По курсовому проектированию

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент научно-технологической политики и образования

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Красноярский государственный аграрный университет»

Институт агробизнеса пищевой и перерабатывающей промышленности

Кафедра технологии пищевых ___

производств ___________

Процессы и аппараты пищевых______ _______________производств_______________

(наименование дисциплины)

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Проект установки для получения паров метилового

Спирта производительностью 2,7 кг/с

ТПП 430 ПЗ

Красноярск 2010

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка:

ТЕПЛООБМЕН, ТЕПЛОПЕРЕДАЧА, ТЕПЛООТДАЧА, КОНДЕНСАЦИЯ.

Объектом исследования является установка, используемая для конденсации паров метилового спирта.

Цель работы – рассчитать и подобрать теплообменники для конденсации паров метилового спирта.

В результате проведенной работы рассчитаны и подобраны: конденсатор – одноходовой кожухотрубчатый теплообменник с поверхностью 9 м² и кипятильник для получения паров с поверхностью 61 м² .

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент научно-технологической политики и образования

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Красноярский государственный аграрный университет»

Институт агробизнеса пищевой и перерабатывающей промышленности

Кафедра технологии

Пищевых производств

ЗАДАНИЕ

По курсовому проектированию

Студентка Жукова Юлия Сергеевна группа 51(озо)

Тема: Проект установки для получения паров метилового

спирта производительностью 2,7 кг/с

Исходные данные: В подогревателе метиловый спирт нагревается от t_н=20⁰C до t_кип. В кипятильнике образуются пары метилового спирта, обогрев ведётся водяным паром Р_абс=2,5_атм.

Содержание пояснительной записки:

Введение, физико-химические свойства исходного сырья и готового продукта, описание технологической схемы и принципа работы основного оборудования, технологические расчеты (материальный и тепловой балансы), расчет и подбор основного и вспомогательного оборудования по ГОСТу, заключение, библиографический список.

Графическая часть:

Схема установки, чертеж основного аппарата

Задание выдано_________________________________

Срок защиты____________________________________

Подпись преподавателя___________________________

Содержание

с.

Введение ………………………………………………………………………

1 Физико-химические свойства исходного сырья

и готового продукта…………………………………………………………

2 Описание технологической схемы и принципа

работы теплообменного аппарата………………………………………….

3 Технологические расчеты…………………………………………………..

3.1 Расчет конденсатора паров метилового спирта…………………………

3.2 Расчет кипятильника для получения паров

Метилового спирта………………………………………………………..

3.3 Расчет диаметров трубопроводов………………………………………

Заключение……………………………………………………………………...

Библиографический список……………………………………………………

.

1 Физико-химические свойства исходного сырья

и готового продукта.

Метиловый спирт (метанол)- СН3-ОН является простейшим представителем предельных атомных спиртов. В свободном состоянии в природе встречается редко и в очень небольших количествах. При обычном условии это бесцветная, легколетучая, горючая жидкость. Является сильным ядом, вызывает потерю зрения, и в зависимости от дозы, смерть.

ρ₂=751кг/м³-плотность метилового спирта

λ₂=0,2Вт/м*К-теплопроводность метилового спирта

μ₂=0,336*10^-3Па*с-динамическая вязкость

δ₂=18,9*10^-3н/м-поверхностное натяжение спирта

Метанол способен хорошо растворять большинство известных газов и паров. Так, растворимость гелия, неона, аргона, кислорода в метаноле при стандартных условиях выше, чем растворимость их в ацетоне, бензоле, этиловом спирте. Растворимость всех этих газов при разбовлении метанола водой уменьшается. Высокой растворимостью газов широко пользуются в промышленной практике, применяя метанол и его растворы в качестве поглатителя для извлечения примесей из технологических газов.

2 Описание технологической схемы и принципа

работы теплообменного аппарата

Метиловый спирт поступает в приемную емкость, из нее по трубопроводу насосом подается в теплообменник типа ТК. Метиловый спирт нагревается в трубах, а греющии пар конденсируется в межтрубном пространстве. Далее спирт по трубопроводу подается в кипятильник для получения паров метилового спирта. Метиловый спирт кипит в трубах, а греющии пар конденсируется в межтрубном пространстве и удаляется через конденсатор в котельную для рекуперации. А пары метилового спирта подаются на дальнеишую стадию производства.

В качестве основного оборудования в процессе используются поверхностные теплообменники, представляющие собой наиболее значительную и важную группу теплообменных аппаратов. В данной конструкции теплоносители разделены стенкой. Если поверхность теплообмена формируется из труб, то такие теплообменники называются трубчатые.

Кожухотрубчатые теплообменники. Они достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе. На рисунке 1 показан вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками 2, в которых закрепляются трубы 3. К кожуху 1 с помощью болтов 6 и прокладок 7 крепятся крышка 4 и днище 5. Один из теплоносителей I -протекает по трубам, другой II-по межтрубному пространству.

В тех случаях, когда скорость движения теплоносителя невелика и, следовательно, низки коэффициенты теплоотдачи, целесообразно использовать многоходовые теплообменники.

В многоходовом по трубному пространству теплообменнике (рис. 2) с помощью поперечных перегородок, установленных в крышках теплообменников, трубный пучок разделен на секции, или ходы, по которым последовательно движется теплоноситель. При этом число труб в каждой секции обычно примерно одинаковое.

Очевидно, что в таких теплообменниках при одном и том же расходе теплоносителя скорость его движения по трубам увеличивается кратно числу ходов.

3 Технологические расчеты

3.1 Расчет конденсатора паров метилового спирта

Принимаем индекс «1» для паров метилового спирта, индекс «2» для воды. Составляем температурную схему процесса.

Температурная схема процесса:

126,2 – 126,2

20 – 64,7

Δt_б=106,2; Δt_м =61,5.

Так как отношение Δt_б/Δt_м = 106,2/61,5 = 1,726 меньше 2, среднюю разность температур теплоносителей рассчитываем по формуле:

Δt_ср = 83,8°С. (1)

Средняя температура спирта равна

t₂= t₁- Dt_ср= 126,2 – 83,8 = 42,4°С.

Объём расхода спирта

V₂=G₂/ρ_2;

ρ₂=772кг/м³- плотность метилового спирта при t₂=42,4⁰С

V₂= 3,5*10^-3м³/с

Расход теплоты на нагревание метилового спирта:

Q = G₂∙С₂(t_2k-t_2н), (2)

где С₂ =2560Дж/кг к - теплоёмкость спирта

Q = 2,7*2560*(64,7-20)= 308966 Вт

Расход сухого греющего пара с учетом 5% потерь теплоты:

G_{1 =} , (3)

G₁ = кг/с.

Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося пара органической жидкости к воде К_мин = 300 Вт/м²∙К. При этом

F_max = = м². (4)

Для обеспечения турбулентного течения воды при Re > 10000 скорость в трубах должна быть больше ω₂`

ω₂` = , (5)

где μ₂ = 0,42∙10^-3 Па∙с – динамический коэффициент вязкости воды

при Δt_ср 42,4°С;

м/c.

Число труб диаметром обеспечивающих объемный расход метилового спирта при Re > 10000

n’ = , (6)

n’ = .

Условию n < 40,4 и F < 12,3 м² удовлетворяет одноходовому теплообменнику Д=273мм с числом труб 37.

Расчет коэффициента теплоотдачи для спирта α₂

α₂₌

α₂=0б21Вт/м*к - теплопроводность спирта

Критерий Рейнольдса

Re_{2 =} 10000∙(n’/n) = 10000∙(40,4/37) = 10920.

(7)

Критерий Прандтля

Pr₂ = с₂∙μ₂/λ₂ = 2560∙0,42∙10^-3/0,21 = 5,12 (8)

где λ₂ = 0,21 Вт/м∙К

С₂=2560 Дж/кг*к

μ₂ = 0,42^-3 Па ∙с

Критерий Нуссельта

Nu₂ = 0,021∙Re₂^0,8∙Pr₂ ^0,43∙(Pr₂/Pr_ст.2)^0,25*E_l. (9)

Отношение (Pr₂/Pr_ст.2)^0.25 для нагревающейся жидкости принимаем равным 1.

E_l=1 – поправочный коэффициент при l/d>50

Nu₂ = 0,021∙10920^0,8∙5,12^0,43∙1*1 = 71.4

Коэффициент теплоотдачи a₂ равен

α₂ = 71,4∙0,21/0,021 = 714 Вт/м²∙К. (10)

Коэффициент теплоотдачи a₁ греющего пара метилового спирта на пучке горизонтальных труб рассчитывается по формуле

α₁ = , (11)

где В_t = 1085 – температурный множитель

ε = 0,6 – коэффициент, зависящий от расположения труб в пучке и числа рядов по вертикали;

ε_t = 0,6 – коэффициент зависящий от содержания воздуха в паре

g = 9,8.

α₁ = (12)

L=3м – заданная длина труб

α₁=4970*3^1/3=7142 Вт/м²∙К.\

Коэффициент теплопередачи равен

= Вт/м²∙К (13)

∑_{r ст} = термическое сопротивления стенки и загрязнений

∑_{r ст}=r_заг1+δ_ст/λ_ст+r_заг2

r_заг1=1/5800 м²*к/Вт – термическое сопротивление загрязнений со стороны пара

γ_заг2=1/5800 м²*к/Вт – термическое сопротивление загрязнений со стороны метилового спирта

δ_ст=2мм – толщина стенки

λ_ст=46,5Ит/м*к – теплопроводность стенки

∑_{r ст}= + =3,87*10^-4м²*к/Вт

Расчетная площадь поверхности теплообмена

F_р = = м² (14)

Устанавливаем одноходовый кожухотрубчатый теплообменник. Диаметр кожуха 273 мм, число труб на один ход трубного пространства n = 37, длина трубы l = 3 м, поверхность теплообьеника 9м², число ходов 1. Так как Δt_ср=83,8⁰С>(t_k-t)_max=40⁰C то устанавливаем аппарат типа ТК с линзовым комплексатором.

3.2Расчет кипятильника для образования паров метилового спирта.

G=2,7 кг/c

t_н=t_кип=64,7^оС

P _гп = 2,5ат

Принимаем теплообменник типа ИН или ИК с диаметром трубопровода 25*2 мм. Метиловый спирт кипит в трубном пространстве, а греющий пар конденсируется в межтрубном пространстве. Примем индекс 1 для греющего пара, а индекс 2 для кипящего метилового спирта.

Параметры греющего пара

t_гп=126,2⁰С

R=2189кДж/кг к

P _гп = 2,5ат

Количество теплоты необходимое для процесса кипения метилового спирта

Q₂=G₂*r₂ (15)

r₂=1110 кДж/кг-теплота парообразования метилового спирта при температуре t_кип=64,7⁰С

Q₂=2,7*1110*10³=3*10⁶Вт

Средняя разность температур теплоносителей

Δt=t₁-t₂=126,2-64,7=61,5⁰C

Ориентировочная поверхность теплообмена кипятильника

F_ор = (16)

K_min=300Вт/м² к- минимальный коэффициент теплопередачи

F_ор =

По поверхности выбираем кипятильник с длиной трубы H=3м

Коэффициент теплоотдачи для конденсирующего греющего водяного пара

(17)

Физические свойства конденсата при ρ_гп=2,5кгс/см²

λ₁=0,686Вт/м*К - теплопроводность

ρ₁=940кг/м³- плотность

r₁=2189кДж/кг-теплота конденсации

μ₁=221*10^-6Па*с -динамическая вязкость

Коэффициент теплопередачи для кипящего метилового спирта

b- поправочный коэффициент

b=0,075[1+10(ρ₂/ρ_п-1)^-2/3] (18)

Физические свойства пара и конденсата метилового спирта при t=64.7⁰C

ρ₂=751кг/м³-плотность метилового спирта

λ₂=0,2Вт/м*К-теплопроводность метилового спирта

μ₂=0,336*10^-3Па*с-динамическая вязкость

δ₂=18,9*10^-3н/м-поверхностное натяжение спирта

Плотность паров метилового спирта

Ρ_п = * * (19)

М=32,04кг/кмоль-молекулярная масса метилового спирта

Ρ_п = * * =1,12кг/м³

Поправочный коэффициент

b=0,075[1+10( -1)^-2/3]=0,076

Коэффициент теплопередачи

К= (20)

∑r_ст-сумма термических сопротивлении стенки и загрязнении

∑r_ст=r_заг1+ +γ_заг2 (21)

γ_заг1= м²*К/Вт-термическое сопротивление загрязнений со стороны метилового спирта

γ_заг2= м²*К/Вт- термическое сопротивление загрязнений со стороны водяного пара

δ_ст=2мм-толщина стенки

λ_ст=46,5Вт/м*К-теплопроводностьстенки

∑r_ст= + + =3,87*10^-4м²*К/Вт

К=

К=

Удельная теплота нагрузки

G=k*Δt= (22)

Отсюда: 0,39*10^-5*q^1.33+3,87*10^-4*q+0,48*q^0.33-61,5=0

При y=0 находим q=0.77*10⁵Вт

Тогда коэффициент теплопередачи

К= (23)

Расчетная площадь поверхности теплообмена

F= (24)

К установке принимаем аппарат

Диаметр кожуха-600мм

Длина труб-3м

Число труб-261

Диаметр труб-25*2мм

Поверхность теплообмена-61м²

Запас поверхности теплообмена

Так как Δt=61,5>(t_т-t)_max=40, то устанавливаем аппарат марки ИК с линзовым компенсатором

Расход сухого греющего пара на кипятильник с учетом 5% потерь теплоты

G ₌ = =1,37кг/с

3.3 Определение диаметров трубопроводов

Диаметр трубопровода d, м

(25)

где G=0,15 − массовый расход потока, кг/с;

ω=25 − средняя скорость потока, м/с;

ρ=1,36 – плотность потока, кг/м³.

м. (26)

Принимаем d_ст=89*6мм

Выход конденсата

G=0.15 кг/c

W=1м/c

P= 1.36кг/м³

м. (27)

Принимаем d_ст=16*2 мм

Вход метилового спирта

G=2,7 кг/c

W=1,5м/c

P= 772кг/м³

м (28)

Принимаем d_ст=70*3,5мм

Выход метилового спирта

G=2,7 кг/c

W=1м/c

P= 772кг/м³

м. (29)

Принимаем d_ст=76*4 мм

ω − скорость потока, м/с;

ρ – плотность потока, кг/м³.

Вход греющего пара

G=1,37 кг/с;

ω=25 м/с- скорость пара;

ρ=1,36 кг/м³-плотность пара.

м

Принимаем d_ст=245*7мм

Выход конденсата

G=1,37 кг/с;

ω=1 м/с- скорость конденсата;

ρ=1000 кг/м³-плотность конденсата.

Принимаем d_ст=48*3мм

Вход метилового спирта

G=2,7 кг/с;

ω=1 м/с- скорость потока;

ρ=772 кг/м³-плотность спирта.

Принимаем d_ст=76*4мм

Выход паров метилового спирта

G=2,7 кг/с;

ω=40м/с (табл. 1,1)

ρ=1,12 кг/м³-плотность паров спирта.

Принимаем d_ст=325*7мм

Библиографический список

1) Т.В. Борисова, В.Г. Зологина, Б.Д. Левин «Основные свойства пищевого сырья, полуфабрикатов и продуктов» (справочное пособие) К.2008г.

2)Л.И. Ченцова, М.Н. Шайхутдинова, Т.В. Борисова «Процессы и аппараты пищевых производств» (учебное пособие) К.2006г

3)К.Ф. Павлов и др. «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии» Л. 1987г.