PROIECTPROIECTAREA TEHNOLOGICA A UNUI SCHIMBATOR DE CALDURA SI A UNEI COLOANE DE RECTIFICARE CU TALERE

STUDENT: Andra Camelia VARBAN ANUL IIIUniversitatea POLITEHNICA din Bucureti Facultatea de Chimie Aplicat i tiina Materialelor11.Dimensionarea unui schimbtor de cldurUn schimbtor de cldur este un echipament de transfer termic, care transmite cldura de la un mediu la altul. Transmiterea cldurii ntre cele dou medii se poate face printr-un perete solid, care le separ, sau se poate face prin amestecarea mediilor. Schimbtoarele de cldur se folosesc n procese de nclzire, topire, sublimare, fierbere, vaporizare, condensare, rcire i solidificare. Ele i gsesc o larg aplicabilitate n instalaiile de nclzire, refrigerare, climatizare, distilare (n industria chimic i petrochimic), n centralele termice, termoficare i ca anexe ale mainilor termice. Un exemplu foarte cunoscut este radiatorul autovehiculelor, unde fluidul cald (apa de rcire a motorului) transfer o parte din cldura evacuat din motor unui fluid rece (aerul din mediul ambiant).

A. Predimensionarea schimb torului de c ldur tubular S se dimensioneze un schimbtor de cldura multitubular pentru nclzirea unui amestecformat dinalcool etilici apdelatemperarade20Clatemperaturade fierbere a acestuia, tiind c:-amestecul supus inclzirii: alcool etilic ap-compoziia alimentrii (exprimat n fracie molar component uor volatil): xF = 0,362-debitul de alimentare: A= 12800-secvena de operare ( )funcioneaz 8000 h / an-schimbtorul de cldur multitubular prezint poziionare vertical cu pn la dou treceri-agentul termic primar este abur tehnologic aflat la cldura latent( r ) de 2248 10 J/ kg corespunztoare presiunii de 1,2 atmosfere tehnice.-schimbtorul de cldur va aduce amestecul (alcool etilic-apa) la temperatura de fierbere.-temperatura iniial a amestecului este de 20CDate de echilibru lichid-vaporiX y t (oC)0 0 1000.019 0.17 95.50.072 0.389 890.097 0.438 86.70.124 0.47 85.30.166 0.509 84.10.234 0.545 82.70.261 0.558 82.30.327 0.583 81.50.397 0.612 80.70.508 0.656 79.80.52 0.66 79.70.573 0.684 79.30.676 0.739 78.740.747 0.782 78.243y =-18.513x +90.3550204060801001200 0.2 0.4 0.6 0.8 1t =f (y)t =f (x)Linear (t =f (x)) 2. PROPRIETIFIZICE ALE COMPONENILOR AMESTECULUI2.1 Proprieti fizice pentru componenii puri. Dependena de temperatura.Densitate: etanol = 804.686 - 0.673*t - 2.127*10-3*t2 etanol = 761,2368 kg/m3Vscozitate: etanol = (17.358 - 0.282*t + 1.439*10-3*t2)*10-4

etanol = 0,000623 kg/m*sCldura specific: Cp pt etanol = 2236 + 12.7*tCp, etanol = 3315,5 J/kg*grdConductivitate termic: etanol = 0.171 - 9.342*10-4*t etanol = 0,119619 W/m*grdApa4Densitate: apa=1001-0,107*t-3,097*10-3*t2apa = 985,746575 kg/m3

Vozitate: apa = (1.746 - 0.046*t + 5.666*10-4*t2 - 2.521*10-6*t3)*10-3 apa = 0,000510534Cldura specific: Cp pt apa = 4225 - 0.0998*t + 0.01*t2Cp, apa = 4144,267Conductivitate termic: apa = 0.554 + 2.358*10-3*t - 1.04*10-5*t2apa =0,65223 W/m*grdAmestec etanol-apaDensitate: amestec=1/wi /i = 1/((wF/etanol) + ((1 - wF)/apa))amestec = 839,6967278 kg/m3Vcozitate: amestec= 10^(xF*lgetanol + (1 - xF)* lgapa)amestec = 0,000548404 kg/m*sCldura specific: Cp, amestec =x*Cp, etanol + y*Cp, apaCp, amestec = 3776,267 J/kg*grdConductivitate termic: amestec = wF*etanol + (1-wF)*apaamestec = 0,46049004 W/m*grdCalculul temperaturii de iesire a amestecului din schimbtor Temperatura de fierbere a amestecului se poate afla prin dou moduri:-din diagrama de fierbere (t=f(x,y)-cu ajutorul ecuaiei AntoinetF,am = 80,90Calcul temperatur de fierbere cu ecua ia Antoine: p-presiunea de vapori [mmHg]tf [C] [C] PEt OH[mmHg] [mmHg] PH2 2O[mmHg] [mmHg] Pam[mmHg] [mmHg]580,9071 841,8935 367,7817 790,0013. DIMENSIONAREA TEHNOLOGIC A SCHIMBTORULUI DE CLDURDimensionarea tehnologic a unei aparaturi chimice presupune calculul acelei aparaturi. Astfel, calculul schimbtorului de cldur presupune rezolvarea unui bilan de materiale, a unui bilan termic i a determinrii ariei de transmitere a cldurii. Determinarea debitului de alimentare in coloan:n=6 Debitul de alimentare este:

F 8000 800n + : F=1.76*104 t/anCompoziia alimentrii: xF0.3 0.01n + :xF=0.36 Compozia distilatului: xD=0.75 Compoziia reziduului: xW=0.01 Starea termic de alimentare: q=16 Presiunile in coloan: pD=760 mmHg pF=790 mmHg pW=820 mmHgSecvena de separate: =8000 t/anCalcul bilan termicCalculul bilan ului termicesteimportant, deoarececuajutorul lui sepoate calcula debitul de abur necesar inc lzirii amestecului, i implicit aflarea dimensiunilor utilajuluiBilan termic:Se consider c pierderile de cldura sunt nule i atunci:t diferentadetemperaturedintretemperaturadeintrareaamestecului inschimbator si temperatura de iesirePentru a calcula bilan ul termic sunt necesare urm toarele date: debitul masic, temperatura de ieire a amestecului din schimb tor ( , c ldura specifica amestecului, i diferen a de temperatur . Calculm debitul masic de alimentare:GF 1000 3600 :G=0,44444 kg/ s7

y =-18.513x +90.3550204060801001200 0.2 0.4 0.6 0.8 1t =f (y)t =f (x)Linear (t =f (x)) Diagrama de fierbereDin diagram se observ c tfamestec = 85 CDeterminm temperatura medie a amestecului:tmtiamtfam+2:tm=40,47 0C Caldura de vaporizare la temperature de 105 0C are vavoarear=2248 *103 J/Kg, valare luata din proiectarea tehnologica a coloanei de rectificare cu talere.Calculm cantitatea de caldur:Q Gcpam t : Q= 117279,3564 W8Determinm debitul de abur:GaburGcpam t r:Gabur=0,052170532 kg/sPredimensionarea schimbtorului de cldur Se realizeaz pornind de la ecuaia de transfer termic:mt A K Q n care: Q este cantitatea de cldur transmis n unitatea de timp prin suprafaa A, n W (J/s; kcal/h);K coeficientul total de transfer de cldur, n W/m2grd (kcal/m2hgrd);tm diferena medie de temperatur, n CUtilizndu-se un schimbtor de cldur n contracurent, apa circul n contracurent cu amestecul de separat, iar diferena medie de temperatur se calculeaz cu relaia:tmt1t2lnt1t2

_

,:Se calculeaz diferena medie de temperatur:tabur=1050Ct1=tabur- tiamse consider circulaien contracurent 9 t1=85 0Ct2=tabur- tfam t2=15,12 0C Calculul coeficienilor pariali de transfer termicCalculul coeficienilor pariali de transfer termic presupune cunoatere anumitor proprieti fizico-chimice la temperatura medie de lucru, precum i a anumitor relaii criteriale.Vom calcula proprietaile amestecului:Densitate: amestec= 1/wi /i = 1/((wF/etanol) + ((1 - wF)/apa)) amestec =839,6967278 kg/m3Vscozitate: amestec= 10^(xF*lgetanol + (1 - xF)* lgapa) amestec = 0,000548 kg/m*sConductivitate termic: amestec = wF*etanol + (1-wF)*apaamestec = 0,46049004 W/m*grdStabilirea geometriei optime K-coeficientul total de transfer termic A-aria de transfer termic -fora motoare 10Pentru a putea dimensiona schimbtorul este necesar algoritmul urmtor:a) alegerea unui coeficient total de transfer termic din intervalul[500-2000] b) calcularea ariei necesare cu ajutorul formulei: c) n funcie de sealege din STAS o arie standard astfel nct , precumi dimensiunile schimbtorului STAS (diametrul evii, numarul evilor, gorsimea i lungimea evilor)d)secalculeazuncoeficient total detransfer termiccorespunztordatelor STAS e) se calculeaz aria schimbtorului de cldur cu formula: f) severificgeometriaoptimaschimbtorului dimensionat cuajutorul calcului erorii: K=1000 Anec = 5,57 mDin culegereade probleme Operaii i utilaje n industria chimicde autorii Octavian Floarea, Jinescu, Cornelia Balaban, Romulus Dima, de la pagina 207 din table s-au ales urmtoarele date STAS pentru dimensionarea schimbtorului de cldura:DATE STASNr.treceri 1A5.6n 13d(m) 0.02511di=d-2* (m) 0.021(m) 0.002L(m) 6Pentru a calcula coeficientul total de transfer termic este necesar aflarea coeficienilor pariali corespunztori fluidului care circula n evile schimbtorului, precum i coeficientul parial al aburului.Calcul coeficientului parial al amestecului supus nclzirii implic aflarea regimului decurgereal amestescului nevileschimbtorului. Pentruacest lucruse calculeaz criteriul Reynolds.-viteza amestecului-densitatea amestecului-diametrul interior al evii-vscozitatea amestecului-debitul volumetric al amesteculuin-numarul evilor-diametrul interior al evii-transformare debit masic in debit volumetric: EtOH = 761,2368 kg/mH2O =985,746575 kg/m am = 839,696727 kg/m12wam4 7.4 104 ( )n d2:wam=0,11760 m/sEtOH = 0,000623 kg/ ms H2O = 0,000510534 kg/ msam = 0,000548404 kg/ msPentrualegereaecuaiei criterialenecesarecalculrii coeficientului parial de transfer termic, se determin regimul de curgere. Acest lucru impune calculul criteriului Reynolds:Rewam am d am:Re=3781,68Criteriul Prandtl se calculeaz cu relaia:Prcpam amam:Pr= 4,497207cpam cldura specific (J/kggrd); am - vscozitatea amestecului (Ns/m2); am - conductivitatea termic (W/mgrd)Criteriul Nussel se calculeaz astfel:B1Re Pr d L:13B1= 137,584Nu 3.650.668B1( )1 0.045B10.66 ++

111]:Nu= 25,33796Pentru determinarea coeficientului parial de transfer termic folosim relaia: = 555,6133 W/m2grdPentru calculul coeficientului parial de transfer termic al agentului termic (abur tehnologic) care circul ntre evile schimbtorului este nevoie de aflarea regimului de curgere al fluidului. regim laminar regim turbulentH-lungimea evii, mt-temperatura vaporilor, C-temperatura peretelui evii, C (STAS) H(t-tp) = 37,5H(t-tp)cr = 40,275519r-cldura latent a aburului, -vscozitatea dinamic a aburului, 14Nu am( )d:-conductivitatea termic a condensatului, -densitatea condensatului, g-acceleraia gravitaional,

H(t-tp) = 37,5H(t-tp)cr = 40,275519 regim laminar

cond = 4869,55 W/m2grd- coeficientul partial de transfer termic, W/m2*grdg- acceleratia gravitationala, m/s2t- temperature vaporilor, 0Ctp- temperature peretelui, 0Cr- caldura latenta de vaporizare, J/kg- densitatea condensatorului, Kg/m3- conductivitatea condensatorului,W/m*grd- viscozitatea dinamica a condensatorului,Ns/m2Calculm coeficientul total de transfer termic cu relaia urmatoare:kcal c11am1co n d+46+: 15t grosimea peretelui evii, m;cond coeficientul parial de transfer termic al condensului, W/m2grdam - coeficientul parial de transfer termic al amestecului, W/m2grdkcalc= 488,126571 W/m2*grdVerificam aria necesara schimbtorului de cldur Acalc= 5,936 m2Eroarea admis este de maxim 10%= 6,005%n urma calculelor de mai sus s-a dimensionat schimbtorul de cldur multitubular cu aria de 5,936 m2 ,avnd 13 evi cu lungimea de 6 m, pentru a aduce la temperatura de fierbere amestecul format din alcool etilic i ap. Amestecul nclzit este alimentat ntr-o coloan de rectificare cu talere.AcalcQkcalc tm :ASTASAcalc( )ASTAS100 :16