курсовой ПиАХТ. Проект системы охлаждения метилового спирта производительностью

• Название: Проект системы охлаждения метилового спирта производительностью
• Дата: 21.11.2021
• Размер: 252.5 Kb.
• Имя файла: курсовой ПиАХТ.doc
• Тип: Пояснительная записка; #277744

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

Кафедра «Химическая технология органических веществ»
Направление 240100.62 «Химическая технология и биотехнология»
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
на тему: Проект системы охлаждения метилового спирта производительностью

5 кг/с

по дисциплине процессы и аппараты химической технологии
Студент ______________группы ХТБ-317

(Ф.И.О. полностью)

Пояснительная записка
Шифр проекта КП- 2068998- 49 -01

Омск 2010



Содержание
Введение…………………………………………………………………4

1. 
   Описание технологической схемы……………………………….....6
   
2. 
   Материальный и тепловой расчет…………………………………..7
   
3. 
   Гидравлический расчет…………………………………………….12
   
4. 
   Поверочный расчет теплообменника……………………………....14
   
5. 
   Конструктивный расчет……………………………………………..15
   

Заключение……………………………………………………………...17

Список литературы……………………………………………………18

Введение

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.

Поэтому в химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, которые, в свою очередь, разде­ляются на трубчатые, пластинчатые, спиральные, с поверхностью, образо­ванной стенками аппарата, с оребренной поверхностью теплообмена.

К конструкции теплообменных аппаратов предъявляется ряд требова­ний: они должны отличаться простотой, удобством монтажа и ремонта. В ряде случаев конструкция теплообменника должна обеспечивать возможно меньшее загрязнение поверхности теплообмена и быть легко доступной для осмотра и очистки.

Этим требованиям во многом отвечают спиральные теплообменники, поверхность теплообмена в котором образуется двумя металлическими лис­тами свернутыми в спирали, образующие два спиральных прямоугольных ка­нала, по которым двигаются теплоносители. Внутренне концы спиралей со­единены разделительной перегородкой - керном. Для придания спиралям жесткости и фиксирования расстояния между ними служат металлические прокладки. Система каналов закрыта с торцов крышками.

Преимущества спиральных теплообменников:

• 
  компактность;
  
• 
  возможность пропускания обоих теплоносителей с высокими скоро­с­тями, что обеспечивает большой коэффициент теплопередачи;
  
• 
  малое гидравлическое сопротивление по сравнению с другими типа­
  ми поверхностных теплообменников.
  

Недостатками спиральных теплообменников являются:

- сложность изготовления и ремонта;

- пригодность для работы под избыточным давлением не более 0,6 МПа.

Спиральные теплообменники могут использоваться как для теплооб­ме­на между двумя жидкими теплоносителями, так и для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью.

В качестве греющего агента в теплообменниках часто используется насыщенный водяной пар, имеющий целый ряд достоинств: высокий коэффициент теплоотдачи, большое количество тепла, выделяемое при конденсации пара, равномер­ность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной тем­пературе, легкое регулирование обогрева.

ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

Кафедра Химическая технология органических веществ
Направление 240100.62 Химическая технология и биотехнология

Задание

на курсовое проектирование

по дисциплине Процессы и аппараты химической технологии
Студент группа ХТБ-317

(Ф.И.О. полностью)

1. Тема проекта Расчет системы охлаждения метилового спирт производительностью 5 кг/с
2. Срок сдачи студентом законченного проекта_____________________________________
3. Исходные данные к проекту: теплоносители: горячий-метиловый спирт, холодный-вода. Расход первого теплоносителя - 18 кг/ч, начальная температура первого теплоносителя-60⁰С, конечная температура первого теплоносителя-25⁰ С, начальная температура второго теплоносителя 16⁰С, конечная температура второго теплоносителя 32⁰ С. Давление в теплообменном аппарате Р=1 атм.
4. Содержание проекта: Рассчитать и подобрать стандартный теплообменник с расходом G, горячего теплоносителя с t_1н и t_1к и подобрать технологическую схему, в которой возможно применение данного теплообмена. холодного теплоносителя с t_2н и t_2к



4.1. Разделы пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов): Расчет теплообменника типа спиральный. Расчет гидравлического сопротивления теплообменника. Поверочный расчет теплообменника. Расчет диаметров штуцеров.
4.2. Перечень графического материала (с указанием обязательных чертежей) материала : Технологическая схема (1лист ). Чертеж теплообменника (1 лист).
5. Основная рекомендуемая литература: И.Л. Иоффе, Проектирование аппаратов. Ю.И. Дытнерский, Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию.,М.- 1991., А.Г. Касаткин, Основные процессы и аппараты химической технологии., М.,-1971
6. Дата выдачи задания _________________________________________________________
Зав. кафедрой ________________________________________________________________

(подпись, дата)
Руководитель ________________________________________________________________

(подпись, дата)
Студент______________________________________________________________________

(подпись, дата)


2 .Материальный и тепловой расчет

Температурный режим аппарата.

Так как при непрерывно изменяющихся температурах теплоносителей лучшие результаты (снижение расхода теплоносителей) дает противоточное движение, то принимаем противоточную схему движения теплоносителей: пар поступает в межтрубное пространство, а раствор двигается по внутренней трубе.

Средняя разность температур теплоносителей:

1. 
   большая разность температур:
   

Δt_б = t_1н – t_2к = 60– 32 = 28 ºС;

2. 
   для холодного теплоносителя:
   

Δt_м = t_1к – t_2н = 25 – 16 = 9 ºС

Так как отношение Δt_б/Δt_м = 28/9 = 3,11 > 2, то средний температурный напор определяется как среднеарифметическая величина:

Δt_ср = (28-9)/ln(28/9)= 16,7 ºС

Средняя температура горячего теплоносителя:

t_1ср = (t_1н + t_1к)/2 = (60+25)/2 = 42,5 ºС

Средняя температура холодного теплоносителя:

t_2ср = (t_2н + t_2к )/2= (16+32)/2= 24 С.

На основании средних температур находим следующие физико-химические параметры [1]:

1. 
   для метилового спирта:
   

ρ₁=771 кг/м³ ;

=0,1258 Вт/(м∙К);

=4,37∙10^-4 Па с;

с₁=1785 Дж/(кг К);

2. 
   для воды:
   

ρ₂=997 кг/м³ ;

=0,605 Вт/(м∙К);

=0,914∙10^-3 Па с;

с₂=4.19∙10³ Дж/(кг К);

Тепловая нагрузка аппарата:

Q = G₁c₁(t_1н – t_1к),

где с₁= 1785 Дж/кг∙К – теплоемкость метилового спирта,

G₁- массовый расход метилового спирта.

G₁ = 18000/3600 = 5 кг/с,

Q = 5∙1,785(60-25)=312375 Вт.

Массовый расход воды:

G₂= Q/(с₂(t_2к – t_2н)),

где с₂ = 2,6 кДж/кг·К – теплоемкость воды.

G₂ = 312375/(4,19∙10³∙(32-16))=4,659 кг/с.

Размер каналов:

Задаемся скоростью движения бензола w₁ = 1 м/с, тогда площадь поперечного сече­ния канала составит:

S₁ = G₁/(₁w₁) = 5/(7711) = 0,0065 м²,

где ₁ = 771 кг/м³ – плотность метилового спирта;

При ширине канала b₁ = 12 мм высота ленты должна составлять:

h = S₁/b₁ = 0,0065/0,012 = 0,54 м;

принимаем по ГОСТ 12067-80 h = 0,6 м;

ширину второго канала принимаем b₂ = b₁ = 0,012 м;

толщина листа  = 3,5 мм.

Коэффициент теплоотдачи от метилового спирта к стенке:

Эквивалентный диаметр канала:

d = 2bh/(b+h) = 20,0120,6/(0,012+0,6) = 0,0235 м.

Скорость движения метилового спирта:

w₁ = G₁/(bh₁) = 5/(0,0120,6771) = 0,9 м/с.
К ритерий Рейнольдса:

Re₁ = w₁d ₁/₁ = 0,90,0235771/0,43710^-3 = 37315,

где ₁ = 0,43710^-3 Пас – вязкость метилового спирта.

Критерий Нуссельта:

Nu₁ = 0,021Re₁^0,8Pr₁^0,43(Pr₁/Pr_ст1)^0,25.

Критерий Прандтля:

Pr₁ = сμ/λ = 1,785·0,437/0,1258 = 6,2.

где ₁ = 0,1258 Вт/(мK) – теплопроводность метилового спирта.

Принимаем в первом приближении (Pr₁/Pr_ст1)^0,25 = 1, тогда

Nu₁ = 0,02137315^0,86,2^,43 = 209.

₁ = Nu₁₁/d = 2090,1258/0,0235 = 1118,8 Вт/(м²K)

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде.

Скорость движения воды:

w₂ = G₂ /(bh₂) = 4,659/(0,0120,6997) = 0,65 м/с,

где ₂ = 997 кг/м³ – плотность воды.

Критерий Рейнольдса:

Re₂ = w₂d ₂/₂ = 0,650,0235997/0,914210^-3 = 16658,

где ₁ = 0,914210^-3 Пас – вязкость воды.

Критерий Нуссельта:

Nu₂ = 0,021Re₂^0,8Pr₂^0,43(Pr₂/Pr_ст2)^0,25.

Критерий Прандтля для воды определяем по монограмме «Значения критерия Прандтля для жидкостей»:

Pr₂ = 4,58

Примем в первом приближении (Pr₁/Pr_ст1)^0,25 = 1, тогда

Nu₂ = 0,02116658^0,86,286^0,43 = 110,4.

₂ = Nu₂₂/d = 110,40,60596/0,0235 = 2846,7 Вт/(м²K).

где ₂ = 0,60596 Вт/(мK) – теплопроводность воды.

Тепловое сопротивление стенки:

,

где _cт =17,5 Вт/(мК) – теплопроводность нержавеющей стали

r₁=r₂=1/5800 мК/Вт – тепловое сопротивление загрязнений

= (0,0035/17,5) + (1/5800) + (1/5800) = 5,410^-4 мК/Вт.

Коэффициент теплопередачи:

=

1/(1/1118,8+ 5,410^-4 + 1/2846,7) = 560 Вт/(м²К).
Рассчитываем температуру стенки:

t_ст1 = t_cр1 – Kt_ср/₁ = 42,5 – 56016,7/1118,8 = 34,15 С –tttt

t_ст2 = t_cр2 + Kt_ср/₂ = 24 + 56016,7/2846,7 = 27,28 С –tttt

Уточняем коэффициенты теплоотдачи при температуре стенки по монограмме «Значения критерия Прандтля для жидкостей»:

Pr_1ст = 5,75

_1ут = 1118,8(6,2/5,75)^0,25 = 1140 Вт/(м²К).

Pr_2ст = 5,9

_2ут = 2846,7(6,286/5,9)^0,25 = 2892 Вт/(м²К).

Уточненный коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/1140 + 5,410^-4+1/2892) = 567 Вт/(м²К)
Проверяем температуру стенки

t_ст1 = t_cр1 – Kt_ср/₁ = 42,5 – 56716,7/1140 = 34,2 С –tttt

t_ст2 = t_cр2 + Kt_ср/₂ = 24+ 56716,7/2893 = 27,3 С –tttt

Полученные значения близки к ранее принятым.

Поверхность теплообмена:

F = Q/( Kt_ср) = 312,37510³/(56716,7) = 33 м².

Так как теплообменник с ближайшей большей поверхностью F = 40 м² изготовляется с шириной листа 0,7 или 1,0 м, то принимаем к установке два последовательно соединенных теплообменника с поверхностью теплообмена 20,0 м² каждый
3. Гидравлический расчет.

Ц елью гидравлического расчета является определение величины потери давления теплоносителей при их движении через теплообменные аппараты. Потеря давления р при прохождении теплоносителей через трубы и в межтрубном пространстве теплообменника складывается из потерь на сопротивление трению и на местные сопротивления, а также зависит от конструкции аппарата:

Гидравлическое сопротивление аппарата для бутанола:

.

Длина спирали:

l = F/(2h) = 20,0/(20,6) =16,7м

Расчет штуцеров.

Принимаем скорость жидкости в штуцере w_шт = 1 м/с.

Штуцер для входа и выхода бутанола:

= [5/(0,7851771)]^0,5 = 0,091 м,

принимаем d₁ = 0,1 м.
Штуцер для входа и выхода воды:

= [4,659/(0,7851997)]^0,5 = 0,077 м,

принимаем d₂ = 0,08 м.

Скорость метилового спирта в штуцере:

w_1шт = G₁/(0,785d_шт²₁) = 5/(0,7850,065²842) = 0,79 м/с.

Коэффициент трения:

₁ = 856/Re^0,25 = 0,856/37315^0,25 = 0,061.
 Р₁ = 0,06116,70,9²771/(20,0235) + 1,50,83²771 = 14495,8 Па.

Требуемый напор насоса:

H₁ = P₁ / (₁g) + h

где h – геометрическая высота подъема жидкости и потери напора в подводящем трубопроводе. Принимаем h = 3 м.

H₁ = 14495,8/(7719,8) + 3 = 4,9 м.

Объемный секундный расход раствора:

Q₁ = G₁ / ₁ = 5/771 = 0,0065 м³/с.

По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/30, для которого производительность Q = 0,0024 м³/с, напор Н = 17 м

Гидравлическое сопротивление для воды.

Скорость раствора в штуцере:

w_2шт = 4,659/(0,7850,08²997) = 0,93 м/с.

Коэффициент трения

₂ = 0,856/Re^0,25 = 0,856/16658^0,25 = 0,075

P₂ = 0,07516,70,65²997/(20,0235) + 1,50,93²997= 12518,8 Па

Требуемый напор насоса:

Н₂ = 12518,8/(9979,8) + 3= 4,28 м.

Объемный секундный расход воды:

Q₂ = G₂ / ₂ = 4,659/997 = 0,00467 м³/с.

По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/30, для которого производительность Q = 0,0024 м³/с, напор Н = 17 м
4. Поверочный расчет теплообменника.




Поверочный расчет теплообменника с известной поверхностью теплопередачи заключается в определении конечных температур теплоносителей при их начальных значениях. Необходимость в таком расчете возникает в результате проектного расчета, когда был выбран нормализованный аппарат со значительным запасом поверхности. Поверочные расчеты также могут понадобиться с целью выявления возможностей имеющегося аппарата при переходе к непроектным режимам работы.

В принятом варианте оптимально подобранный теплообменник имеет нормализованное значение поверхности F=20,0 м². Определим конечные температуры теплоносителей при неизменном коэффициенте теплопередачи

К=567 Вт/(м² К).

Определим число единиц переноса:

N₂=KF/G₂c₂=567∙20,0/4,659∙4,19∙10³=0,57

R=G₂c₂/G₁c₁=(t_1н-t_1к)/(t_2к-t_2н)=4,659∙4,19∙10³/5∙1785 = ( 60-25) /

/(32-16)=2,187

Эффективность теплопередачи:

E₂=(1-exp[-N₂(R+1)])/(R+1) =(1-exp[-0,57(2,187+1)])/(2,187+1)=0,353

E₁= E₂∙R=0,353 ∙2,187=0,77

Конечная температура холодного и горячего теплоносителей:

t_2к=t_2н+E₂∙( t_1н-t_2н)=16+0,353∙(60-16)=31,54⁰

t_1к=t_1н-E₁∙( t_1н-t_2н)=60-0,77∙(60-16)=26,1⁰

Обе температуры отличаются от проектных приблизительно на 1-1,5⁰С.

5. 
   Конструктивный расчет
   

Задачей конструктивного расчета теплообменных аппаратов является определение их основных размеров. Конструктивный расчет выполняется в зависимости от типа аппарата. Детальный расчет проводится в том случае, если нет возможности выбрать стандартный теплообменник серийного производства. При выборе стандартного теплообменника конструктивный расчет сводится к определению диаметра и подбора штуцеров.

Расчет диаметров штуцеров

Скорость движения рабочих сред в штуцерах по возможности должна совпадать с рабочей скоростью среды в аппарате, устанавливаемой в расчете. Поэтому скорость водяного пара в штуцерах, а также соляной кислоты принимаем приблизительно равными движению этих сред в теплообменнике.

Число витков спирали.

Шаг спиралей t₁ = t₂ = b +  = 0,012 + 0,035 = 0,0155 м.

Принимаем радиус полувитка с учетом расположения штуцера r = 0,2 м.

Число полувитков первой спирали:

=

= (0,5 – 0,2/0,0155) + [(0,2/0,0155)²+216,7/(0,0155)]^0,5 = 16,8.

Число полувитков второй спирали:

=

=(0,0155–0,50,0155–0,2)/0,0155+{[(0,2+0,50,0155–

• 
  0,0155)/0,0155]²+216,7/(0,0155)}^0,5 = 16,6.
  

Диаметр аппарата:

D = 2[r₁ + (n₂ + 1)t₂ – t₁] + 2 =

2[0,2 + (16,8 + 1)0,0155 – 0,0155]+0,0035 = 0,92 м,

п ринимаем D = 950 мм.

Выбор опоры:

Масса теплообменника:

m = m₁+m_в+m₂,

где m₁ – масса спиралей,

m_в – масса воды заполняющей аппарат при гидроиспытании,

m₂ - масса вспомогательных элементов (фланцев, штуцеров).

m₁ = 2hL_ст = 20,616,70,00357900 = 554 кг,

где _ст = 7900 кг/м³ – плотность стали.

m_в = (0,785D²h – 2hL)_в =

= (0,7850,950,6 – 20,616,70,0035)1000 = 355 кг.

m₂ принимаем 5% от основного веса аппарата. Тогда

m_p = 1,05(m₁+m_в) = 1,05(554+355) = 954 кг = 10 кН.

Принимаем для аппарата две опоры в виде лап. Нагрузка на одну опору:

G = m/2 = 10/2 = 5 кН

Выбираем опору с допускаемой нагрузкой 6,3 кН

Список литературы

1. 
   Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курс про­цессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.
   
2. 
   Иоффе И. Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1991. – 352 с.
   
3. 
   Плановский А.Н., Процессы и аппараты химической технологии.-М.: Химия, 1962, 846 с.
   
4. 
   Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Пособие по курсовому проектированию. М.: Химия, 1991. – 496 с.
   

5. Спиральные теплообменники ГОСТ 12067-80

З аключение

Целью данного курсового проекта являлся расчет теплообменника типа спиральный для охлаждения метилового спирта водой. В рамках проекта были произведены следующие расчеты: нахождения и описание технологической схемы с использованием данного теплообменника, расчет и выбор наиболее оптимального варианта аппарата (теплообменника), а также графическое изображение технологической схемы и самого аппарата. В конечном итоге был получен следующий результат: теплообменник типа спиральный с поверхностью теплообмена 20,0 м², из коррозионностойкой стали Х18Н10Т.

1 .Описание технологической схемы

В процессе получения метилового спирта происходит следующее: исходную газовую смесь (СО+Н₂), очищенную от сернистых соединений сжимают пятиступенчатым компрессором К1 до 25 МПа. Между третьей и четвертой ступенями сжатия газ под давлением 3 Мпа отмывают водой в насадочном скруббере СН1 от диоксида углерода. Сжатый до 25 МПа и очищенный от СО₂ газ смешивают с циркулирующим газом и подают на фильтр ФУ1 для очистки от пентакарбонила железа активным углем. Затем газ поступает в теплообменник П1, где водяным паром нагревается до 320°С, и при этой температуре попадает в колонну синтеза КС1.В этой колонне газ проходит снизу вверх через внутренний теплообменник, расположенный ниже катализаторной зоны, а затем идет сверху вниз через катализатор, размещенный на полках колонны. После этого контактный газ проходит через трубки внутреннего теплообменника, выходит снизу и поступает в холодильник-конденсатор Х1, где охлаждаются и конденсируются пары метанола. Газ вместе с образующимся метанолом при 30°С подают в сепаратор С1 высокого давления, затем направляют в приемную линию циркуляционного компрессора К2, и возвращают в процесс, а метанол через дроссельный клапан проходит в сборник Е1.