Розрахунок та проектування теплообмінника для конденсації парів бензолу

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

до курсового проекту

 (приклад)

Завдання

Розрахувати та запроектувати рекуперативний теплообмінник для конденсації 12 кг/с пари бензолу. Тиск пари бензолу Р=0,15МПа, конденсат охолоджується до температури 35ºС. Кінцева температура охолоджуючої води 20ºС. Вид теплообмінника – кожухотрубний з U-подібними трубками.

Зміст

№	Назва розділу	Стор.
1.	Вступ	4
2.	Технологічна схема установки та її опис	10
3.	Технологічний розрахунок	12
3.1.	Розрахунок теплового навантаження	12
3.2.	Визначення середньої рушійної сили	13
3.3.	Розрахунок орієнтовного значення площі теплообміну	14
3.4.	Розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі	15
3.5.	Розрахунок термічного опору стінки та забруднень і коефіцієнта теплопередачі	17
4.	Гідравлічний розрахунок	19
4.1.	Розрахунок опору трубного простору	19
4.2.	Розрахунок опору міжтрубного простору	20
5.	Механічний розрахунок	22
5.1.	Розрахунок на міцність трубної решітки	22
5.2.	Вибір фланців	22
6.	Список використаної літератури	24

1.Вступ

Технологічні процеси, швидкість протікання яких визначається швидкістю підведення або відведення тепла, називають тепловими.

До теплових процесів відносяться нагрівання, охолодження, конденсація і охолодження. В теплових процесах взаємодіють не менше ніж два середовища з різними температурами. При цьому тепло передається самовільно тільки від середовища з вищою температурою (теплоносія) до середовища з нижчою (холодоагенту).

Основною характеристикою будь-якого теплового процесу є кількість тепла, що передається від одного середовища до іншого. Згідно закону збереження енергії кількість тепла, яке віддав теплоносій дорівнює кількості тепла, яке прийняв холодоагент. В реальних  умовах процес теплопередачі супроводжується втратами тепла в навколишнє середовище та на нагрівання апаратури. Вище сказане ілюструється рівнянням теплового балансу:

Q_T = Q_x + Q_Bm

Кількість тепла, що віддає або сприймає середовище без зміни агрегатного стану пропорційна кількості речовини G, її питомій теплоємності C та різниці температур Dt, на яку нагрівається або охолоджується дане середовище:

Q = G·C·Δt

Якщо процес протікає із зміною агрегатного стану одного або двох середовищ, то кількість тепла пропорційна кількості речовини та питомій теплоті пароутворення або конденсації r:

Q = G·r

Від кількості тепла, яке необхідно передавати в процесі теплообміну залежать розміри теплообмінного апарату. Основним розміром теплообмінного апарату є площа теплообміну F. Зв’язок між кількістю тепла і поверхнею теплообміну встановлюється основними рівнянням теплопередачі. Для встановленого процесу теплообміну дане рівняння має такий вид:

Q = k·F·Δt_cep

З цього рівняння визначають поверхню теплообміну апарату. Середню різницю температур визначають за початковою і кінцевою температурам середовищ, які приймають участь у теплообміні. Коефіцієнт теплопередачі залежить від характеру і швидкості руху теплообмінних середовищ. А також від умов, в яких протікає процес теплообміну.

Тепло може передаватись різними методами: теплопровідністю, конвекцією та тепловим випромінюванням. На практиці в більшості випадків тепло передається одночасно  двома або трьома вказаними методами , тобто проходить складний теплообмін.

Апарати, призначенні для проведення теплових процесів називають  теплообмінними або теплоутилізуючими. Такі апарати мають різне конструктивне оформлення, яке залежить від характеру протікаючи в них процесах і умов їх проведення. За принципом дії теплообмінні апарати поділяються на рекуперативні, регенеративні та змішуючи.

В рекуперативних апаратах теплоносії розділені стінкою  і тепло передається від одного теплоносія до другого через цю розділяючи стінку. В регенеративних апаратах одна і таж поверхня твердого тіла омивається почергово різними теплоносіями. В змішуючих апаратах передача тепла проходить при безпосередньому стиканні і змішуванні теплоносіїв.

Рекуперативні теплообмінники в залежності від конструктивного виконання поверхні теплообміну такі теплообмінники поділяють на такі типи: кожухотрубні, двохтрубні, змієвикові, спіральні, спеціальні. Найбільш широкого застосування набули кожухотрубні теплообмінники (рис.1). Вони складаються з кожуха (1), в якому з двох сторін міститься трубна решітка (2). В трубній решітці щільно прикріплені теплообмінні трубки (3). Один теплоносій проходить по трубкам інший рухається в між трубному просторі. Тепло від гарячого теплоносія до холодного передається через стінки труб.

Рис.1.Кожухотрубний теплообмінник

         Такі теплообмінники бувають горизонтальними і вертикальними, одноходовими і багатоходовими. Для запобігання механічних руйнувань при термічному розширені деталей в теплообмінниках передбачені різноманітні компенсуючи пристрої.

         Теплообмінники типу “труба в трубі” представляють собою батарею із декількох теплообмінних елементів. Кожний елемент (рис.2) складається із внутрішньої труби 1 і кожухової труби 2.

 Рис.2.Теплообмінник типу “труба в трубі”

Внутрішні труби окремих елементів з’єднані послідовно колінами. Такі теплообмінники використовують для проведення процесів при високих тисках.

         Змієвикові теплообмінники представляють собою теплообмінну трубу, зігнуту у виді змієвика, який міститься в ємності з рідиною, що охолоджується або нагрівається. Дані апарати є прості у виготовлені, але мають високий гідравлічний опір руху теплоносія по теплообмінній трубці.

         Поверхню теплообміну в спіральних теплообмінниках утворюють двома зігнутими у виді спіралей металевими листами. Дані апарати володіють малим гідравлічними опором, але вони складні у виготовлені і практично не придатні для процесів при тиску  вище 1 МПа.

По основному призначенню розрізняються підігрівачі, випарники, холодильники, конденсатори.

Залежно від виду робочих середовищ розрізняються теплообмінники:

а) рідинно-рідинні - при теплообміні між двома рідкими середовищами;

б) паро рідинні - при теплообміні між парою і рідиною (парові підігрівачі, конденсатори);

в) газорідинні - при теплообміні між газом і рідиною (холодильники для повітря) і ін.

По тепловому режиму розрізняються теплообмінники періодичної дії, в яких спостерігається нестаціонарний тепловий процес, і безперервної дії із сталим в часі процесом.

В теплообмінниках періодичної дії тепловій обробці піддається певна порція продукту, внаслідок зміни властивостей продукту і його кількості параметри процесу безперервно варіюють в робочому об'ємі апарату в часі.

При безперервному процесі параметри його також змінюються, але уздовж проточної частини апарату, залишаючись постійними в часі в даному перетині потоку. Безперервний процес характеризується постійністю теплового режиму і витрати робочих середовищ, що протікають через теплообмінник.

Як теплоносій найбільш широко застосовуються насичена або злегка перегріта водяна пара. В апаратах змішування пару  барботують в рідину (впускають під рівень рідини); при цьому конденсат пари змішується з продуктом, що не завжди допустиме. В поверхневих апаратах пара конденсується на поверхні нагріву і конденсат виводиться окремо від продукту за допомогою конденсато відвідників. Водяна пара як теплоносій володіє рядом переваг: легкістю транспортування по трубах і регулювання температури, високою інтенсивністю тепловіддачі і ін. Вживання пари особливо вигідне при використовуванні принципу  багатократного випаровування, коли випарена з продукту вода прямує у вигляді гріючої пари в інші випарні апарати і підігрівачі.

Обігрівання гарячою водою і рідинами також має широке застосування і вигідний при вторинному використовуванні тепла конденсатів і рідин (продуктів), які по ходу технологічного процесу нагріваються до високої температури. Порівняно з парою, рідинний підігрів менш інтенсивний і відрізняється змінною, знижується температурою теплоносія. Проте регулювання процесу і транспорт рідин так само зручні, як і при паровому обігріві.

Загальним недоліком парового і водяного обігріву є швидке зростання тиску з підвищенням температури. В умовах технологічної апаратури харчових виробництв при паровому і водяному обігріві щонайвищі температури обмежені 150-160 ^оС, що відповідає тиску (5-7) 10⁵ Па.

В окремих випадках (в консервній промисловості) застосовується масляний обігрів, який дозволяє при атмосферному тиску досягти температур до 200°С.

Широко застосовується обігрів гарячими газами і повітрям (до 300-1000°С) в печах, сушильних установках. Газовий обігрів відрізняється рядом недоліків: трудністю регулювання і транспортування теплоносія, малою інтенсивністю теплообміну, забрудненням поверхні апаратури (при використовуванні димових газів) і ін. Проте у ряді випадків він є єдино можливим (наприклад, в повітряних сушарках).

В холодильній техніці використовується ряд холодоагентів: повітря, вода, розсоли, аміак, вуглекислота, фреон і ін.

2. Технологічна схема установки та її опис

         Проектований теплообмінник використовується для конденсації пари бензолу, який виділяється із адсорбера у процесі регенерації адсорбента шляхом його нагрівання гарячим повітрям (рис.3).

         Бензол, який поглинутий адсорбентом десорбується за допомогою нагрівання адсорбенту гарячим повітрям. Повітря попередньо нагрівається у електрокалорифері і за допомогою вентилятора прокачується через адсорбер. Під час нагрівання адсорбенту із його пор виділяється бензол у пароподібному стані.

Далі пари бензолу поступають у міх трубний простір кожухотрубного конденсатора, де на зовнішній поверхні теплообмінних трубок проходить конденсація парів бензолу та охолодження конденсату до заданої температури.

Охолоджуюча вода поступає у трубний простір теплообмінника і рухається протитоком до руху бензолу. Охолоджений конденсат із конденсатора поступає у збірник.

Рис.3. Технологічна схема конденсатора бензолу:

А – адсорбер; К – конденсатор бензолу; В – вентилятор; ЕК – електрокалорифер; Зб – збірник конденсату

3. Технологічний розрахунок

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

Q = G·r

де  G – масова витрата бензолу, кг/с;

         r – теплота конденсації, кДж / (кг×Вт); за умови тиску пари бензолу Р=0,15 МПа - r = 382 кДж / (кг×Вт)

Q = 12 × 382000 = 4,58 × 10⁶ Вт

Теплове навантаження при охолодженні бензолу до кінцевої температури визначаємо з рівняння:

 Q = G ×С× (t₂ – t₁)       

де C =2011 Дж / (кг × К) - питома теплоємність бензолу;

              t₁ = 93ºС - початкова температура бензолу за умови тиску пари Р=0,15 МПа, °С;

              t₂ – кінцева температура, °С;

 Q = 12·2011·(93-35) = 1,4·10⁶ Bm

 Сумарне теплове навантаження

 Q = 4,58·10⁶ + 1,4·10⁶ = 5,98·10⁶ Bm

Витрата води G₂ визначається за формулою

де t_2п=15ºС – початкова температура охолоджуючої води.

3.2. Визначення середньої рушійної сили

        

Приймаємо рух теплообмінних потоків протитечій ним. Така схема руху забезпечує найбільшу по довжині апарату середню різницю температур, що дозволяє з максимальною інтенсивністю проводити процес при мінімальній площі теплообміну. Тоді температурна схема процесу буде мати такий вигляд:

93                       35

15                        20

                                    Dt_б = 78                  Dt_м = 15    

        

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 пари органічних речовин, що конденсується до води  значення k_ор = 500 Вт/(м²´К). Тоді F_ор буде дорівнювати:

3.4 Розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі

Коефіцієнт тепловіддачі для води розраховуємо за формулою:

Коефіцієнт тепловіддачі для конденсації пари бензолу за залежністю α=f(n, L, G)  при довжині труб = 6 м та поправочних коефіцієнтах відповідно 0,62 та 0,6 і В = 1055 розраховуємо за рівнянням:

3.5 Розрахунок термічного опору стінки та забруднень і коефіцієнта теплопередачі

        

Термічний опір стінки при стандартних даних забруднень стінок зі сторони двох теплоносіїв:

4. Гідравлічний розрахунок

4.1 Перепад опору трубного простору

         Перепад тиску в трубному просторі визначають за формулою з врахуванням довжини шляху рідини

В трубному просторі місцевий опір створюється на вході в камеру і виході з двома поворотами на 180°, два входи в трубу і стільки ж виходів при кількості ходів – 2

4.2. Розрахунок опору міжтрубного простору

         У міжтрубному просторі число рядів труб, яке омивається потоком пари n =165. Діаметр штуцерів на вхід пари приймаємо 0,40 м і вихід конденсату – 0,150 м. Тоді швидкість в штуцері для пари

У між трубному просторі місцевий опір створюється на вході в штуцер і виході з 18 поворотів при х=18, а також 19 опорів трубного пучка при його поперечному омиванні(х+1).

5. Механічний розрахунок

5.1 Розрахунок на міцність трубної решітки

         Розрахунок на міцність трубної решітки полягає у визначенні висоти трубної решітки, яка для нерухомо закріплених решіток визначається за формулою

5.2 Вибір фланців

         Для розрахункових штуцерів вибираємо фланці стальні плоскі приварні зі з’єднувальним виступом (рис.4), 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.