тхолодильник. Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту. Расчетнопояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине Процессы и аппараты нефтегазопереработки Тема проекта Холодильник дистиллята ректификационной колонны Выполнил студент группы онгп181б Казанцев Д. А

Название	Расчетнопояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине Процессы и аппараты нефтегазопереработки Тема проекта Холодильник дистиллята ректификационной колонны Выполнил студент группы онгп181б Казанцев Д. А
Анкор	тхолодильник
Дата	20.11.2021
Размер	221.9 Kb.
Формат файла
Имя файла	Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту.docx
Тип	Пояснительная записка #277103

«Пермский национальный исследовательский
политехнический университет»
Факультет химических технологий, промышленной экологии и биотехнологий

Кафедра «Оборудование и автоматизация химических производств»

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине «Процессы и аппараты нефтегазопереработки»
Тема проекта «Холодильник дистиллята ректификационной колонны»
Выполнил студент
группы ОНГП-18-1б

Казанцев Д.А.

(Фамилия, имя, отчество)

Проверил:

Доцент кафедры ОАХП Ромашкин М.А.

(должность, Ф.И.О. преподавателя от кафедры)

___________ _________________________

(оценка) (подпись)
_____________

(дата)

г. Пермь 2021

Введение 3

Исходные данные 4

1. Тепловой расчет 5

1.1 Пересчет массовых концентраций в молярные 5

1.2 Определение массовых концентраций в молярные 5

1.3 Вычисление средней разности температур между горячим и холодным потоками 6

1.4 Формирование банка теплофизических свойств горячего и холодного потоков. 7

1.5 Расчет тепловой нагрузки на аппарат. 9

1.6 Определение расхода воды. 9

1.7 Принятие ориентировочного значения коэффициента теплопередачи. 9

1.8 Нахождение ориентировочного значения площади поверхности теплопередачи . 9

1.9 Решение вопроса о том, какой поток направить в трубное пространство, а какое в межтрубное. 9

1.10 Определение числа труб n в трубном пучке, при котором будет развитое турбулентное движение потока. 10

1.12 Расчет трубного пространства 11

1.13 Расчет в межтрубном пространстве. 11

1.15 Коэффициент теплопередачи. 12

1.16 Требуемая площадь поверхности теплопередачи. 12

2 Гидравлический расчет. 13

2.1 Определение диаметров штуцеров в трубном пространстве. 13

2.2 Гидравлическое сопротивление потоку, движущемуся в трубном пространстве: 14

2.3 Гидравлическое сопротивление в межтрубном пространстве 15

3 Прочностной расчет. 17

Заключение 18

Список используемой литературы 19

Введение

Ректификация— это процесс разделения двойных или многокомпонентных смесей за счёт противоточного массо- и теплообмена между паром и жидкостью. Ректификация — разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся температурами кипения, путём многократных испарений жидкости и конденсации паров.

Ректификационная колонна — аппарат, предназначенный для разделения жидких смесей, составляющие которых имеют различную температуру кипения. Классическая колонна представляет собой вертикальный цилиндр с контактными устройствами внутри.

Кожухотрубчатые теплообменники – наиболее распространённый в химической технике тип теплообменной аппаратуры. Они допускают создание больших поверхностей теплообмена в одном аппарате, просты в изготовлении и надёжны в работе.

В кожухотрубчатых теплообменниках трубы жёстко закреплены в трубной решетке. Вследствие разности температур между кожухом и трубами в них возникают температурные напряжения, которые могут привести к разрушению аппарата. Теплообменники с жестким креплением труб в трубной решетке надежно работают при разностях температур между кожухом и трубами 25-30 ⁰С. Если эта разность превышает указанные пределы, применяют теплообменники с различными компенсаторами температурных удлинений.

Исходные данные

Рассчитать холодильник дистиллята ректификационной колонны

Состав дистиллята: хлороформ: 80% масс.; бензол: 20% масс.
Расход дистиллята: 22 000 кг/час
Температура дистиллята начальная: равна температуре конца конденсации
Температура дистиллята конечная: 35 С
Давление в аппарате: 0,15 МПа
Хладагент: оборотная вода
Давление оборотной воды (избыточное): 0,17 Мпа
Температура оборотной воды начальная: 23 С
Температура оборотной воды конечная: 52 С

1. Тепловой расчет

1.1 Пересчет массовых концентраций в молярные

Для пересчета используется классическая формула, которая для двухкомплектной смеси имеет вид:

Где

– молярная доля первого компонента;

– массовая доля для первого и второго компонентов;

– молярные массы первого и второго компонентов.

Присвоим компонентам нижние индексы: первому компоненту (бензолу) – “б”, второму компоненту (хлороформу) – “хл”. Необходимо для расчета молярные массы бензола

возьмем из справочника [2,c.510]: для бензола

; для хлороформа

.

Подставляем в формулу и получим:

Молярную массу второго компонента (хлороформа) можно рассчитать точно так же, а можно найти из соотношения:

; значит

1.2 Определение массовых концентраций в молярные

Нахождение температуры начала концентрации

выполнимо по уравнению изотермы паровой фазы. Задаемся первым предполагаемым значением температуры 80 С.

Для этой температуры по уравнению Антуана вычисляем давления насыщенного пара бензола и хлороформа.

Уравнение Антуана имеет вид:

где t – температура в градусах Цельсия; А, В и С – коэффициенты уравнения Антуана, их значения берутся из справочника [4, с.182].

Значение коэффициентов уравнения Антуана

Компонент	А	В	С
Бензол	15,9008	2788,51	-52,36
Хлороформ	15,9732	2696,79	-46,16

Необходимо отметить, что в результате расчета уравнения Антуана давление будет измеряться в миллиметрах ртутного столба, поэтому переведем давление кубового осадка из паскалей в мм рт. ст.:

мм рт. ст.

Где 133,3 – это число паскалей в 1 миллиметре ртутного столба.

Давление пара бензола при 80⁰С:

мм рт. ст.

мм рт.ст.

Найдем значение суммы в уравнении изотермы жидкой фазы.

Уравнение изотермы жидкой фазы имеет вид:

,

Где

– давление пара бензола и хлороформа при данной температуре соответственно;

– молярная масса бензола и хлороформа соответственно.

По нашим расчетам значение суммы будет равно:

Получили результат, который примерно равен единице. Это значит, что мы нашли подходящую температуру.

1.3 Вычисление средней разности температур между горячим и холодным потоками

,

Где

– большая разность;

– меньшая разность.

Для прямотока Для противотока

⁰С

35⁰С

=35⁰С

⁰С

=10⁰С

=4⁰С

Среднюю разность температур между потоками можно определить по формуле:

⁰С,

где

– средняя разность температур для прямотока;

– средняя разность температур для противотока.

1.4 Формирование банка теплофизических свойств горячего и холодного потоков.

Для формирования банка теплофизических свойств горячего и холодного потоков необходимо знать их средние температуры. В нашем случае вода меняет температуру на 23⁰С, а дистиллят на 35⁰С.

⁰С

Тогда средняя температура дистиллята согласно уравнению, будет равна:

⁰С

Таблица 2 – Теплофизические свойства бензола и хлороформа при 40 ⁰С [4, c.177-181].

^{Свойство}	^Бензол	^{Хлороформ}
^{Плотность}	⁸⁵⁸	¹⁴⁵²
^{Вязкость}	^0.00049	^0,00046
^{Теплоемкость}	¹⁷⁷⁰	⁹⁷⁹
^{Теплопроводность}	^0.14	^0,114

Определение свойств смеси бензола и хлороформа:

Определение плотности смеси бензол-хлороформ

Отсюда

Определение вязкости смеси бензол – хлороформ.

Определение теплоемкости смеси бензол- хлороформ.

Определение теплопроводности смеси бензол-хлороформ.

Выбираем наименьшее значение теплопроводности

Полученные результаты введем в Таблицу 3.

Таблица 3 – Теплофизические свойства потоков [4, c.177-181].

Свойства	Горячий поток (дистиллят)	Холодный поток (вода)
Средняя температура	40	30
Плотность	1150	996
Вязкость	0,00049	0,0008
Теплоемкость	1137	4180
Теплопроводность	0,126	0,618
Критерий Прандля	4,72	5,42

1.5 Расчет тепловой нагрузки на аппарат.

Где

- расход дистиллята;

- теплоемкость смеси хлороформ-бензол;

– начальная и конечная температура соответственно.

1.6 Определение расхода воды.

Объемный расход воды составит:

1.7 Принятие ориентировочного значения коэффициента теплопередачи.

При вынужденном движении от органической жидкости к воде диапазон – от 300 до 800 Вт/м*К [2, c.47].

Смотря на этот диапазон, можно смело утверждать, что надежных данных по коэффициенту теплопередачи попросту нет.

Примем ориентировочный коэффициент теплопередачи

Вт/м*К [2,c.47].

1.8 Нахождение ориентировочного значения площади поверхности теплопередачи .

Ориентировочное значение площади поверхности теплопередачи найдем по формуле:

Где Q – тепловая нагрузка;

- ориентировочный коэффициент теплопередачи;

- средняя разность температур между потоками.

1.9 Решение вопроса о том, какой поток направить в трубное пространство, а какое в межтрубное.

Так как вода вызывает коррозию металла, то направим ее в трубы, которые изнутри легко почистить. Охлаждаемый дистиллят направим в межтрубное пространство. При таком решении мы защитим кожухи наружную поверхность трубного пучка от коррозии.

1.10 Определение числа труб n в трубном пучке, при котором будет развитое турбулентное движение потока.

Определим трубное число труб в трубном пучке, при котором будет обеспечено развитое турбулентное движение горячего потока. Это поможет нам в выборе эффективного теплообменника.

Зададимся величиной критерия Рейнольдса для трубного пространства Re = 12000, примем диаметр труб

и вычислим необходимое число труб n на один ход.

Число труб можно найти по формуле:

Где

- расход кубового остатка;

– внутренний диаметр труб;

– вязкость кубовой жидкости;

- критерий Рейнольдса для трубного пространства.

Таблица 4 – Параметры выбранного теплообменника. Выбор по ГОСТу теплообменника (ГОСТ 15118—79, ГОСТ 15120—79, ГОСТ 15122—79).

Параметры аппарата	Единица измерения	Величина
Поверхность теплопередачи F_т		49
Диаметр кожуха, D	мм	600
Общее число труб, n_об	шт	206
Длина труб, L	М	3
Площадь трубного пространства, S_тр		0,018
Площадь межтрубного пространства, S_м_еж		0,04
Число ходов, z	шт	4

Выбранный нами аппарат выглядит так:

Выход воды,

⁰С Выход дистиллята,

⁰С

Вход воды,

⁰С; Вход дистиллята,

⁰С

Рис.15.2 Четырёхходовой кожухотрубчатый теплообменник с перегородками в межтрубном пространстве.

Проверочный расчет

1.12 Расчет трубного пространства

1.12.1 Скорость воды в трубах трубного пучка.

м/c

1.12.2 Режим движения воды в трубах

Режим движения воды переходный

1.12.3 Критерий Нуссельта для воды при переходном движении потока внутри труб.

1.12.4 Коэффициент теплоотдачи от поверхности труб к воде.

1.13 Расчет в межтрубном пространстве.

1.13.1 Скорость движения дистиллята в межтрубном пространстве.

1.13.2 Критерий Рейнольдса и режим движения дистиллята в межтрубном пространстве.

Вывод: движение дистиллята турбулентное.

1.13.3 Критерий Нуссельта для межтрубного пространства.

1.13.4 Коэффициент теплоотдачи от дистиллята к трубам.

1.15 Коэффициент теплопередачи.

В этом уравнении толщина стенки трубы

=2мм=0,0002мк, коэффициент теплопроводности стенки из углеродистой стали

=46,5

Примем величину тепловой проводимости со стороны дистиллята равной 5800, а со стороны свежей, ещё не загрязненной 2900.

1.15.1 Расчетный коэффициент теплоотдачи.

Делаем вывод о существенном снижении (на 14 %) коэффициента теплопередачи в результате появления термических загрязнений теплопередающей поверхности.

1.16 Требуемая площадь поверхности теплопередачи.

1.16.1 Запас поверхности теплопередачи.

Этот запас укладывается в нормы технологического проектирования. Принимаем к условию теплообменник со следующими характеристиками.

Таблица 5 – Параметры выбранного теплообменника.

Параметры аппарата	Единица измерения	Величина
Поверхность теплопередачи		49
Диаметр кожуха	мм	600
Общее число труб	шт	206
Длина труб	М	3
Площадь трубного пространства		0,018
Вырез межтрубного (вырез перегородки)		0,04
Число ходов	шт	4

2 Гидравлический расчет.

2.1 Определение диаметров штуцеров в трубном пространстве.

В трубном пространстве холодильника поступает вода в количестве

кг/c при давлении 0,2 МПа ,

м/c

Диаметр штуцеров определяют из уравнения расхода:

-расход воды;

-плотность вещества потока;

-допустимая скорость потока;

=55 мм,

По рассчитанным значениям диаметров штуцеров принимают нормализованные диаметры, значения которых приведены ниже:

Стандартизированное значение принимаем

мм

2.1.1 Уточненное значение скорости в штуцерах составит:

м/c

2.1.2 Определение диаметров штуцеров в межтрубном пространстве.

В межтрубном пространстве холодильника поступает дистиллят в количестве

;

Диаметр штуцеров определяют из уравнения расхода:

расход дистиллята;

плотность вещества потока; ;

-допустимая скорость потока.

74 мм По рассчитанным значениям диаметров штуцеров принимают нормализованные диаметры, значения которых приведены ниже:

Стандартизированное значение принимаем

мм.

2.1.3 Уточненное значение скорости в штуцерах составит:

м/c

2.2 Гидравлическое сопротивление потоку, движущемуся в трубном пространстве:

- вход и выход камеры;

- поворот между ходами;

- вход в трубы и выход из них.

;

.

2.2.1 Определение относительной шероховатости труб.

- высота выступов шероховатостей =

= 0,021

2.2.2 Определение коэффициента трения

.

Формулы для расчета коэффициента трения

зависят от режима движения жидкости и шероховатости труб. При

его можно определить по формуле :

2.2.3 Определение потерянного давления в трубном пространстве окончательно примет вид:

2.3 Гидравлическое сопротивление в межтрубном пространстве

2.3.1В межтрубном пространстве потери давления можно рассчитать по формуле:

;

; n – общее число труб.

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в межтрубном пространстве:

– вход или выход потока

– поворот через сегментную перегородку

коэффициент сопротивления пучка труб

2.3.2 Определение числа труб, отмываемых теплоносителем в межтрубном пространстве:

=8

2.3.3 Определение числа труб, отмываемых теплоносителем в межтрубном пространстве:

2.3.4 Критерий Re в межтрубном пространстве:

кг/с;

кг/

;

Па*с;

;

Сопротивление входа и выхода в межтрубном пространстве следует определять по скоростям потоков в соответствующих штуцерах.

2.3.5 Тогда расчетная формула для определения потерянного давления в межтрубном пространстве окончательно примет вид:

Тогда число сегментных перегородок будет равно:

Па

Таким образом, гидравлический расчет холодильника дистиллята показал, что сопротивление трубного пространства составило 5446 Па, а межтрубного 8934 Па. Диаметры входного и выходного штуцеров холодного теплоносителя одинаковы и равны 50 мм. Диаметры входного и выходного штуцеров горячего теплоносителя одинаковы и равны 80 мм.

3 Прочностной расчет.

Для трубного пространства и днища принимаю сталь легированную, так как бензол-хлороформ имеет слабую агрессивность.

Для обечайки и других конструкций принимаю сталь низколегированную, так как является дешевым материалом и выдерживает высокие температуры греющего пара.

Данные, которые понадобятся для механического расчета: диаметр кожуха

мм; давление в подогревателе P=0,12 Мпа; длина труб h=3 м;

- плотность трубного пространства.

Гидростатическое давление в аппарате:

Мпа,

Рабочее давление в аппарате:

Мпа

Днище выполняется в виде эллипса.

Предел прочности

; прочность шва

выбирается в зависимости от диаметра аппарата из справочника -

; коэффициент

. (ГОСТ 14249-94)

Срок эксплуатации аппарата – 15 лет.

Скорость коррозии 0,2 мм в год.

Прочность в рабочих условиях:

Мпа.

Толщина коррозии за 15 лет:

,

Где T – срок эксплуатации;

– скорость коррозии.

Толщина стенки обечайки:

Высота днища без учета цилиндрической отбортовки:

H = 0,25*D =0,25*600=150 мм

Радиус кривизны в вершине днища:

Толщина стенки эллиптического днища:

мм

Принимаем толщину стенки обечайки и днища 6 мм.

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта рассчитана температура конца конденсации

⁰С.

На основе полученных данных результатов найден расход воды, который составил

кг/c.

Исходя из этих данных рассчитана тепловая нагрузка на кипятильник, которая составила

Вт.

Рассчитана ориентировочная поверхность теплопередачи

и

принят теплообменник с поверхностью теплопередачи 49

.

Для окончательного выбора теплообменника проведен проверочный

расчет и определена требуемая поверхность теплопередачи, она составила

34.1

и принят теплообменник с поверхностью теплопередачи 49

.

В расчете основных конструктивных элементов, подобраны штуцера,

для трубного пространства и межтрубного пространства, диаметр которых

принят соответственно 50 мм и 80 мм, а уточненное значение скоростей 1,79 м/с и 1,29 м/с.

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве составляет

5446 Па, а в межтрубном пространстве 8934 Па. Исходя из агрессивности

среды при прочностном расчете для трубного пространства и днища принята сталь, легированная 15Х5М, а для обечайки и других конструкций принята низколегированная 09Г2С. Срок эксплуатации аппарата принят 15 лет, а скорость коррозии 0,2 мм в год. На основании этих данных толщина обечайки и днища составила 6 мм.

Список используемой литературы

1. Филиппов В.В. Теплообмен в химической технологии. Теория.

Основы проектирования: учеб. пособие / В.В. Филиппов. — Самара: Самар.

гос. техн. ун-т, 2014 197 с.; ил 50.

2. Касаткин, А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов / А. Г. Касаткин. 11-е изд., стереотип., дораб. Москва: Альянс, 2005. — 753 с.

3. Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: в 2 кн.: учеб. для химико-технологич. спец. вузов/ Ю. И. Дытнерский. 3-е изд. — Москва: Химия. 2002.

4. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсы процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. – М., 2005. -576 с.

Оглавление