Метою даного розрахунку є визначення поверхні теплообміну і вибір теплообмінника з числа стандартних, для забезпечення ефективного процесу теплообміну і мінімальних габаритів апарата.
Розрахунок проводимо по методиці, приведеній у [1].
Приймемо для міжтрубного простору індекс "1", а для трубного простору – індекс "2". Розрахункова схема процесу теплопередачі зображена на рисунку 3.1.
λст=сonst
Розчин лугу t1= сonst, α1= сonst
- Δt1= t1- tcт1
tcт1
tcт2 Q = сonst
Δt2= tcт2- t2
Водяна пара
t2, α2= сonst δст
Рисунок 6.1. Розрахункова схема процесу теплопередачі.
Знайдемо температуру кипіння 35% розчину NaOH (див. Таблиця XXXVI, с. 535 [1]).Концентрація (в мас. %) водного розчину NaOH, що кипить при атмосферному тиску задана в таблиці 2.1.
Таблиця 2.1
Речовина
Температура
Температура кипіння, оС
NaOH,%
33,77
37,58
За допомогою інтерполяційної формули Лагранжа знаходимо:
В теплообміннику гріючим агентом є насичена водяна пара. Віддаючи тепло трубці, вода конденсується при сталій температурі. Для того, щоб нагріти розчин NaOH до температури кипіння, необхідно щоб температура насиченої водяної пари була більшою на 10-20ºС, ніж температура кипіння 35% розчину NaOH. Температура конденсації насиченої водяної пари залежить від тиску. таблиці (див. Таблиця LVII, с. 549 [1]) знаходимо, що при тиску 3 кгс/см2, температура насиченої водяної пари 132,9оС. Таким чином при абсолютному тиску 3 кгс/см2 можливо буде нагріти розчин лугу до температури кипіння.
Температурна схема:
132,9 132,9
15 121,61
Δtб=117,9 Δtм=11,29
Середня різниця температур:
Середня температура 35 % розчину NaOH:
Знайдемо густину 35% розчину NaOH при температурі 87,46оС (див. Таблиця IV с. 512 [1]). В таблиці задано густини 30% і 40% розчинів NaOH при температурах 80 і 100 градусах Цельсію.
Таблиця 2.2
Речовина
Температура
Густина, кг/м3
80оС
100оС
NaOH(40% розчин)
NaOH(30% розчин)
Спочатку знайдемо густину 35% розчину NaOH при температурах 80оС і 100оС за допомогою інтерполяційних формул Лагранжа.
Густина 35% розчину лугу при t=80оС:
Густина 35% розчину лугу при t=100оС:
Густина 35% розчину лугу при t=87,46oC:
Об'ємний видаток 35% розчину лугу:
Теплоємність 35% розчину NaOH (див. Приложение III, стор. 808, [2]). В додатку задані наступні теплоємності розчинів при температурах 80о і 100о.
Речовина
Температура
Питома теплоємність, ккал/кг*град
80oC
100oC
NaOH(40%)
0,832
0,832
NaOH(30%)
0,869
0,869
Теплоємність 35% розчину NaOH при 80оС:
Теплоємність 35% розчину NaOH при 100оС:
Теплоємність 35% розчину NaOH при 87,46оС:
Теплоємність розчину лугу в системі СІ:
Витрата теплоносія на нагрівання розчину лугу:
Витрата пари з урахуванням 5% витрат:
,
де r – питома теплота конденсації водяної пари (таблиця LVII, стор. 549 [1]).
Приймемо значення коефіцієнта теплопередачі Кmin = 450 Вт/м2К (таблиця 4.8, стор. 172 [1]). Тоді максимальна площа поверхні теплообміну становить:
Динамічний коефіцієнт в’язкості 35% розчину NaOH (таблиця ІХ, стор. 516 [1]). В додатку задані наступні динамічні коефіцієнти в’язкості розчинів при температурах 80 і 100 оС.
Речовина
Температура
Динамічний коефіцієнт в’язкості, мПа.с
80oC
100oC
NaOH(40%)
3,62
2,72
NaOH(30%)
2,16
1,82
Динамічний коефіцієнт в’язкості 35% розчину лугу при t=80оС:
Динамічний коефіцієнт в’язкості 35% розчину лугу при t=100оС:
Динамічний коефіцієнт в’язкості 35% розчину лугу при t=87,46oC:
Теплообмін був би більше ефективним, якби теплоносій рухався в турбулентному режимі. Але через те, що розчин лугу має високу в’язкість ,що призведе при такому режимі руху до значного гідравлічного опору трубного простору і значних витрат енергії на його перекачування, то буде доцільним, щоб розчин лугу рухався по трубах при ламінарному режимі, Re2=2000. Тоді швидкість лугу в трубах дорівнює:
Необхідна кількість труб:
З таблиці (ХХХ4.[1]) знаходимо, що є чотрьохходовий теплообмінник діаметром 600мм з числом труб 232,розмірами 25/22, площею теплообміну 72 м2, і довжиною труб 4м. Цей теплообмінник найкраще підходить для заданого процесу нагрівання серед інших можливих типорозмірів кожухотрубчатих теплообмінників. Розрахуємо цей теплообмінник.
Уточнюємо значення критерія Рейнольдса:
Визначимо коефіцієнт теплопровідності для розчину лугу. З таблиці беремо наступні дані:
Речовина
Температура
Теплопровідність, ккал/м*ч*град
80oC
100oC
NaOH (40%)
0,48
0,483
NaOH (30%)
0,484
0,487
Коефіцієнт теплопровідності 35% розчину NaOH при температурі 80оС:
Коефіцієнт теплопровідності 35% розчину NaOH при температурі 100оС:
Коефіцієнт теплопровідності 35% розчину NaOH при температурі 87,46оС:
Переведемо коефіцієнт теплопровідності в систему СІ:
Критерій Прандтля для розчину NaOH при температурі 87,46оС:
Визначимо коефіцієнт β об’ємного розширення для розчину лугу. З таблиці беремо наступні дані:
Речовина
Температура
Β*103 1/град
80oC
100oC
NaOH (40%)
0,5
0,51
NaOH (30%)
0,52
0,55
Коефіцієнт β об’ємного розширення 35% розчину NaOH при температурі 87,46оС:
Коефіцієнт β об’ємного розширення 35% розчину NaOH при температурі 100оС:
Коефіцієнт β об’ємного розширення і 35% розчину NaOH при температурі 87,46оС:
Для розрахунку критерію Грасгофа в першому наближенні задамося різницею температур між стінкою і розчином лугу 25 оС:
Поправку Міхеєва для випадку нагрівання рідини приймаємо рівною 1,05. Число Нуссельта знаходимо із критеріального рівняння для ламінарного руху рідини:
Коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до розчину лугу:
Визначимо коефіцієнт тепловіддачі при конденсації водяної пари. Приймаємо, що теплообмінник вертикальний з висотою труби Н=4м, Для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі використаємо формулу(1):
,
де параметри конденсату ( λ, ρ, μ ) вибирані при температурі насиченої пари (132,9 °С) (таблиця XXXІХ, стор. 537 [1]).
Приймемо теплову провідність з боку гріючої пари 1/r=5800 Вт/(м2К), теплова провідність з боку розчину лугу 1/r=5800 Вт/(м2К). Тоді сумарна теплопровідність:
Коефіцієнт теплопередачі:
Поверхнева густина теплового потоку:
Розрахована різниця температур між стінкою і розчином лугу ( 34,6°С) значно відрізняється від раніше прийнятого значення(25°С). Для другої ітерації вибираємо:
Критерій Нуссельта:
Коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до розчину лугу:
Коефіцієнт теплопередачі:
Поверхнева густина теплового потоку:
Після декількох екстраполювань визначимо коефіцієнт теплопровідності для 35% розчину лугу при температурі 121,66°С (див. Приложение III, стор. 810, [2]), динамічний коефіцієнт в’язкості розчину NaOH (таблиця ІХ, стор. 516 [1]), теплоємність розчину NaOH (див. Приложение III, стор. 808, [2]).
Таким чином, отримане значення Δt2 = 34,2 °C практично співпадає з прийнятим наближенням 34o C. Вважаємо точність розрахунку прийнятною.
Розрахункова площа поверхні теплообміну:
Визначимо запас поверхні теплообміну:
Запас площі поверхні теплообміну достатній. Через те, що середня різниця температур Δtcр=45,44оС, що більше допустимого значення 40оС, приймемо тип апарату ТК.
Висновок
В результаті теплового розрахунку, були визначені основні параметри процесу теплообміну.
Параметри процесу теплообміну
Параметр
Значення
Необхідна поверхня теплообміну, м2
62,19
Коефіцієнт тепловіддачі (від пари до труби), Вт/м2К
Коефіцієнт тепловіддачі (від труби до розчину лугу), Вт/м2К
644,95
Коефіцієнт теплопередачі, Вт/м2К
485,44
Режим руху розчину лугу
Ламінарний
Критерій Рейнольдса
1448,28
Швидкість руху розчину лугу, м/с
0,1898
Об’ємний видаток розчину лугу, м3/с*104
2,7069
Масовий видаток розчину лугу, кг/с
3,611
Найбільш оптимальним для нагрівання 35% розчину NaOH від 15оС до температури кипіння є одноходовий теплообмінник.
Характеристики теплообмінника
Тип теплообмінника
ТК
Кількість ходів
Площа поверхні теплообміну, м2
Довжина труб, м
Кількість труб
Внутрішній діаметр труби, м
0,021
Товщина стінки труби, м
0,002
Робочий тиск, кгс/см2(кПа)
Площа поверхні теплообміну теплообмінника – 72 м2. Розрахункова площа теплообміну – 62,19м2. Запас поверхні теплообміну – 15,77%. Теплообмінник має бути з лінзовим компенсатором (тип ТК), оскільки різниця температур теплоносіїв, більша за 40оС, тому що подовження труб і кожуха неоднакові.
3. Схема апарату
Рисунок 3.1 – схема розрахованого апарату
Розчин подається в трубному просторі. Водяна пара подається у верхній патрубок, конденсуючись на трубах, конденсат стікає до низу. Такий рух теплоносіїв найбільш раціональний. Так як NaOH є агресивним середовищем доцільно було б вибрати для виготовлення основних вузлів і деталей теплообмінника нержавіючу сталь марки 08Х18Н10Т.
8. Список рекомендованої літератури
1.Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1987, 576 с.
2. Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Госхимиздат, 1962.
3.Корнієнко Я.М., Лукач Ю.Ю., Мікульонок І.О., та ін. Процеси та обладнання хімічної технології:К:НТТУ"КПІ", 2011.-300с.
4. О. Флореа, О. Смигельский. Расчеты по прцесам и аппаратам химической технологии.- М.: Химия, 1971. -448с.
5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973, 750 с.
6. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: в 2 кн - М.: Химия, 1995
7. М.К. Захаров, Г.А. Носков и др. Под ред. В.Г. Айнштейна. М.: Логос; Высшая школа, Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: учебник: в 2 кн. / В.Г. Айнштейн, 2003.
8. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию/Под ред. Ю.И. Дытнерского.- М.: Химия, 1983.-272 с.
9.Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1991. – 352 с.
10. Лащинский А. А., Толчинский А. Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры - Л.: Машиностроение, 1970. – 752 с. 11. Справочник химика. - М. - Л.: Госхимиздат, 1963, Т.1, 1071 с. 12. Справочник химика. - М. - Л.: Госхимиздат, 1965, Т.3, 1008 с. 13. Физическая химия. Под ред. Стромберг А.Г. М.: - Высшая школа, 1988, 496 с.
14. Оформление графической документации. Методические указания к выполнению курсовых и дипломных проектов / Сост. В.Н. Марчевский. – 1989.
15. Вимоги до оформлення текстової документації. Методичні вказівки до виконання курсових, бакалаврських і дипломних проектів. Укл. Степанюк А.Р., Швед М.П.