Теплообмін

У хімічної промисловості поширені теплові процеси — нагрівання і охолодження рідин і газів і конденсація парів, які у теплообмінних апаратах. Теплообменные апарати чи навіть теплообмінники використовуються практично в усіх галузях промисловості. Їх основне завдання забезпечити температурного режиму технологічних процессов.

Нині все теплообменные апарати, використовувані у хімічній промисловості, поділяються на певні групи з наступним ознаками: за призначенням (нагрівачі, испарители і кип’ятильники; холодильники, конденсатори тощо. д.), по режиму роботи, про особливості конструкції тощо. буд. Холодильники і конденсатори служать для охолодження потоку чи конденсації парів із застосуванням спеціальних хладоагентов (вода, повітря, пропан, хлористий мітив, фреони тощо. д.).

Поверхневі теплообменные апарати можна розділити ми такі типи по конструктивним признакам:

а) кожухотрубчатые теплообмінники (жорсткого типу; з линзовым компенсатором на корпусі; з плаваючою голівкою; з U-образными трубками);

б) теплообмінники типу «труба в трубе»;

в) підігрівники з паровим простором (рибойлеры);

г)конденсаторы повітряного охлаждения.

Кожухотрубчатые теплообмінники нині найширше поширені, за деякими даними вони є до 80% від усієї теплообменной апаратури. Основний частиною такого теплообмінника є пучок труб, закріплених в трубних ґратах. Трубки містяться у трубному пучку в шаховому порядку чи з вершин трикутників. Один із теплообменивающихся середовищ рухається по трубкам, іншу — всередині корпусу між трубками.

Перевагою кожухотрубчатого теплообмінника є можливість отримання значної поверхні теплообміну при порівняно невеликих габаритів і добре освоєна; недоліком — вищий витрата матеріалу проти деякими сучасними типами теплообмінних апаратів (спіральними, пластинчастими теплообмінниками тощо. буд.). Теплообмінники може бути вертикального горизонтального виконання. Обидва варіанта установки однаково поширені і вибираються переважно з міркувань монтажу: вертикальні займають меншу площу перейменують на цеху, горизонтальні можуть бути в порівняно невисокому приміщенні. Матеріал виготовлення теплообмінників — углеродистая чи нержавіюча сталь.

За оцінками експертів на виготовлення трубчастих теплообмінників витрачається близько третини всього металу, споживаного машинобудуванням. Тому розробляються методи інтенсифікації теплообміну які сприяють зниженню маси теплообмінників, економії матеріалів, є актуальною проблемою, якою опікуються фахівці багатьох країн. Однією з найпростіших і найефективніших шляхів інтенсифікації теплообміну є зміна форми та режиму руху теплоносителя.

Розділюваний суміш (бензол-толуол) має токсичними, коррозийными властивостями. Виберемо виготовлення апарату марку стали: звичайні М.Ст.2, М.Ст.3.

1.РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ.

1.1ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ.

Мета: перебування поверхні теплообміну. По розрахованої поверхні виробляється добір нормализированного варіанта теплообмінника по каталогам. Значимість необхідної поверхні теплообміну визначаємо з урахуванням рівняння теплопередачі [1]:

Q = KF? tср. (1).

де Q — теплова навантаження апарату Вт,.

K — коефіцієнт теплопередачі Вт/м?К,.

F — поверхню теплообміну м?,.

?tср. — середня рушійна сила процесу теплопередачі К,.

Відповідно до приведеним рівнянням поверхню теплообміну можна визначити наступним образом:

(2).

1.1.1. ТЕПЛОВИЙ БАЛАНС.

Мета: визначення теплової навантаження апарату і перебування невідомого витрати теплоносителя.

Для перебування теплової навантаження апарату складемо рівняння теплового балансу процесу. Процес йде зі зміною агрегатного стану гарячого теплоносія, тому рівняння теплового балансу має вид:

?Gг r = Gх (Iхк — Iхн) (3).

де? — величина теплових втрат рівна 5%,.

G — витрата гарячого теплоносія, кг/с,.

r- питома теплота фазового переходу, Дж/кг,.

G — витрата холодного теплоносія, кг/с,.

I — энтальпия речовини потоку, Дж/кг,.

Энтальпии речовин знайдемо по уравнению:

I = Cp t (4).

де Порівн — теплоёмкость теплоносителя.

при визначальною температурі, Дж/кг град,.

t — температура теплоносія, град.

Для перебування температури, коли він ведеться конденсація скористаємося t x (y) діаграмою. У основі побудови лежать закони Дальтона, Рауля і Рауля — Дальтона. Це робоча діаграма залежності температури кипіння рідини від складу і температури конденсації пара залежно з його складу. Склад бінарною суміші завжди визначається по низкокипящему компоненту.

tнк = 86° (бензол) [ 1 ].

tвк = 117° (толуолу) [ 1 ].

Таблиця № 1.

T° P°нк P°вк П Xнк Y* нк.

86 912 365 912 1 1.

88 963 387 912 0,91 0,96.

90 1016 408 912 0,82 0,91.

92 1081 440 912 0,73 0,86.

94 1147 472 912 0,65 0,81.

96 1212 504 912 0,57 0,75.

98 1278 536 912 0,50 0,70.

100 1344 571 912 0,44 0,64.

102 1424 607 912 0,37 0,57.

104 1504 643 912 0,31 0,51.

106 1584 679 912 0,25 0,43.

108 1644 715 912 0,21 0,37.

110 1748 751 912 0,12 0,23.

112 1846 795 912 0,11 0,22.

114 1944 839 912 0,06 0,12.

116 2042 883 912 0,02 0,04.

117 2091 905 912 0,005 0,01.

Малюнок № 1.

Малюнок № 2.

Температура конденсації дорівнює 89 °C.

tгн 89? tгк.

tхк=45?

tхн=15?

Малюнок № 3 Температурна диаграмма.

За формулою (4) знайдемо энтальпии при заданих температурах:

Ср15= 4173,24 Дж/кг град. [ 1 ].

Cp45=4183,715 Дж/кг град. [ 1 ].

I15вода = 4173,24 · 15 = 62 598,6 Дж/кг,.

I45вода = 4183,715 · 45 = 188 267,1 Дж/кг,.

Для перебування удільної теплоти фазового переходу скористаємося формулой:

Rсм = r1 x1 + r2 x2 (5).

x — масова частка компонента в суміші кгком./кгсм.,.

Ма · х.

x = ???

Мсм.

78 · 0,92.

Х = ??? = 0,78 кмоль ком./кмоль см.,.

хбензол = 0,78; хтолуола = 1 — 0,78 = 0,22.

r бензолу = 418 203,9 Дж/кг, rтолуола =418 455,3 Дж/кг [ 1 ].

rcm = 418 203.9 * 0.92 + 418 455.3 * 0.08 = 418 223.9 Дж/кг.

З формули (3) знайдемо витрата холодного теплоносителя:

0,95 · 418 223,9 · 6500.

Gx = ??? = 5,7 кг/с.

(188 267,1 — 62 598,6) · 3600.

Знаючи витрата холодного теплоносія і энтальпии при заданих температурах знайдемо теплову навантаження апарату по правій частині рівняння (3).

Q = Gх (Iхк — Iхн).

Q = 5,7(188 267,1−62 598,6)=716 310,45 Вт.

1.1.2. ВИЗНАЧЕННЯ РУШІЙНОЇ СИЛИ ПРОЦЕССА.

У узагальненому разі температури теплоносіїв можуть змінюватися, а можуть залишатися постійними вздовж поверхні теплопередачі. Часто зустрічаються такі варіанти, коли температура одного теплоносія не змінюється, тоді як іншого — змінюється (збільшується чи зменшується). У таких випадках до розрахунку процесу теплопередачі вводять поняття про середньої рушій процесу теплопередачи.

Насправді середню рушійну силу процесу теплопередачі розраховують так [1]:

?tб — ?tм.

?tср = ??? (6).

ln (?tб / ?tм).

де ?tб = tгн — tхн =89° - 15° = 74 °C.

?tм = tгн -tхк = 89° - 45° = 44 °C.

74 — 44.

?tср = ??? = 58 °C.

ln (74 / 44).

1.1.3.ОПРЕДЕЛЕНИЕ СЕРЕДНІХ ТЕМПЕРАТУР ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ.

Процес конденсації насиченого водяної пари ведеться при постійної температурі. Ця температура і буде середньої температурою гарячого теплоносія. Середню температуру холодного теплоносія обчислимо по формуле:

tхср = tгср — ?tср = 89° - 58° =31°С.

1.1.4. ПЕРЕБУВАННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ.

Спочатку першому етапі приймаємо орієнтовний значення коефіцієнта теплопередачі Кор. і розраховуємо орієнтовний значення теплопередающей поверхні Fор. По рівнянню (2). Після цього з ориентировочному значенням теплопередающей поверхні підбираємо по табличным даним нормализированный варіант конструкції теплообмінного апарату, та був проводимо уточнённый розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі і теплопередачі і необхідної поверхні (Fрасч.).

Приймемо Кор. =300 Вт/м?град. [ 2 ].

По рівнянню (2) розрахуємо орієнтовну поверхню теплообмена:

716 310,45.

Fор. = ??? = 41 м?

300 · 58.

Розрахувавши Fор. Підбираємо по каталогам нормализированные варіанти теплообмінних аппаратов.

До кожного з апаратів розраховуємо критерій Рейнольдса [1]:

Re =? · dэ ·? /? (7).

де? — лінійна швидкість потоку м/с,.

Dэ — діаметр еквівалентний м,.

? — щільність речовини кг/м?,.

? — в'язкість речовини Па/с.

Швидкість розраховуємо по формуле:

? = М / ?· P. S (8).

де М — масовий витрата теплоносія кг/с,.

? — щільність речовини кг/м?,.

P.S — площа перерізу одного ходу трубами м?,.

Таблиця 2 Параметри кожухотрубчатых теплообмінників і холодильників відповідно до ГОСТ 15 118–79, ГОСТ 15 120–79 і ГОСТ 15 122–79 [ 2 ].

№№ Дк. мм Дтруб, мм Кількість ходів Загальна кількість труб, прим. Поверхня теплообміну (м?) при довжині труб, м (розрахована по зовнішньому діаметру труб) Площа самого вузького перерізу потоку в межтрубном просторі м? Площа перерізу одного ходу трубами, м?? Re.

2 4.

11 400 20×2 1 181 46 0,017 0,036 0,05 953,89.

22 400 20×2 2 166 42 0,017 0,017 0,106 2021,18.

33 600 20×2 4 334 42 0,041 0,016 0,113 2149,11.

44 600 20×2 6 316 40 0,037 0,009 0,2010 3819,38.

55 600 25×2 1 257 40 0,040 0,089 0,0203 506,28.

Вибираємо теплообмінник № 4, тому що в нього значення Рейнольдса найбільше і одно 3819,38. Режим перехідний 2300.

е e.

е = ?/ dэ = 0,06/16 = 0,375.

? = 0,06 мм [2].

dэ = 16 мм (таблиця 1,2).

2666,66 < 3819,382 < 149 333,33>

? = 0,11(е + 68 / 3819,382)0,25 = 0,4 214.

Розраховуємо по формуле.

М.

?прим = ??? (24).

? S.

d = 150 мм [2].

?d? 3.14*(0.15)?

P.S = ??? = ???= 0.1 766.

4 4.

?31вода = 997,6 кг/м?

5,7.

?прим = ??? = 0,1 836 м/с.

997,6 * 0,1 766.

За формулою (3,2) найдём:

2 · 4 (0,2010)? · 997,6.

?Рп.тр. = 0,4 214 · ??? · ??? + [2,5(4−1) + 2 · 4].

0,016 2.

(0,2010)? · 997,6 997,6 · (0,1 836)?

* -???+ 3 ???+ 997,6 · 9,8 · 2 · 3 = 59 396,3424 Па.

2 2.

?Р 59 396.3424.

Нп = ??? = ??? = 6.06 [ м ст. жидкости].

?g 997.6 * 9.81.

За формулою (21) найдём:

?зв. =0,40 [2].

?перекл. = 1 [2].

?дв. = 1 [2].

0,1 809 · 59 396,3424.

N = ??? = 0,268 619 кВт.

1000 · 0,40 · 1 · 1.

Підбираємо відцентровий насос.

Розрахункові Стандартные.

Q м? /з 1,8*10−3 2,4*10−3.

Нп м ст. рідини 6,06 11,3.

Nн кВт 2,6 3.

Марка Х8/18Электродвигатель тип А02−31−2.

2. КОНСТРУКТИВНО-МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ.

У завдання конструктивно-механического розрахунку входить визначення необхідних геометричних розмірів окремих деталей та вузлів, які визначають конструкцію теплообмінного апарату, його механічну міцність і геометричні размеры.

2.1. РОЗРАХУНОК І ДОБІР ШТУЦЕРОВ.

Діаметр умовного проходу (внутрішній діаметр) штуцеров для підвода і відводу теплоносіїв розраховується з урахуванням рівняння масового расхода:

?d?вн.шт.

G =? ?прим. ??? (25).

откуда.

___________.

dвн.шт. =? 4G /? ? ?шт.

.

?прим. — швидкість течії теплоносія в штуцере м/с,.

1. Для насиченого пара.

Чсч. = МБ. · Хб. + Мгт· (1 — Хт.) (27).

Чсч. = 78 · 0,92 + 93 · 0,08 = 79,2.

Чсч. 273 Р.

?пара = ??? · ??? (28).

22,4 Т Р0.

79,2 273 · 1,2.

?пара = ??? · ??? = 3,0723.

22,4 (88 + 273) · 1,034.

Гранично допустима швидкість насиченого пара — (15−25 м/с) — 20 м/с.

По рівнянню (26) найдём:

__________________________.

dвн.шт. =? 4· 6500/3,14 · 20· 3,0723·3600 =93,4 мм.

2. Для конденсата.

Гранично допустима швидкість конденсату — (0,1 — 0,5) — 0,1 м/с.

По рівнянню (4,2) найдём:

___________________________.

dвн.шт. =? 4· 6500/3,14·3600 · 0,1 · 796,812 = 169 мм.

3. Для холодного теплоносителя.

dвн.шт = 150 [мм].

Ду, мм Дп, мм До 0,6 МПа.

Sт, мм Нт, мм.

150×2 159 6 155;215.

200×2 219 6 160;250.

Робоча тиск 0,12МПа.

Конструкцію фланцевого сполуки беруть у залежність від робочих параметрів апарату: плоскі приварные фланці при Р?2.5МПа, t?300°C. У фланцевых з'єднаннях при Р?4.0МПа, t?300°C застосовують болты.

Фланці для труб і трубної арматури сталеві плоскі приварные з з'єднувальним виступом (ГОСТ 1255−67).

РуМПа Розміри, мм Кількість отверстийZ.

150 260 225 202 161 13 3 18 8.

200 315 280 258 222 15 3 18 12.

Діаметр різьби болтів dб всім фланців при відповідних d.

d, мм 12 14 18 23.

d, мм М10 М12 М16 М20.

Фланці для апаратів сталеві плоскі приварные ОСТ-26−426−79.

Д, мм РуМПа Дф Дб Д1 h P. S d Кількість отворів Z.

600 0,3/0,6 720 680 644 25/30 8 23 20.

2.2. ОБЕЧАЙКА ТЕПЛООБМІННОГО АППАРАТА.

2.3.

Обечайка — це циліндричний корпус апарату, який працює, зазвичай, під надлишковим внутрішнім чи зовнішнім тиском. Товщина стінки обечаек, працюючих під внутрішнім тиском розраховується за уравнению:

PR · D.

SR = ??? (29).

2[?] ?p. · ?R.

де PR — розрахункове тиск у апараті, МПа,.

D — діаметр обечайки, мм,.

[?] - предельно-допускаемое напруга, МПа,.

?p. — коефіцієнт міцності шва.

P.S? SR + З, де З — прибавка. (30).

PR? (1.25- 1.5)P[?]20/ [?]t (31).

PR? 1.4 · 0.12 · 140/133,4.

PR? 0.176.

За формулою (30) найдём:

0.176 · 600.

SR = ??? = 0.47 761.

2 · 134 · (1−0.175).

З = 2.

P.S? SR + З = 0.4776 + 2.

P.S? 2.4776? 3 мм.

2.3. ТОВЩИНА ТРУБНИХ РЕШЁТОК.

У середньому товщина трубних ґрат становить від 15 до 35 мм залежно від діаметра развальцованных теплообмінних труб і конструкції теплообмінника, оскільки напруга, під впливом яких міститься напруга, під впливом яких міститься й працює трубна ґрати, визначається як тиском робочої середовища, а й особливостями конструкції аппарата.

Орієнтовно, товщину трубних ґрат можна взяти равной:

Sтр.реш. = (dн/ 8) + 5 мм. = (20/8) + 5 = 7,5 мм.

2.4. ДОБІР ДНИЩА.

Днище — це складовою елемент корпусу хімічних апаратів, яке обмежує корпус знизу і зверху і виготовляється із такого самого матеріалу, як і корпус. За формою днища може бути, залежно тиску середовища проживання і конструктивних міркувань, еліптичними, сферичними, конічними, пласкими, циліндричними; можуть приєднуватися до корпусу пайки, зварюванням чи з допомогою фланцев.

Днища еліптичні отбортованные сталеві з внутрішніми базовими размерами.

Дв, мм P. S, мм М, мм h, мм Fв, м? Vв, м?

600 4−1618−40 150 2540 0,440,47 0,3 520,0395.

2.5. ОПОРИ АППАРАТА.

На фундаменти чи спеціальні які мають конструкції хімічні апарати встановлюються з допомогою опор. Залежно від робітника становища апарату розрізняють опори для горизонтальних і вертикальних аппаратов.

Вертикальні апарати зазвичай встановлюють чи стійках, якщо їх розміщують внизу у приміщенні, чи підвісних лапах, коли апарат розміщують між перекриттями в помещении.

Горизонтальні апарати встановлюють на Седловых опорах.

Залежно від товщини стінки корпусу апарату лапи привариваются чи до корпусу, або до накладному листу.

Накладної лист виконується із такого самого матеріалу, як і корпус і приваривается щодо нього суцільним швом.

Опори підбираються залежно від безлічі аппарата.

Gап. = Gоб. + 2Gкр. + Gтруб. + 2Gтр. реш + Gр-ра + 15% (ваги апарату) (32).

Gоб = h · ?D ·? · ?стали. = 3.14 · 2 · 0.003 · 7850 · 0.6 =88.73.

2Gкр. = P. S · F · ?стали. = 0.003 · 0.44 · 7850 = 10.362, S=0.003м, F=0.44м? [3].

Gтруб. = h · ?d · ?тр. · ?стали. · Nтр. = 3,14· 0,020·2·7850·0,002·316=623,12.

?D? ?d?

2Gтр.реш = ??? — N * ??? · ?стали. · Sтр.реш.

4 4.

3,14*(0,6)? 3,14*(0,02)?

2Gтр.реш = ??? — 316· ??? · 7850 · 0,0075 = 10,796 262.

4 4.

?D? 3,14*(0,6)?

Gр-ра = ??? · h · ?води = ??? · 2 · 1000 =565,2.

4 4.

G = 88,73 + 10,79 + 623,12 + 10,79 =733,43.

733,43 — 100%.

Х — 15%.

Х = 110,0145.

Gап. = 733,43 +565,2 + 110,0145 = 1408,6445 кг.

1408,6445 · 9,8.

Qап. = ??? = 13,8 кН.

Опори (лапи) для вертикальних апаратів, ОСТ 26−665−79, мм.

Q, кН, а а1 А2 в в1 в2 з с1 h h1 S1 K K1 d dб fmax.

25 125 155 100 255 120 115 45 90 310 16 8 25 65 24 М20 140.

Величина зазору між апаратом і підпірною рамою f приймається конструктивно, але з більш fmax.

року міністерство освіти Російської Федерации.

Томський Государственный.

Промышленно-Гуманитарный колледж.

Спеціальність 2105.

Група 233.

Утверждаю:

Заст. Директори по УР.

Г. М. Крюкова ____________.

«___"_______________2004 г.

РОЗРАХУНОК КОНДЕНСАТОРА.

Пояснювальна записка до курсовому проекту.

2501 Хімічні технології органічних речовин і ВМС.

Керівник курсового проекта.

Викладач Медведєва С.С.

______________________________.

«____» __________________2004 г.

Виконавець студентка.

Иванникова М.А.

_____________________________.

«____» __________________2004 г.

р. Томськ 2004 г.

ЗАДАНИЕ.

Студентці групи 233 Иванниковой Марії Анатольевне ТГПГК виконання курсового проекту з «Процесам і апаратам хімічної технологии».

Розрахунок конденсатора.

Тема курсового проекту: _______________________________________.

Вихідні данные:

Склад насиченого пара: бензол — 0.92%, толуолу — 0.08% (мольные).

Рпара = 1.2 ата.

Gпо пару = 6.5 т/час.

Конденсація ведеться охлаждённой водою: tн = 15?, tк = 45?.

Конденсат пара відводиться за нормальної температури конденсации.

вода.

нас.пар

конденсат.

вода.

1 — кришка 4 — трубы.

2 — трубна ґрати 5 — днище.

3 — корпус.

3. АТОМАТИЗАЦИЯ.

4.

Регулювання процесу конденсації здійснюється рахунок подачі холодного теплоносія. При порівнянні подачі пара і холодного теплоносія, спрацьовує виконавчий механізм на лінії подачі холодног теплоносителя.

Позначення Наименование.

Первинний вимірювальний перетворювач расхода, установленный по месту.

Прилад для вимірювання витрати, що складає, реєструючий, встановлений на щите.

Прилад для вимірювання витрати, перетворюючий, регулюючий, встановлений на щите.

Прилад для виміру температури, що складає, реєструючий, встановлений на щите.

Прилад для виміру температури, що складає, реєструючий, сигнализирующий.

Прилад для вимірювань тиску, що складає, реєструючий, встановлений на щите.

Прилад для вимірювання витрати, преобразовывающий, встановлено по месту,.

3.СПИСОК ВИКОРИСТОВУВАНОЇ ЛИТЕРАТУТЫ.

1. Фізико-хімічні і термодинамические властивості речовин. Довідник Гусєв В.П., Гусєва Ж.А./ Томськ, вид. ТХТК, 1994 — 69с.

2. Процеси і апарати хімічної технології. Розрахунок теплообмінних апаратів. Методичне вказівку до курсовому проектування для студентів Томського хіміко-технологічного коледжу. /Гусєв В.П./ Томськ, вид. ТХТК, 1994 — 70с.

3. Конструктивно-механический розрахунок. Методичні посібник до виконання курсового проекту з процесам апаратам хімічної технології /Медведєва С.С./ Томськ, вид. ТХТЛ, 1997 — 30с.

4. Молоканов Ю. К. Процеси і апарати нефтегазо-переработки.1987, 2-ге вид. М. Хімія з. 143−150,.

5. О.Г. Касаткін. Процеси і апарати хімічної технології. 1971, Москва вид. «Хімія» з. 784.

1. РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА.

1.1. Тепловий розрахунок апарату.

1.1.1. Тепловий баланс.

1.1.2. Визначення середньої рушійної сили процесу.

1.1.3. Визначення середніх температур теплоносіїв.

1.1.4. Розрахунок коефіцієнта тепловіддачі.

1.1.5. Підбір конденсатора.

1.2. Розрахунок теплової ізоляції.

1.3. Гідравлічний розрахунок теплообмінних апаратів.

1.3.1 Розрахунок гідравлічного опору.

2. КОНСТРУКТИВНО-МЕХАНИЧЕСКИЙ РОЗРАХУНОК.

2.1. Розрахунок і добір штуцеров.

2.2. Підбір фланців.

2.3. Розрахунок обечайки.

2.4. Розрахунок товщини трубних решіток.

2.5. Підбір днища.

2.6. Підбір опор

3. АВТОМАТИЗАЦІЯ.

4. ЛІТЕРАТУРА.