Расчет теплообменной установки для подогрева сырья ректификационной колонны

Министерство образования  и науки Российской Федерации 
Федеральное агентство по образованию

Государственное  образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Самарский государственный технический университет»

 

 

 

 

 

 

                                 КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

По дисциплине: « Процессы и аппараты химической технологии»

 

На тему: «Расчет теплообменной установки для подогрева сырья ректификационной колонны»

 

 

                                     Вариант № 15

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                          Выполнила:

 

 

                                                    Самара 2012

                      Содержание

 

 

 

 

 

 1.Введение

      Целью данного курсового проекта является расчет теплообменного аппарата.

      Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

- поверхностные, в которых оба  теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через  поверхность стенки;

- регенеративные, в которых процесс  передачи тепла от горячего  теплоносителя к холодному разделяется  по времени на два периода 

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

В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубчатые, оросительные, погруженные и "труба в трубе".

Одним из самых распространенных типов теплообменников являются кожухотрубчатые теплообменники. Они представляют из себя пучек труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучек труб расположен внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой - в пространстве между кожухом и трубами.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15121-79, теплообменники могут быть двух- четырех- и шестиходовыми по трубному пространству.

Достоинствами кожухотрубчатых теплообменников являются: компактность; небольшой расход метала; легкость очистки труб изнутри, а недостатками - трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями; трудность очистки межтрубного пространства и трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

Кожухотрубчатые теплообменники могут использоваться как для нагрева, так и для охлаждения.

В качестве греющего агента в теплообменниках часто используется насыщенный водяной пар имеющий целый ряд достоинств:

- высокий коэффициент теплоотдачи;

- большое количество тепла, выделяемое  при конденсации пара;

- равномерность обогрева, так как  конденсация пара происходит  при постоянной температуре;

- легкое регулирование обогрева.

2.  Исходные данные и постановка задачи

Теплоноситель: горячая вода(ГВ)

Расход ГВ, кг/ч-определить

Температура входа,°С-125

Температура выхода,°С-105

Рабочее давление,МПа-0,35

Хладагент: сырье колонны

Состав: НК-гептан;ВК- октан

Содержание: НК=65%масс; ВК=35%масс.

Количество сырья, кг/ч 26000

Температура входа,°С- 16

Температура выхода,°С- температура начала кипения(рассчитать)

Рабочее давление, МПа – 0,14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Описание технологической схемы

Продуктами процесса ректификации являются дистиллят и кубовый остаток. При разделении двухкомпонентной смеси в качестве дистиллята отбирается практически чистый низкокипящий компонент(НКК), в нашем случае гептан, а в качестве кубового остатка-практически чистый октан(ВКК).

 Уходящие с верха  колонны пары НКК конденсируются  в теплообменнике. Образовавшаяся  жидкая фаза поступает в рефлюксную емкость, откуда самотеком поступает на прием насоса. После насоса жидкая фаза делится на два потока: один поступает на орошение колонны, а второй охлаждается в холодильнике и отводится в емкость-сборник товарного дисциллята. Паровой поток в колонне создается за счет испарения части кубовой жидкости в кипятильнике.

Второй продукт ректификации – кубовый остаток- охлаждается водой в холодильнике и отводится в емкость сбора остатка. Так как количество отводимой теплоты в холодильнике значительно, с целью его рационального использования можно направить поток кубовой жидкости в рекупиративный теплообменник для нагрева сырья.Это позволит, во-первых, снизить расход хладагента, и во-вторых, уменьшить затраты теплоносителя на нагрев питания.

 

4.Описание конструкции проектируемого аппарата

Кожухотрубчатые теплообменники – наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготовляют одно- и многоходовыми.

Конструктивное оформление машин и аппаратов, применяемых в химической и пищевой промышленности, неразрывно связано с их функциональным назначением и полностью определяется характером и технологическими параметрами протекающих в них процессов. При этом конструкция химического и пищевого оборудования должна не только отвечать требованиям самых совершенных технологий, но и обладать также прочностью, высокой надежностью, быть легкой, эстетичной и требовать как можно меньшего расхода дорогостоящих и дефицитных материалов. Для обеспечения сочетания прочности и надежности пищевой и химической аппаратуры с ее экономичностью и малой материалоемкостью на стадии проектирования необходимо провести подробный механический (прочностной) расчет каждого узла и детали вновь создаваемого оборудования.

Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой – в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб. Особенностью аппаратов типа Н является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции. Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители.

 

      5.Технологический расчет

5.1 Пересчет массовых  концентраций компонентов в мольные.

Пересчет выполним по формуле:

 

Где Мк-мольная масса компонента К (кг/кмоль);

Мольная масса гептана- 100,2кг/кмоль;

Мольная масса октана- 114,23 кг/кмоль;

 

 

 

 

Проверка: =0,68+0,32=1

Расчет выполнен правильно.

5.2 Определение неизвестных температур.

Температура смеси на выходе из подогревателя(конечная температура ) равна температуре начала кипения t2k. Для нахождения этой температуры воспользуемся уравнением изотермы жидкой фазы:

 

Необходимые для расчета давления паров возьмем из таблицы.

Температуры кипения при нормальном давлении(101кПа):

Гептан- 98,4°С

Октан- 112°С

Выберем в качестве первого приближения температуры 100°С и 120°С. При этих температурах давления паров указаны в таблице:

	100°С	120°С
Гептан,Рг, мм рт.ст.	792	1369
Октан, Рок, мм рт. ст.	350	645

 

Найдем значение суммы в уравнении изотермы:

 

 

117°С

Определим среднюю разность температур между потоками и среднии температуры потоков.

Температурная схема при противотоке:

t1н=125°                                               t1к=105°

 

t2к=117°                                               t2н=16°

∆tм=125-117=8°                      ∆tб=105-16=89°

Средняя разность температур рассчитывается по формуле:

 

Горячий поток меняет температуру на ∆t1=20°C, а холодный на ∆t2=101°C, поэтому средняя температура горячего потока составит:

t1ср=С

а средняя температура холодного потока равна:

t2cр=t1cр-∆tср=115-34=81°С

 

 

5.3Определение теплофизических свойств индивидуальных веществ и смесей.

Свойства нагреваемого сырья при средней температуре 81°С найдем по таблицам. Учитывать незначительное, на 3÷5°, изменение температуры от указанного в таблице для плотности и теплопроводности нет смысла.

Плотности ρг=627 кг/м3, ρок=653 кг/м3

Теплоемкость сг=2401 Дж/(кг·К), сок=2252 Дж/(кг·К)

Вязкость μг=0,24·10-3 Па·с, μок=0,291·10-3 Па·с

Теплопроводность λг=0,108 Дж/(кг·К), λок= 0,146Дж/(кг·К)

Определяем свойства смеси углеводородов:

           Плотность кг/м3

           Теплоемкость

 с2= Дж/(кг·К)

             Вязкость

 

 

          Теплопроводность 

 Вт/(м·К)

Все полученные значения сведем в таблицу.

 

Свойство	размерность	Горячая вода	Нагреваемое сырье
			НК	ВК	Смесь
Ср.температура	°С	115	80
плотность	кг/м3	943	627	653	636
теплоемкость	Дж/(кг·К)	4230	2401	2252	2349
Вязкость	Па·с	0,231·10-3	0,24·10-3	0,291·10-3	0,255·10-3
теплопроводность	Вт/(м·К)	0,686	0,108	0,146	0,121

 

5.4 Определение  тепловой нагрузки и расхода  горячей воды.

Тепловую нагрузку на аппарат определим из уравнения:

 

Требуемый расход горячей воды найдем по уравнению:

 

 

5.5Выбор ориентировочной  поверхности аппарата и конструкции.

Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи для нагрева углеводородов водой Кор=340 Вт/(м2·К). Тогда ориентировочная площадь поверхности теплопередачи составит:

 

                          

                        104≥Fор≥193

По таблице [1, стр.102]выбираем теплообменники, предположительно подходящие в нашем случае.

№варианта	1	2	3	4	5	6
Трубы,мм	20ˣ2	20ˣ2	25ˣ2	25ˣ2	25ˣ2	25ˣ2
Fтаб,м2	139	116	127	190	121	181
Sт, м2	0,037	0,02	0,03	0,03	0,022	0,022
Sвп , м2	0,041	0,065	0,065	0,065	0,07	0.07
nобщ,шт	370	618	404	404	384	384
z	2	6	4	4	6	6

 

Проведем проверочный расчет теплообменника №1 с целью установления его пригодности для проведения процесса теплообмена при заданных расходах и температурах.

 

 

5.6 определение  коэффициента теплоотдачи α2 для нагреваемого сырья(трубное пространство).

Определим объемный расход сырья по уравнению:

 

Определение средней скорости потока в трубах пучка:

=

Определим режим движения в трубном пространстве. Для этого вычислим по уравнению критерий Рейнольдса:

 

Следовательно, режим движения в трубах турбулентный.

Определим значение критерия Прандтля по уравнению:

 

Для определения критерия Нуссельта при турбулентном движении воспользуемся уравнением: 0,25=

=

Тогда значение коэффициента теплоотдачи α2 составит:

 

 

 

5.7 Определение  коэффициента теплоотдачи α1 для горячей воды.

Объемный расход горячей воды и ее скорость в межтрубном пространстве составят:

 

 

 

=

Определим значение критерия Рейнольдса для воды в межтрубном пространстве:

 

Значение критерия Прандтля для воды при 115°найдем в приложении[1,стр.98]: Pr1=1,45

Определим значение критерия Нуссельта:

 =

Тогда значение коэффициента теплоотдачи α1 от горячей воды к стенкам труб трубного пучка будет равно:

 

5.8 Расчет коэффициента  теплопередачи для выбранного  аппарата.

Считаем, что аппарат выполнен из углеродистой стали, имеющей коэффициент теплопроводности λст=46,5 Вт/(м2·К) [2,стр. 529]. Учтем также появление в процессе эксплуатации аппарата загрязнений как со стороны горячей воды rзаг1=1/1800 Вт/(м2·К), так и со стороны нагреваемого сырья rзаг2=1/5800 Вт/(м2·К).