Проект системы охлаждения уксусной кислоты производительностью 15 кг/с

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

 

Омский государственный технический университет

 

Кафедра «Машины и аппараты химических производств»

 

Специальность «Химическая технология органических веществ»

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

на тему: «Проект системы охлаждения уксусной кислоты

производительностью 15 кг/с. »

 

 

по дисциплине  «Процессы и аппараты химической технологии»

 

Студент Харитонов Александр Александрович       группы ХТ-323

     

 

Пояснительная записка

Шифр проекта КП 40.06.22 ПЗ

 

 

 

 

Руководитель проекта (работы)

Ануфриенко Анастасия Леонидовна

 

________________________________

 (Подпись, дата)

 

Разработал студент

Харитонов Александр Александрович

 

_______________________________________

 (Подпись, дата)

 

Омск  2006

 

 

Содержание

 

  стр.

Введение………………………………………………………………………3

1. Задание к курсовому проекту…………………………………………4
2. Описание технологической схемы……………………………………6
3. Расчет основного аппарата……………………………………………7
3. Общая часть……………………………………………………….7
3. Расчёт теплообменного аппарата………………………………..8
3. Гидравлический расчет………………………………………….14
3. Вывод……………………………………………………………..14
4. Расчет дополнительного аппарата…………………………………..16
4. Подбора насоса………………………………………………….16

Заключения………………………………………………………………….18

Список литературы…………………………………………………………19

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Кожухотрубный теплообменник является наиболее распространенным аппаратом вследствие компактного размещения большой теплопередающей поверхности в единице объема аппарата. Поверхность теплообмена в нем образуется пучком параллельно расположенных трубок концы, которых закреплены в двух трубных досках (решетках). Трубки заключены в цилиндрический кожух, приваренный к трубным доскам или соединенный с ними фланцами. К трубным решеткам крепятся на болтах распределительные головки, что позволяет легко снять их и произвести чистку трубок или в случае необходимости заменить новыми. Для подачи и отвода теплообменивающихся средств в аппарате имеются штуцера. В целях предупреждения смешения сред трубки закрепляются в решетах чаще всего развальцовкой, сваркой или реже для предупреждения термических напряжений с помощью сальников.

Преимущества проведения процессов теплообмена по принципу противотока, что обычно и выполняется в кожухотрубных теплообменных аппаратах. При этом охлаждаемую среду можно направить сверху вниз, а нагреваемую на встречу ей, или наоборот. Выбор, какую среду направить в межтрубное пространство, и какую внутрь трубок, решается сопоставлением ряда условий:

• среду с наименьшим значением следует направлять в трубки для увеличения скорости ее движения, и, следовательно,  для увеличения ее коэффициента теплоотдачи;
• внутреннюю поверхность трубок легче чистить от загрязнений, поэтому теплоноситель, который может загрязнять теплопередающую поверхность, следует направлять в трубки;
• среду под высоким давлением целесообразно направлять в трубки, опасность разрыва которых меньше по сравнению с кожухом;
• среду с очень высокой или, наоборот с низкой температурой лучше подавать в трубки для уменьшения потерь тепла в окружающую среду.

Работу кожухотрубных теплообменников можно интенсифицировать, применяя трубы малого диаметра. Необходимо иметь в виду, что при уменьшении диаметра труб увеличивается гидравлическое сопротивление теплообменника.

Наиболее простой путь обеспечения высоких скоростей состоит в устройстве многоходовых теплообменников. Число ходов в трубном пространстве может доходить до 8 - 12. При этом часто не удается сохранить принцип противотока. Наличие смешанного тока буден несколько снижать движущую силу процесса теплопередачи, что соответственно снизит эффективность работы. С помощью перегородок увеличивается скорость движения той среды, у которой меньше значение коэффициента теплоотдачи. Следует иметь в виду, что в длинных, особенно в многоходовых, теплообменниках уменьшается смешение поступающей среды со всем ее количеством, находящемся в аппарате, и этим предупреждается возможное дополнительное уменьшение средней разности температур.

В кожухотрубных теплообменниках при большой разности температур между средами возникают значительные термические напряжения, особенно в момент пуска или остановки аппарата, вызванные различным удлинением трубок и кожуха под воздействием различных температур. Во избежание возникновения таких напряжений используются следующие меры:

1. Установка в корпусе аппарата линзового компрессора.
2. Установка в теплообменнике только одной трубной решетки, в которой закреплены трубки U - образной формы.
3. Устройство теплообменников с «плавающей головкой».
4. Закрепление трубок в одной из трубных решеток с помощью сальников.
5. Сальниковое соединение трубной решетки с кожухом.

В данном курсовом проекте будут рассмотрены и проведены тепловые, гидравлические расчеты для системы охлаждения уксусной кислоты производительностью 15 кг/с, а также подбор насоса для подачи воды в теплообменный аппарат.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Задание к курсовому проекту

 

Рассчитать и спроектировать ТЕПЛООБМЕННИК по следующим данным:

1. По охлаждаемой среде:

• Среда уксусная кислота;

• Производительность 15кг/с;
• Начальная температура 1000С;
• Конечная  температура 300С;

2. По охлаждаемой среде:

• Среда Вода;
• Начальная температура 150С;

3. Дополнительные данные:

• Высота градирни 30 м;
• Высота расположения теплообменного аппарата 2 м;
• Суммарная длина трубопроводов в линии всасывания насоса 40 м;
• Суммарная длина трубопроводов в линии нагнетания 40 м;
• Давление теплообменном аппарате 0,2 МПа;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Описание технологической схемы

 

 

 

Вода из емкости Е1 поступает в теплообменный аппарат Т1 при помощи насоса Н1 в трубное пространство, снизу вверх. В теплообменном аппарате Т1, в межтрубное пространство поступает седа (уксусная кислота) с начальной температурой 1000С , где происходит его охлаждение водой до 300С. Вода из теплообменого аппарата Т1 поступает на градирню, где происходит охлаждение до температуры 150С и поступает в емкость Е1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет основного аппарата

 

3.1. Общая часть

1. Определим расход теплоты и  расход воды. Примем индекс «1»  для горячего теплоносителя (уксусной кислоты), индекс «2» - для холодного теплоносителя (вода).

Предварительно найдем среднюю температуру уксусной кислоты:

t1 = 0,5 (100+ 30) = 65 С;

среднюю температуру воды:

0,5(95+15)=55 С;

где - средняя разность температур, равная при потоке теплоносителей 10,82 С.

 

+100 30 С;

+95   15 С;

     ;         

 

= 9 С; 

 

Без учета потерь тепла расход теплоты:

 Вт; 

расход воды аналогично (2.3) выразив через расход:

 кг/с; 

где =1341,83 Дж/(кг К) и =4200 Дж/(кг К) - удельные теплоемкости уксусной кислоты и воды при их средних температурах = 65С и = 55С [1 таб. XXVI].

Объемные расходы уксусной кислоты и воды:

 15/1004 = 1,5.10-2 м3/с

 2,4/983 = 4,3.10-2 м3/с

где = 1004 кг/м3 и = 983 кг/м3 плотности уксусной кислоты и воды при их средних температурах = 65 С и = 55С [1 таб. XXVI].

 

 

3.2. Расчёт теплообменного аппарата.

Для начала определим ориентировочно значение площади поверхности теплообмена, полагая Kор = 700 по [1, таб. 4.8], т. е. приняв его таким же, как и при теплообмене от жидкости к жидкости для воды:

; 

Из величины = 224 следует, что проектируемый теплообменник может быть многоходовым. Поэтому для правильности расчета нужно сделать поправку для многоходовых теплообменников.

В аппаратах со смешанным движением теплоносителей , при прочих равных условиях, больше чем в случае прямотока. При сложном взаимном движении теплоносителей принимает промежуточные значения, которые учитывают, вводя поправку к средней логарифмической разности температур для противотока.

; 

где   ;  ;

; ;  

 

; ;     ;

 

;

 

;

 

= С;  

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат, направив большой поток G1 (уксусная кислота)- в межтрубное пространство,G2  (вода)- в трубное пространство, для того чтобы увеличить скорость этих потоков.

В теплообменных трубах Æ25х2 мм теплообменника по ГОСТ 15122-79 скорость течения среды будет равна:

где V1 –объёмный расход уксусной кислоты, 

      Sм  -площадь межтрубного пространства.          

Число труб, обеспечивающих такой режим, должно быть:

; 

т.е. число труб n < 130 на один ход.

Выберем подходящий вариант теплообменника [1 стр. 215, таб.4.12]:

 

1. Теплообменник «кожухотрубный»   D=800 мм; dн=25х2 мм; n/z=64; z=6; l=9 м; Sт=0,022 м2; Sм=0,07 м2; Sв.п=0,07 м2; h=350 мм; F=224 м2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Теплообменник «кожухотрубный» (ГОСТ 15122-79)

Составим схему процесса теплопередачи (Рис. 2.1).

а) В межтрубное пространство. Определим критерии Рейнольдса и Прандтля для уксусной кислоты.

Укс.кислота                   Вода

   

 

   

 

   

              

                      

Рис. 2.1

; 

;

;  

     ;

   где =0,477 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности уксусной кислоты.

 

 

 

 

 

 

Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при

Re >10000.

; 

где ;

 и  - плотности уксусной кислоты при 100 и 30 С; =0,7.10-3 Па.с

[1, таб. XXXIX] - динамический коэффициент вязкости уксусной кислоты при 65С.

;

 

 

 

 

Рассчитаем критерий Нуссельта для переходного течения уксусной кислоты:

;        

где примем равному 1, и соотношение =1 с дальнейшей поправкой.

Коэффициент теплоотдачи уксусной кислоты к стенке:

; 

б) Трубное пространство. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для воды. Скорость воды в трубном пространстве.

; 

Критерий Рейнольдса для воды:

; 

где =0,506410-3 Па.с [1, таб. XXXIX], = 983 при температуре  55 С;

Критерий Прандтля для воды:

;   

где =0,64 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности воды [1, рис. XXXIX].

Для вертикального расположения труб примем выражение [1 стр.155 ф. 4,28]

;  

где соотношение =1 с дальнейшей поправкой.

;

Коэффициент теплоотдачи для воды:

; 

 

 

 

Рассчитаем термическое сопротивление стенки и загрязнений [1, таб. XXXI]:

; 

;

Коэффициент теплопередачи:

;   

 

Поверхностная плотность потока:

;  

3. Определим ориентировочно значения и , исходя из того, что

;  

где сумма .

Найдем:   С;  

 С; 

 С;   

Проверка: сумма ;

4+3,9+0,9=8,8 С;

Отсюда

 С;  

 С;   

Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи, определив .Критерий Прандтля для уксусной кислоты при С;

;  

где [1 таб. XXII]; [1 таб. IX]; [1 таб. XXIX].

Коэффициент теплоотдачи для среды (уксусная кислота):

 

Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи, определив. Критерий Прандтля для воды при С;

Коэффициент теплоотдачи для воды:

 

Исправленные значения К, q, и

;

Вт/м2;   

 С;  

 С;  

   

  

Дальнейшее уточнение , и других величин не требуется, так как расхождение между крайними значениями не превышает 15%.

4. Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

;   

запас  

 

 

 

 

 

 

 

3.3.Гидравлический расчет

Расчет гидравлического сопротивления

 

Скорость жидкости в трубах

;    

 

Коэффициент трения рассчитываем:

 

;

 

где    - высота выступов шероховатости на поверхности,

d - диаметр трубы.

Диаметр штуцеров в распределительной камере - трубного пространства, - межтрубного пространства [2, с.55].

;     

Рассчитаем скорость в штуцерах по формуле.

В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, 5 поворотов на 180 градусов, 6 входов в трубы и 6 выходов из них. В соответствии с формулой [2, форм. 2.35] получим

 

Рассчитаем гидравлическое сопротивление:

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве,   Число сегментных перегородок x = 22 [2, таб. 2.7]