Diseño de intercambiador de calor tubular.
2.1 Selección del intercambiador de calor
En el proceso de destilación de etanol, el intercambiador de calor comúnmente utilizado en la parte superior de la torre es un intercambiador de calor de tipo tubo, por lo que este diseño El intercambiador de calor del proyecto se selecciona inicialmente como un intercambiador de calor de tipo tubular.
El tipo de intercambiador de calor tubular está determinado principalmente por la diferencia de temperatura entre el lado del tubo y el lado de la carcasa del intercambiador de calor. Durante el proceso de destilación del etanol, el etanol se condensa a la temperatura de saturación atmosférica, con una temperatura de entrada de 76°C y una temperatura de salida de 45°C. El medio de enfriamiento es agua, la temperatura de entrada es de 24 °C y la temperatura de salida es de 36 °C. La diferencia de temperatura entre los dos fluidos no es muy grande. Según la descripción de los distintos tipos de intercambiadores de calor en la descripción general, los intercambiadores de calor de placas de tubos fijos se pueden seleccionar de forma integral.
2.2 Selección del caudal del fluido
La selección de la velocidad del fluido implica el coeficiente de transferencia de calor, la resistencia al flujo y la estructura del intercambiador de calor. Aumentar el caudal puede aumentar el coeficiente de transferencia de calor por convección, reducir la formación de suciedad y aumentar el coeficiente de transferencia de calor general, pero también aumenta la resistencia al flujo y el consumo de energía; elija un caudal alto para reducir la cantidad de tuberías; Para una determinada zona de intercambio de calor debemos utilizar tubos más largos o aumentar el número de pasadas. Si el tubo es demasiado largo, no favorece la limpieza y la diferencia de temperatura promedio de transferencia de calor disminuirá cuando el paso único se convierta en paso múltiple. Por lo tanto, generalmente es necesario elegir el caudal apropiado mediante varias compensaciones. La Tabla 1-3 enumera los rangos de caudal comúnmente utilizados como referencia de diseño. Al elegir los caudales, se debe evitar el flujo laminar siempre que sea posible.
Tabla 1 Rangos de velocidad comunes en intercambiadores de calor de carcasa y tubos
Tipo de fluido: en términos generales, los fluidos son propensos a incrustarse, gas líquido.
Caudal, m/s lado del tubo 0,5 ~ 3,0 y gt1,0 5,0 ~30
lado de la carcasa 0,2 ~ 1,5 >:0,5 3,0 ~ 15
Tabla 2 Caudales comunes de líquidos con diferentes viscosidades en intercambiadores de calor de carcasa y tubos
Viscosidad del líquido, mPa·s > >
Velocidad máxima, m/s 0. 60. 751. 1. 51. 82. 4.
Tabla 3 Caudales permitidos de seguridad de líquidos inflamables y explosivos en intercambiadores de calor de carcasa y tubos
Nombre del líquido: éter, disulfuro de carbono, alcohol bencílico, etanol, gasolina, acetona.
Velocidad permitida de seguridad, metros/segundo
Porque el medio de enfriamiento utilizado es agua de pozo, que es propensa a incrustarse, mientras que el etanol no es propenso a incrustarse. El agua y el etanol tienen viscosidades muy bajas. Con base en los datos de las tres tablas anteriores, la velocidad del lado del tubo se puede seleccionar inicialmente como 0,9 m/s y la velocidad del lado de la carcasa como 7 m/s.
2.3 Determinación de la temperatura de salida del fluido
La temperatura de entrada del agua del medio refrigerante es de 24 °C y la temperatura de salida es de 36 °C. Por lo tanto, la temperatura cualitativa del agua se puede obtener como Tm = 30 °C.
El etanol en fluido térmico se condensa a temperatura de saturación. Se puede determinar que la temperatura de entrada y la temperatura de salida son las mismas, por lo que la temperatura cualitativa del etanol es Tm=60,5°C.
2.4 Determinar el número de lados de tubos y carcasa
Cuando el área de intercambio de calor del intercambiador de calor es grande y los tubos no pueden ser muy largos, se deben disponer más tubos. Para aumentar el caudal de fluido en el tubo, es necesario dividir el haz de tubos. Sin embargo, demasiadas pasadas provocarán un aumento de la resistencia al flujo y del consumo de energía, y varias pasadas reducirán la diferencia de temperatura promedio, lo que debe considerarse durante el diseño. Hay cuatro pasos de tubo en los estándares de la serie de intercambiadores de calor de carcasa y tubos: 1, 2, 4 y 6. Cuando se utilizan múltiples pases, la cantidad de tubos en cada pase generalmente debe ser igual.
El número de paso del tubo n se calcula de la siguiente manera:
N=u/v
donde u se refiere a la velocidad apropiada del fluido en el lado del tubo ;
V——La velocidad real del fluido en el lado del tubo. Capítulo 2 Cálculo del diseño del proceso
1 Determinación de los datos de rendimiento físico
La temperatura cualitativa del agua es Tm=(24+36)/2=30℃, y la temperatura cualitativa del etanol es Tm =(76+45)/2=60,5℃.
Datos de propiedades físicas de dos fluidos a temperatura cualitativa
El enlace de la materia
Líquido
Etanol 60,5 757 0,6942 2,83 0,1774
Agua 30 996 0.0.8 4.20 0.6438+07
2 Determinación de la carga de calor y el área de transferencia de calor
1 Calcular la carga de calor
Condensación = 3,51 kg/s
Carga térmica q 1 = r = 3,51×2,83×31 = 307,93 kw.
2. Calcular el consumo de agua de refrigeración
Pérdida de carga de calor del intercambiador de calor: 3% de la transferencia de calor total;
Q2 = q/(1-0,03) = 317,46 kilovatios
El caudal de agua se puede calcular mediante balance de calor, es decir,
= = 317460/4,2(36-24)= 9,35 kilogramos/segundo
3. Calcule la diferencia de temperatura promedio efectiva:
Diferencia de temperatura de contraflujo °C.
4. Seleccione el valor del coeficiente empírico de transferencia de calor k.
De acuerdo con el agua que circula en el lado del tubo y el etanol en el lado de la carcasa, el coeficiente de transferencia de calor total k se toma temporalmente de la siguiente manera:
5.
3 Intercambiador de calor Determinación del tamaño aproximado
Diámetro y velocidad en la tubería
Seleccione un tubo avanzado de transferencia de calor estirado en frío (acero al carbono) de φ25×2,5 mm. y tome la velocidad del flujo en el tubo u1 = 0,8 m/s
El número de pasos del tubo y el número de tubos de transferencia de calor
El número de tubos de transferencia de calor unidireccionales se puede determinar en función del diámetro interior y el caudal del tubo de transferencia de calor.
Según el cálculo del tubo de doble paso, la longitud requerida del tubo de transferencia de calor es
Según el diseño del tubo de doble paso, el tubo de transferencia de calor es moderado y Se puede utilizar una estructura de doble paso. Según la situación real de este diseño, la longitud del tubo de transferencia de calor es l=4 m y el número de pasos de tubo del intercambiador de calor es
El número total de tubos de transferencia de calor N=38× 2=76 (raíces)
3. Corrección promedio de la diferencia de temperatura de transferencia de calor y número de pasadas de la cáscara
El coeficiente de corrección promedio de la diferencia de temperatura es:
R= 2,6 P=0,23
Pases de doble carcasa, estructura de doble tubo, encontrado ε = 0,923.
Diferencia de temperatura promedio de transferencia de calor
Dado que el coeficiente de corrección de la diferencia de temperatura promedio de transferencia de calor es mayor que 0,8 y el flujo de fluido del lado de la carcasa es grande, se debe utilizar el lado de doble carcasa.
4. Diámetro interior de la carcasa
Número de tubos de paso y catéteres centrales
Al calcular el diámetro interior de la carcasa, se puede utilizar la siguiente fórmula:
D=t
b. Mida el diámetro exterior del tubo de transferencia de calor, luego:
d = 32(10-1)+50 = 338 mm
Según el engranaje avanzado de la carcasa laminada, se prefiere D=350 mm.
Las especificaciones del intercambiador de calor de placas de tubos fijos horizontales son las siguientes:
Diámetro nominal 350 mm
Área nominal de intercambio de calor
Número de pasadas 2
Número de tubo de ensayo n........................76
Longitud del tubo l. ......................................... ........... ................................................. .... ................................................. ................... ........................
Diámetro de la tubería....................
La disposición de la tubería es un triángulo equilátero.
5. Deflector
Utilice un deflector arqueado. La altura del espacio anular del deflector arqueado es el 20% del diámetro interior de la carcasa y la altura del espacio anular h = 0,20 *. 250 = 75 mm.
Supongamos que la separación entre deflectores es B=0,3D, entonces
B=0,3*250=105 mm, preferiblemente B=150 mm.
Número de deflectores N=longitud del tubo de transferencia de calor/espaciamiento de los deflectores-1 = 8000/150-1 = 26 (bloques)
4 Cálculo del área y del coeficiente total de transferencia de calor
1. Coeficiente de transferencia de calor en la superficie lateral de la carcasa
2. Coeficiente de transferencia de calor en la superficie interior del tubo
Existe una fórmula:
Lado del tubo Área transversal del flujo de fluido
Velocidad del fluido del tubo
Número de Prandt
Pr=5.446
Ai =2.2.
3. Resistencia térmica de la suciedad y resistencia térmica de la pared de la tubería
Resistencia térmica de la suciedad fuera de la tubería
Entonces la resistencia térmica de la suciedad dentro de la tubería.
Según el cálculo de la resistencia térmica de la pared del tubo, la conductividad térmica del acero al carbono en esta condición es de 50,29 W/(m·k). Por lo tanto
4. Coeficiente de transferencia de calor k
Calculado según la fórmula del coeficiente de transferencia de calor
5. El área de transferencia de calor Ap es:
El área de transferencia de calor real del intercambiador de calor es
El margen de área del intercambiador de calor es
5. Inspección de caída de presión
1, calcule la caída de presión del lado de la tubería.
(Coeficiente de corrección proporcional, número de pasos del tubo, número de pasos de la carcasa)
Si la rugosidad de la pared del acero al carbono es de 0,1 mm, entonces, y Rei=9700, entonces
Sí, la tubería está
& ltr
Por lo tanto, la caída de presión a través de la tubería está dentro del rango permitido.
2. Calcule la caída de presión del lado de la carcasa
Calcule mediante la fórmula
,,
La resistencia del fluido que fluye a través del haz de tubos
F=0.5
La velocidad del fluido en el lado de la carcasa y el número de Reynolds son respectivamente:
Tome
La resistencia del fluido que fluye a través del espacio del deflector
, B=0,2 m, D=0,5 m
Resistencia total
Capítulo 3 Lista de resultados de cálculo
Las principales dimensiones estructurales del intercambiador de calor y los resultados del cálculo son los siguientes:
Logros del proyecto
Diámetro nominal del intercambiador de calor d350
Número de pasos de tubo de Intercambiador de calor 2-
El número total de tubos del intercambiador de calor es n76
La longitud de un solo tubo del intercambiador de calor es L 4m
El tamaño de del tubo intercambiador de calor mm
La disposición de los tubos de intercambio de calor es correcta Disposición triangular al tresbolillo
La distancia entre los centros de los tubos es de 32 mm
El la distancia desde el centro del tabique hasta el centro de la tubería más cercana es de s22mm
Tuberías adyacentes en cada proceso La distancia entre ellas es de 2S 44mm.
Espaciamiento entre deflectores B 150 mm
El número de deflectores es N 26
El diámetro exterior de los deflectores es de 365 mm.
El espesor del deflector es de 5 mm
El espesor de la carcasa es de 10 mm
La especificación de la boquilla de entrada de fluido del lado de la carcasa es mm
Especificaciones de la boquilla de salida de fluido del lado de la carcasa mm
Especificaciones de la boquilla de entrada y salida de fluido del lado del tubo mm
Espesor del cabezal 10 mm
Interior del cabezal diámetro 350 mm
Altura de la superficie del cabezal 100 mm
Altura del diámetro del cabezal 20 mm
Carga de transferencia de calor Q 317,46 kw
Flujo de etanol El caudal es de 3,51 kg/s
El caudal de agua en circulación es de 9,35 kg/s
El coeficiente de transferencia de calor primario total es de 450 vatios/metro cuadrado
El El área de transferencia de calor se estima inicialmente en 23,9 metros
La velocidad del lado del tubo es 0,8 m/s
El coeficiente de transferencia de calor del lado de la carcasa es 925,4 w/m2.k
Coeficiente de transferencia de calor del lado del tubo I 2200 w/m2 k
Coeficiente de transferencia de calor total K 575,4 w/m2 K
Área de transferencia de calor requerida A 20,3 m
Área real de transferencia de calor A 21,34 m
Margen del área de transferencia de calor H5,1%-
Caída de presión del lado del tubo Pt 3200 Pa
Laminación de la carcasa caída de presión Ps 5400Pa
Capítulo 4 Diagrama del tubo de intercambio de calor (ver imagen adjunta)
Capítulo 4 Diagrama de flujo (ver imagen adjunta)
Capítulo 4 Revisión del diseño
A través del análisis del intercambiador de calor de carcasa y tubos de las características de rendimiento de resistencia y transferencia de calor del lado de la carcasa, se propone utilizar el coeficiente de energía K/N para evaluar.
Cuando la valencia mejora la transferencia de calor, se debe prestar más atención a mejorar su rendimiento de transferencia de calor. En este diseño:
,
K/N=0.0669
Cumple los requisitos y el rendimiento es bueno.
Al verificar el área, la caída de presión y otros cálculos, este diseño puede cumplir con los requisitos, la eficiencia de transferencia de calor cumple con los requisitos y la tarea se puede completar bien.
Evaluación del beneficio económico y ambiental: El método del ciclo de vida es un proceso de evaluación del impacto ambiental de productos o procesos productivos. Evalúa el impacto ambiental del uso de energía y materiales identificando y cuantificando el consumo de energía y materiales y las emisiones de desechos resultantes para buscar formas de mejorar productos o procesos. Esta evaluación ocurre a lo largo de todo el ciclo de vida de la producción del producto y de las actividades técnicas, incluyendo la extracción y procesamiento de materias primas, la fabricación del producto, el transporte, las ventas, el uso y reutilización del producto, el mantenimiento, el reciclaje y la disposición final. Este diseño utiliza agua como refrigerante, que no contamina, es de bajo costo y no contiene gases nocivos. Todo el proceso es simple, fácil de operar y tiene buenos beneficios ambientales y económicos.
En este diseño se tiene en cuenta área, coeficiente de transferencia de calor, caída de presión, etc. Todos tienen buenas garantías. Incluso si hay grandes errores en la producción y el uso, la estructura del equipo puede garantizar que no se produzcan accidentes que dañen la seguridad y tiene una garantía de seguridad buena y confiable.
Resumen personal del Capítulo 5
Este curso está diseñado para ser un puente entre la teoría y la práctica, y es nuestro intento inicial de aprender los conceptos básicos del diseño de ingeniería química. A través del diseño del curso, los estudiantes aplicarán de manera integral el conocimiento básico de este curso y los cursos de requisitos previos, llevarán a cabo un pensamiento integral e independiente y completarán las tareas de diseño de ingeniería química designadas dentro del tiempo especificado, obteniendo así una capacitación preliminar en programación de ingeniería química. A través del diseño del curso, los estudiantes han profundizado su comprensión del contenido básico del diseño de ingeniería, dominado los procedimientos y métodos del diseño de ingeniería química y desarrollado la capacidad de analizar y resolver problemas prácticos de ingeniería.
Además, a través del diseño de este curso, hemos mejorado nuestras habilidades en los siguientes aspectos:
1. Familiarizarnos con la revisión de literatura y la búsqueda de información relevante. Elige la receta correctamente.
2. Calcular de forma precisa y rápida el diseño de procesos de los equipos principales.
3 Utilice un lenguaje refinado, texto conciso y gráficos claros para expresar los resultados de los cálculos de sus ideas de diseño.
4 también encontró muchas deficiencias en sí mismo. No estaba familiarizado con lo que había aprendido y perdió mucho tiempo.
Referencias del Capítulo 6
1. Qian, editor en jefe, Heat Exchanger Design Manual, Chemical Industry Press, 2002.
2. , Diseño de cursos de principios de ingeniería química, Tianjin University Press, 1994.
3. , Diseño del curso de equipos y procesos de la unidad de ingeniería química, Chemical Industry Press, 2002.
4. Editor en jefe Wang Zhikui, "Principios de ingeniería química", Chemical Industry Press, 2004.
5. "Principios de Ingeniería Química" (Volumen 1 y 2) (Segunda Edición) de Chen Minheng, Kong Dezi y otros. Prensa de la industria química de Beijing 2000.
6. He Teng, Principios de Ingeniería Química, Science Press, 2001.
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