Курсовая работа посвящается расчету теплообменного аппарата по заданным параметрам (см. стр. 2).
Курс «Процессы и аппараты химических технологий» является инженерной дисциплиной, представляющей собой важные раздел теоретических основ химической технологии. Данный курс освещает начала, которые должны быть синтетически использованы при разработке наиболее эффективных с технико-экономической точки зрения процессов производства в любых отраслях химической технологии. Таким образом, тема данной курсовой работы в рамках курса «Процессы и аппараты химических технологий» является весьма актуальной для изучения и проектирования сложных, в том числе химических, процессов химической технологии.
Целью данной работы является подробное изучение процесса теплообмена, исследование конструкций и особенностей теплообменных аппаратов.
Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.
По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:
- поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через поверхность стенки;
- регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;
- смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.
В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубные, оросительные, погруженные и «труба в трубе».
Достижение целей поставленных в данной работе осуществляется по средствам изучения и выбора типа аппарата, согласно исходным данным. Проведения необходимых материальных, тепловых и конструктивных расчетов, составления графиков процесса.
1. Теоретические основы теплообменного процесса
Тепловые процессы — технологические процессы, которые протекают со скоростью, обусловленной законами теплопередачи.
Теплообменные аппараты — аппараты, предназначенные для проведения тепловых процессов., Теплоносители — тела (среды),
Существует три способа переноса тепла: теплопроводность, конвективный теплообмен и тепловое излучение.
Перечень рефератов процессы и аппараты химической промышленности
... и данными каталогов отечественной и зарубежной промышленности. Подбор вспомогательного оборудования. Задача раздела заключается в подборе оборудования, обеспечивающего непрерывную и бесперебойную работу основного аппарата: ... курсового проекта. По чертежу технологической схемы процесса дать описание всего технологического процесса. Назвать основные технологические параметры производства. Подробно ...
Теплопроводность — явление переноса тепловой энергии непосредственным контактом между частичками тела.
Конвективный теплообмен — процесс распространения в следствии движения жидкости или газа.
Естественная (свободная) конвекция обусловлена разностью плотности в разных точках объема теплоносителя, который возникает вследствие разности температур в этих точках.
Вынужденная конвекция обусловлена принудительным движением всего объема теплоносителя.
Тепловое излучение — процесс передачи тепла от одного тела к другому, распространением электромагнитных волн в пространстве между этими телами.
Теплоотдача — процесс переноса тепла от стенки до теплоносителя или в обратном направлении.
Теплопередача — процесс передачи тепла от более нагретого менее нагретому теплоносителю через разделяющую их поверхность или твердую стенку.
При проектировании теплообменных аппаратов тепловой расчет сводится к определению необходимой поверхности теплообмена F, (м2), по основному уравнению теплопередачи.
2 . Тепловые и материальные расчеты
Различают два вида теплотехнических расчетов теплообменников: проектный и проверочный. Проектный расчет выполняется, когда расходы теплоносителей и их параметры заданы. Цель проектного расчета — определение площади поверхности теплообмена и конструктивных размеров выбранного аппарата. С помощью проверочного расчета выявляют возможность использования имеющихся теплообменников в условиях заданного процесса и определяют условия, обеспечивающие оптимальный режим работы аппарата.
По заданным параметрам (см. стр. 2) проводим проектный расчет, который включает в себя выбор типа и конструкции теплообменного аппарата, тепловой, конструктивный, гидравлический, механический и технико-экономический расчеты.
Тепловой расчет теплообменника заключается в определении необходимой площади поверхности теплообмена, которую находят из основного уравнения теплопередачи:
F=, (2.1)
где Q — тепловая нагрузка теплообменного аппарата, определяемая из теплового баланса;
- К — коэффициент теплопередачи;
- ?tср — средний температурный напор.
Запишем уравнение теплового баланса в общем виде без учета потерь теплоты в окружающую среду:
Q=Q1=Q2 (2.2)
где Q1 — количество теплоты, отданной горячим теплоносителем, Вт;
- Q2 — количество теплоты, сообщенной холодному теплоносителю, Вт.
Уравнение теплового баланса в общем виде с учетом потерь теплоты в окружающую среду:
Q1=Q2+ Qпот. (2.3)
Теплообмен протекает без изменения агрегатного состояния теплоносителей, тогда:
Q1=G1·c1·(t1н-t1к), (2.4)
Q2=G2·c2·(t2к-t2н).
(2.5)
где G1, G2 — массовые расходы теплоносителей, кг/с;
- c1, c2 — удельные массовые теплоемкости теплоносителей, Дж/(кг·К);
- t1н, t1к — начальная и конечная температуры охлаждаемой среды (90%-ая уксусная кислота), К;
- t2н, t2к — начальная и конечная температуры соответственно, нагреваемой среды (10%-ая уксусная кислота) соответственно, К.
Таким образом, уравнение теплового баланса примет вид:
Производство уксусной кислоты
... м3 древесины. Биохимический метод производства уксусной кислоты используют только для производства натурального пищевого уксуса. Появление синтетических методов производства уксусной кислоты связано с разработкой и ... - обильное промывание водой.Синтетическую пищевую уксусную кислоту заливают в чистые железнодорожные цистерны, автоцистерны с внутренней поверхностью из нержавеющей стали, в контейнеры, ...
Q= G1·c1·(t1н-t1к)= G2·c2·(t2к-t2н) (2.6)
Из уравнения (1.6) найдем расход теплоты на нагрев 10%-ой уксусной кислоты:
Q = G2·c2·(t2к-t2н)= 1,11 . 3603,5 . (70 — 10) = 240233,3 Вт,
где c2=3603,5 Дж/(кг·К) — средняя удельная теплоемкость 10%-ой уксусной кислоты (прил. III [3]);
G2=4 т/час=
Объемный расход 10%-ой уксусной кислоты:
- V2 = G2/?2 = 1,11/1062 = 0,00104?0,001 м3/с;
- ?2 = 1062 кг/ м3 — плотность уксусной кислоты при 40оС [1, табл. IV].
Расход охлаждаемой 90%-ой уксусной кислоты с учетом 7% потерь теплоты:
G1= (2.7)
c1=2430,2 Дж/(кг·К) — средняя удельная теплоемкость 90%-ой уксусной кислоты (прил. III [3]);
- t1н=108,5оС — температура кипения 90%-ой уксусной кислоты.
G2=
Объемный расход 90%-ой уксусной кислоты:
- V1 = G1/?1 = 1,19/1004 = 0,0011?0,001 м3/с;
- ?1 =1004 — плотность уксусной кислоты при 64,2оС [1, табл. IV].
Для ориентировочного определения максимальной поверхности теплообмена необходимо задаться коэффициентом теплопередачи. Согласно табл. 2.1 [2] минимальное значение этого коэффициента, характеризующее теплообмен между органической жидкостью (90%-ая уксусной кислоты) и органической жидкостью (10%-ой уксусной кислоты), составляет Kмин = 300 Вт/(м2·К), максимальное значение коэффициента теплопередачи составляет Kмакс = 800 Вт/(м2·К)
Средняя разность температур:
(2.8)
Температурная схема (см. рис. I приложение):
108,5 > 20
70 < 10
?tб = 38,5 ?tм = 10
Средняя температура 90%-ой уксусной кислоты:
t1ср = (t1н + t1к)/2 = (108,5+20)/2 = 64,25 ?С
Средняя температура 10%-ой уксусной кислоты:
t2ср = t1ср — tcр = 64,25 — 21,16 = 43,1 С.
3. Выбор типа и конструкции теплообменного аппарата
На основании ориентировочной оценки площади поверхности теплообмена и коэффициента теплопередачи подбираем вариант конструкции теплообменника и проводим уточненный расчет. Сопоставление ориентировочных и полученных при уточненном расчете значении площади поверхности теплообмена и коэффициента теплопередачи даст ответ на вопрос о пригодности выбранной конструкции теплообменника. При значительных отклонениях расчетных значений от выбранных следует перейти к другому варианту конструкции теплообменника и повторить уточненный расчет.
На основании условий теплообмена, полученных ориентировочных расчетов площади поверхности теплообмена и коэффициента теплопередачи, подробного изучения типов теплообменных аппаратов (с. 54 — 64 [2]) назначаем теплообменный аппарат типа «труба в трубе». Среды движутся в противотоке. В кольцевой зазор между трубами поступает охлаждаемая среда — 90%-ая уксусная кислота при атмосферном давлении, а по внутренней трубе — нагреваемая среда — 10%-ая уксусная кислота под давление 1,5 атм.
стенка теплообменник труба гидравлический
4. Уточненный расчет
Принимаем, что аппарат изготовленный из труб 383,5 (внутренняя труба) и 574 (наружная труба) [2c. 61].
Для обеспечения турбулентного течения уксусной кислоты в трубе при Re2 > 10 000 скорость в трубах должна быть больше ?’2:
, (4.1)
где ?2 = 0,82 . 10-3 Па . с — динамический коэффициент вязкости 10%-ой уксусной кислоты при 43,10С [1, табл.IX]. Для расчетов можно выбрать трубы диаметром 25?3 мм. Тогда внутренний диаметр труб равен: dвн = 38 — 3,5
- 2 = 31 мм.
Число параллельно работающих труб 38 x 3,5 мм, обеспечивающих объемный расход уксусной кислоты при Re2 = 10 000:
(4.2)
Для обеспечения устойчивого турбулентного режима движения нагреваемой среды принимаем n` = 3, тогда фактическая скорость раствора будет равна:
w2 = V2/0,785dвн2n`22 = 0,001/0,7850,03123= 0,44 м/с.
Критерий Рейнольдса для 10%-ой уксусной кислоты:
Re2 = w2dвн2/2 = 0,440,0311062/0,8210-3 = 17665, (4.3)
режим движения — турбулентный.
4.1 Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой среде
Критерий Нуссельта:
Nu2 = 0,023Re20,8Pr20,43(Pr2/Pr2ст)0,25 (4.4)
Критерий Прандтля:
Pr2 = с2·2 /2 = 3,60,82/0,395 = 7,4, (4.5)
2 = 0,395 Вт/мК — коэффициент теплопроводности 10%-ой уксусной кислоты при средней температуре.
Примем в первом приближении (Pr2/Pr2ст)0,25 = 1, тогда
Nu2 = 0,023176650,87,40,43 = 136
2 = Nu22/d2 = 1360,395/0,031 =1733 Вт/(м2K)
4.2 Коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой (нагревающей) среды к стенке
Скорость воды в межтрубном пространстве:
w1 = G1/[10,785(Dвн2 — dн2)n] = (4.6)
= 1,19/10040,785(0,0492 — 0,0382)3 = 0,52 м/с,
где Dвн = 0,049 м — внутренний диаметр большой трубы,
dн = 0,038 м — наружный диаметр малой трубы.
Критерий Рейнольдса для 90%-ой уксусной кислоты:
Re1 = w1dэ1/1,
где ?1 = 0,68 . 10-3 Па . с — динамический коэффициент вязкости 90%-ой уксусной кислоты при 64,20С [1, табл.IX].,
dэ — эквивалентный диаметр межтрубного пространства.
dэ = Dвн-dн = 0,049 — 0,038 = 0,011 м
Re1 = 0,520,0111004/0,6810-3 = 8445, 2320<8445<10000.
Режим движения — переходный.
Критерий Нуссельта:
Nu1 = 0,008Re10,9Pr10,43 (4.7)
Критерий Прандтля:
Pr1 = с1·1 /1 = 2,430,68/0,158 = 10,4, (4.8)
1 = 0,158 Вт/мК — коэффициент теплопроводности 90%-ой уксусной кислоты при средней температуре.
Nu1 = 0,00884450,910,40,43=75.
1 = Nu11/dэ = 750,158/0,011 =1077 Вт/(м2K)
4.3 Тепловое сопротивление стенки
(4.9)
где = 0,004 м — толщина стенки
cт = 17,5 Вт/(мК) — теплопроводность нерж. стали [1c. 529]
r1=r2=1/5800 мК/Вт — тепловое сопротивление загрязнений [1c. 531]
= (0,004/17,5) + (1/5800) + (1/5800) = 5,7310-4 мК/Вт
4.4 Коэффициент теплопередачи
(4.10)
Вт/(м2К)
4.5 Температура стенок
tст = tср+ Ktср/ (4.11)
Со стороны 10%-ой уксусной кислоты:
tст2 = t2ср+ Ktср/2= 43,1 + 48121,16/1733 = 48,9 С,
Prст2= 6,8 при температуре 48,9 С, значит
1ут =1733(7,4/6,8)0,25 =1770 Вт/(м2К).
Со стороны 90%-ой уксусной кислоты:
tст1 = t1ср — Ktср/1 = 64,25 — 48121,16/1077 = 54,8 С,
4 .6 Уточненный расчет коэффициента теплопередачи
Вт/(м2К)
Проверяем температуру стенки:
tст1 = t1ср — Ktср/1 = 64,25 — 48421,16/1077 = 54,7 С
tст2 = t2ср — Ktср/2 = 43,1+ 48421,16/1770 = 48,8 С
Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейшего уточнения не требуется
4 .7 Поверхность теплообмена
F мин<F< Fмакс, расчет удовлетворителен.
4.8 Выбор стандартного аппарата
По ГОСТ 8930-78 [2c. 61] выбираем стандартные неразборные элементы длиной 6,0 м, для которых поверхность теплообмена равна 0,72 м2, тогда число элементов в одном ряду составит:
N = F/(nF1) =23,45/(30,72) = 10,85 принимаем N = 11.
5.1 Коэффициент трения раствора трубах
Скорость среды в трубах: w2 = 0,44 м/с
Относительная шероховатость:
e2 = /dвн = 0,0002/0,031 = 0,0064 (5.1)
где = 0,0002 м — шероховатость труб [2c. 14]
Коэффициент трения. Так как выполняется условие:
10/е2 = 10/0,0064 =1562,5 < Re2 < 560/e2 = 560/0,0064 = 87500 (5.2)
то коэффициент трения будет равен:
2 = 0,11(е2 + 68/Re2)0,25 = 0,11(0,0064 + 68/17665)0,25 = 0,035 (5.3)
5.2 Сумма местных сопротивлений
= 1 + 2 + 43 = 0,5 + 1,0 + 80,154 = 2,73 (5.4)
где 1 = 0,5 — вход в трубу [2c.14],
2 = 1,0 — выход из трубы,
3 = АВ = 1,40,11 = 0,154 — отвод круглого сечения.
5.3 Гидравлическое сопротивление трубного пространства
= (0,0356·11/0,031 + 2,73)10620,442/2 =7941 Па (5.5)
5 .4 Подбор насоса
Требуемый напор насоса:
Н = Р/(g) =7941/(10629,8) = 0,76 м (5.6)
Объемный секундный расход:
Q = 0,0011 м3/с (5.7)
По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/18, для которого производительность Q = 2,410-3 м3/с, напор Н = 11,3 м [2c. 38].
5.5 Коэффициент трения для воды в межтрубном пространстве
Скорость среды в межтрубном пространстве w1= 0,52 м/с
Относительная шероховатость:
e1= /dэ = 0,0002/0,011 = 0,018 (5.8)
Так как выполняется условие:
10/е1 = 10/0,018 = 555 < Re1 < 560/e1 = 560/0,018 = 31111,
то коэффициент трения будет равен:
1 = 0,11(е1 + 68/Re1)0,25 = 0,11(0,018 + 68/8445)0,25 = 0,044.
5.6 Сумма местных сопротивлений
=11(1 + 2) = 16,5 (5.9)
где 1 = 0,5 — вход в трубу [2c.14],
2 = 1,0 — выход из трубы.
5.7 Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства
= (0,0446·11/0,011 + 16,5)10040,522/2 =8212 Па.
5.8 Подбор насоса
Требуемый напор насоса:
Н = Р/(g) = 8212/(10049,8) = 0,83 м.
Объемный секундный расход:
Q = 1,110-3 м3/с.
По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/18, для которого производительность Q = 2,410-3 м3/с, напор Н = 11,3 м [2c. 38].
6.1 Соединение элементов
Соединение элементов между собой осуществляется с помощью калачей радиусом 100 мм изогнутых на 180.
6.2 Фланцы
Калачи и внутренне трубы снабжены плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80 при Р=1,6 МПа, конструкция и размеры которых приводятся ниже:
Рисунок 6.2 — Эскиз фланца
Таблица 6.2 Основные размеры фланца
|
d |
D |
D2 |
D1 |
h |
n |
d1 |
|
|
39 |
135 |
100 |
80 |
14 |
4 |
18 |
|
6 .3 Опоры
Теплообменник крепится на сварном каркасе изготовленных из уголка №5. Теплообменные элементы к опоре крепятся болтами с помощью хомутов
Рисунок 6.3- Схема крепления теплообменника
7. Характеристика и схема установки
Теплообменник «труба в трубе» включают несколько расположенных друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы большего диаметра и концентрически расположенной внутри нее трубы меньшего диаметра. Внутренне трубы элементов соединены друг с другом последовательно; так же связаны между собой наружные трубы. Для возможности очистки внутренне трубы соединяются при помощи съемных калачей.
Благодаря небольшому поперечному сечению в этих теплообменниках легко достигаются высокие скорости теплоносителей в как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При значительных количествах теплоносителей теплообменник составляют из нескольких параллельных секций, присоединяемых к общим коллекторам.
Преимущества теплообменников «труба в трубе»:
- высокий коэффициент теплопередачи в следствии большой скорости
обоих теплоносителей;
- простота изготовления.
Недостатки этих теплообменников:
- громоздкость;
- высокая стоимость ввиду большого расхода металла на наружные
трубы, не участвующие в теплообмене;
- трудность очистки межтрубного пространства.
Теплообменники «труба в трубе» могут использоваться, как для нагревания, так и для охлаждения.
Нагревание обычно производится или горячей водой или насыщенным водяным паром, который запускается в межтрубное пространство и конденсируется на поверхности внутренней трубы. Также распространение такие теплообменники получили для теплообмена между средами жидкость — жидкость.
При охлаждении в теплообменниках «труба в трубе» в качестве хла-доагента может использоваться речная или артезианская вода, а в случае, когда требуется получить температуру ниже 5-20°С применяют холодильные рассолы (водные растворы СаС12, NaCl, и др.).
При небольших тепловых нагрузках, когда требуемая поверхность нагрева не превышает 20 — 30 м2, целесообразно применение теплообменников типа «труба в трубе». Такие теплообменники изготавливаются следующих типов:
- неразборные однопоточные малогабаритные;
- разборные одно- и двухпоточные малогабаритные;
- разборные однопоточные;
- неразборные однопоточные;
- разборные многопоточные.
Рисунок 7.1- Неразборный теплообменник типа «труба в трубе»: (1 — теплообменная труба; 2 — кожуховая труба; 3 — калач)
Рисунок 7.2 — Технологическая схема процесса
Уксусная кислота 10%-ая, из расходной емкости РЕ, с помощью центробежного насоса Н подается в трубное пространство элемента Э теплообменника «труба в трубе». В межтрубное пространство теплообменника подается греющий среда — 90%-ая уксусная кислота, который через стенку трубы подогревает нагреваемую среду. Кислота подогретая за счет теплопередачи поступает в приемную емкость (см. рис. 7.2).
Выводы
После проведенных предварительных и проверочных расчетов, сравнении намеченных и полученных уточненных результатов, изучения существующих типов и конструкций теплообменников, можно заключить, что выбранный теплообменник типа «труба в трубе» удовлетворяет требованиям заданного процесса теплообмена.
Также учтена рекомендация по выбору наиболее простых по конструкции и наиболее дешевых по материалам теплообменников.
Заключение
При выполнении курсовой работы были использованы и закреплены знания, полученные дисциплине “Процессы и аппараты химической технологии”.
Целью данного проекта является расчет процесса теплообмена, выбор и расчет теплообменного аппарата.
В ходе решения поставленной задачи курсовой работы, была освоена методика тепловых и материальных расчетов теплообменных процессов, выбор и расчет теплообменных аппаратов, получены навыки конструкторского расчета теплообменных аппаратов, позволяющие обеспечить заданный теплообменный процесс. Закреплены навыки применения технической литературы, ГОСТов и стандартов.
В ходе тепловых и материальных расчетов был намечен конкретный теплообменный аппарат типа «труба в трубе». По результатам уточненных и проверочных расчетов заключили о пригодности намеченных данных.
Также проведены гидравлические расчеты процесса и аппарата, по результатам которых подобраны насосы.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/raschet-teploobmennogo-apparata/
1 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов. М.: ООО ТИД «Альянс», 2005.
2 Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др., 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991.
3 Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1968. 847 с.
4 Тимонин А. С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Справочник. 2 том. Издательство Н. Бочкаревой. Калуга 2002.
5 Иоффе И. Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. — Л.: Химия, 1991. — 352 с., ил.
6 Локотанов Н. С., Ермаков С. А. Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии» Екатеринбург ГОУ ВПО УРГУ-УПИ, 2003, 42 с.
