Розрахунок та проектування теплообмінника для

нагрівання метанолу

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА до курсового проекту (приклад)

Розрахувати та запроектувати рекуперативний теплообмінник для нагрівання 10 кг/с метанолу від початкової температури 15^оС до температури кипіння. Вид теплообмінника – кожухотрубний горизонтальний. Тип теплоносія – насичена водяна пара тиском Р_гп – 0,2 МПа.

Зміст

№	Назва розділу	Стор.
1.	Вступ	4
2.	Технологічна схема установки та її опис	8
3.	Технологічний розрахунок	10
3.1.	Розрахунок теплового навантаження	11
3.2.	Визначення середньої рушійної сили	11
3.3.	Розрахунок орієнтовного значення площі теплообміну	12
3.4.	Розрахунок коефіцієнту теплопередачі	12
3.4.1.	Розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі	13
3.4.2.	Розрахунок термічного опору стінки та забруднень	17
4.	Гідравлічний розрахунок	19
4.1.	Розрахунок опору трубного простору	19
5.	Механічний розрахунок	21
5.1.	Розрахунок штуцерів	21
5.2.	Вибір фланців	22
6.	Список використаної літератури	23

2. Технологічна схема установки та її опис

         Проектований теплообмінник використовується для нагрівання  екстрагенту (метанолу) в схемі екстракційної установки, призначеної для вилучення ефірної олії з рослинної сировини. Екстракційна установка складається з екстракційного реактора та ректифікаційної колони для відділення екстрагованої речовини.

         Метанол перед подачею в екстрактор підігрівається у кожухотрубному теплообміннику до температури кипіння, який подається у трубний простір з проміжної ємності за допомогою відцентрового насосу. В екстракторі проходить вилучення олії з сировини, яка безперервно туди поступає з ємності.

Далі суміш екстракту і залишків сировини поступає у відстійник, де відділяється тверда фаза. Метанол від екстракту відділяється в ректифікаційній колоні.

Нагрівання метанолу здійснюється насиченою водяною парою, яка подається в між трубний простір теплообмінника. Конденсат відводиться за допомогою конденсатовідводчика в збірник конденсату і далі поступає в лінію оборотного водопостачання.

3.Технологічний розрахунок

         Технологічний розрахунок теплообмінного апарату полягає у визначені необхідної площі теплопередачі. Дана величина розраховується за основним  рівнянням теплопередачі [1]:

3.1.Розрахунок теплового навантаження

         Кількість тепла, яке необхідно підвести до метанолу в процесі його нагрівання визначається з рівняння [1]:

Співвідношення Dt_б до  Dt_м дорівнює 114,6/54,9 = 2,1. Тоді середня рушійна сила процесу визначається за рівнянням:

3.3.Розрахунок орієнтовного значення площі теплообміну

         Для розрахунку орієнтовної  площі теплообміну приймаємо приблизне значення коефіцієнту теплопередачі. У випадку теплообміну від водяної пари, що конденсується до органічних рідини значення k_ор = 800 Вт/(м²´К). Тоді F_ор буде дорівнювати:

За розрахованим значенням F_ор приймаємо кожухотрубний горизонтальний теплообмінник з такими параметрами:

-         площа теплообміну – 42 м²;

-         діаметр кожуха – 400 мм;

-         діаметр теплообмінних труб 20´2 мм;

-         кількість ходів – 2;

-         загальна кількість теплообмінних трубок – 166 

-         довжина теплообмінних трубок – 4,0 м.

3.4.Розрахунок коефіцієнту теплопередачі

         Коефіцієнт теплопередачі визначається за рівнянням [1]:

де a₁ – коефіцієнт тепловіддачі від гарячого теплоносія до теплообмінної стінки, Вт/(м²´К);

     a₂ – коефіцієнт тепловіддачі від теплообмінної стінки до холодного теплоносія, Вт/(м²´К);

     Sr – сума термічних опорів стінки та забруднень зі сторони обох теплоносіїв, 1/[ Вт/(м²´К)].

3.4.1.Розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі

Коефіцієнт тепловіддачі розраховується із критеріальної залежності [1]:

де  Nu – критерій Нуссельта;

      a - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²´К);

      l – визначальний розмір, м;

      l - коефіцієнт теплопровідності середовища, Вт/(м´К).

         Розрахункова формула критерію Нуссельта залежить від гідро динамічного режиму руху рідини та виду теплообміну. Приймаємо рух вихідного розчину в теплообміннику через трубний простір, а холодоагенту через між трубний.

Визначення коефіцієнту тепловіддачі a₁

         Режим руху метанолу в трубному просторі теплообмінника визначаємо з критерію Рейнольда:

де V_с - об’ємна витрата метанолу, м³/с;

      п₁ – кількість трубок, що припадає на один хід: п₁ = п/2 = 166/2 = 83 шт;

      s  - площа січення потоку, м².

         Об’ємна витрата пов’язана з масовою такою залежністю:

При розвинутому турбулентному потоці в прямих трубах та каналах розрахункова формула критерію Nu буде мати такий вигляд:

Визначення коефіцієнту тепловіддачі a₂

Коефіцієнт тепловіддачі при конденсації водяної пари на зовнішній поверхні горизонтальних труб приблизно визначається за формулою [2]:

3.4.2.Розрахунок термічного опору стінки та забруднень

         Термічний опір стінки та забруднень визначається за рівнянням [1]:

Приймаємо теплообмінник вибраного типу, але з трубками довжиною l=9 м. Площа теплообміну такого апарату складає 80 м². Так як діаметр кожуха, площа січення потоків залишається незмінними, а необхідна величина площі теплообміну досягається лише збільшенням довжини, то перерахунок кінетичних коефіцієнтів процесу не проводимо.

При цьому запас поверхні теплообміну складає:

4.Гідравлічний розрахунок

         Гідравлічний розрахунок полягає у визначенні гідравлічного опору трубного простору теплообмінника та виборі на цій основі типу насосу для прокачування рідини.

         Гідравлічний опір або втрати напору на тертя і місцеві опори трубного простору а також між трубного без поперечних перегородок розраховується за формулою [2]:

4.1.Розрахунок опору трубного простору

         Для трубного простору коефіцієнти місцевих опорів мають наступні значення:

-         вхідна та вихідна камера  - 1,5;

-         поворот між ходами на  - 180^о;

-         вхід в труби та вихід з них  - 1,0.

Коефіцієнт тертя у випадку турбулентного руху для гідравлічно шороховатих трубок розраховується за формулою [2]:

Приймаємо відцентровий насос марки Х8/18 з такими характеристиками:

-         напір – 11,3 м

-         продуктивність – 2,4´10^-3 м³/с

-         частота обертання робочого колеса – 48,3 с^-1.

5.Механічний розрахунок

5.1.Розрахунок штуцерів

         Діаметр штуцера можна розрахувати за рівнянням нерозривності потоку [1]:

де w – швидкість середовища в штуцері, м/с. Для рідин швидкість вибирається в межах 0,5¸3 м/с, для газів - 5¸20 м/с. Приймаємо швидкість руху поглинача в штуцері 3 м/с, газоповітряної суміші – 15 м/с.

         Діаметр штуцерів для введення рідини і виведення її з теплообмінника буде дорівнювати:

Приймаємо стандартний розмір 200 мм.

5.2.Вибір фланців

         Для розрахованих штуцерів вибираємо фланці стальні плоскі приварні зі з’єднувальним виступом, ГОСТ 1255-67, Р_у = 0,1¸0,25 МПа, D_у = 10¸1600 мм [3] з такими параметрами:

6. Список використаної літератури

1.Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Под ред Ю.И.Дытнерского. Москва. «Химия». – 1991. – 493 с.

2.К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Ленинград. «Химия». – 1987. – 575 с.

3.А.А.Плановский, П.И.Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. Москва. «Химия». – 1987. – 496 с.