Проектирование подогревателя исходной смеси

Содержание TOC \o "1-3" \h \z \u
Введение PAGEREF _Toc499376092 \h 41. Технологический расчет аппарата PAGEREF _Toc499376093 \h 71.1 Определение конечной температуры раствора PAGEREF _Toc499376094 \h 71.2 Предварительный расчет теплообменника PAGEREF _Toc499376095 \h 91.3 Расход греющего пара на теплобменник PAGEREF _Toc499376096 \h 111.4 Уточненный расчет поверхности теплопередачи PAGEREF _Toc499376097 \h 12Заключение PAGEREF _Toc499376098 \h 16Список использованной литературы PAGEREF _Toc499376099 \h 17
ВведениеТеплообменом называется самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел к менее нагретым.
Теплообменники - это устройства, в которых теплота переходит от одной среды к другой.
Теплообмен между теплоносителями является одним из наиболее важных и часто используемых в технике процессов.
Теплообменники в зависимости от конструкции подразделяют на кожухотрубные, пластинчатые, спиральные, оросительные и аппараты с рубашками.
По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены па рекуперативные, регенеративные и смесительные. Выделяются еще теплообменные устройства, в которых нагрев или охлаждение теплоносителя осуществляется за счет внутренних источников теплоты.
Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки, а если хоть одна из жидкостей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения. Примером таких аппаратов являются котлы, подогреватели, конденсаторы выпарные аппараты и др.
Тепловой расчет теплообменных аппаратов является основным необходимым элементом при проектировании теплообменных установок. От того, насколько корректно будет произведен этот расчет, будет зависеть эффективность его работы.
Многотрубный кожухотрубчатый теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическую камеру (кожух); таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством. Трубки ввальцованы в трубные решетки, ограничивающие камеру со всех сторон. К трубным решеткам крепятся распределительные коробки с патрубками для впуска рабочей жидкости, протекающей внутри трубок. Камера снабжена также патрубками для подвода и

отвода второго рабочего тела.

Рисунок 1 - Горизонтальный кожухотрубный теплообменник:
1-кожух; 2 - распределительная камера; 3-направляющая камера; 4- внутренние трубы; 5- трубные решетки; 6- перегородки; 7-уплотнения.
Трубки латунные, медные или стальные применяются диаметром от 10 мм и выше; трубки имеют большие диаметры при вязких или загрязненных жидкостях.
Для помещения в кожухе большей поверхности теплообмена и получения большего коэффициента теплоотдачи выгоднее применять трубки меньшего диаметра.
Трубные решетки могут быть наглухо приварены или приклёпаны к корпусу, одна из решеток может быть не соединена с камерой. В этом случае уплотнение достигается резиновым кольцом, зажимающим щель между корпусом и решеткой.
Кожух теплообменника обычно стальной, цилиндрический. Иногда для обеспечения свободы температурного расширения кожуха и трубок на кожухе устраивают компенсатор.
Аппараты должны обладать достаточной прочностью и иметь возможно малые габаритные размеры. При конструировании необходимо находить оптимальные решения, учитывающие требования обеспечения возможности разборки рабочей части аппарата и герметичности системы каналов, возможно высоких коэффициентов теплопередачи за счет повышения скорости движения рабочей среды при минимальных гидравлических потерях в аппарате.

Преимущества кожухотрубных теплообменников заключаются в компактности, невысоком расходе металла, легкости очистки труб изнутри.
Недостатки: сложность достижения высоких скоростей теплоносителей; за исключением многоходовых теплообменников, малая доступность межтрубного пространства для очистки и ремонта, сложность изготовления из материалов, не поддающихся развальцовке и сварке.
1. Технологический расчет аппарата1.1 Определение конечной температуры раствора
Необходимо определить конечную температуру нагреваемого раствора, равную температуре кипения раствора в выпарном аппарате.
Определяем температуру кипения раствора в выпарном аппарате.
Давление греющего пара: рг.п. = 350кПа.
По значению pг.п. находим по [5, табл.II-II] температуру греющего пара tг.п.→ tг.п.=138,9℃.
По давлению в конденсаторе рк=19кПа находим температуру в конденсаторе tk=59℃.
Температура вторичного пара t' в корпусе аппарата больше tk на величину гидравлической депрессии ∆''':
t'=tk+∆''' (1.1)
В среднем величина ∆''' принимается равной 1°С.
t'=59+1=60℃По температуре t' определяем давление pвт и теплоту образования rвт вторичного пара [5, табл.II-II]:
pвт=19,95 кПа; rвт=2357,7 кДж/кг.
Температура кипения раствора в сепараторе выпарного аппарата, при которой конечный раствор tкон выводится из аппарата определяется по формуле[7]:
tкон=1669,610,0888-lgp+lg⁡(a∙xкон2+b∙xкон+1)-228,4 (1.2)
где a=-3,9∙10-1; b=-24,1∙10-2, p – давление, Па.
tкон=1669,610,0888-lg19950+lg-3,9∙0,212+-24,1∙10-2∙0,21+1)-228,4=65,53℃Принимаем предварительно к дальнейшему расчету, что выпарной аппарат имеет длину труб 5000мм.
В зависимости от режима кипения раствора (пузырьковый и пленочный) определяют величину паронаполнения ε = 0,4…0,6. Плотность водного раствора ρ,

при температуре 65,53°С и соответствующей концентрации в выпарном аппарате определяем по формуле[7]:
lgρp=lgρв+(a0+a1∙tкип+a2∙tкип2)∙xкон (1.3)
где a0=3669,39∙10-4; a1=701,87∙10-6; a2=-398,19∙10-8.
Плотность воды можно рассчитываем по формуле:
ρв=1000-0,62∙tкип-0,00355∙tкип2 (1.4)
ρв=1000-0,62∙65,53-0,00355∙65,532=944,13 кг/м3lgρp=lg944,13+3669,39∙10-4+701,87∙10-6∙65,53+-398,19∙10-8∙65,532∙0,21==3,058Откуда ρp=103.058=1142,87 кг/м3.
Температурная депрессия ∆' равна разности температур кипения раствора и чистого растворителя и зависит от природы и концентрации растворенного вещества.
Давление в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) определяем по зависимости:
Pcp=PВП+ρ∙g∙H2∙(1-ε) (1.5)
Pcp=19950+1142,87∙9,81∙52∙1-0,4=36767 ПаЭтому давлению соответствует температура кипения и теплота парообразования растворителя [5, табл. II-II]:
Pcp=36767 Па; tcp=73,8℃; rcp=2323,5 кДж/кг.
Температурная депрессия определяется по уравнению:
∆'=1,62∙10-2∙(TB2rВП)∙∆'атм (1.6)
где Т – температура кипения чистого растворителя при давлении в аппарате, К;
rВП– теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг;
∆'атм - температурная депрессия при атмосферном давлении, К [приложение 4.5[4]; ∆'атм=1,27.
Таким образом,
∆'=1,62∙10-2∙73,8+27322323,5∙1,27=1,06℃Гидростатическую депрессию рассчитаем по формуле:
∆''=tcp-t' (1.7)
∆''=73,8-60=13,8℃Температуру кипения раствора уточняем с учетом температурной и гидростатической депрессии:
tкип=t'+∆'+∆''+∆'''=60+1,06+13,8+1=75,86℃≈76℃ (1.8)
1.2 Предварительный расчет теплообменника
Тепловая нагрузка подогревателя определяется по формуле:
Q=G∙c∙(tk-tH), (1.9)
где c – теплоемкость раствора, кДж/(кг∙К).
Теплоемкость раствора определяется по формуле [7]:
c=cB+(B1+B2∙xH+B3∙tcp+B4∙tcp2)∙xH , (1.10)
где B1=-5364,78; B2=5043,73; B3=13,45; B4=-24,10∙10-3;
cB - удельная теплоемкость воды, определяется по формуле:
cB=4223,6+2,476∙t∙lg⁡(t100) (1.11)
где t - температура воды, принимаем при средней температуре раствора в подогревателе.
t=20+762=48℃,
где начальную температуру раствора приняли tH=20℃.
cB=4223,6+2,476∙48∙lg48100=4185,72 Дж/(кг∙К)Тогда по формуле (1.11) теплоемкость будет равна:
c=4185,72+-5364,78+5043,73∙0,084+13,45∙48-24,10∙10-3∙48∙0,084==3820,23 Дж/(кг∙К)Таким образом,
Q=500003600∙3820,23∙76-20=2971290 ВтДля дальнейшего выполнения расчета требуются некоторые размеры аппарата – высота и диаметр трубок, их количество. Поэтому необходимо выбрать стандартный выпарной аппарат по ориентировочно определенной поверхности теплообмена:
F=QK∙∆t, (1.12)
где K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙К); ∆t - средний температурный напор.
В ориентировочном расчете поверхности теплообмена для Kmin и ∆t применяем приближенные значения.
Значение коэффициента теплопередачи принимаем по табл. 2.1 [6];
Kmin=800 Вт/(м2∙К).
Средний температурный напор:
∆t=∆tб-∆tмln∆tб∆tм (1.13)
∆tб=tг.п.-t''=138,9-20=118,9℃;
∆tм=tг.п.-t'=138,9-76=62,9℃.
∆t=118,9-62,9ln118,962,9=88,05℃Ориентировочная поверхность теплообмена:
F=2971290800∙88,05=42,18м2Число труб на один ход в кожухотрубном теплообменнике:
n1=4∙Vπ∙d2∙w (1.14)
где V – объемный расход раствора Na2SO4. Определяем по формуле:
V=Gρ=5000036001047,13=0,0133 м3/сгде ρ – плотность раствора в подогревателе, рассчитываем по формуле (1.3)

при средней температуре 480С.
lgρp=lgρв+(a0+a1∙tср+a2∙tср2)∙xн
где a0=4690,88∙10-4; a1=-364,49∙10-6; a2=-249,85∙10-8.
Плотность воды можно рассчитываем по формуле:
ρв=1000-0,62∙tср-0,00355∙tср2ρв=1000-0,62∙48-0,00355∙482=962,06 кг/м3lgρp=lg962,06+4690,88∙10-4+-364,497∙10-6∙48+-249,85∙10-8∙482∙0,084==3,020Откуда ρp=103.020=1047,13 кг/м3.
Скорость движения раствора в теплообменнике принимаем 1,0м/с
Тогда
n'=4∙0,01333,14∙0,0212∙1,0=38,4=39 шт.По ориентировочной поверхности нагрева и числу труб (каналов) на один ход или площади сечения канала выбирают стандартный теплообменник и выписывают конструктивные параметры, необходимые для дальнейшего расчета [4, табл.2.3].
Принимаем шестиходовой теплообменник диаметром кожуха 600мм, диаметр трубок 25х2мм, длина теплообменных трубок 3000мм, общее количество труб 196шт., площадь поверхности теплообмена 46м2.
1.3 Расход греющего пара на теплобменникРасход греющего пара Gг.п. (в кг/с) в теплообменнике определяем по уравнению:
Gг.п.=Qrг.п.∙χ, (1.15)
где χ=1,0 - паросодержание (степень сухости) греющего пара;
rг.п.- удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг .
Из [5, табл.II-II] находим для температуры tг.п.=138,9℃,

теплота парообразования rг.п.=2147,7∙103 Дж/кг.
Получаем:
Gг.п.=29712902147,7∙103=1,383 кг/с1.4 Уточненный расчет поверхности теплопередачиКоэффициент теплопередачи К определяем по уравнению аддитивности термических сопротивлений:
K1=11α1+Σδλ+1α2, (1.16)
где α1, α2 – коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке и от кипящего раствора к стенке соответственно, Вт/(м2∙К); δ – толщина стенки, м; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К).
Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки δcmλcm и накипи δHλH. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем.
Получим
Σδλ=0,00225,1+0,00052=3,29∙10-4(м2∙К)/Вт (1.17)
В формулы для определения коэффициентов теплоотдачи и в уравнение теплоотдачи входит температура стенки tcm, значение которой в свою очередь зависит от определяемой величины α. Поэтому теплообменник рассчитывают методом последовательных приближений, задаваясь значениями tcm.
Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к стенке α1 равен:
α1=0,72∙4r1∙ρж12∙λж12μж1∙H∙∆t1, (1.18)
где r1 – теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;
ρж1, λж1, μж1 – соответственно плотность (кг/м3), теплопроводность (Вт/(м∙К)), вязкость (Па∙с) конденсата при средней температуре плёнки tпл = tг1 – Δt1/2, где Δt1 – разность температур конденсации пара и стенки, град.
Физические свойства конденсата при средней температуре плёнки сведём в таблицу 1.1.
Таблица 1.1 Физические свойства конденсата при средней температуре плёнки[1]
Параметр Теплота конденсации греющего пара r, кДж/кг 2147,7
Плотность конденсата при средней температуре плёнки ρж, кг/м3 928
Теплопроводность конденсата при средней температуре плёнки λж, Вт/(м∙К) 0,686
Вязкость конденсата при средней температуре плёнки μж, Па∙с 210∙10-6
Расчёт α1 ведем методом последовательных приближений. В первом приближении принимаем значение температуры стенки со стороны горячего теплоносителя tст1 на 80С ниже температуры горячего теплоносителя, т.е. tст1=138,9-8=130,90С.
Тогда
α1=0,72∙42147,7∙103∙9,81∙9282∙0,6863210∙10-6∙0,025∙8=13913,87 Вт/(м2∙К)Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:
q1=α1∙∆t1=13913,87∙8=111310,96 Вт/м2 (1.19)
где q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; ∆t1 – разность между температурой стенки со стороны водяного пара, град.
∆tст=α1∙∆t1∙Σδλ, град (1.20)
∆tст=13913,87∙8∙3,29∙10-4=36,62℃тогда
tст2=tст1-∆tст=130,9-36,62=94,28℃Плотность теплового потока
q2=α2∙∆t2=α2∙(tст2-t2) (1.21)
где t2 – средняя температура раствора.
Коэффициент теплоотдачи для раствора Na2SO4.
Уточняем значение критерия Рейнольдса Re2:
Re=10000∙n'n=10000391966=11963 (1.22)
Уточненное значение скорости в трубах:
w'=Re∙μdвн∙ρ,
где μ – динамическая вязкость раствора в подогревателе.
Динамическую вязкость раствора определяем по формуле [7]:
lgμ=lgμ0+d0+d1∙t+d2∙t2∙x, (1.23)
где
μ0=0,59849∙(43,252+t)-1.5423, (1.24)
где μ0 и μ – коэффициенты динамической вязкости воды и раствора соответственно , Па∙с.
d0, d1, d2 – численные коэффициенты, зависящие от растворенного вещества[7]
Для Na2SO4: d0=147,69∙10-2; d1=8,58∙10-4; d2=-1356,01∙10-6.
μ0=0,59849∙43,252+48-1.5423=5,67∙10-4Па∙сТогда
lgμ=lg5,67∙10-4+147,69∙10-2+8,58∙10-4∙48-1356,01∙10-9∙482∙0,084=-3,119μ=10-3.118=0,761∙10-3Па∙сКритерий Прандтля для раствора Na2SO4 при 480С:
Pr=c∙μλ=3820,23∙0,761∙10-30,622=4,67здесь λ – коэффициент теплопроводности Na2SO4 при 480С. Определяем по формулам [7]:
λ=λ0∙(1-β∙xH), (1.25)
где β=425,72∙10-3; λ0- коэффициент теплопроводности воды, Вт/(м·К):
λ0=0,5545+0,00246∙tcp-0,00001184∙tcp2, (1.26)
λ0=0,5545+0,00246∙48-0,0000184∙482=0,645 Вт/(м∙К).
Тогда по формуле (1.25) получаем:
λ=0,645∙1-425,2∙10-3∙0,084=0,622 Вт/(м∙К) При турбулентном режиме движения раствора Na2SO4 критерий Нуссельта определяем по формуле:
Nu=0,021∙Re0.8∙Pr0.43∙(PrPrcm)0.25∙εl,
Nu=0,021∙119630.8∙4,670.43∙1,05∙1=78,25Отношение (PrPrcm)0.25 принято равным 1,05 (с последующей проверкой).
Таким образом коэффициент теплоотдачи составит:
α2=Nu∙λdвн=78,25∙0,6220,021=2317,69 Вт/(м2∙К)Тогда
q2=2317,69∙94,28-48=107262,7 Вт/м2Расхождение плотности тепловых потоков:
ε=q1-q2q1∙100%=111310,96-107262,7111310,96∙100%=3,64%.
Поскольку ε<5%, то рассчитываем коэффициент теплопередачи по уравнению:
K1=1113913,87+3,29∙10-4+12317,69=1202,11 Вт/(м2∙К)Уточняем площадь поверхности теплопередачи:
F=29712901202,11∙88,05=28,07 м2Принимаем окончательно шеститиходовой теплообменник диаметром кожуха 600мм, диаметр трубок 25х2мм, длина теплообменных трубок 2000мм, общее количество труб 196шт., площадь поверхности теплообмена 31м2.
ЗаключениеВ данной курсовой работе проведен расчет процесса подогревателя исходного раствора в процессе выпаривания раствора NaSO4.
В результате приведенных расчетов были выбран следующий аппарат: шестиходовой горизонтальный теплообменник диаметром кожуха 600мм, диаметр трубок 25х2мм, длина теплообменных трубок 2000мм, общее количество труб 196шт., площадь поверхности теплообмена 31м2.
Расход греющего пара на теплообменник: Gг.п =1,383кг/с.
Список использованной литературыПавлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов. Под ред. чл.-корр. АН России П.Г.Романкова. – 11-е изд., стереотипное. Перепечатка с изд. 1987г. – М.: ООО «РусМедиаКонсалт», 2004. – 576 с.
Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные: Метод. указания/ЛТИ им. Ленсовета. – Л.: 1989. – 40 с
Дытнерский, Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию [текст] / Ю. И. Дытнерский, – М.: Химия, 1983, 270 с.
С.Л. Ривкин, А.А. Александров. Теплофизические свойства воды и водяного пара. – М. : Энергия, 1980.- 424с
Багров, И. В. Курсовое проектирование по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»: учеб. пособие / И. В. Багров, В. Д. Шаханов, Э. Н. Чулкова, – СПб.: ФГБОУВПО «СПГУТД», 2012.– 117 с.С.Л. Ривкин, А.А. Александров. Теплофизические свойства воды и водяного пара. – М. : Энергия, 1980.- 424с.
Романков П.Г., Фролов В.Ф., Флисюк О.М. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи): Учеб. Пособие для вузов. – 3-е изд., испр. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2010. – 544 с.
О.П.Банных, Е.И.Борисова, В.А.Константинов, О.Н.Круковский, О.В.Муратов В.Ф.Фролов, В.В.Фомин "Проектирование вакуум-выпарной установки". – Учебное пособие для студентов заочной формы обучения. – СПб, СПбГТИ(ТУ), 2009.- 50 с.