Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Белорусский государственный технологический университет»

Кафедра процессов и аппаратов химических производств

РАСЧЕТНО – ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

по процессам и аппаратам химических технологий

на тему "Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола"

Разработал

студент 3 курса

инженерно-экономического факультета

специальности 1-43 01 06 02

Стригельский А. В.

Руководитель

Калишук Д. Г.

Минск 2005

Содержание

 

Введение

1.         Литературный обзор

1.1      Теоретические основы теплообмена

1.2      Основные типы теплообменников

1.2.1   Назначение и классификация теплообменных аппаратов

1.2.2    Обзор типовых теплообменных аппаратов

1.3      Современное аппаратурно-технологическое оформление процесса теплообмена

2.         Расчет холодильника первой ступени

2.1      Определение тепловой нагрузки

2.2      Определение расхода и тепловой нагрузки воздуха

2.3      Вычисление средней разности температур теплоносителей

2.4      Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена F_ор и выбор рассчитываемого теплообменника

2.5      Расчет коэффициента теплопередачи K

2.6      Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника

3.         Расчет конденсатора паров толуола

3.1      Определение тепловой нагрузки

3.2      Определение тепловой нагрузки для второго теплоносителя ─ жидкого толуола и его расхода

3.3      Вычисление средней разности температур теплоносителей

3.4      Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена F_ор и выбор рассчитываемого теплообменника

3.5      Уточненный расчет поверхности теплопередачи

3.6      Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника

Заключение

Список использованных литературных источников

Приложение А

Приложение Б

Введение

Современная химическая промышленность в Беларуси развивается с 60-х годов в комплексе с нефтеперерабатывающими и нефтехимическими предприятиями. Интенсивному развитию в республике этой отрасли способствовал ряд благоприятных факторов: большая потребность народного хозяйства в химической и нефтехимической продукции и высокая эффективность её применения в промышленности и сельском хозяйстве; открытие богатых запасов калийных солей на юге Минской области и нефтяных месторождений в Гомельской области; разветвлённая сеть железных и автомобильных дорог.

Начиная с 1958 года, в республике осуществляется развёрнутое строительство новых, расширение и реконструкция действующих химических предприятий. Химическая промышленность стала одной из ведущих отраслей хозяйства, охватывающей многочисленные производства разнообразных неорганических и органических продуктов, имеющих важное значение. Возникли и получили промышленное применение процессы адсорбции, экстракции, молекулярной дистилляции и др.

Современная химическая промышленность насчитывает множество разнообразных производств, часто сильно различающихся химической природой и физическими свойствами исходных веществ, промежуточных и конечных продуктов, а также характером и условиями протекания технологических процессов. Несмотря на перечисленные различия, число элементарных процессов, повторяющихся в разных сочетаниях во всех химических производствах, едва достигает двадцати. Из этого ограниченного числа элементарных процессов или из некоторой их части, но в различной последовательности и при разных рабочих условиях строится технология любого химического производства.

1 Литературный обзор

 

1.1 Теоретические основы теплообмена

При тепловых процессах тепло передаётся от одного вещества к другому. Для самопроизвольного переноса тепла одно из этих веществ должно быть более нагрето, чем другое. Вещества, участвующие в процессе перехода тепла (теплообмен), называются теплоносителями. Вещество с более высокой температурой, которое в процессе теплообмена отдаёт тепло, называется горячим теплоносителем, а вещество с более низкой температурой, воспринимающее тепло, холодным теплоносителем.

Существуют два основных способа проведения тепловых процессов: путём непосредственного соприкосновения теплоносителей и передачей тепла через стенку, разделяющую теплоносители.

При передаче тепла непосредственным соприкосновением теплоносители обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо; поэтому данный способ применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном оформлении.

При передаче тепла через стенку теплоносители не смешиваются, и каждый из них движется по отдельному каналу; поверхность стенки, разделяющей теплоносители, используются для передачи тепла и называется поверхностью теплообмена.

Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. При установившемся (стационарном) процессе температуры в каждой точке аппарата не изменяются во времени, тогда как при неустановившемся (нестационарном) процессе температуры изменяются во времени. Установившиеся процессы соответствуют непрерывной работе аппаратов с непрерывным режимом; неустановившиеся процессы протекают
в аппаратах периодического действия, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия и изменении режима их работы.

Передача тепла от одного тела к другому может происходить посредством теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.

Передача тепла теплопроводностью осуществляется путём переноса тепла при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела. При этом энергия передаётся от одной частицы к другой в результате колебательного движения частиц, без их перемещения друг относительно друга.

Передача тепла конвекцией происходит только в жидкостях и газах путём перемещения их частиц. Перемещение частиц обусловлено движением всей массы жидкости или газа (вынужденная или принудительная конвекция), либо разностью плотностей жидкости в разных точках объёма, вызываемой неравномерным распределением температуры в массе жидкости или газа (свободная, или естественная, конвекция).

Конвекция всегда сопровождается передачей тепла посредством теплопроводности.

Передача тепла лучеиспусканием происходит путём переноса энергии в виде электромагнитных волн. В этом случае тепловая энергия превращается в лучистую энергию (излучение), которая проходит через пространство и затем снова превращается в тепловую при поглощении энергии другим телом (поглощение).

Рассмотренные виды передачи тепла редко встречаются в чистом виде; обычно они сопутствуют друг другу (сложный теплообмен). Так при передаче тепла через стенку перенос тепла от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю осуществляется конвекцией, а через стенку – путём теплопроводности.

Теплообменными аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). В химической технологии теплообменные аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твёрдых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзо- и эндотермических реакций и т. д. соответственно своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами, сублиматорами, плавителями и т. п.

Количество тепла, передаваемого в единицу времени от одного тела к другому, называется тепловым потоком, и выражается в Дж/сек или Вт, т. е. единицах мощности.

При теплообмене между теплоносителями происходит уменьшение энтальпии (теплосодержания) горячего теплоносителя и увеличение энтальпии холодного теплоносителя. Пусть количество горячего теплоносителя, его начальная и конечная энтальпия равны соответственно G кг/сек I₁ и I₂ Дж/кг, а количество холодного теплоносителя и его начальная и конечная энтальпия g кг/сек i₁ и i₂ Дж/кг.

Примем также, что количество тепла, передаваемое от горячего теплоносителя к холодному, составляет Q Вт (эта величина называется тепловой нагрузкой аппарата), а потери тепла в окружающую среду равны Q_n Вт. Тогда уравнение теплового баланса запишется в виде:

G·I₁+g·i₁ = G·I₂ + g·i₂ + Q_{n ,} (1)

Произведя перегруппировку, получим:

G·(I₁ – I₂) = g·(i₂ – i₁) + Q_n, (2)

Величина Q_гор = G·(I1 – I2) представляет собой количество тепла, отданного горячим теплоносителем, а величина Q_хол = g·(i₂ – i₁) количество тепла, сообщённое холодному теплоносителю.

Таким образом:

Q_гор = Q_хол + Q_{n ,} (3)

Т. е. тепло, отданное горячим теплоносителем, частично передаётся холодному теплоносителю и частично расходуется на компенсацию потерь в окружающую среду.

В теплообменных аппаратах потери тепла обычно невелики (не более 2 – 3 %) и ими можно пренебречь. Тогда уравнение теплового баланса примет вид:

Q = Q_гор = Q_{хол ,} (4)

или

Q = G·(I₁ –I₂) = g·(i₂ – i₁), (5)

Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом. Необходимую поверхность теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи:

F = Q/(K·∆t_cp), (6)

Тепловую нагрузку Q в соответствии с заданными технологическими условиями находят из уравнения теплового баланса для одного из теплоносителей:

— если агрегатное состояние теплоносителя не меняется — из уравнения

Q = G_i·c_i·[t_{i н} - t_{i k}], i =1,2, (7)

— при конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата или при кипении — из уравнения

Q = G_i·r_i , i = 1,2, (8)

— при конденсации перегретых паров с охлаждением конденсата

Q = G₁·(I_1н – c₁·t_1k), (9)

где I_1н — энтальпия перегретого пара Дж/кг.

Если агрегатное состояние теплоносителя не меняется, его среднюю температуру можно определить как среднеарифметическую между начальной и конечной температурами:

t_i = (t_iн + t_ik)/2, i = 1,2, (10)

Более точное значение средней температуры одного из теплоносителей

можно получить, используя среднюю разность температур:

t_i = t_j ± ∆t_cp, (11)

где t_j — среднеарифметическая температура теплоносителя с меньшим перепадом температуры вдоль поверхности теплообмена, °С.

При изменении агрегатного состояния теплоносителя его температура постоянна вдоль всей поверхности теплопередачи и равна температуре кипения (или конденсации) зависящей от давления и состава теплоносителя.

Для протекания процесса передачи тепла необходимо наличие некоторой разности температур между горячим и холодным теплоносителями. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором. Если Т — температура горячего теплоносителя, а t — температура холодного теплоносителя в °С, то температурный напор:

q = T – t, (12)

Чем больше температурный напор, тем выше скорость передачи тепла, причём количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному, пропорционально поверхности теплообмена F (м²), температурному напору q и времени τ, с :

Q = K·F·q·τ, (13)

где K — коэффициент теплопередачи, Вт/м²∙К.

Если тепло переносится путём теплопроводности через стенку, то, согласно закону Фурье, количество передаваемого тепла пропорционально поверхности F, разности температур между обеими поверхностями стенки (q_ст. = t_ст.₁-t_ст.₂),времени τ и обратно пропорционально толщине стенки δ:

Q = [λ·F(t_ст1 – t_ст2)·τ]/δ = (λ·F·q_ст.·τ)/δ, (14)

где t_ст1 и t_ст2 — температура поверхностей стенки; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К).