Косолапова КП. Гбпоу нхтк курсовой проект тема курсового проекта

• Название: Гбпоу нхтк курсовой проект тема курсового проекта
• Дата: 18.10.2022
• Размер: 0.81 Mb.
• Имя файла: Косолапова КП.docx
• Тип: Курсовой проект; #739520
• страница: 1 из 3

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ, ПРОМЫШЛЕННОСТИ И СВЯЗИ СТАВРОПОЛЬСКОГО КРАЯ

государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Невинномысский химико-технологический колледж»

(ГБПОУ НХТК)


КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Тема курсового проекта:

Рассчитать спроектировать и подобрать стандартный кожухотрубчатый теплообменник для конденсации и охлаждения метилового спирта
ОП.08 Процессы и аппараты
19.02.01 Биохимическое производство

	Студент(ки)а гр.___БХ-19-1_____ ________________Косолапова А.В. (подпись Ф.И.О)
	Преподаватель.________________ (подпись) _________Безлюдный В.А.________ (Ф.И.О.)
	Оценка_________________________ (цифра / рсшифровка)

Невинномысск, 2021 г

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ, ПРОМЫШЛЕННОСТИ И СВЯЗИ

СТАВРОПОЛЬСКОГО КРАЯ

государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Невинномысский химико-технологический колледж»

(ГБПОУ НХТК)

УТВЕРЖДАЮ: Заместитель директора по УМР ____________ Каширина И. В. «____»________20____г.

ЗАДАНИЕ

НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине ОП.08 Процессы и аппараты

специальности 19.02.01 Биохимическое производство

студент(ки)а 3 курса, группы _БХ-19-1_

Косолапова Анастасия Витальевна(Ф.И.О.)

Тема курсового проекта

Рассчитать спроектировать и подобрать стандартный кожухотрубчатый теплообменник для конденсации и охлаждения метилового спирта

Исходные данные:

Расход метилового спирта G=9,5 кг/с. начальная температура метилового спирта от температуры его кипения (t_1н) до t_1к=30. Охлаждающая вода имеет температу t_2н=20С t_2к=40С

Содержание пояснительной записки

Введение

1 Технологическая часть

1.1 Теоретические основы процесса

1.2 Выбор и описание технологической схемы установки

1.3 Выбор основного аппарата. Описание устройства и принципа работы

1.4 Устройство и принцип работы вспомогательного оборудования

1.5 Техника безопасности при обслуживании оборудования

2 Расчётная часть

2.1 Тепловой баланс

2.2 Гидравлический расчёт основного аппарата

Заключение

Используемая литература

Приложение А - Технологическая схема узла производства метилового спирта

Приложение Б - Общий вид кожухотрубчатого теплообменника с линзовым компенсатором

1. 
   Содержание и объём графической части
   

1. 
   Принципиальная технологическая схема процесса – Лист А3
   

2 Общий вид основного аппарата с выносными элементами- Лист А1

Председатель ПЦК ХТ ______________ _______________ Ромашкина Е.С.

Дата утверждения Подпись Фамилия И. О.

Руководитель проекта ____________________ __________________ Безлюдный В.А.

Дата выдачи задания Подпись Фамилия И. О.

Содержание
Введение............................................................................................................4

1 Технологическая часть .................................................................................6

1.1 Теоретические основы процесса...............................................................6

1.2 Выбор и описание технологической схемы установки..........................7

1.3 Выбор основного аппарата. Описание устройства и принципа работы.......................................................................................................11

1.4 Устройство и принцип работы вспомогательного оборудования...........................................................................................18

1.5 Техника безопасности при обслуживании оборудования....................21

2 Расчётная часть...........................................................................................24

2.1 Тепловой баланс......................................................................................24

2.2 Гидравлический расчёт основного аппарата........................................29

Заключение.....................................................................................................34

Используемая литература..............................................................................35

Приложение А - Технологическая схема узла производства уксусной

кислоты

Приложение Б - Общий вид кожухотрубчатого теплообменника с линзовым компенсатором

Введение
Химическая промышленность — это отрасль народного хозяйства, производящая продукцию на основе химической переработки сырья.

Основой химического производства является химическая технология — это наука о наиболее экономичных методах и средствах массовой химической переработки сырья (природных материалов) в продукты потребления и промежуточные продукты, применяемые в различных отраслях народного хозяйства. Слово технология образовано из греческих корней технос – "мастерство", "искусство" и логос – "наука", учение. Химическая технология непосредственно связана с химией. Другими словами:

Химическая технология - наука о способах производства промышленных продуктов посредством химических реакций. 

Главная задача химической технологии — производство разнообразных веществ и материалов с определенным комплексом заданных механических, физических, химических или биологических свойств.

Знание общих закономерностей протекания химических реакций позволяет правильно определить условия, при которых тот или иной процесс протекает с максимальным выходом.

В химической и нефтехимической отрасли России работает около 8 тыс. предприятий, в которых сконцентрировано около 7% основных фондов всей промышленности страны. Химический комплекс России является базовым сегментом экономики. Химическая промышленность имеет сложный многоотраслевой состав. Традиционно она подразделяется на горнохимическую отрасль (производит добычу и первичную переработку химического сырья — апатитов, фосфоритов, серы, каменных солей, нефти, газа, угля); основное химическое производство и производство (переработку) резиновых и пластмассовых изделий (использует пластики и каучуки в качестве полуфабрикатов). 
В свою очередь, основное химическое производство включает:

производство основных химических веществ или химию органического синтеза (удобрений, синтетического каучука, пластмасс и синтетических смол и др.); производство ПАВ (поверхностно-активных веществ); производство фармацевтической продукции; производство красок; производство искусственных и синтетических волокон; производство химических средств защиты растений.

Метанол — это один из наиболее важных по значению продуктов химической промышленности. Год от года стремительно растут объемы его потребления, существенно совершенствуются технологии производства: этот важный ингредиент уже сейчас используют не только для производства множества предметов нашей повседневной жизни, но и как экологически чистое и конкурентоспособное альтернативное топливо.

1 Технологическая часть
1.1 Теоретические основы процесса
Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло самопроизвольно переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Тела, участвующие в теплообмене называются теплоносителями.

Теплопередача – наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов – нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривании и имеют большое значение для проведения многих массообменных, а также химических процессов, протекающих с подводом или отводом тепла.

Различают три способа распространения тепла: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность - представляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц непосредственно соприкасающихся друг с другом.

Это движение может происходить либо движением самих молекул, либо колебанием атомов (кристаллическая решетка твердых тел), либо диффундированием свободных электронов в металле.

Конвекция - это перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объёмов жидкости или газа.

Различают естественную или свободную конвекцию, которая обусловлена разностью плотностей в различных точках объема жидкости или газа, возникающие вследствие разности температур, и вынужденную конвекцию, которая возникает при принудительном движении всего объема жидкости или
газа (перемешивание).

Тепловое излучение – процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волны, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тепла.

В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним способом, а комбинированным путем.

Перенос тепла от стенки в газообразной или жидкой среде или в обратном направлении называется теплоотдачей.

Различают установившиеся (стационарные) процессы теплообмена для непрерывно действующих аппаратов и неустановившиеся – для периодически действующих аппаратов.

Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда и отдающие тепло, называются нагревающими агентами. Теплоносители с более низкой температурой – охлаждающие агенты. Выбор теплоносителя зависит от требуемой температуры нагрева или охлаждения и необходимости её регулирования. Промышленный теплоноситель должен обеспечивать достаточно высокую интенсивность теплообмена при небольших массовых и объемных его расходах. Соответственно он должен обладать малой вязкостью, но высокими плотностью, температурой и теплотой парообразования. Желательно также, чтобы теплоноситель был не горюч, не токсичен, термически стоек, не оказывал разрушающего действия на материал теплообменника и вместе с тем являлся бы достаточно доступным и дешевым веществом.
1.2 Выбор и описание технологической схемы установки
Природный газ сжимается турбокомпрессором 1 до давления 3 МПа, подогревается в подогревателе 2 за счет сжигания в межтрубном пространстве природного газа и направляется на сероочистку в аппараты 3 и 4, где последовательно осуществляется каталитическое гидрирование органических соединений серы и поглощение образующегося сероводорода адсорбентом на

основе оксида цинка.



1, 10 – турбокомпрессоры; 2 – подогреватель природного газа; 3 – реактор гидрирования сернистых соединений; 4 – адсорбер; 5 – трубчатый конвертор; 6 – котел-утилизатор; 7, 11, 12 – теплообменники; 8, 14 – холодильники (АВО); 9, 15 – сепараторы; 13 – колонна синтеза; 16 – сборник

Рисунок 1- производства метанола при высоком давлении
Природный газ сжимается турбокомпрессором 1 до давления 3 МПа, подогревается в подогревателе 2 за счет сжигания в межтрубном пространстве природного газа и направляется на сероочистку в аппараты 3 и 4, где последовательно осуществляется каталитическое гидрирование органических соединений серы и поглощение образующегося сероводорода адсорбентом на основе оксида цинка. После этого газ смешивается с водяным паром и диоксидом углерода в соотношении СН4 : Н2О : СО2 = 1 : 3,3 : 0,24. Смесь направляют в трубчатый конвертор 5, где на никелевом катализаторе происходит пароуглекислотная конверсия при 850-870 °С. Теплоту, необходимую для конверсии, получают в результате сжигания природного газа в специальных горелках.

Конвертированный газ поступает в котел-утилизатор 6, где охлаждается до 280–290 °С. Затем теплоту газа используют в теплообменнике 7 для подогрева питательной воды, направляемой в котел-утилизатор. Пройдя воздушный холодильник 8 и сепаратор 9, газ охлаждается до 35-40 °С.

Охлажденный конвертированный газ сжимают до 5 МПа в компрессоре 10, смешивают с циркуляционным газом и подают в теплообменники 11, 12, где он нагревается до 220–230 °С.

Нагретая газовая смесь поступает в колонну синтеза 13, температурный режим в которой регулируют с помощью холодных байпасов. Теплоту реакционной смеси используют в теплообменниках 11, 12 для подогрева поступающего в колонну газа.

Далее газовая смесь охлаждается в холодильнике-конденсаторе 14, сконденсировавшийся метанол-сырец отделяется в сепараторе 15 и поступает в сборник 16. Циркуляционный газ возвращают на синтез, продувочные и танковые газы передают на сжигание в трубчатую печь.



1 — компрессор, 2 — циркуляционный компрессор, 3,9 — насосы, 4 реактор кипящего слоя, 5,6 — теплообменники, 7 — холодильник-конденсатор, 8 — сепаратор, 10 — котел-утилизатор.

Рисунок 2 - производства метанола под низким давлением

Очищенный от сернистых соединений синтез-газ сжимается в компрессоре 1 до давления 5—9 МПа, охлаждается в холодиль­нике 3 и поступает в сепаратор 4 для отделения сконденсировавшейся воды.

Пройдя сепаратор, синтез-газ смешивается с циркуляционным газом, который поджимается до рабочего дав­ления в компрессоре 2. Газовая смесь проходит через адсорбер.Циркуляционый газ 5, где очищается от пентакарбонила железа, образовавшегося при взаимодействии оксида углерода (II) с материалом аппара­туры, и разделяется на два потока.

Один поток подогревают в теплообменнике 8 и подают в верхнюю часть реактора 6, а дру­гой поток вводят в реактор между слоями катализатора для от­вода тепла и регулирования температуры процесса.

Пройдя ре­актор, реакционная смесь при температуре около 300°С также делится на два потока.

Один поток поступает в теплообменник 8, где подогревает исходный синтез-газ, другой поток проходит через котел-утилизатор 9, вырабатывающий пар высокого дав­ления.

Затем, потоки объединяются, охлаждаются в холодиль­нике 7 и поступают в сепаратор высокого давления 10, в кото­ром от циркуляционного газа отделяется спиртовой конденсат. Циркуляционный газ дожимается в компрессоре 2 и возвраща­ется на синтез. Конденсат метанола-сырца дросселируется в дросселе 11 до давления близкого к атмосферному и через сбор­ник 12 поступает на ректификацию. В ректификационной ко­лонне 13 от метанола отгоняются газы и. диметиловый эфир, которые также сжигаются. Полученный товарный метанол с выходом 95% имеет чистоту 99,95%.

На рис. 2. приведена технологическая схема производства метанола по трехфазному методу на медь-цинковом катализа­торе из синтез-газа, полученного газификацией каменного угля, производительностью 650 тыс. т в год.

Очищенный от соединений серы синтез-газ сжимается в ком­прессоре 1 до давления 3—10 МПа, подогревается в теплообмен­нике 5 продуктами синтеза до

200— 280°С, смешивается с цир­куляционным газом и поступает в нижнюю часть реактора 4.' Образовавшаяся в реакторе парогазовая смесь, содержащая до 15% метанола, выходит из верхней части реактора, охлажда­ется последовательно в теплообменниках 5 и б и через холодиль­ник-конденсатор 7 поступает в сепаратор 8, в котором от жид­кости отделяется циркуляционный газ. Жидкая фаза разде­ляется в сепараторе на два слоя: углеводородный и метанольный. Жидкие углеводороды перекачиваются насосом 9 в реак-тор, соединяясь с потоком углеводородов, проходящих через котел-утилизатор 10.

Таким образом жидкая углеводородная фаза циркулирует через реактор снизу вверх, поддерживая ре­жим кипящего слоя тонкодисперсного катализатора в нем, и одновременно обеспечивая отвод реакционного тепла.

Метанол-сырец из сепаратора 8 поступает на ректификацию или исполь­зуется непосредственно как топливо или добавка к топливу.

Принимаем схему №1.
1.3 Выбор основного аппарата. Описание устройства и принципа работы
Теплообменник типа «труба в трубе» состоит из двух труб. Первый теплоноситель перемещается по внутренней трубе . Второй теплоноситель проходит в кольцевом пространстве, образованном трубой и соосной с ней наружной трубой.

Таким образом, поверхность, через которую передаётся теплота, образована той частью поверхности внутренней трубы, которая заключена во

внешней трубе.

Для увеличения поверхности теплообмена в одном аппарате элементы, образованные двумя трубами, соединяют последовательно с помощью изогнутых соединительных труб . Межтрубное пространство элементов сообщается через соединительные патрубки .

Теплообменники типа «труба в трубе» просты по конструкции и поддаются механической чистке, замена отдельных элементов несложная. Главное преимущество этих аппаратов состоит в том, что можно обеспечить оптимальные скорости движения теплоносителей, подбирая соответствующие диаметры труб.



Рисунок 3 - теплообменник типа труба в трубе
Существенный недостаток аппаратов «труба в трубе» - значительные габариты, т.е. небольшая поверхность теплообмена в единице объёма аппарата.



Рисунок 4 - спиральный теплообменник
Спиральный теплообменник состоит из двух длинных свернутых по спирали металлических листов 1, закрытых с торцевых сторон съемными крышками 2. В теплообменнике для сред I и II образуются два независимых друг от друга соседних канала прямоугольного сечения. Для подвода и выпуска теплоносителей имеются штуцеры.

В спиральных теплообменниках, как и в теплообменниках типа «труба в трубе», соответствующим подбором сечений каналов можно обеспечить высокие скорости протекания сред, а, следовательно, и высокие значения коэффициентов α1 и α2.рис. 3

К преимуществам этой конструкции необходимо отнести ком­пактность аппарата (в 1 м3 теплообменника можно развить до 80 м2 теплопередающей поверхности, т. е. приблизительно в 2 раза больше, чем в кожухотрубчатых теплообменниках) и меньший расход металла на его изготовление по сравнению с другими типами теплообменников (здесь очень небольшие затраты металла на кожух, считая затраты на единицу теплопередающей поверхности).

Плавное изменение направления движения теплоносителей и постоянная площадь сечения каналов обусловливают небольшое гидравлическое сопротивление их даже при высоких скоростях движения сред.

Пластинчатые теплообменники.

 Поверхность теплообмена пластинчатого теплообменника состоит из гофрированных пластин с четырьмя отверстиями по углам. Проложив между пластинами 2 и 3 специальные фасонные прокладки и прижимая пластины друг к другу, можно образовать канал синусоидального профиля, по которому жидкость может перетекать из верхнего левого отверстия в нижнее левое.

Эти два отверстия объединены общей большой прокладкой, в то время как два других отверстия окружены малыми (кольцевыми) прокладками, и из них жидкость не может ни выходить, ни входить в канал.

Если к двум сжатым пластинам 2 и 3 прижать пластину 4, объединив прокладкой нижнее правое отверстие с верхним правым, то будет образовано два канала. В первом, между пластинами 2 и 3, один теплоноситель перетекает сверху вниз, а во втором канале, между пластинами 3 и 4, другой теплоноситель проходит снизу вверх. Достоинства пластинчатого теплообменника:

Небольшое расстояние между пластинами и рельефная поверхность их обеспечивают большую удельную теплопередающую поверхность.

Фасонная форма пластин обеспечивает большие значения коэффициентов теплоотдачи, а, следовательно, и коэффициента теплопередачи.

Теплопередающая поверхность легко изменяется путем установки соответствующего количества пластин.

Теплообменник легко разбирается, что обеспечивает возможность чистки теплопередающей поверхности.

Основным недостатком пластинчатого теплообменника является большое количество прокладок.



Рисунок 5 - пластинчатый теплообменник
Змеевиковые теплообменники (погружные). Простейший погружной змеевиковый теплообменник (рис. 5) представляет собой изогнутую в виде спирали трубу (змеевик), установленную внутри цилиндрического сосуда. Одна из сред проходит по змеевику, другая омывает его снаружи. В некоторых конструкциях в один сосуд (кожух) поставлено несколько змеевиков с общим распределительным и сборным коллекторами.

Погружные змеевиковые теплообменники применяются, когда одна из сред является сильно загрязненной или агрессивной, так как чистка трубок змеевика снаружи не требует специальной разборки, а металлический корпус аппарата может быть легко защищен от агрессивной среды. Поэтому, несмотря на широкое применение более интенсивно работающих кожухотрубных аппаратов, змеевиковые теплообменники распространены на химических производствах.



Рисунок 6 - змеевиковый теплообменник
Теплообменники с U-образными трубами являются двухходовыми по трубному пространству В теплообменниках с U-образными трубами и плавающей головой межтрубное пространство легкодоступно для очистки. Трубное пространство теплообменника с U-образными трубами чистить довольно сложно. Поэтому их нежелательно использовать с загрязнёнными механическими теплоносителями, направляемыми в трубное пространство.



Кожухотрубчатый теплообменник с U–образными трубами 1 – кожух; 2 – трубная решетка; 3 – U–образные трубы; 4 – крышка; 5 и 6 – штуцера трубного пространства; 7 и 8 – штуцера межтрубного пространства; 9 – перегородка в распределительной камере

Рисунок 7 - кожукотрубчатый теплообменник с U образными трубками
В аппаратах типа У обеспечивается свободное температурное удлинение труб: каждая труба может расширяться независимо от кожуха и соседних труб.

Разность температур стенок труб по ходам в этих аппаратах не должна превышать 100 °С. В противном случае могут возникнуть опасные температурные напряжения в трубной решетке вследствие температурного скачка на линии стыка двух ее частей.

Преимущество конструкции аппарата типа У — возможность периодического извлечения трубного пучка для очистки наружной поверхности труб или полной замены пучка. Однако следует отметить, что наружная поверхность труб в этих аппаратах неудобна для механической очистки. Поскольку механическая очистка внутренней поверхности труб в аппаратах типа У практически невозможна, в трубное пространство таких аппаратов следует направлять среду, не образующую отложений, которые требуют механической очистки.

Теплообменники с U-образными трубами применяют для нагрева и охлаждения жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Они рассчитаны на давление до 6,4 МПа, отличаются от теплообменников с плавающей головкой менее сложной конструкцией (одна трубная решетка, нет внутренней крышки), однако могут быть лишь двухходовыми, из труб только одного сортамента: 20Х2 мм.

Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.



Рисунок 8 - кожухотрубатый теплообменник жёсткой конструкции

Кожухотрубные теплообменники жеской конструкции состоят из пучков труб, укрепленных в трубных досках, кожухов, крышек, камер, патрубков и опор.



 а — теплообменник; б—е — конструкции линзовых компенсаторов; 1 — линзовый компенсатор; 2 — корпус

Рисунок 9 - теплообменник кожухотрубчатый с линзовым компенсатором
Для круглых элементов аппаратов, диаметр которых превышает 100 мм, обычно используются линзовые компенсаторы, состоящие из одной и более линз. Одна линза компенсирует небольшие температурные деформации (4—5 мм), набор линз (не более четырех) позволяет компенсировать деформации до 15 мм.

В этом аппарате температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением компенсатора. Теплообменники с линзовыми компенсаторами применяют при небольших температурных деформациях (не более 13—15 мм) и невысоких давлениях в межтрубном пространстве (не более 0,5 МПа).

Применение кожухотрубчатых теплообменников с температурным компенсатором на кожухе (линзовый компенсатор) ограничено предельно допустимым давлением в кожухе, равным 1,6 МПа.

Так как температурный перепад больше 30 градусов принимаем кожухотрубчатый теплообменник с линзовым компенсатором