shkolaw.in.ua 1

http://antibotan.com/ - Всеукраїнський студентський архів


Завдання
Розрахувати теплообмінник-випаровувач з паровим простором, для пропанової газофракціонуючої колони використовуючи наступні вихідні дані: продуктивність теплообмінника по сировині G=150 000 тон./рік, тиск внизу колони Р=1.47 Па, молярна маса сировини 59.016. Склад сировини колони у % мас. наведений у табл.1. Кількість, склад і температури потоків, які заходять і виходять з теплообмінника наведені в табл.2.
Таблиця 1

Компонент

СН4

С2Н6

С3Н8

і-С4Н10

н-С2Н6

С5+

Кількість, % мас.

---

0.9

16.2

30.5

44.5

7.9


Таблиця 2

Потік

Позначення

Склад

Т,К.

Кмоль/год.

компоненти


мольна

частка


Флегма з колони у теплообмінник

R+VR

С3Н8

і-С4Н10

н-С2Н6

С5+

0.00527

0.36816

0.54819

0.07838

378


8.165

Нижній продукт з колони (залишок)

R

С3Н8

і-С4Н10

н-С2Н6

С5+

0.00321

0.32871

0.55261

0.11547

383

3.266ь


Пари з теплообмінника в колону

VR

С3Н8

і-С4Н10

н-С2Н6

С5+

0.00269

0.31200

0.55475

0.13056

383

4.899


Вступ
Кожухотрубні теплообмінні апарати можуть використовуватися як теплообмінники, холодильники, конденсатори і випарники.

Теплообмінники призначені для нагріву і охолодження, а холодильники-для охолодження (водою або іншими нетоксичними, пожежо – і вибухобезпечними холодоагентами ) рідких і пароподібних середовищ.

Конденсатори призначені для конденсації парів в між-трубному просторі, а також для нагрівання рідин і газів за рахунок теплоти конденсації пари.

Кожухотрубні випарники з трубними пучками з U-подібних труб чи з плавачою головкою мають паровий простір над киплячою в кожусі рідиною. В цих апаратах, завжди розташованих горизонтально, гарячий теплоносій ( в ролі якого можуть використовуватися гази, рідини або пара ) рухається по трубах. Згідно ГОСТ 14248-79, кожухотрубні випарники можуть бути з конічним днищем діаметром 800-1600 мм, а також з еліптичним днищем діаметром 2400-2800 мм. Останні можуть мати два або три трубні пучки. Допустимий тиск в трубах складає 1.6 – 4.0 МПа, в кожусі – 1.0-2.5 МПа при робочих температурах від -30 до 450 . Випарники з паровим простором виготовляють тільки двоходовими з довжиною труб 6.0 м, діаметром 252 мм.


Технологічний розрахунок
1.Теплове навантаження теплообмінника-випаровувача
Ця величина визначається з рівняння теплового балансу випарника:
,
де: - витрата тепла у випарнику (теплове навантаженя), кДж/год.; і - кількість потоків, кмоль/год. (табл.2.); , , - ентальпії потоків при відповідних температурах, кДж/моль.

Попередньо знайдемо середні молярні маси потоків:



По таблицях знаходимо ентальпії потоків при відповідних температурах:
кДж/моль;
кДж/моль;
кДж/моль;
Тоді знаходимо розхід тепла в теплообміннику за одну годину:


кДж/кг;

кДж/кг = 24016 кВт = 24015878.25 Вт;

2.Витрата граючої пари
В якості гарячого теплоносія у випарнику використовується водяна пара. Флегма, яка поступає у випарник нагрівається від Т1=378 К до Т2=383 К і частково випаровується за рахунок тепла конденсації водяної пари. На основі даних промислової експлуатації аналогічних випарників і з метою забезпечення достатньго температурного напору при теплопередачі від водяної пари, яка конденсується, до киплячої флегми, приймаємо наступні параметри гріючої пари: тиск Р=785 Па, температура =443 К, теплота конденсації r = 2049.5 кДж/кг.

Витрату пари визначаємо з наступного рівняння:
кг/год.,
де: - витрата гріючої пари, кг/год; - коефіцієнт утримання тепла ( в середньому для теплообмінників = 0.95 ).
3.Температурний напір по поверхні нагріву теплообмінника-випаровувача
Температура гарячого теплоносія, водяної пари, яка конденсується, залишається незмінною і дорівнює =443 К. А отже, температурний напір у випарнику буде однаковим по всій його поверхні і дорівнює:
К.
4.Коефіцієнт тепловіддачі зі сторони киплячої флегми

Для бульбашкового режиму кипіння рідини у великому об’ємі ( у Вт/К ) можна визначити використовуючи наступну залежність:

,
де: , - відповідно густина парової і рідкої фази, кг/; - теплота пароутворення, Дж/кг; - поверхневий натяг на границі розділу між рідиною і парою, Н/м або кг/; - теплопровідність рідини, Вт/(мК); - коефіцієнт динамічної в’язкозті рідини, Пас; - теплоємність рідини, Дж/(кгК); - температура кипіння флегми, К; - теплонавантаження поверхні нагріву, Вт/.

Всі фізичні параметри у даній формулі визначаються при температурі кипіння флегми ==383 К.


Густину парової фази визначаємо за рівнянням Клапейрона – Мендєлєєва:
,
де: - густина пари при нормальних умовах, кг/; - 273 К; =1.47 Па – тиск у випарнику; =98.1 Па;

Густина пари при нормальних умовах:
кг/;
Після підстановки всіх величин у формулу, для визначення густини парової фази отримаємо:
кг/;
Відносну густину рідини можна визначити використовуючи наступну формулу:
,
де: = 59.790 ( визначена вище).
Після цього використовуючи відомі графіки чи формули знаходимо густину залишку при наступних температурах:

= 383 К кг/;


К кг/;
Теплоту пароутворення знаходимо як різницю ентальпій парової і рідкої фаз:
кДж/кг = 267.9 Дж/кг;
Поверхневий натяг ( в Н/м ) на границі розділу пара – рідина визначаємо по наступній формулі:
,
де: - середня молярна маса залишку; - густина залишку при температурі 383 К, кг/; - критична температура залишку, К; ==383 К; - стала величина, яка дорівнює 7 К;

Знайдемо критичну температуру залишку використовуючи критичні температури компонентів і їх мольні частки в залишку:


К,

де: = 368.6 К ( С3Н8 ); = 420.7 К ( і-С4Н10 ); = 432.5 К (н-С4Н10 ); = 470.2 К ( С5+); , , , - значення мольних часток компонентів в залишку ( наведені в табл.2 ).


Підставивши знайдені величини у вище наведену формулу отримаємо:
Н/м;
Коефіцієнт теплопровідності рідини (залишку) рахуємо по такій формулі:
Вт/мК;
Коефіцієнт динамічної в’язкості рідини (залишку) можна визначити використовуючи формулу:
,
де: ,,,- коефіцієнти динамічної в’язкості компонентів рідини (залишку).

Попередньо знайдемо для кожного з компонентів залишку значення при 383 К.

По графіку визначаємо для пропану (С3Н8) при двох довільно вибраних температурах:
К Пас;

К Пас;

Для подальших розрахунків використаємо наступну формулу:

,
де: С- деяка стала величина, яку можна легко визначити з даного рівняння:
;
Використовуючи цю ж формулу, визначаємо при = 383 К:
;
Звідки Пас;

Аналогічно проводимо розрахунок і використовуючи то й же графік і ту ж формулу:

Для бутану (і-С4Н10 і н- С4Н10):
при 290 К Пас;

при 310 К Пас;
;
;

Звідки Пас;


Приймаємо, що =.

Для пентану (С5Н12):
при 290 К Пас;

при 308 К Пас;
;

Звідки = Пас;

Тепер за формулою, наведеною вище, знайдемо коефіцієнт динамічної в’язкості для рідкого залишку у випарнику при Т2 = 383 К:


;
Пас;

Теплоємність рідкої фази знаходимо за формулою;


кДж/кгК = 2680 Дж/кгК;
Підставивши всі знайдені вище величини у формулу для , отримаємо:

;
Таким чином, залежно від теплового навантаження поверхні нагріву випарника, коефіцієнт тепловіддачі ( у Вт/К ) зі сторони флегми буде виражатися формулою:
;
Вище, при визначенні значення коефіцієнта тепловіддачі в якості рідкої фази усюди приймаємо залишок (R), а не флегму (R+VR), оскільки при температурі у випарнику Т2= 383 К саме залишок (R) знаходиться у рівновазі з парою (VR).
5.Коефіцієнт тепловіддачі зі сторони водяної пари, яка конденсується
У випадку конденсації водяної пари всередині горизонтальних труб використаємо наступне рівняння:


Яке в робочому вигляді записується так:
,

де: - коефіцієнт, який залежить від середньої температури конденсату і визначається по графіку; - теплове навантаження поверхні нагріву випарника, ; - довжина труби, м; - внутрішній діаметр труби, м;


Середня температура конденсату дорівнює:
,
де: - температура насиченої пари, К; - температура стінки зі сторони пари, яка конденсується, К.

Температура , як правило, мало відрізняється від , тому можна приймати .

По графіку, при =443 К, А=6.2. Тоді:
, ;
6.Коефіцієнт теплопередачі
З врахуванням теплового опору стінки і забруднення її внутрішньої і зовнішньої поверхні коефіцієнт теплопередачі визначаємо по формулі:
,

де: = 0.0025 м – товщина стінки труби; =33.53 Вт/мК – коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки труби; =0.000215 - тепловий опір забруднення внутрішньої поверхні труб, - приймається як середнє значення для водяної пари і м’ягкої води; =0.0006 - тепловий опір забруднення зовнішньої поверхні труби, - приймаємо як для світлого нафтопродукту.


Тоді:


Так як і є функціями теплового навантаження , величина якого невідома, то знаходження k ведемо методом поступового наближення. Задаємось різними значеннями q і для кожного з них знаходимо , , k і . Результати розрахунків подані в табл. 3.
Таблиця 3

Величини

Результати розрахунків

1

2

3

q, (приймаємо)

30000

50000

70000

,

7275

9392

11112

,


5759

8234

10421

k,

833

893

929

,

36

56

75


;
;
;
Використовуючи дані табл.3 будуємо графік залежності , який називається складною характеристикою випарника. Знаючи, що в даному випарнику середній температурний напір = 60 ( пункт 3 )знаходимо по графіку відповідне теплове навантаження поверхні нагріву – q = 54350 .

Тоді коефіцієнт теплопередачі у випарнику:
, ;

На цій сторінці вставити графік!!!!

7.Поверхня теплообміну випарника

Розрахунок площі теплообміну:

, ;
8.Температура на внутрішній поверхні труб
Цю температуру можна визначити з наступного рівняння:

Тут:

= 443 К;

, ;

=0.000215 /;

Тоді:
, К
Відповідно, середня температура конденсату:
, К;
При визначенні коефіцієнта тепловіддачі значення параметра А взято при = 443 К. Як видно менше ніж приблизно на 2%, що знаходиться в допустимих межах точності технічного розрахунку.


Вибір теплообмінника

Використовуючи каталог “Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения “ ВНИИНЕФТМАШа приймаємо випарник з паровим простором типу 1800 ПП . Шифр апарату означає: випарник з паровим простором, діаметр кожуха 1800 мм, умовний тиск в кожусі 1.6 МПа, в трубках 2.5 МПа.


Даний апарат це-теплообмінник з U-подібними трубками, який має поверхню теплообміну F = 477, кількість ходів по трубах – 2, довжина теплообмінних труб – 6000 мм, діаметр однієї трубки - 202, труби виконані зі сталі 10.

Експлікація

Таблиця 4

позначення

назва

кількість

1

кожух

1

2

теплообмінна труба

2

3

стяжка

2

4

трубна решітка

2

5

розподільча камера

2

6

опора

2


Література


  1. Кузнєцов А.А. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности.: Изд. 2-е, переработанное и дополненное. – Ленинградское отделение.: Химия, 1974.

  2. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения.: Каталог. – М.: ЦИНТИХМИНЕФТЕМАШ, 1991.
  3. Технологія первинної переробки нафти та газу: Методичні вказівки/укладачі П.І.Топільницький, О.М.Мацяк, В.Я.Максимик. – Л: НУЛП, 2004.


  4. Основные процессы и аппараты химической технологии.: Пособие по проектированию. Издание 2-е, переработанное и дополненное/под ред. Ю. И. Дытнерского.- М.: Химия, 1991.


Зміст

1. Завдання……………………………………………………………….……1.

2. Вступ…………………………………………………………………..……2.

3. Тухнологічний розрахунок……………………………………..……3 – 12.

4. Вибір теплообмінника…………………………………………………....13.

5. Експлікайія………………………………………………………………..14.

6. Література…………………………………………………………………15.