Расчет теплообменника производства хлорбензола - стадия выделения товарного хлорбензола апп.труба в трубе

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова»
Химико-фармацевтический факультет
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»
Название
Расчет теплообменника производства хлорбензола - стадия выделения
товарного хлорбензола апп.труба в трубе
Выполнил:
студент группы Х-31-19
Саракеева Т.А.
.
________________________
(подпись)
«______» ___________ 2022 г.
Проверил
Глушков И.В.
_________________________
(подпись)
Чебоксары 2022
Химико-фармацевтический факультет ЧГУ им. И.Н. Ульянова. .
УТВЕРЖДАЮ
Декан химико- фармацевтического
факультета
_______________ О.Е.Насакин
« ___ » ____________ 20 22 г.
З А Д А Н И Е
на выполнение курсового проекта/работы
Дисциплина/МДК_____Процессы и аппараты химической технологии_________________
Тема курсового проекта/работы___Расчет теплообменника_производства хлорбензола - _ стадия
выделения товарного хлорбензола апп.труба в трубе _____________________________
__________________________________________________________________________________
Студент_____Саракеева Татьяна Андреевна____________________________группа__Х-31-19
_
(ФИО)
1. Техническое задание
 Выполнить расчет теплообменного аппарата поз. включающий себя: _

определение тепловой нагрузки;
 расчет массового и объемного расходов теплоносителей;
 определение средней разности температур;
 ориентировочный выбор аппарата;
 определение поверхности теплообменника;
2. Оформление курсового проекта
Пояснительная записка курсовой работе по ПАХТ на тему «Расчет теплообменника»
состоит из нескольких разделов. В теоретическом разделе описывается принцип работы
теплообменных аппаратов их конструкции (кожухотрубные, пластинчатые, АВО), описание
технологического процесса, где участвует данный аппарат. В технологическом разделе используя
материальный баланс производства, выполняется расчет теплового баланса аппарата,
определяется расходы теплоносителей, поверхность теплообмена, размеры аппарата.
При тепловых процессах тепло передается от более нагретого вещества к менее
нагретому. Вещества, участвующие в процессе теплообмена, называют теплоносителями. В
химической промышленности наиболее распространена передача тепла через стенку, при
котором теплоносители не смешиваются, каждый из них движется по отдельному каналу.
Наиболее распространены кожухотрубные и пластинчатые теплообменники и аппараты
воздушного охлаждения (АВО).
В заключение делаются выводы по результатам расчета.
Приводится список используемой литературы. Объем 10-12 листов.
Дата выдачи задания
«____» ____________20___ г
Срок сдачи законченной работы «____» ____________20___ г
Руководитель курсового проекта/работы:
Студент:
_____________/
Глушков И.В./
_____________/_ Саракеева Т.А./
Саракеева Т.А.
Глушков И.В.
Изм Лис
. т
№ докум. Подпис Дат
ь
а
КР 18.03.01 Х-31-19
Лист
ттттт
Содержание:
1. Введение
2. Химизм процесса
3.Описание технологического процесса
4. Материальный баланс
5. Расчет теплообменника производства хлорбензола – стадия
выделения товарного хлорбензола апп.труба в трубе
6. Вывод
7. Список использованной литературы
Саракеева Т.А.
Глушков И.В.
Изм Лис
. т
№ докум. Подпис Дат
ь
а
КР 18.03.01 Х-31-19
Лист
ттттт
1. Введение
Принцип работы теплообменных аппаратов
Теплообменный аппарат — это аппарат, в котором происходит обмен
температурами между горячим теплообменные аппараты классифицируют
на:
рекуперативные;
 регенеративные.
 контактные.
В оборудовании первого типа движущиеся навстречу друг другу среды
разделены перегородкой. К данному виду относится большинство аппаратов.
В регенераторах горячий и нагреваемый (холодный) теплоносители
контактируют с поверхностью по очереди.

Основное отличие между ними заключается в способе передачи тепловой
энергии от одной рабочей среды (теплоносителя) другой среде.
1. Рекуперацией называется процесс, при котором энергия, постоянно
присутствует
в
системе.
В
случае
с рекуперативными
теплообменными аппаратами это означает следующее: два
теплоносителя в одно и то же время двигаются сквозь
теплообменник, и тепло передаётся от теплоносителя к
теплоносителю через стенки труб, омываемых теплонесущими
средами одновременно с двух сторон. Таким образом, несмотря на
то, что в процессе один теплоноситель теряет тепло, а другой
нагревается, температура стенки труб остаётся в целом неизменной
(имеет место рекуперация).
2. Наличие труб, внутри которых проходит ток одного из
теплоносителей, в то время как другой омывает их снаружи,
является
определяющим
признаком
для
рекуперативного
теплообменника. В качестве наиболее простого примера можно
привести теплообменник типа «труба в трубе», более сложным по
устройству теплообменным аппаратом является кожухотрубный.
Саракеева Т.А.
Глушков И.В.
Изм Лис
. т
№ докум. Подпис Дат
ь
а
КР 18.03.01 Х-31-19
Лист
ттттт
Схема 1. Теплообменник типа «труба в трубе».
Схема 2. Кожухотрубный теплообменник.
3. В конструкции регенеративного теплообменника также, как и у
рекуперативного, могут присутствовать трубы – для подвода и
отвода
теплоносителей.
Но
определяющим
признаком
регенеративного теплообменного аппарата является наличие
механизма, ответственного за повторение цикла контакта «первый
теплоноситель >> насадка», «насадка >> второй теплоноситель». В
качестве примера можно привести регенеративный теплообменник
роторного типа, у которого насадка в виде нескольких секторов
гофрированной металлической ленты закреплена во вращающемся
барабане.
Саракеева Т.А.
Глушков И.В.
Изм Лис
. т
№ докум. Подпис Дат
ь
а
КР 18.03.01 Х-31-19
Лист
ттттт
Схема 3. Регенеративный теплообменник роторного типа.
4. Определяющим признаком устройства таких теплообменных
аппаратов является наличие отсека, в котором происходит контакт
теплонесущих сред. При этом, размер отсека должен быть
достаточно ощутимым, чтобы площадь контакта обеспечивала
необходимую эффективность теплопередачи. Наиболее простым
примером можно назвать контактный теплообменник типа жидкость
– газ или вода – воздух, в котором теплообмен (охлаждение или
подогрев) происходит без смешивания этих теплоносителей.
Схема 4. Простейший контактный теплообменник.
Саракеева Т.А.
Глушков И.В.
Изм Лис
. т
№ докум. Подпис Дат
ь
а
КР 18.03.01 Х-31-19
Лист
ттттт
2.Химизм процесса
Процесс получения хлорбензола основан на реакции жидкофазного
хлорирования бензола в присутствии хлорного железа
C6H6 + CI2   C6H5CI + HCI + 28,8  31,3 ккал/моль
Побочная реакция
C6H5CI + CI2  C6H4CI2 + HCI + 28,0 ккал/моль
Хлорное железо образуется в процессе реакции из металлического железа
(металлические кольца Рашига)
2Fe + 3CI2  2FeCI3
Степень конверсии хлора – 100 %, бензола – 26,8 %.
Выход хлорбензола – 96,8 %; выход полихлоридов – 3,2 %.
Продукты синтеза: бензол, хлорбензол, дихлорбензолы разделяют
методом ректификации. Бензол возвращается на стадию синтеза.
Хлористый водород, выделившийся в результате реакции, направляется на
очистку хлорбензолом и фенилтрихлорсиланом, а затем на утилизацию в
корпус 609Е в производство смеси ТХС-ЧХК.
Саракеева Т.А.
Глушков И.В.
Изм Лис
. т
№ докум. Подпис Дат
ь
а
КР 18.03.01 Х-31-19
Лист
ттттт
3.Описание технологического процесса
Рис.1. Мнемосхема стадии выделения товарного хлорбензола
4.11 Нейтрализация кислого хлорбензола в кубе – кипятильнике
поз. Е 060,
схема 7
Нейтрализация кислого хлорбензола раствором едкого натра
производится в выносном кубе-кипятильнике поз. Е 060, вместимостью 25
м3.
В результате реакции нейтрализации кислые примеси (хлорсилоксаны)
переходят в кремнийорганический гель.
SinClm + (2n + m) NaOH  n Na SiO3 + mNaCl + (n + 0,5m) H2O
В куб – кипятильник поз. Е 060 загружаются расчетные количества
следующих компонентов:
- кислый хлорбензол из емкости поз. Е 2701,2 насосом поз. Е 2711,2;
- вода;
- раствор едкого натра с массовой долей 44 % из емкости поз. Е 2141,2
насосом поз. Н 2121-3 (производство ФТХС).
Саракеева Т.А.
Глушков И.В.
Изм Лис
. т
№ докум. Подпис Дат
ь
а
КР 18.03.01 Х-31-19
Лист
ттттт
Наименова Относит
ние
ельная
молекул
ярная
масса
Массо Масса, кг
вая
Техн.
доля, В
пересчет
%
е на
массову
ю долю
100%
1.Кислый хлорбензол
100
10000,
из поз. Е 2701,2, в т.ч.
0
- бензол
78,11
2
200,0
112,56 97,76
9776,0
хлорбензо
0
л
147,01
0,1
10,0
дихлорбен
зол
0,14
14,0
хлорсилокс
аны
2. Вода
28
100
9545,4
5
3. Раствор едкого
натра, в т.ч.
100
454,55
Количе Плотно
ство
сть,
веществ
кг/м3
а, кмоль
Объе
м3
1105,8
9,04
2,56
86,85
0,068
340,9
- NaОН
40
44
200,0
5,0
- вода
28
56
254,55
9,09
1000,0
9,54
1472
0,31
Уровень в кубе – кипятильнике поз. Е 060 контролируется (к.т. 119*).
Максимальный уровень 1780 мм сигнализируется.
Показатель активности ионов водорода в кубе – кипятильнике поз. Е 060
после реакции нейтрализации 10 – 12 рН (к.т. 112К).
4.12 Фракционное разделение азеотропа на колонне поз. К 061,
схема 7
Азеотроп хлорбензол-вода, полученный в результате реакции
нейтрализации кислого хлорбензола в кубе – кипятильнике поз. Е 060,
подвергают ректификации в колонне поз. К 061. Колонна поз. К 061
представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат высотой 16500
мм, диаметром 1000 мм, снабженный 40 тарелками струйно-направленного
типа.
Куб-кипятильник поз. Е 060 снабжен теплообменником, в который
подается пар с давлением не более 0,95 МПа.
Саракеева Т.А.
Глушков И.В.
Изм Лис
. т
№ докум. Подпис Дат
ь
а
КР 18.03.01 Х-31-19
Лист
ттттт
Технологический режим колонны поз. К 061:
 расход пара в поз. Е 060 500 – 1600 кг/ч (к.т. 121*);
 температура в поз. Е 060 не более 170 0С (к.т. 120*);
 температура в нижней части колонны не более 112 0С (к.т. 124*);
 температура в средней части колонны не более 112 0С (к.т. 125*);
 температуре в верхней части колонны не более 92 0С (к.т. 126*);
 перепад давления 0,005-0,020 МПа (к.т. 127*) автоматически регулируется
подачей пара с давлением не более 0,95 МПа на обогрев кубакипятильника поз. Е 060;
 давление в нижней части не более 0,07 МПа (к.т. 128*).
Выполнена световая, звуковая сигнализация:
- максимальной температуры 170 0С в поз. Е 060;
- максимальной температуры в верхней части 92 0С колонны поз. К 061;
- максимальной температуры в нижней части 112 0С колонны поз. К061;
- максимального перепада давления 0,02 МПа в колонне поз. К 061.
Пары хлорбензола из верхней части колонны поступают на
конденсацию в теплообменник – дефлегматор поз. Т 062, стальной,
охлаждаемый оборотной водой. Температура на линии слива конденсата
после теплообменника поз. Т 062 контролируется и автоматически
регулируется расходом оборотной воды в теплообменник (к.т. 132*).
Часть конденсата в виде флегмы с расходом 2,0 – 6,0 м3/ч (к.т. 129*) и
температурой не более 70 0С (к.т. 130*) возвращается на орошение колонны.
Расход флегмы автоматически регулируется.
Другая часть в виде дистиллята при отборе первой фракции
направляется на отстаивание в приемную емкость поз. Е 063, вместимостью
6,3 м3.
При массовой доле бензола не более 0,07 % и хлорбензола не менее 99,7 % в
дистилляте начинается отбор целевой фракции хлорбензола (к.т. 131).
Целевая фракция направляется на отстаивание в приемную емкость поз. Е
0641,2, вместимостью 10 м3.
4.13 Разделение слоев, схема 7
Первая фракция (хлорбензол, бензол, вода) отстаивается в емкости
поз. Е 063 в течение 1,5 – 2х часов при температуре не более 10 0С, затем с
расходом не более 1 м3/ч направляется во флорентин поз. Ф 065,
вместимостью 4 м3. Температура не более 10 0С в поз. Е 063 (к.т. 133*),в поз.
Ф 065 (к.т. 135*) поддерживается подачей рассола 0 0С в рубашки аппаратов,
максимальная температура сигнализируется.
Саракеева Т.А.
Глушков И.В.
Изм Лис
. т
№ докум. Подпис Дат
ь
а
КР 18.03.01 Х-31-19
Лист
ттттт
Верхний водный слой из флорентина поз. Ф 065 по линии перелива
направляется в куб-кипятильник поз. Е 060 на создание азеотропа. Нижний
органический слой (хлорбензол, бензол) из флорентина поз. Ф 065
направляется в емкость поз. Е 066, вместимостью 6,3 м3.
При массовой доле воды не более 0,03 % (к.т. 137) органический слой из поз.
Е 066 с расходом не более 0,6 м3/ч (к.т. 138*) направляется на стадию синтеза
ФТХС в поз. Е 3151,2, при массовой доле воды более 0,03 % возвращается в
поз. Е 060.
Уровень в емкостях поз. Е 063, Е 066 контролируется (к.т. 134*, 136*),
максимальный уровень сигнализируется.
Вторая фракция отстаивается в емкости поз. Е 0641,2 в течение 1,5 – 2х
часов при температуре не более 100С, затем с расходом не более 1 м3/ч
направляется во флорентин
поз. Ф 067, вместимостью 4 м3.
Температура не более 10 0С в поз. Е 0641,2 (к.т. 140*) и поз. Ф 067 (к.т.
141*) поддерживается подачей рассола 0 0С в рубашки аппаратов,
максимальная температура сигнализируется.
Верхний водный слой из флорентина поз. Ф 067 по линии перелива
направляется в куб-кипятильник поз. Е 060 на создание азеотропа. Нижний
органический слой (хлорбензол) направляется в емкость поз. Е 068,
вместимостью 16 м3.
Уровень в емкостях поз. Е 0641,2, Е 068 контролируется (к.т. 139*,
142*), максимальный уровень сигнализируется.
Качество хлорбензола в емкости поз. Е 068 на соответствие ГОСТ 64684 контролируется (к.т. 143).
При соответствии ГОСТ 646-84 хлорбензол из емкости поз. Е 068
направляется на хранение в емкость поз. Е 242 корпуса 609 И или
направляется в автоконтейнер для отправки потребителю.
Заполнение автоконтейнера и отсечка подачи продукта в
автоконтейнер выполнены по уровню в емкости поз. Е 068. Выполнена
световая сигнализация крайних положений клапана.
Качество хлорбензола в автоконтейнере на соответствие ГОСТ 646-84
контролируется (к.т. 144).
Предусмотрено хлорбензол автоконтейнером отправлять в корпус №
730 на розлив в бочки.
Предусмотрен возврат хлорбензола из емкости поз. Е 068 самотеком в кубкипятильник поз. Е 060
Саракеева Т.А.
Глушков И.В.
Изм Лис
. т
№ докум. Подпис Дат
ь
а
КР 18.03.01 Х-31-19
Лист
ттттт
4.Материальный баланс
Приход
Наименование
кг/т
кг/опер.
% масс
1
2
3
4
Расход
Наименование
5
5.2.1 Нейтрализация и фракционное разделение кислого
хлорбензола на колонне поз. К 061
1. Дистиллят
4. Первая
колонны
1215,24 10000,0 100,00 фракция в т.ч.:
поз. К 022 в
3
0
0
т.ч.:
-хлорбензол
1188,02 9776,00 97,760 -бензол
1
1,215
10,00
0,100 -хлорбензол
дихлорбензол
1,701
14,00
0,140 -вода
хлорсилоксан
ы
-бензол
24,305
200,00
2,000 5. Вторая
фракция в т.ч.:
-бензол
2. Раствор
55,238 454,545 100,00 -хлорбензол
NaOH в т.ч.:
0
-вода
30,933 254,545 56,000 -дихлорбензол
-NaOH
24,305 200,000 44,000 -вода
3. Вода
1160,00
5
9545,45
5
100,00 6. Кубовый
0 остаток в поз.
060, в т.ч.:
-гель
20000,0
0
243,0
49
2000,
000
24,18
3
182,2
86
36,57
9
199,0
00
1500,
000
301,0
00
1376,
62
0,124
1000,
565
0,124
375,8
02
11327
,903
1,020
8233,
460
1,020
3092,
404
100,0
00
0,009
72,68
3
0,009
27,29
9
810,8
10
2,430
100,0
00
0,300
100,0
00
-Na2SiO3
778,5
57
20,52
3
1,800
-NaCl
1,250
-дихлорбензол
-хлорбензол
1,091
5,158
7. Потери с
абгазами в т.ч.:
хлорбензол
8. Потери при
промывке
оборудования
(хлорбензол)
Итого:
0,008
0,004
0,033
2430,
486
20000
,000
-NaOH
2430,48
6
6
кг/опе
р.
7
6671,
998
20,00
0
6406,
596
168,8
83
14,81
2
10,28
6
8,980
42,44
1
0,066
-вода
Итого:
кг/т
Саракеева Т.А.
Глушков И.В.
Изм Лис
. т
№ докум. Подпис Дат
ь
а
КР 18.03.01 Х-31-19
%
масс
8
Приме
ча-ние
9
100,0 В
00 емкос
ть
поз. Е
9,950 063
75,00
0
15,05
0
В
емкос
ть
поз. Е
0641,2
96,02
2
2,531
0,222
0,154
0,135
0,636
100,0
00
Лист
ттттт
5.Расчёт теплообменника производства хлорбензола – стадия выделения
товарного хлорбензола
Исходные данные для расчета:
Mассовый расход хлорбензола 𝐺 1 = 500 кг⁄ч ;
начальная температура смеси 𝑡н = 91℃ ;
конечная температура смеси 𝑡к = 40℃ ;
Сначала рассчитываем массовый расход смеси из пропорции (смесь состоит
из хлорбензола 76% и воды 24% ) :
500 кг⁄ч − 76%
𝑥
− 100%
100% × 500 кг⁄ч
𝑥=
= 658 кг⁄ч − массовый расход смеси
76%
По справочнику находим значение удельной теплоемкости хлорбензола
при 90°С Схб = 1541 Дж⁄(кг ∗ К).
Определяем тепловую нагрузку по формуле:
𝑄 = 𝑄1 + 𝑄2 = 51712878 Дж + 527926560 Дж = 579639438 Дж
579639438
𝑄=
= 161010.955 Вт
3600
𝑄 = 161010.955 Вт × 1.2 = 193213.146 Вт
Q1- теплота, расходующаяся на нагрев или охлаждение продукта, Дж;
𝑄1 = 𝐺1 × 𝐶1 × (𝑡кон − 𝑡нач ) = 658 кг⁄ч × 1541 Дж⁄(кг ∗ К) × (91 − 40)℃
= 51712878 Дж
G1 – массовый расход хлорбензола, кг/ч;
С1 – удельная теплоемкость , Дж⁄кг × К – количество теплоты необходимое
для нагревания (охлаждения) одного кг вещества на 1 К.
𝑄2 = 𝐺1 × 𝑟испар.смеси = 658 кг⁄ч × 802320 Дж/кг = 527926560 Дж
Q2 – теплота необходимая на испарение или конденсацию, Дж;
rисп – удельная теплота парообразования или конденсации, Дж/кг
Находим удельную теплоту парообразования смеси( удельные теплоты
парообразования хлорбензола и воды берем из справочника 𝑟испар.хб =
342000 Дж⁄кг , 𝑟испар.воды = 2260000 Дж⁄кг ):
Саракеева Т.А.
Глушков И.В.
Изм Лис
. т
№ докум. Подпис Дат
ь
а
КР 18.03.01 Х-31-19
Лист
ттттт
Дж
Дж
+ 0.24 × 2260000
) = 802320 Дж/кг
кг
кг
Среднюю разность температур находим по графику и формуле:
𝑟испар.смеси = (0.76 × 342000
∆𝑡ср =
∆𝑡𝑚𝑎𝑥 − ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 71 − 10
=
= 31.12К
∆𝑡𝑚𝑎𝑥
71
ln
ln
10
∆𝑡𝑚𝑖𝑛
Поверхность теплообмена рассчитываем по уравнению:
𝑄
193213.146 Вт
𝐹=
=
= 26.99 м2
Вт
𝐾 × ∆𝑡ср 230 ⁄ 2
(м × К) × 31,12℃
Q- количество переданной теплоты, Вт
K- коэффициент теплопередачи, Вт⁄ 2
м ×К
∆𝑡ср – средняя разность температур, К
Коэффициент теплопередачи берем из справочника К=230Вт⁄ 2
м ×К
Коэффициент теплопередачи рассчитываем по формуле или находим по
справочнику:
𝐾=
1
1
𝛿
1
+ ∑ ст +
𝛼
𝜆ст 𝛼2
𝛼1 и 𝛼2 - коэффициенты теплоотдачи, Вт⁄м × К
𝛿𝑐т –толщина стенки, м
𝜆ст – теплопроводность стенки, Вт⁄ 2
м ×К
Находим массовый расход воды:
𝑄 = 𝐺𝐻2 𝑂 × 𝐶𝐻2 𝑂 × ∆𝑡𝐻2 𝑂 => 𝐺𝐻2 𝑂 =
= 13800.939кг = 13.8м3
𝑄
579639438Дж
=
𝐶𝐻2 𝑂 × ∆𝑡𝐻2 𝑂 4200 Дж × 10К
кг × К
Саракеева Т.А.
Глушков И.В.
Изм Лис
. т
№ докум. Подпис Дат
ь
а
КР 18.03.01 Х-31-19
Лист
ттттт
Q- количество переданной теплоты, Дж
𝐶𝐻2 𝑂 - удельная теплоемкость воды , которую взяли из справочника
4200 Дж⁄кг × К
∆𝑡𝐻2 𝑂 – средняя разность температур воды, К
6.Вывод
В проделанной курсовой работе мы выполнили расчет теплообменного
аппарата труба в трубе, который включает в себя: определение тепловой
нагрузки, расчет массового и объемного расходов теплоносителей,
Саракеева Т.А.
Глушков И.В.
Изм Лис
. т
№ докум. Подпис Дат
ь
а
КР 18.03.01 Х-31-19
Лист
ттттт
определение средней разности температур, ориентировочный
аппарата, определение поверхности теплообменника
выбор
7.Список использованной литературы
1. «ПОСТОЯННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РЕГЛАМЕНТ № 285-КО
ПРОИЗВОДСТВО ХЛОРБЕНЗОЛА ЦЕХ № 16»
Саракеева Т.А.
Глушков И.В.
Изм Лис
. т
№ докум. Подпис Дат
ь
а
КР 18.03.01 Х-31-19
Лист
ттттт
2. «Процессы и аппараты химической промышленности» Баранов Д.А. 2016
год.
3. «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической
технологии» Павлов К.Ф, Романков П.Г. , Носков А.А.
Саракеева Т.А.
Глушков И.В.
Изм Лис
. т
№ докум. Подпис Дат
ь
а
КР 18.03.01 Х-31-19
Лист
ттттт