одбор насоса для метанола.

ВВЕДЕНИЕ

 

Процессы теплообмена происходят всюду, где приходится нагревать или охлаждать ту или иную среду с целью ее обработ­ки или для утилизации тепла. Для передачи тепла от среды с высокой температурой к среде с низкой используют теплообменные аппараты разнообразных конструкций.

По способу передачи тепла теплообменные аппараты (их часто называют теплообменниками) можно разделить па две ос­новные группы: поверхностные теплообменники и теплообменни­ки смешения.

В поверхностных теплообменных аппаратах передача тепла от одной среды к другой происходит обычно через металличес­кую стенку, которую условно принято называть поверхностью теплообмена.

В теплообменниках смешения передача тепла происходит в процессе непосредственного соединения и перемешивания сред, что, очевидно, допустимо лишь при определенных условиях, зна­чительно ограничивающих применение аппаратов такого типа.

В химической промышленности теплообменное оборудование составляет в среднем по весу и стоимости 15—18% от всего обо­рудования.

В нефтеперерабатывающих и нефтехимических производствах теплообменники являются также одним из основных видов обо­рудования, и их доля по весу в этих производствах достигает до 50% от всей применяемой аппаратуры.

В химической, пищевой, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности применяют теплообменные аппараты для рабочих сред с различным агрегатным состоянием и струк­турой (газ, пар, капельная однофазная жидкость, суспензия, эмульсия и т. д.), причем для удовлетворения запросов произ­водства производительность аппаратов или расход среды долж­ны изменяться в широких пределах.

В стоимости теплообменных аппаратов основную долю со­ставляет стоимость материалов, из которых изготовлен аппарат. Особенно значительно возрастает стоимость аппаратов при изготовлении поверхности теплообмена из титана, алюминия, не­ржавеющих сталей, цветных металлов и сплавов, неметалличе­ских материалов и других дорогостоящих материалов.

Повышение экономичности конструкции теплообменника воз­можно поэтому путем создания более компактных конструкций, снижения удельных весовых показателей и рационального ис­пользования различных марок материалов.

Кроме того, компактность конструкции приводит к экономии производственных площадей, занимаемых теплообменной аппа­ратурой, и повышает экономические показатели производства в целом.

В конечном итоге технико-экономическая эффективность той или иной конструкции теплообменного аппарата определяется стоимостью технологического процесса, осуществляемого в этих аппаратах при высоком качестве получаемого продукта. При широком распространении теплообменных аппаратов в промышленности даже небольшое усовершенствование их кон­струкции дает ощутимый экономический эффект.

В нашем случаи имеем пластинчатый холодильник.

 

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

 

Исходная смесь, состоящая из метилового спирта и воды, из промежуточной емкости (Е-1) центробежным насосом (Н-1) подается в подогреватель (Т-1), где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну (К-1) на тарелку питания.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике (Т-2). Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, т. е. обеднен легколетучим компонентом (метиловый спирт). В результате массообмена с жидкостью пар обо­гащается легколетучим компонентом. Для более полного обо­гащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой), которая получается в дефлегматоре (Т-3) путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения — дистиллята в промежуточную емкость (Е-3). Из емкости Е-3 метанол отбирается, охлаждается водой в теплообменнике (Т-4), и направляется на сульфирование первичных спиртов.

Из кубовой части колонны насосом (Н-2) непрерывно выводится кубовая жидкость — продукт, обогащенный труднолетучим компонентом (водой), который охлаждается в холодильнике (Т-5) и напра­вляется в емкость (Е-2).

Так как водный раствор метилового спирта является коррозионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632–72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600 °С.

 

2. ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

с – средняя массовая теплоемкость;

d – внутренний диаметр теплообменных труб;

F - поверхность теплопередачи;

G – массовый расход теплоносителя;

g – ускорение свободного падения;

K – коэффициент теплопередачи;

L – длина теплообменных труб;

l – определяющий размер в критериях подобия;

М – масса;

N – число пластин, мощность;

n – число труб; число параллельных потоков;

p – давление;

Δр – гидравлическое сопротивление;

Q – тепловая нагрузка;

q – удельная тепловая нагрузка;

r – удельная массовая теплота конденсации (испарения);

r_з – термическое сопротивление слоя загрязнений;

S – площадь поперечного сечения потока;

t – температура;

Δt – разность температур стенки и теплоносителя;

w – скорость движения теплоносителя;

z – число последовательно соединенных пакетов;

α – коэффициент теплоотдачи;

β – коэффициент объемного расширения;

δ_ст – толщина стенки теплопередающей поверхности;

λ – теплопроводность; коэффициент трения;

μ – динамическая вязкость;

ρ – плотность;

σ – поверхностное натяжение;

ξ – коэффициент местного сопротивления;

- критерий Рейнольдса;

- критерий Нуссельта;

- критерий Прандтля;

Индексы:

1 – теплоноситель с большей средней температурой (горячий);

2 – теплоноситель с меньшей средней температурой (холодный);

н – начальное значение;

к – конечное значение;

т – теплообменник;

ш – штуцер.

 

3. РАСЧЕТ И ВЫБОР ПЛАСТИНЧАТОГО ХОЛОДИЛЬНИКА

 

Расчет пластинчатого теплообменника.

Рассчитать и подобрать стандартный теплообменник с расходом G=2,7778кг/с метанола от t_1н=70^oС до t_1к=30^oС водой с t_2н=16^oС и t_2к=32^oС. Метанол – легко подвижная жидкость, которая при средней температуре t_ср1=0,5(70+30)=50^ºС имеет следующие физико-химические характеристики: 𝜌₁ =765,5750 кг/м³, 𝜇₁=0,74·10^-3Па·с, с₁=2540(кг·К), 𝜆₁=0,1989 Вт/(м·К).

Вода при средней температуре t_ср2=0,5(16+32)=24^oС имеет следующие физико-химические характеристики: 𝜌₂=977,8 кг/м³, 𝜇₂=0,801·10^-3Па·с, с₂=4190Дж/(кг·К), 𝜆₂=0,616Вт/(м·К).

 

Технологический расчет.

Тепловой расчет начинается с определения тепловой нагрузки аппарата и расхода охлаждающего теплоносителя. Тепловой нагрузкой называется количество тепла, переданное от горячего теплоносителя к холодному.

Таким образом:

Тепловой баланс в общем виде можно записать в виде равенства:

1. Определяем тепловую нагрузку:

 

где G₁ – расход горячего теплоносителя, кг/с; с₁ и с₂ – удельная массовая теплоемкость горячего и холодного теплоносителя соответственно, Дж/(кг·К); t_1н и t_1к – начальная и конечная температура горячего теплоносителя, .

2. Определяем расход воды:

где t_2н и t_2к – начальная и конечная температура холодного теплоносителя, .

3. Определяем среднюю разность температур при противоточном движении теплоносителей:

70 → 30

32← 16

△t₁ = 38 △t₂ = 14

В силу того, что △t₁ / △t₂ = 38/14 = 2 £ 2 определяем △t_ср по формуле

1. Ориентировочный выбор теплообменника.

Возьмём коэффициент теплопередачи в пластинчатых теплообменниках при передаче тепла от жидкости к жидкости (воде). Примем K_ор= 800 Вт/(м²·К) и с средней температуры ориентировочное значение требуемой поверхности теплообменника составит:

где Q – тепловая нагрузка теплообменного аппарата, Вт; К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); △t_ср – средний температурный напор, .

 

Определяем, что поверхности близкие к 18,5088м² имеют два теплообменника:

1П: F = 16 м², число пластин N = 32, тип пластин 0,5;

2П: F = 12,5 м², число пластин N = 24, тип 0,5.

 

1. Находим объемные расходы метанола и воды:

2. Уточненный расчет требуемой поверхности.

Вариант 1П.

Характеристика теплообменника с площадью пластин 0,5 м²:

Габариты пластины, мм

длина 1370

ширина 300

толщина 1,0

Эквивалентный диаметр канала 0,008м

Площадь поперечное сечение канала 0,0018м²

 

Смачиваемый периметр в поперечном

сечении канала, м 0,55

Ширина канала, мм 300

Диаметр условного прохода штуцеров 65мм

Приведенная длина канала 1,15м

 

Определяем число последовательно соединенных пакетов по формуле:

 

Здесь V — объемный расход теплоносителя, м³/с; f_r — площадь сечения одного канала, м²; N — число пластин в теплообменнике; △р_доп — допустимое сопротивление теплообменника, Па.

Давление для процесса △р=1 атм.=0,1МПа. Давление при котором может работать теплообменник △р_теп. = 1МПа. Значит △р_доп=1МПа-0,1МПа=0,9МПа.

 

Принимаем z=6.

Число каналов в одном пакете:

1) Для метанола

2) Для воды

Площадь поперечного сечения пакетов:

 

где f- поперечное сечение канала, м².

Определяем коэффициенты теплоотдачи для обеих жидкостей.

Скорость движения метанола:

Критерий Рейнольдса:

где ρ₁-плотность метанол, кг/м³; d-эквивалентный диаметр канала, м; 𝜇₁-вязкость метанола, Па·с.

Так как Re>2316, то режим турбулентный.

Находим коэффициент теплоотдачи к воде по формуле:

Здесь 𝜆 — коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/(м·К); l — определяю­щий геометрический размер (для каждой формулы указывается какой раз­мер является определяющим), м; Nu - критерий Нуссельта.

Для этого находим критерий Прандтля для метанола при t=47,5 по формуле

Критерий Нуссельта для пластинчатого теплообменника находится по формуле:

У капельных жидкостей с возрастанием температуры вели­чина критерия Прандтля уменьшается. Следовательно, для ка­пельных жидкостей при нагревании Рr/Рr_ст>1, а при охлаж­дении Рr/Рr_ст<1. На этом основании при проектировании теплообменников в расчете коэффициентов теплоотдачи для на­гревающихся жидкостей можно принимать (Рr/Рr_ст)^0.30 = 1, допуская небольшую погрешность в сторону уменьшения коэф­фициента теплоотдачи, т. е. в сторону запаса. Для охлаждаю­щихся жидкостей, когда Рr/Рr_ст≥0,5, с достаточной точностью можно принимать среднее значение (Рr/Рr_ст)^0.30, равное 0,93.

Значит

Тогда

Скорость движения воды:

Критерий Прандтля:

Критерий Рейнольдса:

Критерий Нуссельта:

Режим турбулентный, значит

Термическое сопротивление загрязнений: со стороны метанола r₃₁= 1/27000 м²·К/Вт; воды хорошего качества r₃₂=1/2700 м²·К/Вт.

Толщина пластин 1,0 мм, материал – нержавеющая сталь, λ_ст=17,5Вт/(м·К).

Сумма термических сопротивлений стенки пластин и загрязнений со стороны жидкости составит:

Σδ/λ = 1,0·10^-3/17,5 + 1/2700 + 1/2700 = 0,0010 (м²·К)/Вт.

Коэффициент теплопередачи

Требуемая поверхность теплопередачи

Теплообменник номинальной поверхностью F_1П = 16 м² подходит с запасом

Его масса M_1П = 655 кг. Запас поверхности теплообмена избыточен.

 

Вариант 2П

Характеристика теплообменника с площадью пластин 0,5 м²:

Габариты пластины, мм

длина 1375

ширина 670

толщина 1,0

Эквивалентный диаметр канала 0,0074м

Площадь поперечное сечение канала 0,0018м²

Смачиваемый периметр в поперечном

сечении канала, м 0,81

Ширина канала, мм 400

 

Диаметр условного прохода штуцеров 80 и 150 мм

Приведенная длина канала 0,893м

 

Определяем число последовательно соединенных пакетов

Принимаем z=4.

Число каналов в одном пакете:

1) Для метанола

2) Для воды

Площадь поперечного сечения пакетов:

Скорость движения метанола:

Критерий Рейнольдса:

Критерий Прандтля:

Критерий Нуссельта для пластинчатого теплообменника находится по формуле:

Тогда

Скорость движения воды:

Критерий Рейнольдса:

Критерий Прандтля:

Режим турбулентный, значит

Термическое сопротивление загрязнений: со стороны четыреххлористый углерода r₃₁= 1/2700 м²·К/Вт; воды хорошего качества r₃₂=1/2700 м²·К/Вт.

Толщина пластин 1,0 мм, материал – нержавеющая сталь, λ_ст=17,5Вт/(м·К).

Сумма термических сопротивлений стенки пластин и загрязнений со стороны жидкости составит:

Σδ/λ = 1,0·10^-3/17,5 + 1/2700 + 1/2700 = 0,0010 (м²·К)/Вт.

Коэффициент теплопередачи

Требуемая поверхность теплопередачи

Теплообменник номинальной поверхностью F_1П = 10 м² подходит с запасом

Его масса M_1П = 605 кг

Из расчетов видно, что оптимальным вариантов является теплообменник с площадью теплообмена F=12,5м², числом пластин N=24 и площадью пластин 0,5м², так как у него удовлетворительный запас поверхности теплообмена и меньшая масса.

 

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННИКА

где L – приведенная длина каналов, м; d_э – эквивалентный диаметр каналов, м; x – число пакетов для данного теплоносителя, w_ш – скорость в штуцерах на входе и выходе; ξ = a₁/Re – для ламинарного движения, ξ = a₂/Re^0,30 – для турбулентного движения. Коэффициенты а₁ и а₁ зависят от типа (площади) пластины:

Скорость жидкости в штуцерах

Диаметр присоединяемых штуцеров d_ш=0,065м

Скорость метанола в штуцерах:

w_ш = 2,7778·4/(765,5750·3,14·0,065²) = 1,0940м/с

Коэффициент трения для метанола:

Гидравлическое сопротивление воды:

Коэффициент a₂ зависит от типоразмера платин. Для пластин площадью 0,3 А=19,6.

Число пакетов 2.

Гидравлическое сопротивление метанола:

Сопоставим заданный напор с расчетным гидравлическим сопротивлением:

850000/132845,7988 >1. Гидравлическое сопротивление воды находится в пределах принятого значения.

Скорость воды в штуцерах:

w_ш = 4,2193·4/(977,8·3,14·0,065²) = 1,2777м/с

Коэффициент трения для воды:

Число пакетов 2.

Гидравлическое сопротивление воды:

Сопоставим заданный напор с расчетным гидравлическим сопротивлением: 850000/761089,0655>1. Как видим, гидравлическое сопротивление действительно находится в пределах принятого значения.

По справочнику «Основы конструирования и расчет химико-технического и природоохранного оборудования» выбираем разборный теплообменник с пластинами типа 0,5, площадью поверхности теплообмена 12,5 м², на двухопорной раме, пластины из нержавеющей стали 10Х13Г18Д, с уплотнительными прокладками из резины марки ИРП-1230, со схемой компоновки

ТПР 0,5-12-2-24-14.

 

5. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

туцера

Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

Где G-массовый расход теплоносителя, ρ-плотность теплоносителя, w-скорость движения теплоносителя в штуцере.

Принимаем скорость движения метанола в штуцере w=1,9410 м/с, скорость движения воды в штуцере 1,5431 м/с, тогда

диаметр штуцера для входа и выхода воды

принимаем d_1,2=65мм;

диаметр штуцера для входа и выхода метанола:

принимаем d_3,4=0,065м.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12816-80.

Фланец выбираем из стали для агрессивной среды.

 

поры аппарата

Максимальная масса аппарата:

где G_а=605 кг – масса аппарата

G_в – масса воды и метанола, заполняющих аппарат.

=

С учетом того, что аппарат установлен на двуопорной раме, тогда нагрузка приходящаяся на одну опору:

G_оп=0,0045/2=0,0023МН.

Выбираем опору с нагрузкой 0,01МН.

 

одбор насоса для метанола.

Объем расхода воды и напор, развиваемый насосом:

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос для химического производства Х16/31, для которого Q=0,0056м³/с и Н=40м.

 

6. ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

 

В рассмотренном выше примере оптимально подобранный пластинчатый теплообменник (вариант 1П) имеет нормальное значение поверхности F_н=12,5м², превышающее расчетное (F=10,4936м²) на 19,1197 %. Определим конечные температуры теплоносителей при неизменном коэффициенте теплопередачи К=1411,04 Вт/(м²·К).

Эффективность теплопередачи представляет собой безразмерное изменение температуры холодного (или горячего) теплоносителя, отнесенное к максимально возможному перепаду температуры в теплообменнике. В нашем случае имеем следующее выражения эффективности теплопередачи:

; (6.1)

, (6.2)

где

Число единиц переноса:

; (6.3)

. (6.4)

При противотоке:

(6.5)

Конечные температуры теплоносителей определяют по найденным эффективностям:

; (6.6)

. (6.7)

Поверочный расчет показал, что конечная температура теплоносителя и хладагента соответствуют заявленным при проектирования; следовательно, рассчитанный теплообменник удовлетворяет технологическим требованиям.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Целью данного курсового проекта являлся расчет пластинчатого теплообменника для охлаждения метилового спирта водой. В рамках проекта были произведены следующие расчеты: нахождения и описание технологической схемы с использованием данного холодильника, расчет и выбор наиболее оптимального варианта аппарата (теплообменника), а также графическое изображение технологической схемы и самого аппарата. В конечном итоге был получен следующий результат: пластинчатый теплообменник с поверхностью теплообмена 12,5 м², площадью пластин 0,3м² на раме:

ТПР 0,5-12,5-1-24-14

0,5 – тип пластин;

12,5 – поверхность теплообмена;

1 – количество опор;

24 – количество пластин;

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г. С. Борисов, В. П. Брыков, Ю. И. Дытнерский идр. Под ред. Ю. И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и допол. М.: Химия, 1991. – 496с. ISBN 5-7245-0133-3.

2. Иоффе И. Л.Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1991. – 352с., ил. ISBN 5-7245-0514-2.

3. Барановский Н. В., Коваленко Л. М., Ястребенецкий Я. Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. М., «Машиностроение», 1973. - 288с.

4. Рабинович В.А., Хавин З.Ю. Краткий химический справочник. Изд. 2-ое изд., исправ. и допол. М.: Химия, 1978. – 392с.