Проект системы охлаждения метилового спирта производительностью 5 кг/с

курсовой ПиАХТ.doc

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»
на тему: Проект системы охлаждения метилового спирта производительностью
по дисциплине процессы и аппараты химической технологии
Пояснительная записка
Шифр проекта КП- 2068998- 49 -01
Описание технологической схемы 6
Материальный и тепловой расчет ..7
Гидравлический расчет .12
Поверочный расчет теплообменника 14
Конструктивный расчет ..15
Список литературы 18
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:
-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 06 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.
Кафедра Химическая технология органических веществ
Направление 240100.62 Химическая технология и биотехнология
на курсовое проектирование
по дисциплине Процессы и аппараты химической технологии
Студент группа ХТБ-317
Тема проекта Расчет системы охлаждения метилового спирт производительностью 5 кгс
Исходные данные к проекту: теплоносители: горячий-метиловый спирт холодный-вода. Расход первого теплоносителя - 18 кгч 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.
Содержание проекта: Рассчитать и подобрать стандартный теплообменник с расходом G горячего теплоносителя с t1н и t1к и подобрать технологическую схему в которой возможно применение данного теплообмена. холодного теплоносителя с t2н и t2к
1. Разделы пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов): Расчет теплообменника типа спиральный. Расчет гидравлического сопротивления теплообменника. Поверочный расчет теплообменника. Расчет диаметров штуцеров.
2. Перечень графического материала (с указанием обязательных чертежей) материала : Технологическая схема (1лист ). Чертеж теплообменника (1 лист).
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
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:
а)большая разность температур:
Δtб = t1н – t2к = 60– 32 = 28 ºС;
б)для холодного теплоносителя:
Δtм = t1к – t2н = 25 – 16 = 9 ºС
Так как отношение ΔtбΔtм = 289 = 311 > 2 то средний температурный напор определяется как среднеарифметическая величина:
Δtср = (28-9)ln(289)= 167 ºС
Средняя температура горячего теплоносителя:
t1ср = (t1н + t1к)2 = (60+25)2 = 425 ºС
Средняя температура холодного теплоносителя:
t2ср = (t2н + t2к )2= (16+32)2= 24 °С.
На основании средних температур находим следующие физико-химические параметры [1]:
а)для метилового спирта:
Тепловая нагрузка аппарата:
где с1= 1785 ДжкгК – теплоемкость метилового спирта
G1- массовый расход метилового спирта.
G1 = 180003600 = 5 кгс
Q = 51785(60-25)=312375 Вт.
Массовый расход воды:
G2= Q(с2(t2к – t2н))
где с2 = 26 кДжкг·К – теплоемкость воды.
G2 = 312375(419103(32-16))=4659 кгс.
Задаемся скоростью движения бензола w1 = 1 мс тогда площадь поперечного сечения канала составит:
S1 = G1(r1w1) = 5(771×1) = 00065 м2
где r1 = 771 кгм3 – плотность метилового спирта;
При ширине канала b1 = 12 мм высота ленты должна составлять:
h = S1b1 = 000650012 = 054 м;
принимаем по ГОСТ 12067-80 h = 06 м;
ширину второго канала принимаем b2 = b1 = 0012 м;
толщина листа d = 35 мм.
Коэффициент теплоотдачи от метилового спирта к стенке:
Эквивалентный диаметр канала:
d = 2bh(b+h) = 2×0012×06(0012+06) = 00235 м.
Скорость движения метилового спирта:
w1 = G1(bhr1) = 5(0012×06×771) = 09 мс.
Критерий Рейнольдса:
Re1 = w1d r1m1 = 09×00235×7710437×10-3 = 37315
где m1 = 0437×10-3 Па×с – вязкость метилового спирта.
Nu1 = 0021×Re108×Pr1043×(Pr1Prст1)025.
Pr1 = сλ = 1785·043701258 = 62.
где l1 = 01258 Вт(м×K) – теплопроводность метилового спирта.
Принимаем в первом приближении (Pr1Prст1)025 = 1 тогда
Nu1 = 0021×3731508×6243 = 209.
a1 = Nu1l1d = 209×0125800235 = 11188 Вт(м2×K)
Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде.
Скорость движения воды:
w2 = G2 (bhr2) = 4659(0012×06×997) = 065 мс
где r2 = 997 кгм3 – плотность воды.
Re2 = w2d r2m2 = 065×00235×99709142×10-3 = 16658
где m1 = 09142×10-3 Па×с – вязкость воды.
Nu2 = 0021×Re208×Pr2043×(Pr2Prст2)025.
Критерий Прандтля для воды определяем по монограмме «Значения критерия Прандтля для жидкостей»:
Примем в первом приближении (Pr1Prст1)025 = 1 тогда
Nu2 = 0021×1665808×6286043 = 1104.
a2 = Nu2l2d = 1104×06059600235 = 28467 Вт(м2×K).
где l2 = 060596 Вт(м×K) – теплопроводность воды.
Тепловое сопротивление стенки:
где lcт =175 Вт(м×К) – теплопроводность нержавеющей стали
r1=r2=15800 м×КВт – тепловое сопротивление загрязнений
= (00035175) + (15800) + (15800) = 54×10-4 м×КВт.
Коэффициент теплопередачи:
(111188+ 54×10-4 + 128467) = 560 Вт(м2×К).
Рассчитываем температуру стенки:
tст1 = tcр1 – KDtсрa1 = 425 – 560×16711188 = 3415° С
tст2 = tcр2 + KDtсрa2 = 24 + 560×16728467 = 2728° С
Уточняем коэффициенты теплоотдачи при температуре стенки по монограмме «Значения критерия Прандтля для жидкостей»:
a1ут = 11188×(62575)025 = 1140 Вт(м2×К).
a2ут = 28467×(628659)025 = 2892 Вт(м2×К).
Уточненный коэффициент теплопередачи:
K = 1(11140 + 54×10-4+12892) = 567 Вт(м2×К)
Проверяем температуру стенки
tст1 = tcр1 – KDtсрa1 = 425 – 567×1671140 = 342° С
tст2 = tcр2 + KDtсрa2 = 24+ 567×1672893 = 273° С
Полученные значения близки к ранее принятым.
Поверхность теплообмена:
F = Q( KDtср) = 312375×103(567×167) = 33 м2.
Так как теплообменник с ближайшей большей поверхностью F = 40 м2 изготовляется с шириной листа 07 или 10 м то принимаем к установке два последовательно соединенных теплообменника с поверхностью теплообмена 200 м2 каждый
Гидравлический расчет.
Целью гидравлического расчета является определение величины потери давления теплоносителей при их движении через теплообменные аппараты. Потеря давления Dр 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:
l = F(2h) = 200(2×06) =167м
Принимаем скорость жидкости в штуцере wшт = 1 мс.
Штуцер для входа и выхода бутанола:
= [5(0785×1×771)]05 = 0091 м
принимаем d1 = 01 м.
Штуцер для входа и выхода воды:
= [4659(0785×1×997)]05 = 0077 м
принимаем d2 = 008 м.
Скорость метилового спирта в штуцере:
w1шт = G1(0785dшт2r1) = 5(0785×00652×842) = 079 мс.
l1 = 856Re025 = 085637315025 = 0061.
DР1 = 0061×167×092×771(2×00235) + 15×0832×771 = 144958 Па.
Требуемый напор насоса:
где h – геометрическая высота подъема жидкости и потери напора в подводящем трубопроводе. Принимаем h = 3 м.
H1 = 144958(771×98) + 3 = 49 м.
Объемный секундный расход раствора:
Q1 = G1 r1 = 5771 = 00065 м3с.
По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х830 для которого производительность Q = 00024 м3с напор Н = 17 м
Гидравлическое сопротивление для воды.
Скорость раствора в штуцере:
w2шт = 4659(0785×0082×997) = 093 мс.
l2 = 0856Re025 = 085616658025 = 0075
DP2 = 0075×167×0652×997(2×00235) + 15×0932×997= 125188 Па
Н2 = 125188(997×98) + 3= 428 м.
Объемный секундный расход воды:
Q2 = G2 r2 = 4659997 = 000467 м3с.
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=200 м2. Определим конечные температуры теплоносителей при неизменном коэффициенте теплопередачи
Определим число единиц переноса:
N2=KFG2c2=5672004659419103=057
R=G2c2G1c1=(t1н-t1к)(t2к-t2н)=465941910351785 = ( 60-25)
Эффективность теплопередачи:
E2=(1-exp[-N2(R+1)])(R+1) =(1-exp[-057(2187+1)])(2187+1)=0353
E1= E2R=0353 2187=077
Конечная температура холодного и горячего теплоносителей:
t2к=t2н+E2( t1н-t2н)=16+0353(60-16)=31540
t1к=t1н-E1( t1н-t2н)=60-077(60-16)=2610
Обе температуры отличаются от проектных приблизительно на 1-150С.
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 + d = 0012 + 0035 = 00155 м.
Принимаем радиус полувитка с учетом расположения штуцера r = 02 м.
Число полувитков первой спирали:
= (05 – 0200155) + [(0200155)2+2×167(p×00155)]05 = 168.
Число полувитков второй спирали:
=(00155–05×00155–02)00155+[(02+05×00155–
–00155)00155]2+2×167(p×00155)05 = 166.
D = 2[r1 + (n2 + 1)t2 – t1] + 2d =
×[02 + (168 + 1)×00155 – 00155]+00035 = 092 м
принимаем D = 950 мм.
Масса теплообменника:
где m1 – масса спиралей
mв – масса воды заполняющей аппарат при гидроиспытании
m2 - масса вспомогательных элементов (фланцев штуцеров).
m1 = 2hLdrст = 2×06×167×00035×7900 = 554 кг
где rст = 7900 кгм3 – плотность стали.
mв = (0785D2h – 2hLd)rв =
= (0785×095×06 – 2×06×167×00035)1000 = 355 кг.
m2 принимаем 5% от основного веса аппарата. Тогда
mp = 105(m1+mв) = 105(554+355) = 954 кг = 10 кН.
Принимаем для аппарата две опоры в виде лап. Нагрузка на одну опору:
Выбираем опору с допускаемой нагрузкой 63 кН
Павлов К.Ф. Романков П.Г. Носков А.А. Примеры и задачи по курс процессов и аппаратов.Л.:Химия1987 576 с.
Иоффе И. Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. - Л.: Химия 1991. – 352 с.
Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической технологии.-М.: Химия 1962 846 с.
Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Пособие по курсовому проектированию. М.: Химия 1991. – 496 с.
Спиральные теплообменники ГОСТ 12067-80
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 200 м2 из коррозионностойкой стали Х18Н10Т.
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.

Чертеж.cdw

Технологическая схема процесса
получения метилового спирта

Чертеж333.cdw

Технические требования
Аппарат подлежит действию правил .
испытании и поставке аппарата должны
выполняться требования:
«Оборудование производственное. Общие
требования безопасности»;
«Сосуды и аппараты стальные сварные.
Технические требования».
Материал деталей аппарата Ст 3 ГОСТ 380-71.
паронит ПОН-1 ГОСТ 481-80
Аппарат испытывать на прочность и плотность гидравлически под
Сварные соединения должны соответствовать требованиям
ОСТ 26-01-82-77 «Сварка в химическом машиностроении».
Сварные швы в объеме 100% контролировать рентгенопро-
Чертеж разработан на основании ОСТ 26-02-2036-80
Спиральный теплообменник.
КП-2068998- 49 -01 СБ
Вход метилового спирта
Выход метилового спирта
Техническая характеристика
Поверхность теплообмена