пара во входном штуцере будет равна принятой, т.е. м/с.
В трубном пространстве испарителя насыщенный водяной пар должен быть полностью сконденсирован. Для соблюдения этого условия образующийся конденсат отводят из аппарата через конденсатоотводчик, обеспечивающий, с одной стороны, быстрый и своевременный отвод конденсата, а с другой - препятствующий уходу с конденсатом части не успевшего сконденсироваться пара (так называемого пролетного пара), предотвращая тем самым его потерю.
Конденсат из испарителя уходит самотеком при температуре 132,9 0С. При этой температуре его плотность равна кг/м3 [2, с.537].
Примем ориентировочное значение скорости м/с.
Тогда
м.
Принимаем мм.
Уточненное значение скорости конденсата водяного пара в штуцере составит:
м/с.
2.11 Определение потерянного напора в межтрубном пространстве испарителя
Основными гидравлическими сопротивлениями на пути движения потоков через испаритель являются сопротивления входа и выхода (определяются по скоростям потоков в штуцерах) и сопротивления, которое оказывает слой жидкости в испарителе движению образовавшихся паров.
Тогда расчетная формула для определения потерянного давления в межтрубном пространстве будет иметь вид:
,
где - коэффициенты местных сопротивлений на входе в межтрубное пространство и выходе из него [2];
кг/м3 - плотность жидкости, поступающей в испаритель;
кг/м3 - плотность жидкости, в испарителе;
кг/м3 - плотность пара, уходящего из испарителя;
м/с2 - ускорение силы тяжести;
м/с, м/с - уточненные значения скоростей потоков в штуцерах;
h - высота слоя жидкости в испарителе, м.
Для обеспечения достаточной поверхности зеркала испарения и объема парового пространства высоту слоя жидкости в испарителе поддерживают с помощью сливной перегородки примерно равной 2/3 диаметра корпуса аппарата. Для рассматриваемого случая м.
Подставляя числовые значения приведенных величин в расчетную формулу, получим:
Па
Таким образом, гидравлический расчет испарителя показал, что сопротивление межтрубного пространства (потерянное давление) составляет 5472,5 Па.
Диаметры штуцеров на входе и выходе потоков жидкости в межтрубное пространство испарителя соответственно равны 150 и 80 мм, на выходе пара 300 мм.
Диаметр штуцеров на входе и выходе в трубное пространство испарителя горячего теплоносителя соответственно равны 125 и 50 мм.
3. Основные выводы по результатам проекта
В курсовом проекте на основании технического задания на проектирование произведен технологический расчет испарителя с паровым пространством, который включает:
определение температур холодного теплоносителя;
определение тепловой нагрузки испарителя;
рассчитать расход греющего пара;
определение напора по поверхности нагрева испарителя;
основные размеры тарелки;
определение теплоотдачи со стороны кипящей жидкости;
определение теплоотдачи со стороны конденсирующегося водяного пара;
определение коэффициента теплопередачи;
рассчитать поверхность теплообмена испарителя;
гидравлический расчет испарителя.
Графическая часть проекта включает в себя чертеж технологической схемы установки.
Согласно результатам расчета принят испаритель с поверхностью теплообмена 38 м3.
Список использованной литературы
1. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.М. Физматгиз, 1963.708 с.
2. Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Изд.2-е, пер. и доп.Л., "Химия", 1974 г., 344с.
3. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского.М. Химия, 1983.273 с.
4. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии.М. Химия, 1968.847 с.
5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.Л. Химия, 1987.576 с.
6. Романков П.Г. и др. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии. Санкт-Петербург. ХИМИЗДАТ, 2010.504 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Классификация теплообменных аппаратов применяемых в нефтегазопереработке. Назначение испарителей. Обслуживание и чистка теплообменников. Определение температур холодного теплоносителя. Расход греющего пара. Определение диаметров штуцеров испарителя.
курсовая работа [463,2 K], добавлен 14.03.2016Теплообмен - процесс переноса энергии в форме тепла, происходящий между телами с различной температурой. Назначение теплообменного аппарата в технологической схеме. Конструкция кипятильника и ректификационной колонны. Расчет конструктивных элементов.
дипломная работа [1,8 M], добавлен 11.02.2012Основная роль теплообменных аппаратов при работе современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Классификация теплообменных аппаратов ДВС. Охладители воды и масла. Водо-водяные и воздухо-водяные охладители. Охладители наддувочного воздуха ДВС.
реферат [611,2 K], добавлен 20.12.2013Материальный баланс ректификационной колонны непрерывного действия для разделения ацетона и воды, рабочее флегмовое число. Коэффициенты диффузии в жидкости для верхней и нижней частей колонны. Анализ коэффициента массопередачи и расчет высоты колонны.
курсовая работа [107,7 K], добавлен 20.07.2015Общие сведения о теплообменных аппаратах: их конструктивное оформление, характер протекающих в них процессов. Классификация теплообменников по назначению, схеме движения носителей, периодичности действия. Конструкции основных поверхностных аппаратов.
реферат [3,5 M], добавлен 15.10.2011Диаграмма изменения составов жидкости и пара от температуры. Описание технологической схемы ректификационной установки. Классификация ректификационных установок. Клапанные тарелки. Способы проведения тепловых процессов. Обзор теплообменных аппаратов.
курсовая работа [1012,6 K], добавлен 17.04.2014Изучение устройства и определение назначения теплообменных аппаратов, основы их теплового расчета. Конструкторское описание основных элементов криогенных машин и установок, их назначение. Понятие теплообмена и изучение основных законов теплопередачи.
контрольная работа [486,6 K], добавлен 07.07.2014Проектирование рекуперативных теплообменных аппаратов. Тепловой конструктивный расчёт рекуперативного кожухотрубчатого теплообменника, а также тепловой расчёт пластинчатого теплообменника. Расчет гидравлических сопротивлений при движении теплоносителей.
курсовая работа [562,3 K], добавлен 29.12.2010Понятие и технологическая схема процесса ректификации, назначение ректификационных колонн. Расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения смеси бензол-толуол с определением основных геометрических размеров колонного аппарата.
курсовая работа [250,6 K], добавлен 17.01.2011Теплообменные аппараты паротурбинных установок, признаки их классификации. Функциональное назначение теплообменных аппаратов. Конструктивный расчет регенеративного подогревателя низкого давления, определение его основных геометрических параметров.
контрольная работа [1,5 M], добавлен 20.12.2011Расчет и проектирование колонны ректификации для разделения смеси этанол-вода, поступающей в количестве 10 тонн в час. Материальный баланс. Определение скорости пара и диаметра колонны. Расчёт высоты насадки и расчёт ее гидравлического сопротивления.
курсовая работа [56,3 K], добавлен 17.01.2011Сравнительная характеристика аппаратов. Расчет ректификационной колонны для разделения смеси трихлорэтан-дихлорэтан. Технологическая обвязка аппарата по ГОСТу. Техника безопасности при обслуживании оборудования. Физико-технические свойства веществ.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 05.06.2010Изучение ректификации как процесса многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Определение параметров и разработка проекта ректификационной тарельчатой колонны с ситчатыми тарелками для разделения смеси бензол - уксусная кислота.
курсовая работа [235,2 K], добавлен 20.08.2011История и современное состояние испарителей холодильных установок. Камерные приборы тихого охлаждения. Классификация и конструкции основных типов испарителей холодильных установок. Камерные приборы тихого охлаждения. Модернизация атмосферных испарителей.
курсовая работа [5,3 M], добавлен 12.10.2013Определение поверхности теплообмена и конечных температур рабочих жидкостей. Расчетные уравнения теплообмена при стационарном режиме - уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса. Расчёт кожухотрубчатого и пластинчатого теплообменных аппаратов.
курсовая работа [5,2 M], добавлен 03.01.2011Ознакомление с конструкцией теплообменных аппаратов нефтепромышленности; типы и конструктивное исполнение кожухотрубчатых установок. Описание технологического и механического расчета оборудования. Выбор конструкционных материалов и фланцевого соединения.
дипломная работа [3,3 M], добавлен 17.04.2014Ректификация как один из наиболее важных методов разделения жидких смесей, сфера ее применения. Основные типы и конструкции, схемы ректификационных аппаратов. Установки для разделения многокомпонентных смесей. Технология работы ректификационной колонны.
презентация [1,5 M], добавлен 18.03.2014Классификация и устройство испарителей бытовых холодильников, основные технические требования к ним. Существующие неисправности испарителей и разработка усовершенствованного технологического процесса ремонта. Планирование мероприятий для осушки масла.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 23.01.2011Материальный баланс процесса ректификации. Расчет флегмового числа, скорость пара и диаметр колонны. Тепловой расчет ректификационной колонны. Расчет оборудования: кипятильник, дефлегматор, холодильники, подогреватель. Расчет диаметра трубопроводов.
курсовая работа [161,5 K], добавлен 02.07.2011Процесс ректификации. Технологическая схема ректификационной установки для разделения смеси диоксан–толуол. Расчет параметров дополнительных аппаратов для тарельчатой колонны. Выбор конструкционных материалов, расчет теплового и материального баланса.
курсовая работа [461,0 K], добавлен 30.11.2010
