Теплообмінник типу "труба в трубі" для нагріву хлороформу гарячою водяною парою

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольна робота

Теплообмінник типу "труба в трубі" для нагріву хлороформу гарячою водяною парою



Зміст

Вступ

1. Порівняльна оцінка теплообмінників

2. Особливості апарата, що проектується

3. Властивості речовин

4. Вибір конструктивного матеріалу

5. Опис технологічної схеми

6. Тепловий розрахунок

Висновок

Список використаної літератури



Вступ

У хімічній промисловості широкого застосування набули теплові процеси - нагрівання, охолодження рідин і газів, конденсація пари, які проводяться в теплообмінних апаратах(теплообмінниках). Ці процеси є, як правило, проміжними чи завершальними стадіями промислового виробництва.

Теплообмінниками називають апарати, призначені для передачі тепла від однієї речовини до іншої. Ці апарати мають різноманітне конструктивне оформлення, яке залежить від характеру процесів, що в них проходять, та умов проведення цих процесів.

Теплообмінник можуть бути самостійними апаратами, а також складовою частиною апаратури.

Всі теплообмінники залежно від способу передачі тепла поділяють на дві групи:

1. Поверхневі теплообмінники - перенесення тепла між середовищами відбувається через стінку, яка їх розділяє;

2. Теплообмінники змішування - тепло від одного середовища до іншого передається під час їхнього безпосереднього контакту.

Регенеративні теплообмінники використовуються рідко, тепло в них рідині подається від попередньо нагрітих твердих тіл (насадки).

Найбільш широко застосовуються у хімічній промисловості поверхневі теплообмінники. В роботі, я розрахую теплообмінник для нагрівання G (кг/год) речовини від початкової температури t1п(^оС) до кінцевої t1к(^оС) теплоносієм з параметрами t2п і t2к(^оС).



Передача тепла у теплообмінних апаратах здійснюється від середовища, що має більш високу температуру, до середовища з нижчою температурою. Рушійною силою процесу теплообміну є різниця температур середовищ. В більшості випадків середовища не змішуються між собою листом (в спіральних і пластинчатих апаратах з оболонкою) або стінкою з труб (в кожух-трубних), їх рух здійснюється прямо чи проти течій по двох чи по декількох просторах апарату. Найпоширенішими є кожух-трубні, спіральні, пластинчасті, типу «труба в трубі» апарати.

Кожух-трубні, пластинчаті, спіральні та інші теплообмінники стандартизовані і випускаються на широкий діапазон робочих параметрів і застосовуються для різноманітних умов теплообміну між технологічними продуктами.



1. Порівняльна оцінка теплообмінників

Конструкція теплообмінників вибирається в залежності від конкретних умов проведення процесу теплообміну.

Ця конструкція повинна задовольняти ряд вимог цього процесу: теплове навантаження апарату, температура і тиск за яких здійснюється процес, агрегатний стан і фізико-хімічні властивості теплоносіїв, їхня хімічна агресивність, умови тепловіддачі, тощо.

Важливими характеристиками теплообмінних апаратів є простота пристрою, компактність апарату, витрату металу на одиницю переданого тепла та інші техніко-економічні показники.

В залежності від конструктивного виконання поверхні теплообміну теплообмінники поділяються на трубчасті і нетрубчасті. Теплообмінники з поверхнею, утвореною з труб - найбільш старі і поширені у наш час типи теплообмінних апаратів.

Вони прості у виготовленні, мають велику надійність у порівнянні з іншими типами теплообмінників при роботі з токсичними продуктами, однак поступаються деяким сучасним нетрубчастим теплообмінним апаратам за такими важливими техніко-економічними параметрами, як маса, що проходить на одиницю поверхні теплообміну, і компактність.

Основна частина кожух-трубних теплообмінників - пучок труб, закріплений на трубних решітках.

Одноходові та багатоходові теплообмінники можуть бути вертикальними або горизонтальними. Простішими в експлуатації і компактнішими є вертикальні апарати. Горизонтальні теплообмінники здебільшого багатоходові і забезпечують більшу швидкість середовищ, задіяних в теплообміні, для того, щоб мінімізувати розшарування рідин внаслідок різниці їхніх густин і температур, а також уникнути утворення застійних зон. Перевагою кожух-трубних теплообмінників можна назвати можливість одержання значної поверхні теплообміну при порівняно невеликих габаритах і добре засвоєна технологія виготовлення. Недоліком є велика витрата металу у порівнянні із спіральними чи пластинчатими.

Якщо різниця температур трубок і кожуха невелика (25-30°С) тоді використовують теплообмінники жорсткої конструкції.

При великій різниці температур можуть виникати вигини і деформація труб, щоб цього не сталося використовують теплообмінники з компенсаторами температурних видовжень(лінзові, сальникові). Вони придатні до експлуатації за невеликих надлишкових тисків у між трубному просторі, що не перевищують 6 атм.

За необхідності забезпечення великих зміщень труб і кожуха використовують теплообмінник з плаваючою головкою. Однак ця конструкція є складною і громіздкою.

Простішою і менш метало ємною конструкцією апарата є кожух-трубний теплообмінник з V-подібними трубами.

Ці теплообмінники є зручними під час обслуговування, а у двох та багатоходових досягають інтенсивного теплообміну. До недоліків цих теплообмінників належать: складність очищення внутрішньої поверхні труб та складність розміщення великої кількості труб у трубній решітці.

Для інтенсифікації процесу та збільшення швидкості теплообміну застосовують багатоходові теплообмінники. Одна підвищення інтенсивності теплообміну у багатоходових теплообмінниках супроводжується зростанням гідравлічного опору та ускладненням їх конструкції. Тому доцільно використовувати 5-6 ходові апарати.

Крім кожух-трубних, є також змієвикові теплообмінники. До них належать зрошувальні, приварені до зовнішніх стінок апаратів та ін.

Їх найбільш ефективно використовують для охолодження і обігрівання сильно агресивних середовищ, коли необхідне використання хімічно стійких матеріалів, з яких важко чи неможливо виготовити трубчасті теплообмінники. Їх також використовують для процесів, що проходять при високих тисках.

Теплообмінники «труба в трубі» використовуються як нагрівачі та реакційні апарати. Якщо правильно підібрати діаметр зовнішньої труби, то у цих теплообмінниках можна досягнути високих швидкостей і коефіцієнтів тепловіддачі навіть при малих витратах обох теплоносіїв. Недоліками цих апаратів є велика кількість роз'ємних з'єднань, вони громіздкі і металомісткі. Їх використовують для проведення процесів нагрівання і охолодження при високих тисках.

До компактних апаратів, що забезпечують високі швидкості теплоносіїв за невеликого гідравлічного опору належать спіральні теплообмінники. Вони використовуються для нагрівання і охолодження рідин, газів і парогазових сумішей. Проте вони характеризуються такими недоліками: складність у виготовленні, працюють за обмежених надлишкових тисків, оскільки намотка спіралей ускладнюється із зростанням товщини листів.

Пластинчаті теплообмінники складаються з ряду тонких паралельних пластин, між якими рухаються теплоносії. Ці апарати мають найвищі техніко-економічні характеристики порівняно з теплообмінниками інших типів. Недоліком є неможливість їхньої роботи за високих тисків і складність підбору еластичних хімічно стійких матеріалів для прокладок.

Існують також спеціальні теплообмінні апарати з оболонками. В таких апаратах нагрівання чи охолодження здійснюється поруч з іншими процесами, наприклад хімічними. Застосування цих апаратів обмежене невеликою поверхнею теплообміну (до 10 м²) і тиском в оболонці (до 1 МПа).

Теплообмінні апарати змішування використовуються переважно для конденсації парів і охолодження газів водою, а також для охолодження води повітрям.

Для досягнення високих коефіцієнтів теплопередачі теплоносії слід пропускати через апарат з великими швидкостями, але при цьому зростає гідравлічний опір. Також щоб коефіцієнт теплопередачі був високим поверхня теплообміну не повинна бути забрудненою, а якщо ці забруднення утворюються, то вона повинна бути доступною для очищення.

Рис. 1. - Нерозбірний однопоточний теплообмінний типу “труба в трубі”:

Рис. 2. - Компонування секцій нерозбірного однопоточного теплообмінника в блок:

Рис. 3. - Кожух-трубний двохходовий холодильник:



Рис. 4. - Пластинчатий теплообмінний на двохопорній рамі:

2. Особливості апарата, що проектується

Рис. 5:



Теплообмінник складається з кожухових труб 5, розвальцьованих у двох трубних решітках: середній 4 і правій 7. Всередині кожухових труб містяться теплообмінні труби 6. Один кінець теплообмінних труб жорстко зв'язаний з лівою трубною решіткою 2, а другий може приміщуватися. Вільні кінці теплообмінних труб попарно з'єднані колінами 8 і закриті камерою 9. Для розподілу потоку теплоносія по теплообмінних трубах призначена розподільна камера 1 з перегородкою 13, а для розподілу теплоносія у між трубному просторі - розподільна камера 3 з перегородкою 12. Пластинами11 кожухові труби жорстко з'єднано з опорами 10.

Теплообмінник має сім потоків, два ходи по внутрішніх трубах і два по зовнішніх. Вузли з'єднання теплообмінних труб з трубною решіткою (вузол І) із колінами (вузол ІІ) ущільнені за рахунок притискання і деформації пів кульових ніпелів у конічних гніздах. Оскільки можливість температурних подовжень кожухових труб внаслідок жорсткого з'єднання їх з опорами обмежена, перепад температур входу і виходу середовища, що рухається по кільцевому зазору, не повинен перевищувати 150°С.

Переваги теплообмінників "труба в трубі":

- високий коефіцієнт теплопередачі внаслідок великої швидкості обох теплоносіїв;

- простота виготовлення.

Недоліки цих теплообмінників:

- громіздкість;

- висока вартість, зважаючи на велику витрату металу на зовнішні труби, що не беруть участь в теплообміні;

- складність очищення між трубного простору.

Теплообмінники "труба в трубі" можуть використовуватись, як для нагрівання, так і для охолоджування.

Швидкість робочих середовищ і коефіцієнт теплопередачі залежить від діаметрів зовнішньої та внутрішньої труб: при виборі відповідних діаметрів враховують необхідність задати відповідну швидкість обом середовищам та отримання високих значень коефіцієнту теплопередачі. Використовування водяної пари, як граючого агента, має наступні переваги:

- високий коефіцієнт тепловіддачі;

- велика кількість тепла, що виділяється при конденсації пари;

- рівномірність обігріву, оскільки конденсація пари відбувається при постійній температурі;

- легке регулювання обігріву.

Спроектований теплообмінник є розбірним, що дозволяє змінювати поверхню теплообміну шляхом зміни довжини стандартних секцій.

3. Властивості речовин

Згідно завданню в теплообміні беруть участь хлороформ і насичена водяна пара.

Конденсат (за температури 101.1^оС):

- теплоємність с1 = 4190 Дж/кг*К;

- питома густина с1 = 957 кг/м³;

- коефіцієнт динамічної в'язкості µ1 = 0.24 мПа/c;

- коефіцієнт теплопровідності л1 = 0.648 Вт/м*К.

Пара:

- густина 0.5790 кг/м³.

Фізико-хімічні властивості хлороформу.

Хлороформ являє собою безбарвну, прозору, летку, негорючу рідину з характерним солодким запахом.

Хлороформ чудово розчиняє багато органічних матеріалів, але внаслідок високої токсичності поступово використання хлороформу замінюється на дихлорометан. Промислове споживання хлороформу (до 90%) наразі іде на виробництво фреону-22.

CDCl3 - один з найбільш вживаних розчинників для спектроскопії ядерного магнітного резонансу. Широко застосовуюся з 1847 року для анестезії. Довгий час він був домінуючим інгаляційним анестетикам, а тепер витіснений разом з іншими шкідливими вуглеводнями менш токсичними анестетиками через свою негативну дію на печінку та нирки.

При тривалому контакті з повітрям може накопичувати небезпечну кількість дуже отруйного фосгену та хлороводню. Для запобігання розкладання при зберіганні у хлороформ додають ~1% етанолу для стабілізації. Рвотні позови, запаморочення, мігрень, втома - ось перші ознаки впливу хлороформу, далі людину чекають хвороби печінки і нирок, а у вагітних жінок можливі викидні. Негативно впливає на нервову систему. При вдиханні у великій кількості можлива зупинка дихання.

Властивості хлороформу (за температури 40^оС).

- питома теплоємність с2 = 984.65 Дж/кг*К;

- коефіцієнт теплопровідності л2 = 0.1125 Вт/м*К;

- коефіцієнт динамічної в'язкості µ2 = 0.466 мПа/c;

- питома густина с2 = 1450 кг/м³;

- критерій Прандтля Pr 3.8.

4. Вибір конструктивного матеріалу

Оскільки хлороформ є агресивним середовищем то в якості конструктивного матеріалу для основних деталей вибираємо сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, яка працює в агресивних середовищах при температурах до 600^оС і яка є стійкою до хімічної, електрохімічної, атмосферної, кислотної, соленої, поверхневої корозії.

5. Опис технологічної схеми

Найбільш поширений прийом очищення стічних вод від органічних домішок - біохімічний. Але при виробництві синтетичної продукції, наприклад, віскози в стічні води потрапляють штучні органічні речовини, такі як ізобутанол, диметилацетомид та ін., які біоценози не здатні переробляти в нешкідливі домішки.

Тоді для видалення зі стічних вод цих забруднень застосовують більш дорожчий, але ефективний прийом-адсорбцію. В якості сорбенту беруть активоване вугілля. В адсорбційних фільтрах (колонах) забруднюючі домішки приєднуються (прилипають) до вугілля.

Регенерацію вугілля здійснюють за допомогою хлороформу, а десорбцію хлороформу-водяною парою.

Стічна вода, що містить органічні домішки, надходить в адсорбційний фільтр 1. Після використання адсорбційної ємності адсорбенту залишки води з адсорбенту скидають за допомогою відповідного трубопроводу в збірник неочищених стічних вод.

Потім з ємкості 2 у колону подають розчинник-хлороформ. Після повного заповнення шару адсорбенту, що регенерується хлороформом, розчинник зливається через переливний пристрій у ємкість 12. Звідси хлороформ, що містить вилучені з активованого вугілля сполуки, подається в теплообмінник 11, де підігрівається до температури кипіння, і далі у ректифікаційну колону 4.

Пара хлороформу через верхню частину колони потрапляє в конденсатор 3 і далі в ємкість 2, а потім знову на адсорбент, який регенерується. Отже за час регенерування адсорбент багато разів промивають чистим хлороформом.

Органічні речовини, які вилучаються з води вугіллям, концентруються в кубовий рідині ректифікаційної колони. Кубова рідина після охолодження в охолоднику 9 надходить на вакуумну відгонку ізобутанолу.

Після вилучення органічних речовин з пор активованого вугілля хлороформом здійснюють відгонку (регенерацію) хлороформу водяною парою. Для цього в адсорбційну колону подають пару.

Подавання пари припиняють, коли об'єм конденсату дорівнює 1% об'єму очищеної води. Після охолодження конденсат подають у відстійник-розподільник 7, де відбувається відділення хлороформного шару від водного. Хлороформний шар після підігрівання до температури кипіння надходить до ректифікаційної колони, а вода, що містить розчинений хлороформ, у допоміжний адсорбер 6, звідки відокремлений хлороформ утилізується в тій же системі регенерації вугілля, а вода-в колектор очищених стічних вод.

Регенерування активованого вугілля в допоміжному адсорбенті здійснюють водяною парою.

6. Тепловий розрахунок

Температурний режим апарата.

Температура конденсації насиченої водяної пари за тиску 0.1 МПа. Питома теплота конденсації r = 2264 кДж/кг. Розраховуємо температур теплоносіїв на кінцях теплообмінника і середню рушійну силу ?tc.

Оскільки:

Дtб / Дtм < 2

- середню різницю температур можна розрахувати як арифметичну.

Середні температури теплоносіїв:

- температура конденсату є температурі граючої пари tк = 101.1^оС;

- середня температура хлороформу:



Теплове навантаження теплообмінника:

Розрахунок необхідної поверхні теплообміну.

Розрахунок конструктивних розмірів апарата.

Приймаємо, що теплообмінник виготовлений з труб діаметром 48Ч4 (внутрішня труба) і 89Ч5 (кожухова труба) D2,10. Матеріал труб - сталь Х18Н9Т. Коефіцієнт теплопровідності л = 17,5 Вт/(м/К).

Для забезпечення турбулентного режиму в теплообмінних трубах виберемо число Рейнольдса Rе2 = 15 * 103. Тоді швидкість руху толуолу в трубах повинна бути:

Кількість труб, що паралельно працюють (потоків):

Критерій Рейнольдса для хлороформу:

Режим руху турбулентний.

Розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі і теплопередачі.

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до хлороформу.

Розрахуемо критерій Нусельта розраховуємо за формулою:

Коефіцієнт е_l, який враховує вплив на коефіцієнт тепловіддачі відношення довжини труби L до її діаметра d приймаємо таким що дорівнює одиниці, оскільки для заданого типу теплообмінників мінімальна довжина труб становить 3 м. і відношення:

L / d > 50

Приймемо у першому наближенні:

Тоді:

Коефіцієнт тепловіддачі у випадку конденсації пари розраховуємо за формулою:



Де:

л1 - коефіцієнт теплопровідності плівки конденсату;

r - питома теплота конденсації за температури конденсації;

с1 - питома густина конденсату;

d3 - зовнішній діаметр труби;

µ1 - в'язкість конденсату.

?t = ?tконд. - ?tст.1

Приймемо в першому наближенні температуру стінки як середньоарифметичну між температурою конденсації пари і середньою температурою хлороформу:

Приймаємо теплову провідність забруднень з боку конденсату 5800 Вт/(м²/К) й таку саму теплову провідність з боку хлороформу.

Розраховуємо коефіцієнт теплопередачі за формулою:

Перевіримо температуру tcm1 за рівнянням:



Розрахунок необхідної поверхні теплообміну і вибір стандартизованого теплообмінника.

З основного рівняння масо передачі:

Вибираємо стандартизований теплообмінника D2,10.



Висновок

Регенеративні теплообмінники використовуються рідко, тепло в них рідині подається від попередньо нагрітих твердих тіл (насадки).

Найбільш широко застосовуються у хімічній промисловості поверхневі теплообмінники.

Передача тепла у теплообмінних апаратах здійснюється від середовища, що має більш високу температуру, до середовища з нижчою температурою. Рушійною силою процесу теплообміну є різниця температур середовищ. В більшості випадків середовища не змішуються між собою лситом (в спіральних і пластинчатих апаратах з оболонкою) або стінкою з труб (в кожух-трубних), їх рух здійснюється прямо- чи протитечійно по двох чи по декількох просторах апарату.

Найпоширенішими є кожух-трубні, спіральні, пластинчасті, типу «труба в трубі» апарати. теплообмінник технологічний водонагрівач

Кожух-трубні, пластинчаті, спіральні та інші теплообмінники стандартизовані і випускаються на широкий діапазон робочих параметрів і застосовуються для різноманітних умов теплообміну між технологічними продуктами.



Список використаної літератури

1. Процеси та апарати хімічної технології: навч. посібник з проектування / А.І. Дубинін, Р.І. Гаврилів, І.О. Гузьова, за ред. А.І. Дубиніна. - Львів: Видавництво Львівської політехніки, 2012. - 360 с.

2. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. - Л.: Химия, 207. - 576 с.

3. Йоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии / Йоффе И.Л. - Л.: Химия, 2008. - 352 с.

4. Справочник химика / Редкол.: Никольский Б.П. и др. - 3-е изд., испр. - Л.: Химия, 1971. - Т.2. - 1168 с.

Размещено на Allbest.ru

...