ВВЕДЕНИЕ
В химической промышленности широко распространены тепловые процессы - нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах. Теплообменные аппараты или просто теплообменники используются практически во всех отраслях промышленности. Их основная задача обеспечить температурный режим технологических процессов.
В настоящее время все теплообменные аппараты, используемые в химической промышленности, подразделяются на определённые группы по следующим признакам: по назначению (нагреватели, испарители и кипятильники; холодильники, конденсаторы и т. д.),по режиму работы, по особенностям конструкции и т. д. Холодильники и конденсаторы служат для охлаждения потока или конденсации паров с применением специальных хладоагентов (вода, воздух, пропан, хлористый метил, фреоны и т. д.).
Поверхностные теплообменные аппараты можно разделить на следующие типы по конструктивным признакам:
а) кожухотрубчатые теплообменники (жёсткого типа; с линзовым компенсатором на корпусе; с плавающей головкой; с U-образными трубками);
б) теплообменники типа “труба в трубе”;
в) подогреватели с паровым пространством (рибойлеры);
г)конденсаторы воздушного охлаждения.
Кожухотрубчатые теплообменники в настоящее время наиболее широко распространены, по некоторым данным они составляют до 80% от всей теплообменной аппаратуры. Основной частью такого теплообменника является пучок труб, закреплённых в трубных решётках. Трубки располагаются в трубном пучке в шахматном порядке или по вершинам треугольников. Одна из теплообменивающихся сред движется по трубкам, а другая – внутри корпуса между трубками.
Достоинством кожухотрубчатого теплообменника является возможность получения значительной поверхности теплообмена при сравнительно небольших габаритах и хорошо освоенная; недостатком – более высокий расход материала по сравнению с некоторыми современными типами теплообменных аппаратов (спиральными, пластинчатыми теплообменниками и т. д.). Теплообменники могут быть вертикального горизонтального исполнения. Оба варианта установки одинаково широко распространены и выбираются в основном по соображениям монтажа: вертикальные занимают меньшую площадь в цехе, горизонтальные могут быть размещены в сравнительно невысоком помещении. Материал изготовления теплообменников – углеродистая или нержавеющая сталь.
По оценкам экспертов на изготовление трубчатых теплообменников расходуется около трети всего металла, потребляемого машиностроением. Поэтому разработка методов интенсификации теплообмена способствующих снижению массы теплообменников, экономии материалов, является актуальной проблемой, которой занимаются специалисты многих стран. Одним из наиболее простых и эффективных путей интенсификации теплообмена является изменение формы и режима движения теплоносителя.
Разделяемая смесь (бензол-толуол) обладает токсичными, коррозийными свойствами. Выберем для изготовления аппарата марку стали: обычные М.Ст.2 , М..Ст.3..
РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ
Цель: нахождение поверхности теплообмена. По рассчитанной поверхности производится подбор нормализированного варианта теплообменника по каталогам. Величину необходимой поверхности теплообмена определяем на основе уравнения теплопередачи [1]:
Q = KFΔtср. (1)
где Q - тепловая нагрузка аппарата Вт,
K – коэффициент теплопередачи Вт/м²К,
F – поверхность теплообмена м²,
∆tср. – средняя движущая сила процесса теплопередачи К,
В соответствии с приведённым уравнением поверхность теплообмена можно определить следующим образом:
( 2 )
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС
Цель: определение тепловой нагрузки аппарата и нахождение неизвестного расхода теплоносителя.
Для нахождения тепловой нагрузки аппарата составим уравнение теплового баланса процесса. Процесс идёт с изменением агрегатного состояния горячего теплоносителя, поэтому уравнение теплового баланса имеет вид:
ŋGг r = Gх ( Iхк – Iхн ) (3)
где ŋ – величина тепловых потерь равная 5%,
G – расход горячего теплоносителя, кг/с,
r– удельная теплота фазового перехода, Дж/кг,
G – расход холодного теплоносителя, кг/с,
I – энтальпия вещества потока, Дж/кг,
Энтальпии веществ найдём по уравнению:
I = Cp t (4 )
где Ср – теплоёмкость теплоносителя
при определяющей температуре, Дж/кг град,
t – температура теплоносителя, град.
Для нахождения температуры, при которой ведётся конденсация воспользуемся t x (y) диаграммой. В основе построения лежат законы Дальтона, Рауля и Рауля – Дальтона. Это рабочая диаграмма зависимости температуры кипения жидкости от состава и температуры конденсации пара в зависимости от его состава. Состав бинарной смеси всегда определяется по низкокипящему компоненту.
tнк = 86° (бензол) [ 1 ]
tвк = 117° (толуол) [ 1 ]
Таблица № 1
| T° | P°нк | P°вк | П | Xнк | Y* нк |
| 86 | 912 | 365 | 912 | 1 | 1 |
| 88 | 963 | 387 | 912 | 0,91 | 0,96 |
| 90 | 1016 | 408 | 912 | 0,82 | 0,91 |
| 92 | 1081 | 440 | 912 | 0,73 | 0,86 |
| 94 | 1147 | 472 | 912 | 0,65 | 0,81 |
| 96 | 1212 | 504 | 912 | 0,57 | 0,75 |
| 98 | 1278 | 536 | 912 | 0,50 | 0,70 |
| 100 | 1344 | 571 | 912 | 0,44 | 0,64 |
| 102 | 1424 | 607 | 912 | 0,37 | 0,57 |
| 104 | 1504 | 643 | 912 | 0,31 | 0,51 |
| 106 | 1584 | 679 | 912 | 0,25 | 0,43 |
| 108 | 1644 | 715 | 912 | 0,21 | 0,37 |
| 110 | 1748 | 751 | 912 | 0,12 | 0,23 |
| 112 | 1846 | 795 | 912 | 0,11 | 0,22 |
| 114 | 1944 | 839 | 912 | 0,06 | 0,12 |
| 116 | 2042 | 883 | 912 | 0,02 | 0,04 |
| 117 | 2091 | 905 | 912 | 0,005 | 0,01 |
 |
Рисунок № 1
 |
Рисунок №2
Температура конденсации равна 89°С
tгн 89º tгк
tхк=45º
tхн=15º
Рисунок №3 Температурная диаграмма.
По формуле (4) найдём энтальпии при заданных температурах:
Ср15= 4173,24 Дж/кг град.. [ 1 ]
Cp45=4183,715 Дж/кг град. [ 1 ]
I15вода = 4173,24 · 15 = 62598,6 Дж/кг ,
I45вода = 4183,715 · 45 = 188267,1 Дж/кг ,
Для нахождения удельной теплоты фазового перехода воспользуемся формулой:
Rсм = r1 x1 + r2 x2 (5)
x – массовая доля компонента в смеси кгком./кгсм. ,
Ма · х
х = ──────
Мсм
78 · 0,92
Х = ───────── = 0,78 кмоль ком./кмоль см.,
92
хбензол = 0,78; хтолуола = 1 – 0,78 = 0,22
r бензола = 418203,9 Дж/кг , rтолуола =418455,3 Дж/кг [ 1 ]
rcm = 418203.9 * 0.92 + 418455.3 * 0.08 = 418223.9 Дж/кг
Из формулы (3) найдём расход холодного теплоносителя:
0,95 · 418223,9 · 6500
Gx = ────────────────── = 5,7 кг/с
(188267,1 – 62598,6) · 3600
Зная расход холодного теплоносителя и энтальпии при заданных температурах найдем тепловую нагрузку аппарата по правой части уравнения (3).
Q = Gх ( Iхк - Iхн )
Q = 5,7(188267,1-62598,6)=716310,45 Вт
РАСЧЁТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
Целью расчёта тепловой изоляции является определение необходимой толщины слоя теплоизоляционного материала, покрывающего наружную поверхность теплообменника с целью снижения тепловых потерь и обеспечения требований безопасности и охраны труда при обслуживании теплоиспользующих установок. Температура поверхности слоя изоляции не должна превышать 45°С.
Расчёт толщины теплоизоляционного слоя материала проводят по упрощённой схеме, используя следующие уравнения [1]:
Qп = αн · F(tиз. – tокр. ) (17)
λиз.
Qиз =. ──── · F( tст. – tиз. ) (18)
δиз.
Так как Qп = Qиз , то из этого следует :
λиз. ( tст. – tиз. )
δиз. = ───────── (19)
αн (tиз. – tокр. )
где α – коэффициент теплоотдачи в окружающую среду, Вт/м²К,
δиз. – толщина материала изоляции, мм,
λиз. – коэффициент теплопроводности материала изоляции, Вт/мК,
tст., tокр. , tиз. – соответственно температуры наружной стенки аппарата, окружающей среды, наружной поверхности теплоизоляционного материала °С,
Коэффициент теплоотдачи, который определяет суммарную скорость переноса теплоты конвекций и тепловым излучением для аппаратов, находящихся в закрытых помещениях, при температуре до 150°С можно рассчитать по приближённому уравнению:
αн = 9,74 + 0,07∆t (20)
Выбираем теплоизоляционный материал – стеклянная вата.
Задаём температуры:
Tст = 89°С
Tокр = 25°С
tиз. = 40°С
λиз. = 0,05 Вт/мК [1]
Рассчитываем значение коэффициента теплоотдачи :
∆t = tиз - tокр. = 40° - 25° = 15°С
αн = 9,74 + 0,07 * 15°С = 10,79
По уравнению (19) найдём толщину материала изоляции:
0,045 (89 – 40)
δиз. = ───────── = 13,3 мм
10,79 ( 40-25 )
РАСЧЁТ И ПОДБОР ШТУЦЕРОВ
Диаметр условного прохода (внутренний диаметр) штуцеров для подвода и отвода теплоносителей рассчитывается на основе уравнения массового расхода:
πd²вн.шт.
G = ρ ωшт. ───── (25)
4
откуда
___________
dвн.шт. = √ 4G / π ρ ωшт.
.
ωшт. – скорость течения теплоносителя в штуцере м/с,
1. Для насыщенного пара.
Мсм. = Мб. · Хб. + Мт· (1 – Хт.) (27)
Мсм. = 78 · 0,92 + 93 · 0,08 = 79,2
Мсм. 273 Р
ρпара = ──── · ──── (28)
22,4 Т Р0
79,2 273 · 1,2
ρпара = ──── · ──────────── = 3,0723
22,4 (88 + 273) · 1,034
Предельно допустимая скорость насыщенного пара - (15-25 м/с) – 20 м/с
По уравнению (26) найдём:
__________________________
dвн.шт. = √ 4·6500/3,14 · 20·3,0723·3600 =93,4 мм
2. Для конденсата.
Предельно допустимая скорость конденсата – (0,1 – 0,5) – 0,1 м/с
По уравнению (4,2) найдём:
___________________________
dвн..шт. = √ 4·6500/3,14·3600 · 0,1 · 796,812 = 169 мм
3. Для холодного теплоносителя.
dвн..шт = 150 [мм]
| Ду, мм | Дт, мм | До 0,6 МПа | |
| Sт, мм | Нт, мм | ||
| 150 х 2 | 159 | 6 | 155;215 |
| 200 х 2 | 219 | 6 | 160;250 |
Рабочее давление 0,12МПа.
Конструкцию фланцевого соединения принимают в зависимости от рабочих параметров аппарата: плоские приварные фланцы при Р≤2.5МПа , t≤300°C. Во фланцевых соединениях при Р≤4.0МПа ,t≤300°C применяют болты.
ТОЛЩИНА ТРУБНЫХ РЕШЁТОК
В среднем толщина трубных решёток составляет от 15 до 35мм в зависимости от диаметра развальцованных теплообменных труб и конструкции теплообменника, поскольку напряжение, под действием которых находится напряжение, под действием которых находится и работает трубная решётка, определяется не только давлением рабочей среды, но и особенностями конструкции аппарата.
Ориентировочно, толщину трубных решёток можно принять равной:
Sтр.реш. = (dн/ 8) + 5мм. = (20/8) + 5 = 7,5 мм.
ПОДБОР ДНИЩА
Днище – это составной элемент корпуса химических аппаратов, который ограничивает корпус снизу и сверху и изготавливается из того же материала, что и корпус. По форме днища могут быть, в зависимости от давления среды и конструктивных соображений, эллиптическими, сферическими, коническими, плоскими, цилиндрическими; могут присоединяться к корпусу пайкой, сваркой или с помощью фланцев.
Томский Государственный
Промышленно-Гуманитарный колледж
Специальность 2105
Группа 233
Утверждаю:
Зам. Директора по УР
Г.М. Крюкова ____________
«___»_______________2004 г.
РАСЧЁТ КОНДЕНСАТОРА
ЗАДАНИЕ
Студентке группы 233 Иванниковой Марии Анатольевне ТГПГК на выполнение курсового проекта по “Процессам и аппаратам химической технологии”.
Расчёт конденсатора
Тема курсового проекта : _______________________________________
Исходные данные:
Состав насыщенного пара: бензол – 0.92 %, толуол – 0.08 % (мольные)
Рпара = 1.2 ата.
Gпо пару = 6.5 т/час.
Конденсация ведётся охлаждённой водой: tн = 15º , tк = 45º .
Конденсат пара отводится при температуре конденсации.
вода 
 |
1
 |
2
нас.пар
3
4
конденсат
5
вода
1 – крышка 4 - трубы
2 – трубная решётка 5 - днище
3 – корпус
АТОМАТИЗАЦИЯ
| | | ||
| | |||
Регулирование процесса конденсации осуществляется за счёт подачи холодного теплоносителя. При сравнении подачи пара и холодного теплоносителя, срабатывает исполнительный механизм на линии подачи холодног теплоносителя.
| Обозначение | Наименование |
| Первичный измерительный преобразователь расхода, установленный по месту. | |
| Прибор для измерения расхода, показывающий, регистрирующий, установленный на щите. | |
| Прибор для измерения расхода, преобразующий, регулирующий, установленный на щите. | |
| Прибор для измерения температуры, показывающий, регистрирующий, установленный на щите. | |
| Прибор для измерения температуры, показывающий, регистрирующий, сигнализирующий. | |
| Прибор для измерения давления, показывающий, регистрирующий, установленный на щите. | |
| Прибор для измерения расхода, преобразовывающий, установлен по месту, |
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
1.1. Тепловой расчет аппарата
1.1.1. Тепловой баланс
1.1.2. Определение средней движущей силы процесса
1.1.3. Определение средних температур теплоносителей
1.1.4. Расчет коэффициента теплоотдачи
1.1.5. Подбор конденсатора
1.2. Расчет тепловой изоляции
1.3. Гидравлический расчет теплообменных аппаратов
1.3.1 Расчет гидравлического сопротивления
2. КОНСТРУКТИВНО-МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
2.1. Расчет и подбор штуцеров
2.2. Подбор фланцев
2.3. Расчет обечайки
2.4. Расчет толщины трубных решеток
2.5. Подбор днища
2.6. Подбор опор
3. АВТОМАТИЗАЦИЯ
4. ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
В химической промышленности широко распространены тепловые процессы - нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах. Теплообменные аппараты или просто теплообменники используются практически во всех отраслях промышленности. Их основная задача обеспечить температурный режим технологических процессов.
В настоящее время все теплообменные аппараты, используемые в химической промышленности, подразделяются на определённые группы по следующим признакам: по назначению (нагреватели, испарители и кипятильники; холодильники, конденсаторы и т. д.),по режиму работы, по особенностям конструкции и т. д. Холодильники и конденсаторы служат для охлаждения потока или конденсации паров с применением специальных хладоагентов (вода, воздух, пропан, хлористый метил, фреоны и т. д.).
Поверхностные теплообменные аппараты можно разделить на следующие типы по конструктивным признакам:
а) кожухотрубчатые теплообменники (жёсткого типа; с линзовым компенсатором на корпусе; с плавающей головкой; с U-образными трубками);
б) теплообменники типа “труба в трубе”;
в) подогреватели с паровым пространством (рибойлеры);
г)конденсаторы воздушного охлаждения.
Кожухотрубчатые теплообменники в настоящее время наиболее широко распространены, по некоторым данным они составляют до 80% от всей теплообменной аппаратуры. Основной частью такого теплообменника является пучок труб, закреплённых в трубных решётках. Трубки располагаются в трубном пучке в шахматном порядке или по вершинам треугольников. Одна из теплообменивающихся сред движется по трубкам, а другая – внутри корпуса между трубками.
Достоинством кожухотрубчатого теплообменника является возможность получения значительной поверхности теплообмена при сравнительно небольших габаритах и хорошо освоенная; недостатком – более высокий расход материала по сравнению с некоторыми современными типами теплообменных аппаратов (спиральными, пластинчатыми теплообменниками и т. д.). Теплообменники могут быть вертикального горизонтального исполнения. Оба варианта установки одинаково широко распространены и выбираются в основном по соображениям монтажа: вертикальные занимают меньшую площадь в цехе, горизонтальные могут быть размещены в сравнительно невысоком помещении. Материал изготовления теплообменников – углеродистая или нержавеющая сталь.
По оценкам экспертов на изготовление трубчатых теплообменников расходуется около трети всего металла, потребляемого машиностроением. Поэтому разработка методов интенсификации теплообмена способствующих снижению массы теплообменников, экономии материалов, является актуальной проблемой, которой занимаются специалисты многих стран. Одним из наиболее простых и эффективных путей интенсификации теплообмена является изменение формы и режима движения теплоносителя.
Разделяемая смесь (бензол-толуол) обладает токсичными, коррозийными свойствами. Выберем для изготовления аппарата марку стали: обычные М.Ст.2 , М..Ст.3..
РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ
Цель: нахождение поверхности теплообмена. По рассчитанной поверхности производится подбор нормализированного варианта теплообменника по каталогам. Величину необходимой поверхности теплообмена определяем на основе уравнения теплопередачи [1]:
Q = KFΔtср. (1)
где Q - тепловая нагрузка аппарата Вт,
K – коэффициент теплопередачи Вт/м²К,
F – поверхность теплообмена м²,
∆tср. – средняя движущая сила процесса теплопередачи К,
В соответствии с приведённым уравнением поверхность теплообмена можно определить следующим образом:
( 2 )
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС
Цель: определение тепловой нагрузки аппарата и нахождение неизвестного расхода теплоносителя.
Для нахождения тепловой нагрузки аппарата составим уравнение теплового баланса процесса. Процесс идёт с изменением агрегатного состояния горячего теплоносителя, поэтому уравнение теплового баланса имеет вид:
ŋGг r = Gх ( Iхк – Iхн ) (3)
где ŋ – величина тепловых потерь равная 5%,
G – расход горячего теплоносителя, кг/с,
r– удельная теплота фазового перехода, Дж/кг,
G – расход холодного теплоносителя, кг/с,
I – энтальпия вещества потока, Дж/кг,
Энтальпии веществ найдём по уравнению:
I = Cp t (4 )
где Ср – теплоёмкость теплоносителя
при определяющей температуре, Дж/кг град,
t – температура теплоносителя, град.
Для нахождения температуры, при которой ведётся конденсация воспользуемся t x (y) диаграммой. В основе построения лежат законы Дальтона, Рауля и Рауля – Дальтона. Это рабочая диаграмма зависимости температуры кипения жидкости от состава и температуры конденсации пара в зависимости от его состава. Состав бинарной смеси всегда определяется по низкокипящему компоненту.
tнк = 86° (бензол) [ 1 ]
tвк = 117° (толуол) [ 1 ]
Таблица № 1
| T° | P°нк | P°вк | П | Xнк | Y* нк |
| 86 | 912 | 365 | 912 | 1 | 1 |
| 88 | 963 | 387 | 912 | 0,91 | 0,96 |
| 90 | 1016 | 408 | 912 | 0,82 | 0,91 |
| 92 | 1081 | 440 | 912 | 0,73 | 0,86 |
| 94 | 1147 | 472 | 912 | 0,65 | 0,81 |
| 96 | 1212 | 504 | 912 | 0,57 | 0,75 |
| 98 | 1278 | 536 | 912 | 0,50 | 0,70 |
| 100 | 1344 | 571 | 912 | 0,44 | 0,64 |
| 102 | 1424 | 607 | 912 | 0,37 | 0,57 |
| 104 | 1504 | 643 | 912 | 0,31 | 0,51 |
| 106 | 1584 | 679 | 912 | 0,25 | 0,43 |
| 108 | 1644 | 715 | 912 | 0,21 | 0,37 |
| 110 | 1748 | 751 | 912 | 0,12 | 0,23 |
| 112 | 1846 | 795 | 912 | 0,11 | 0,22 |
| 114 | 1944 | 839 | 912 | 0,06 | 0,12 |
| 116 | 2042 | 883 | 912 | 0,02 | 0,04 |
| 117 | 2091 | 905 | 912 | 0,005 | 0,01 |
| |
Рисунок № 1
| |
Рисунок №2
Температура конденсации равна 89°С
tгн 89º tгк
tхк=45º
tхн=15º
Рисунок №3 Температурная диаграмма.
По формуле (4) найдём энтальпии при заданных температурах:
Ср15= 4173,24 Дж/кг град.. [ 1 ]
Cp45=4183,715 Дж/кг град. [ 1 ]
I15вода = 4173,24 · 15 = 62598,6 Дж/кг ,
I45вода = 4183,715 · 45 = 188267,1 Дж/кг ,
Для нахождения удельной теплоты фазового перехода воспользуемся формулой:
Rсм = r1 x1 + r2 x2 (5)
x – массовая доля компонента в смеси кгком./кгсм. ,
Ма · х
х = ──────
Мсм
78 · 0,92
Х = ───────── = 0,78 кмоль ком./кмоль см.,
92
хбензол = 0,78; хтолуола = 1 – 0,78 = 0,22
r бензола = 418203,9 Дж/кг , rтолуола =418455,3 Дж/кг [ 1 ]
rcm = 418203.9 * 0.92 + 418455.3 * 0.08 = 418223.9 Дж/кг
Из формулы (3) найдём расход холодного теплоносителя:
0,95 · 418223,9 · 6500
Gx = ────────────────── = 5,7 кг/с
(188267,1 – 62598,6) · 3600
Зная расход холодного теплоносителя и энтальпии при заданных температурах найдем тепловую нагрузку аппарата по правой части уравнения (3).
Q = Gх ( Iхк - Iхн )
Q = 5,7(188267,1-62598,6)=716310,45 Вт
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ПРОЦЕССА
В самом общем случае температуры теплоносителей могут изменяться, а могут оставаться постоянными вдоль поверхности теплопередачи. Часто встречаются такие варианты, когда температура одного теплоносителя не изменяется, в то время как другого - изменяется (увеличивается или уменьшается). В этих случаях для расчета процесса теплопередачи вводят понятие о средней движущей силе процесса теплопередачи.
На практике среднюю движущую силу процесса теплопередачи рассчитывают следующим образом [1]:
∆tб - ∆tм
∆tср = ───────── (6)
ln (∆tб / ∆tм )
где ∆tб = tгн – tхн =89° – 15° = 74°C
∆tм = tгн –tхк = 89° – 45° = 44°C
74 - 44
∆tср = ─────────── = 58°C
ln (74 / 44)
Дата: 2019-07-24, просмотров: 211.
