Параметричний (тепловий ) розрахунок

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].

Вихідні дані:

розчин,що нагрівається - 35% водяний розчин лугу NaОН

Видаток лугу - 3,611кг/с

Початкова температура - 15 оС

Кінцева температура - температура кипіння

Гріючий агент - насичена водяна пара

 

Приймемо для міжтрубного простору індекс "1", а для трубного простору – індекс "2". Розрахункова схема процесу теплопередачі зображена на рисунку 3.1.

λ_ст=сonst

 

Розчин лугу t₁= сonst, α₁= сonst

 

- Δt₁= t₁- t_cт1

Δt_ст.=t_ст1-t_ст2 t_cт1

t_cт2 Q = сonst

Δt₂= t_cт2- t₂

Водяна пара

 

t₂, α₂= сonst

δ_ст=const

 

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 кипіння, ^оС
Температура
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 132,9^оС. 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

Δt_б=117,9 Δt_м=11,29

Середня різниця температур:

Середня температура 35 % розчину NaOH:

Знайдемо густину 35% розчину NaOH при температурі 87,46^оС (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
80^оС	100^оС
Густина, кг/м^3
NaOH(40% розчин)
NaOH(30% розчин)

 

Спочатку знайдемо густину 35% розчину NaOH при температурах 80^оС і 100^оС 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 80^о і 100^о.

Речовина	Температура
80^oC	100^oC
Питома теплоємність, ккал/кг*град
NaOH(40%)	0,832	0,832
NaOH(30%)	0,869	0,869

Теплоємність 35% розчину NaOH при 80^оС:

 

Теплоємність 35% розчину NaOH при 100^оС:

 

Теплоємність 35% розчину NaOH при 87,46^оС:

 

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 К_min = 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
80^oC	100^oC
Динамічний коефіцієнт в’язкості, мПа.с
NaOH(40%)	3,62	2,72
NaOH(30%)	2,16	1,82

Динамічний коефіцієнт в’язкості 35% розчину лугу при t=80^оС:

Динамічний коефіцієнт в’язкості 35% розчину лугу при t=100^оС:

 

Динамічний коефіцієнт в’язкості 35% розчину лугу при t=87,46^oC:

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 чотирьох ходовий теплообмінник діаметром 600мм з числом труб 232,розмірами 25/21, 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
80^oC	100^oC
Теплопровідність, ккал/м*ч*град
NaOH (40%)	0,48	0,483
NaOH (30%)	0,484	0,487

 

 

Коефіцієнт теплопровідності 35% розчину NaOH при температурі 80^оС:

Коефіцієнт теплопровідності 35% розчину NaOH при температурі 100^оС:

Коефіцієнт теплопровідності 35% розчину NaOH при температурі 87,46^оС:

Переведемо коефіцієнт теплопровідності в систему СІ:

Критерій Прандтля для розчину NaOH при температурі 87,46^оС:

Визначимо коефіцієнт β об’ємного розширення для розчину лугу. З таблиці беремо наступні дані:

Речовина	Температура
80^oC	100^oC
Β*10^3 1/град
NaOH (40%)	0,5	0,51
NaOH (30%)	0,52	0,55

Коефіцієнт β об’ємного розширення 35% розчину NaOH при температурі 87,46^оС:

Коефіцієнт β об’ємного розширення 35% розчину NaOH при температурі 100^оС:

Коефіцієнт β об’ємного розширення і 35% розчину NaOH при температурі 87,46^оС:

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 34^o C. Вважаємо точність розрахунку прийнятною.

Розрахункова площа поверхні теплообміну:

 

Визначимо запас поверхні теплообміну:

Запас площі поверхні теплообміну достатній. Через те, що середня різниця температур Δt_cр=45,44^оС, що більше допустимого значення 40^оС, приймемо тип апарату ТК.

 

 

7. Висновок

В результаті теплового розрахунку, були визначені основні параметри процесу теплообміну.

Параметри процесу теплообміну

Параметр	Значення
Необхідна поверхня теплообміну, м^2	62,19
Коефіцієнт тепловіддачі (від пари до труби), Вт/м^2К
Коефіцієнт тепловіддачі (від труби до розчину лугу), Вт/м^2К	644,95
Коефіцієнт теплопередачі, Вт/м^2К	485,44
Режим руху розчину лугу	Ламінарний
Критерій Рейнольдса	1448,28
Швидкість руху розчину лугу, м/с	0,1898
Об’ємний видаток розчину лугу, м^3/с*10^4	2,7069
Масовий видаток розчину лугу, кг/с	3,611

 

Найбільш оптимальним для нагрівання 35% розчину NaOH від 15^оС до температури кипіння є одноходовий теплообмінник.

Характеристики теплообмінника

Тип теплообмінника	ТК
Кількість ходів
Площа поверхні теплообміну, м^2
Довжина труб, м
Кількість труб
Внутрішній діаметр труби, м	0,021
Товщина стінки труби, м	0,002
Робочий тиск, кгс/см^2(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 40^оС, тому що подовження труб і кожуха неоднакові.

 

 

 

 

 

Рис.7.1 Схема підігрівача

 

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.