Рассчитать и запроектировать кожухотрубный конденсатор паров этилового спирта водой

Пермский Национальный Исследовательский  Политехнический Университет

Кафедра МАПП

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка к курсовой работе по курсу ПАХТ

Тема: Рассчитать и запроектировать  кожухотрубный конденсатор паров этилового спирта водой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы ТНВ-09

Карпачевская В.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пермь, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

  
ЗАДАНИЕ…………………………………………………………………………………..3

 
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………...4

 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА………………………………………………………….5 
 
ВЫБОР ТИПА АППАРАТА………………………………………………………………6 
 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ……………………………………………………….7 
 
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ……………………………………………………….…12 
 
КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ…………………………………………………………13 
 
МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ…………………………………………………………….15 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………………19 
 
ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………………………….20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ

 

Рассчитать и спроектировать кожухотрубный конденсатор паров этилового спирта водой

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Расход спирта                                                             

Начальная температура воды                                                      

Конечная температура воды                                                       

Избыточное давление паров               МПа.

Этиловый спирт отводится при  температуре                           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и  менее нагретого тел, при наличии  которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом  термодинамики, переходит от более нагретому к менее нагретому телу.

Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.

Различают три принципиально различных  элементарных способа распространения  тепла: теплопроводность, конвекцию  и тепловое излучение.

Теплопроводность представляет собой  перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно  соприкасающихся друг с другом. Это  движение может быть либо движением  самих молекул (газы, капельные жидкости), либо колебанием атомов (в кристаллической  решётке твёрдых тел), или диффузией  свободных электронов (в металлах).

Конвекцией называется перенос  тепла   вследствие движения и  перемешивания макроскопических объёмов  газа или жидкости. Перенос тепла  возможен в условиях естественной, или свободной, конвекции, обусловленной  разностью плотностей в различных  точках объёма жидкости (газа), возникающей  вследствие  разности температур в  этих точках или в условиях вынужденной  конвекции при принудительном движении всего объёма жидкости, например в  случае перемешивания её мешалкой.

Тепловое излучение- это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ  СХЕМА

 

 

Описание технологической схемы

 

Исходная смесь поступает в накопительную ёмкость, необходимую для равномерного питания ректификационной колонны. Насосом смесь подаётся на питающую тарелку в колонне, проходя через теплообменник - подогреватель. В подогревателе, исходной смеси, смесь подогревается до температуры кипения, за счёт подачи в межтрубное пространство греющего пара. Поступающая в колонну при температуре кипения исходная смесь, стекает по тарелкам в нижнюю часть колонны. На каждой ступени (тарелке), происходит взаимодействие жидкости стекающей вниз и паров поднимающихся вверх по колонне, при этом из паров конденсируется высококипящий компонент (ВКК), а из жидкости испаряется низкокипящий компонент (НКК). В результате такого взаимодействия на каждой ступени в конечном счёте с верхней части колонны выходит практически чистый НКК, а из кубовой части колонны удаляется ВКК. Пары в кубе получают путём испарения кубовой жидкости в теплообменнике -кипятильнике. Пары отводимые с верхней части колонны, направляются в теплообменник - конденсатор. За счёт подачи охлаждающей воды в трубное пространство, пары конденсируются и отводятся из аппарата при температуре конденсации. Далее поток конденсата разделяется на две части: флегму и дистиллят. Под флегмой понимают часть конденсата, возвращающегося в верхнюю часть колонны для её орошения. Дистиллят - готовый продукт (целевой), который сначала охлаждают в теплообменнике - холодильнике, а потом подают в накопительную ёмкость. Насосом дистиллят перекачивается к потребителю. Кубовый остаток (ВКК) отводится с куба и направляется в теплообменник - холодильник, после чего накапливается в ёмкости, откуда насосом перекачивается к потребителю.

 

 

 

 

 

 

1.1 Выбор  типа аппарата

 

Кожухотрубные теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками отличаются простотой конструкции и, следовательно, меньшей стоимостью (рис. 1).

Рисунок 1 - Кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными  
трубными решетками: 1 - распределительная камера; 2 - кожух; 3 - теплообменная труба; 4 - поперечная перегородка; 5 - трубная решетка; 6 - задняя крышка кожуха; 7 - опора; 8 - дистанционная трубка; 9 - штуцеры; 10 - перегородка в распределительной камере; 11 - отбойник

 

Кожухотрубный теплообменный аппарат представляет из себя пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе). Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб, а другой омывает наружную поверхность труб. Концы труб закрепляются с помощью вальцовки, сварки или пайки в трубных решетках. В кожух теплообменного аппарата с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки поддерживают трубы от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен. К кожуху теплообменного аппарата привариваются штуцеры для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства. На входе теплоносителя в межтрубное пространство в ряде случаев устанавливают отбойники, необходимые для уменьшения вибрации пучка труб, равномерного распределения потока теплоносителя в межтрубном пространстве и снижения эррозии ближайших к входному штуцеру труб. К кожуху теплообменного аппарата с помощью фланцевого соединения крепятся распределительная камера и задняя крышка со штуцерами для входа и выхода продукта из трубного пространства.

В зависимости от расположения теплообменных  труб различают теплообменные аппараты горизонтального и вертикального  типа.

В зависимости от числа перегородок  в распределительной камере и  задней крышке кожухотрубчатые теплообменные аппараты делятся на одноходовые, двухходовые и многоходовые в трубном пространстве.

Теплообменники c неподвижными трубными решетками применяются, если максимальная разность температур теплоносителей не превышает 80 ⁰С, и при сравнительно небольшой длине аппарата. Эти ограничения объясняются возникающими в кожухе и в теплообменных трубах температурными напряжениями, способными нарушить герметичность конструкции аппарата.

2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

 Определяем физико-химические  характеристики конденсата этилового  спирта при температуре 

r₁ = 1,23 кг/м ³  ( )

r_{жид.этанола}=785,3 кг/м³ ( ) ([2] табл. IV стр. 512)

l₁ = 0,22 Вт/м∙К ( [2] рис. Х стр. 561)

m₁ = 0,00042 Па∙с  ( [2] рис. V стр. 556)

с₁ = 0,78·4190 = 3268,2 Дж/кг∙К ( [2] рис. ХI стр. 562)

(0,78 ккал переводим в Дж/кг∙К умножая  на 4,19∙10³)

 

Определяем физико-химические характеристики охлаждающей воды при  средней температуре ( [2] табл. ХХХIХ стр. 537)

r₂ = 995,7 кг/м³

l₂ = 0,62 Вт/м∙К;

m₂ = 0,00079 Па∙с

с₂ = 4180 Дж/кг∙К; Pr = 5,32

 Определяем абсолютное  давление

                                                                                                              (1)

- избыточное давление пара, МПа;

- давление атмосферное,  МПа.

МПа

Определяем температуру  конденсации паров этилового  спирта при данном давлении ( [1] стр. 550, табл. LVII)

 Определяем тепловую  нагрузку на конденсатор при  отводе конденсата при 70ºС

 

Определяем количество тепла при  конденсации паров этилового  спирта

                                                                                                                        (2)

где - удельная теплота конденсации этилового спирта при температуре , Дж/кг, ([1] табл. XLV стр. 542)

кВт.

Определяем количество тепла выделившееся при охлаждении конденсата этилового спирта

кВт.                                            (3)

Общее количество тепла составит

 кВт.                                                                   (4)

Определяем расход воды

                                                              (5)

 

 

 

 Средняя разность  температур 

Температурная схема 

Определим граничную температуру  для воды между зонами:

 

^оС,                                                          (6)

Таким образом в зоне конденсации паров имеем:

°С

°С

  Þ   °С.                          (7)

Теперь определим для области  охлаждения конденсата:

°С

°С

  Þ   °С.

 

В соответствии с таблицей 2.1 [2] примем Вт/(м²·K). Ориентировочная площадь поверхности теплообмена для зоны конденсации:

                                                                                                                       (8)

Ориентировочная  площадь поверхности  теплообмена для зоны охлаждения конденсата. В соответствии с таблицей 2.1 [2] примем Вт/(м²·K). 

Суммарная площадь:

 

F=139,8+4,6=144,4 м²

 

 Число труб, приходящееся на один ход стр.67, [2]:

 

                                                      (9)

 

 По таблице на стр.51 [1] предварительно  выбираем теплообменник по ГОСТу 15119-79 с характеристиками:

 

внутренним диаметром кожуха

длиной труб

поверхность теплообмена

2-ходовой теплообменник теплообменник.

 

Уточненный расчет конденсатора

 

Действительное число Рейнольдса равно:

                                                                                                             (10)

Определяем коэффициент  теплоотдачи воды, пренебрегая поправкой

                                                                                              (11)

Вт/м²·К;

 

Термическое сопротивление  стальной стенки трубы:

 

Суммарное термическое сопротивление  стенки и загрязнений:

                         (12)

 

где λ_ст=17,5 Вт/(м·К) – коэффициент теплопроводности стали [1].

 

- тепловая проводимость загрязнения  со стороны этанола[1]:

- тепловая проводимость загрязнения  со стороны воды [1]:

 

 

 

 

 Коэффициент теплопередачи  для области конденсации

 

                                                                                                      (13)

Требуемая поверхность теплопередачи

Определим для зоны охлаждения конденсата:

Критерий Рейнольдса:

Критерий Прандтля для конденсата:

                                                                                                                   (14)

где l_к – коэффициент теплопроводности конденсата определяется ([1] по таблице XXXIX с.537) при t_ср.к = (t_1к+ t_нас)/2 = (75,4+70)/2=72,7 ^оС,

l_к = 14,5×10^-2 Вт/м×K.

                 μ_к – динамическая вязкость конденсата определяется ([1] по таблице XXXIX с.537) при t_ср = 72,7 ºС ,  μ_к = 471×10^-6 Па×с.

 

 

Критерий Нуссельта для конденсата:

 для пленочного течения конденсата  по уравнению VII.54 ([3] с.286) при переходном движении пленки:

 

Nu_пл = 0,009×Re^0,9×Pr_к^0,43 = 32,4

 

Коэффициент теплоотдачи при охлаждении конденсата

определяется по уравнению VII. 59 [3, с.289]:

 

Вт/м²К,

 

Коэффициент теплопередачи для  области охлаждения конденсата

 

 

Требуемая поверхность теплопередачи

Общая площадь теплообмена: