Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола

Министерство  образования Республики Беларусь

 

Учреждение  образования

«Белорусский  государственный технологический  университет»

 

Кафедра процессов  и аппаратов химических производств

 

РАСЧЕТНО  – ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

по процессам  и аппаратам химических технологий

на тему "Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола"

 

Разработал

студент 3 курса

инженерно-экономического факультета

специальности 1-43 01 06 02

Стригельский  А. В.

Руководитель

Калишук Д. Г.

 

Минск 2005

Содержание

 

Введение

Литературный  обзор

Теоретические основы теплообмена

Основные типы теплообменников

Назначение  и классификация теплообменных  аппаратов

Обзор типовых  теплообменных аппаратов

Современное аппаратурно-технологическое  оформление процесса теплообмена

Расчет холодильника первой ступени

Определение тепловой нагрузки

Определение расхода  и тепловой нагрузки воздуха

Вычисление  средней разности температур теплоносителей

Нахождение  ориентировочной поверхности теплообмена Fор и выбор рассчитываемого теплообменника

Расчет коэффициента теплопередачи K

Расчёт гидравлического  сопротивления теплообменника

Расчет конденсатора паров толуола

Определение тепловой нагрузки

Определение тепловой нагрузки для второго теплоносителя  ─ жидкого толуола и его расхода

Вычисление  средней разности температур теплоносителей

Нахождение  ориентировочной поверхности теплообмена Fор и выбор рассчитываемого теплообменника

Уточненный  расчет поверхности теплопередачи

Расчёт гидравлического  сопротивления теплообменника

Заключение

Список использованных литературных источников

Приложение  А

Приложение  Б

 

Введение

 

Современная химическая промышленность в Беларуси развивается  с 60-х годов в комплексе с  нефтеперерабатывающими и нефтехимическими предприятиями. Интенсивному развитию в республике этой отрасли способствовал ряд благоприятных факторов: большая потребность народного хозяйства в химической и нефтехимической продукции и высокая эффективность её применения в промышленности и сельском хозяйстве; открытие богатых запасов калийных солей на юге Минской области и нефтяных месторождений в Гомельской области; разветвлённая сеть железных и автомобильных дорог.

Начиная с 1958 года, в республике осуществляется развёрнутое  строительство новых, расширение и  реконструкция действующих химических предприятий. Химическая промышленность стала одной из ведущих отраслей хозяйства, охватывающей многочисленные производства разнообразных неорганических и органических продуктов, имеющих важное значение. Возникли и получили промышленное применение процессы адсорбции, экстракции, молекулярной дистилляции и др.

Современная химическая промышленность насчитывает множество  разнообразных производств, часто  сильно различающихся химической природой и физическими свойствами исходных веществ, промежуточных и конечных продуктов, а также характером и условиями протекания технологических процессов. Несмотря на перечисленные различия, число элементарных процессов, повторяющихся в разных сочетаниях во всех химических производствах, едва достигает двадцати. Из этого ограниченного числа элементарных процессов или из некоторой их части, но в различной последовательности и при разных рабочих условиях строится технология любого химического производства.

 

1 Литературный  обзор

 

1.1 Теоретические  основы теплообмена

 

При тепловых процессах  тепло передаётся от одного вещества к другому. Для самопроизвольного  переноса тепла одно из этих веществ  должно быть более нагрето, чем другое. Вещества, участвующие в процессе перехода тепла (теплообмен), называются теплоносителями. Вещество с более высокой температурой, которое в процессе теплообмена отдаёт тепло, называется горячим теплоносителем, а вещество с более низкой температурой, воспринимающее тепло, холодным теплоносителем.

Существуют  два основных способа проведения тепловых процессов: путём непосредственного соприкосновения теплоносителей и передачей тепла через стенку, разделяющую теплоносители.

При передаче тепла  непосредственным соприкосновением теплоносители  обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо; поэтому данный способ применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном оформлении.

При передаче тепла  через стенку теплоносители не смешиваются, и каждый из них движется по отдельному каналу; поверхность стенки, разделяющей  теплоносители, используются для передачи тепла и называется поверхностью теплообмена.

Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. При установившемся (стационарном) процессе температуры в каждой точке  аппарата не изменяются во времени, тогда как при неустановившемся (нестационарном) процессе температуры изменяются во времени. Установившиеся процессы соответствуют непрерывной работе аппаратов с непрерывным режимом; неустановившиеся процессы протекают

в аппаратах  периодического действия, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия и изменении режима их работы.

Передача тепла  от одного тела к другому может  происходить посредством теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.

Передача тепла  теплопроводностью осуществляется путём переноса тепла при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела. При этом энергия передаётся от одной частицы к другой в результате колебательного движения частиц, без их перемещения друг относительно друга.

Передача тепла  конвекцией происходит только в жидкостях и газах путём перемещения их частиц. Перемещение частиц обусловлено движением всей массы жидкости или газа (вынужденная или принудительная конвекция), либо разностью плотностей жидкости в разных точках объёма, вызываемой неравномерным распределением температуры в массе жидкости или газа (свободная, или естественная, конвекция).

Конвекция всегда сопровождается передачей тепла  посредством теплопроводности.

Передача тепла  лучеиспусканием происходит путём  переноса энергии в виде электромагнитных волн. В этом случае тепловая энергия превращается в лучистую энергию (излучение), которая проходит через пространство и затем снова превращается в тепловую при поглощении энергии другим телом (поглощение).

Рассмотренные виды передачи тепла редко встречаются в чистом виде; обычно они сопутствуют друг другу (сложный теплообмен). Так при передаче тепла через стенку перенос тепла от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю осуществляется конвекцией, а через стенку – путём теплопроводности.

Теплообменными  аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). В химической технологии теплообменные  аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твёрдых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзо- и эндотермических реакций и т. д. соответственно своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами, сублиматорами, плавителями и т. п.

Количество  тепла, передаваемого в единицу  времени от одного тела к другому, называется тепловым потоком, и выражается в Дж/сек или Вт, т. е. единицах мощности.

При теплообмене  между теплоносителями происходит уменьшение энтальпии (теплосодержания) горячего теплоносителя и увеличение энтальпии холодного теплоносителя. Пусть количество горячего теплоносителя, его начальная и конечная энтальпия равны соответственно G кг/сек I1 и I2 Дж/кг, а количество холодного теплоносителя и его начальная и конечная энтальпия g кг/сек i1 и i2 Дж/кг.

Примем также, что количество тепла, передаваемое от горячего теплоносителя к холодному, составляет Q Вт (эта величина называется тепловой нагрузкой аппарата), а потери тепла в окружающую среду равны Qn Вт. Тогда уравнение теплового баланса запишется в виде:

 

G·I1+g·i1 = G·I2 + g·i2 + Qn , (1)

 

Произведя перегруппировку, получим:

 

G·(I1 – I2) = g·(i2 – i1) + Qn, (2)

Величина Qгор = G·(I1 – I2) представляет собой количество тепла, отданного горячим теплоносителем, а величина Qхол = g·(i2 – i1) количество тепла, сообщённое холодному теплоносителю.

Таким образом:

 

Qгор = Qхол  + Qn , (3)

 

Т. е. тепло, отданное горячим теплоносителем, частично передаётся холодному теплоносителю и частично расходуется на компенсацию потерь в окружающую среду.

В теплообменных  аппаратах потери тепла обычно невелики (не более 2 – 3 %) и ими можно пренебречь. Тогда уравнение теплового баланса примет вид:

 

Q = Qгор = Qхол  , (4)

 

или

 

Q = G·(I1 –I2) = g·(i2 – i1), (5)

 

Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой  поверхности теплопередачи, выбор  типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом. Необходимую поверхность теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи:

 

F = Q/(K·∆tcp), (6)

Тепловую нагрузку Q в соответствии с заданными технологическими условиями находят из уравнения теплового баланса для одного из теплоносителей:

— если агрегатное состояние теплоносителя не меняется — из уравнения

 

Q = Gi·ci·[ti н - ti k], i =1,2, (7)

 

— при конденсации  насыщенных паров без охлаждения конденсата или при кипении — из уравнения

 

Q = Gi·ri , i = 1,2, (8)

 

— при конденсации  перегретых паров с охлаждением  конденсата

 

Q = G1·(I1н –  c1·t1k), (9)

 

где I1н —  энтальпия перегретого пара Дж/кг.

Если агрегатное состояние теплоносителя не меняется, его среднюю температуру можно определить как среднеарифметическую между начальной и конечной температурами:

 

ti = (tiн + tik)/2, i = 1,2, (10)

 

Более точное значение средней температуры одного из теплоносителей

можно получить, используя среднюю разность температур:

 

ti = tj ± ∆tcp, (11)

где tj — среднеарифметическая температура теплоносителя с  меньшим перепадом температуры  вдоль поверхности теплообмена, °С.

При изменении  агрегатного состояния теплоносителя  его температура постоянна вдоль всей поверхности теплопередачи и равна температуре кипения (или конденсации) зависящей от давления и состава теплоносителя.

Для протекания процесса передачи тепла необходимо наличие некоторой разности температур между горячим и холодным теплоносителями. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором. Если Т — температура горячего теплоносителя, а t — температура холодного теплоносителя в °С, то температурный напор:

 

q = T – t, (12)

 

Чем больше температурный напор, тем выше скорость передачи тепла, причём количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному, пропорционально поверхности теплообмена F (м2), температурному напору q и времени τ, с :

 

Q = K·F·q·τ, (13)

 

где K — коэффициент теплопередачи, Вт/м2∙К.

Если тепло  переносится путём теплопроводности через стенку, то, согласно закону Фурье, количество передаваемого тепла  пропорционально поверхности F, разности температур между обеими поверхностями  стенки (qст. = tст.1-tст.2),времени τ и обратно пропорционально толщине стенки δ:

 

Q = [λ·F(tст1 –  tст2)·τ]/δ = (λ·F·qст.·τ)/δ, (14)

где tст1 и tст2 —  температура поверхностей стенки; λ  – коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К).

 

1.2 Основные  типы теплообменников

 

1.2.1 Назначение и классификация теплообменных аппаратов

Теплообменными  аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). В химической технологии теплообменные  аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твердых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзо- и эндотермических реакций и т. д.

Соответственно  своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами, сублиматорами, плавителями и т.п.

По способу  передачи тепла различают теплообменные аппараты поверхностные и смесительные. В первом случае передача тепла происходит через разделяющие твердые стенки, во втором — непосредственным контактом (смешением) нагретых и холодных сред (жидкостей, газов, твердых веществ). Поверхностные аппараты подразделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах тепло от горячих теплоносителей к холодным передается через разделяющую их стенку, поверхность которой называется теплообменной поверхностью, или поверхностью нагрева. В регенеративных аппаратах оба теплоносителя попеременно соприкасаются с одной и той же стенкой, нагревающейся (аккумулируя тепло) при прохождении горячего потока и охлаждающейся (отдавая аккумулированное тепло) при последующем прохождении холодного потока. Регенераторы являются аппаратами периодического действия, рекуператоры могут работать как в периодическом, так и в непрерывном режимах.

 

1.2.2 Обзор  типовых теплообменных аппаратов

При небольших  тепловых нагрузках, когда требуемая  поверхность теплообмена не превышает 20 — 30 м2, целесообразно применение теплообменников типа «труба в трубе» Такие теплообменники изготовляют следующих типов: 1) неразборные однопоточные малогабаритные; 2) разборные одно- и двухпоточные малогабаритные; 3) разборные однопоточные; 4) неразборные однопоточные; 5) разборные многопоточные.