Технологический расчет теплообменника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

государственное образовательное учреждение высшего и

профессионального образования

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра: Физика и технология материалов и компонентов электронной техники

Курсовая работа

Технологический расчет теплообменника

Руководитель Епифанова В. С.

Студент Илюхина Ю.Н.

2015г.



Задание на проектирование

Рассчитать и спроектировать теплообменник для подогрева раствора NaOH перед выпариванием. Раствор с концентрацией 15% массовых поступает в количестве 10 тонн/час. Начальная температура 150С, конечная температура равна температуре кипения NaOH. Нагрев производится водяным паром при р=3 атм.



Введение

Процессы теплообмена имеют большое значение в химической, энергетической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. В теплообменных аппаратах теплопередача от одной среды к другой через разделяющую их стенку обусловлена рядом факторов и является сложным процессом, который принято разделять на три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. На практике эти явления не обособлены, находятся в каком-то сочетании и протекают одновременно.

Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагревающая среда, и отдающие тепло, принято называть нагревающими агентами, а теплоносители с более низкой температурой, чем среда, от которой они воспринимают тепло, - охлаждающими агентами.

В химической промышленности применяют теплообменные аппараты различных типов и конструкций. К числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников относятся кожухотрубчатые и теплообменники «труба в трубе».

В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся сред движется внутри труб ( в трубном пространстве ), а другая - в межтрубном пространстве. Однохододовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными или горизонтальными. Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. Горизонтальные теплообменники изготавливают обычно многоходовыми и работают при больших скоростях участвующих в теплообмене сред для того, чтобы свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и плотностей, а также устранить образование застойных зон.

Теплообменник «труба в трубе» включают несколько расположенных друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы большего диаметра и концентрически расположенной внутри нее трубы меньшего диаметра. Внутренне трубы элементов соединены друг с другом последовательно; так же связаны между собой наружные трубы. Для возможности очистки внутренне трубы соединяются при помощи съемных калачей. Благодаря небольшому поперечному сечению в этих теплообменниках легко достигаются высокие скорости теплоносителей в как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При значительных количествах теплоносителей теплообменник составляют из нескольких параллельных секций, присоединяемых к общим коллекторам.

Рис. 1. Схема ректификационной установки

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис.1. Исходная смесь из промежуточной емкости 9 центробежным насосом 10 подается в теплообменник 5, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 1 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси XF.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 2. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка Xw, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состав XP, которая получается в дефлегматоре 3 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Затем жидкость направляется в делитель флегмы 4. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 6, и направляется в сборник дистиллята 11 при помощи насоса 10.

Из кубовой части колонны насосом 10 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в холодильнике остатка 7 и направляется в емкость 8.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравномерный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовой остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

теплообменник конструкционный расчетный вода



Выбор конструкционного материала аппарата

Поскольку гидроксид натрия концентрацией 15 % при температуре до 106 оС вызывает коррозию углеродистых сталей [4], для изготовления частей теплообменника, соприкасающихся с раствором: трубок, трубных решеток, крышек и прочее, применяем нержавеющую сталь марки Х18Н10Т. Корпус аппарата и детали, не соприкасающиеся с раствором, изготавливаются из углеродистой стали ВСт 3 сп.

В качестве материала прокладок применяем паронит, устойчивый к действию щелочи рабочей концентрации.

Расчет тепловой нагрузки

Принимаем для межтрубного пространства индекс «1», для трубного- «2».

Температура конденсации водяного пара tконд= 132,9 0С

Температура кипения NaOH =106 0С

Температурная схема:

Средняя разность температур:



Средняя температура NaOH:

t2 = t1- ?tср

t2 = 132,9 0С - 61,5 0С = 71,25 0С

Расход NaOH:

где -плотность NaOH при t2 = 71,25 0С (табл. IV) [1]

Расход теплоты на нагрев NaOH:

где -удельная теплоемкость NaOH при t2 = 71,25 0С

Расход сухого греющего пара с учётом 7% потерь теплоты:

Где - удельная теплота конденсации водяного пара (табл. LVII)

V1 = G1/?1 = 0,468/1,618 = 0,289 м3/с.

где -плотность водяного пара (табл. LVII) [1]

Ориентировочно определяю максимальную величину площади поверхности теплообмена. По табл. 4.8 минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующего пара к жидкостям (подогреватели Кmin = 800 Вт/(м2*К)). При этом:

Ориентировочный выбор теплообменника

Из величины следует, что проектируемый теплообменник типа «труба в трубе».

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаюсь подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Раствор направлю в трубное пространство, так как он даёт загрязнение, водяной пар - в межтрубное пространство.

В теплообменных трубах O25 х 2 мм холодильников по ГОСТ 15120-79 скорость течения NaOH при Re2 > 10 000 должна быть более:

Где динамического коэффициента вязкости NaOH при t2 = 71,25 0С равен Па*

Проходное сечение трубного пространства при этом должно быть:

Число труб O25 х 2 мм, обеспечивающих объёмный расход при Re2 = 10 000:

Теплообменник наименьшего диаметра 159 мм с числом труб 13 имеет (табл.4.12) [1]. Следовательно, турбулентное течение NaOH можно обеспечить в аппарате с наименьшим сечением трубного пространства, т.е. в теплообменнике «труба в трубе».

Двухтрубчатый теплообменник.

Рассмотрим аппарат, изготовленный из труб 89?4 мм (наружная труба) и 57?3,5 мм (внутренняя труба).

Скорость раствора гидроксида натрия в трубах для обеспечения турбулентного течения должна быть более ??2.

Примем n=2. Определим скорость и критерий Рейнольдса для рассола:

?2=0,547 Вт/м*К

Отношение принято равным 1,05 (с последующей проверкой).

Коэффициент ?l принят равным 1, пологая, L/d э>50.

Таким образом, коэффициент теплоотдачи:

Зададимся значениями tст.1 и tст.2, исходя из того, что tп>tст1>tст2>tNaOH , примем tст.1=128?С, tст.2=110?С.

tпл=0,5*(tконд+tст)=0,5*(132,9+128)=130,45

?=0,686 Вт/м*К , ?=935 кг/м3 ,?=0,212*10-3 Па*

r=2179кДж/моль(табл. LVI) [1,с.548]

?t=132,9-128=4,9

Коэффициент теплопередачи.

Принимаю тепловую проводимость загрязнений со стороны охлаждающей воды:

со стороны раствора гидроксида натрия

?ст=17,5 Вт/м*К Коэффициент теплопроводности нержавеющей стали (табл. XXVIII), [1,с.529].

q = K* ?tср=870,08*61,65 = 53640,432 Вт/м2

Уточним значения tст.1 и tст.2:

tст.1=t1-?t1=t1-q/?1=132,9-53640.432/8366,6=126.5

tст.2=t2-?t2=t2-q/?2=71.25+53640.432/2061.096=97.275

При этих значениях tст.1 и tст.2 сделаем новый расчет. Введение поправки в коэффициент теплоотдачи для NaOH не требуется, так как сомножитель в новых условиях близок к таковому в предыдущих расчете.

Для греющего пара определяющая температура:

t2=0,5*(t2+tст1)=0,5*(132,9+126,5)=129,7

?=0,686 Вт/м*К , ?=935 кг/м3 ,?=0,212*10-3 Па*

r=2179кДж/моль(табл. LVI) [1,с.548]

?t=132,9-129,7=3,2

Коэффициент теплопередачи.

Принимаю тепловую проводимость загрязнений со стороны охлаждающей воды:

со стороны раствора гидроксида натрия

?ст=17,5 Вт/м*К Коэффициент теплопроводности нержавеющей стали

Проверим принятое значение коэффициента теплоотдачи для раствора гидроксида натрия . Для этого определим:

tст2 = 97,275 0С

Динамические коэффициенты вязкости растворовов гидроксида натрия в зависимости от температуры:

?=1,22*10-3 Па*с

?2 =0,547 Вт/м*К, С2 =3758Дж/кг*К

Отношение было принято равным 1,05.

Разница 0,48%. Расчет К закончен.

q = K* ?tср=879,16*61,65 = 54200,214 Вт/м2

КП- НГТУ - 240100 - (12-ХТЭ) - 02 - 2015

Определение расчетной площади поверхности теплообмена.

F?р = Q/q = 950014,884/54200,214 =17,5 м2

С запасом 10%: Fр = 19,25 м2

Площадь поверхности теплообмена одного элемента длиной 6 м:

F1 = ?dсрL = 3,14*0,0535*6 = 1,01 м2

N = Fр/n*F1 = 19,25/2*1,01 = 10 шт.

Общее число элементов n*N=2*10=20 шт.

Запас поверхности составляет при этом:

(F1N•n - F'p)/ F'p=(20•1,01 - 19,25)/19,25=4,93 %



Составление схемы процесса теплопередачи

Расчёт гидравлического сопротивления

Гидравлическое сопротивление теплообменника типа «труба в трубе» можно рассчитать по формуле:

,

где wтр - скорость гидроксида натрия в трубах, м/с;

wш - скорость гидроксида натрия в штуцерах, м/с;



.

? - коэффициент трения

,

где e=?/d - относительная шероховатость труб;

?=0,2.10-3 м - высота выступов шероховатостей.

м/с.

м/с.



Вывод

В данном курсовом проекте проведён расчёт и подобран теплообменник для подогрева раствора NaOH перед выпариванием от температуры tн = 15°С до tк = 106°С водяным паром t = 132,9°С.

Установлен наиболее подходящий вариант теплообменника. Поставленная задача решается применением теплообменника «труба в трубе», принимаемого с учётом всех факторов (гидравлического сопротивления, площади поверхности теплообмена и др ).



Список использованных источников

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 2005, 575 с.

2. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. - М.: Альянс, 2007, 496 с.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 2005,

4. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник.- Л.: Машиностроение, 1970. - 752 с,

5. Справочник химика. - М. - Л.: Госхимиздат, 1963, Т.1, 1071 с.

6. Справочник химика. - М. - Л.: Госхимиздат, 1965, Т.3, 1008 с.

Размещено на Allbest.ur

...