|
t 0С
|
60
|
80
|
63
|
|
ρ
кг/м3 при 30%
|
1303
|
1289
|
1301
|
|
ρ
кг/м3 при 20%
|
1196
|
1183
|
1194
|
Динамические коэффициенты вязкости растворовов гидроксида натрия в
зависимости от температуры. (табл. IX) [1, с.516]:
|
t 0С
|
60
|
80
|
63
|
|
μ
мПа• с 30%
|
3,4
|
2,16
|
3,214
|
|
μ
мПа• с 20%
|
1,63
|
1,27
|
1,576
|
- где xv1
и xv2 - объёмные доли компонентов смеси.
Рассчитаем их:
m1
= m2,xv1•ρ1 = xv2•ρ 2,xv1•ρ1 = (1- xv1)•ρ 2
xv1+xv2 = 1;xv2 = 1-xv1;xv1•(ρ1 +
ρ 2) = ρ2
xv2 = 1-xv1 = 1- 0,5214=0,4786
μ=2,084•10-3 Па•с
ρ= xv1•ρ1 + xv2•ρ 2,= 0,5214•1194 + 0,4786•1301=1245 кг/м3
Примем n=2. Определим скорость и критерий
Рейнольдса для рассола:
,
Где эквивалентный диаметр dэ =D - d =
0,081- 0,057=0,024 м.
Ø Коэффициент теплоотдачи для раствора гидроксида натрия.
λ 20%NaOH=0,550 Вт/м•К; λ30%NaOH =0,555 Вт/м•К - коэффициенты
теплопроводности раствора гидроксида натрия при t2 = 20 0С [5, с.718]
λ=0,552 Вт/м•К
Отношение 
принято равным 0,99 (с последующей проверкой).
Коэффициент εl принят равным 1, пологая, L/d э>50 (табл. 4.3) [1,с.153]: Таким образом, коэффициент
теплоотдачи:
Ø Коэффициент теплоотдачи для охлаждающей воды.
Коэффициенты теплопроводности воды при t1 = 17,5 0С. (табл. XXXIX) [1,с.537]:
|
t 0С
|
10
|
20
|
17,5
|
|
λ Вт/м•К
|
0,575
|
0,599
|
0,593
|
Динамические коэффициенты вязкости охлаждающей воды в зависимости от
температуры. (табл. VI) [1, с.514]:
|
t 0С
|
17
|
18
|
17,5
|
|
μ•10-3 Па• с
|
1,083
|
1,056
|
1,0695
|
Отношение 
принято равным 1,01 (с последующей проверкой).
Таким образом, коэффициент теплоотдачи:
Коэффициент теплопередачи.
Принимаю тепловую проводимость загрязнений со стороны охлаждающей воды:
, со стороны раствора гидроксида натрия : 
(табл. XXXI) [1, с.531].
λст=46,5 Вт/м•К Коэффициент
теплопроводности стали (табл. XXVIII),
[1,с.529].
Ø Проверим принятое значение коэффициента теплоотдачи для
раствора гидроксида натрия . Для этого определим:
q = K• Δtср=1209•50,061 = 60524 Вт/м2
Δt2 = q/α2 = 60524/3442 = 17,58 0Сст2
= t2 - Δt2 = 62,94 - 17,58 = 45,36 0С
≈ 45 0С
Нахождение динамического коэффициента вязкости раствора гидроксида натрия
при t2 = 45 0С.
Плотность растворов гидроксида натрия в зависимости от температуры.
(табл. IV) [1, с.512]:
|
t 0С
|
40
|
60
|
45
|
|
ρ
кг/м3 при 30%
|
1316
|
1303
|
1313
|
|
ρ
кг/м3 при 20%
|
1208
|
1196
|
1205
|
Динамические коэффициенты вязкости растворовов гидроксида натрия в
зависимости от температуры. (табл. IX) [1, с.516]:
|
t 0С
|
40
|
60
|
45
|
|
μ
мПа• с 30%
|
6,3
|
3,4
|
5,575
|
|
μ
мПа• с 20%
|
2,48
|
1,63
|
2,268
|
- где xv1
и xv2 - объёмные доли компонентов смеси.
Рассчитаем их:
m1
= m2,xv1•ρ1 = xv2•ρ 2,xv1•ρ1 = (1- xv1)•ρ 2
xv1+xv2 = 1;xv2 = 1-xv1;xv1•(ρ1 +
ρ 2) = ρ2
xv2 = 1-xv1 = 1- 0,5214=0,4786
μ=3,185•10-3 Па•с
λ2 =0,552 Вт/м•К, С2
=3462,5Дж/кг•К
Отношение было принято равным 0,99.
Проверим принятое значение коэффициента теплоотдачи для
охлаждающей воды. Для этого определим:
q = K• Δtср=1209•50,061 = 60524 Вт/м2
Δt1 = q/α1 = 60524/8595 = 7,04 0Сст1
= t1 + Δt1 = 17,50 + 7,04 = 24,54 0С
Коэффициенты теплопроводности воды при t1 = 24,5 0С. (табл. XXXIX) [1,с.537]:
|
t 0С
|
20
|
30
|
24,54
|
|
λ Вт/м•К
|
0,599
|
0,618
|
0,603
|
Динамические коэффициенты вязкости охлаждающей воды в зависимости от
температуры (табл. VI) [1, с.514]:
|
t 0С
|
24
|
25
|
24,54
|
|
μ•10-3 Па• с
|
0,9142
|
0,8937
|
0,9189
|
С1=4,185 кДж/кг•К. (табл. XXXIX) [1, с.537].
Отношение было принято равным 1,01.
Таким образом, коэффициент теплоотдачи:
Дальнейшее уточнение не требуется, так как расхождение между К´ и К не превышает 5%.
q = K• Δtср=1173•50,061 = 58722 Вт/м2
F´р = Q/q = 913556/58722 =15,56 м2
С запасом 10%: Fр = 17,11 м2
Площадь поверхности теплообмена одного элемента длиной 6 м:
F1 = πdсрL = 3,14•0,0535•6 = 1,01 м2
N = Fр/n•F1 = 17,11/2•1,01 = 9 шт.
Вариант №2 Одноходовый теплообменник.
Ø Коэффициент теплоотдачи для раствора гидроксида натрия.
Уточняю значение для критерия Re2:
Критерий Прандтля для раствора гидроксида натрия при t2 = 63 0С:
С2=3462,5 кДж/кг•К, μ=2,084•10-3 Па•с, λ=0,552 Вт/м•К.
Отношение принято равным 0,99 (с последующей проверкой).
Таким образом, коэффициент теплоотдачи:
Ø Коэффициент теплоотдачи для охлаждающей воды.
Уточняю значение для критерия Re1:
Динамические коэффициенты вязкости охлаждающей воды в зависимости от
температуры. (табл. VI) [1, с.514]:
|
t 0С
|
17
|
18
|
17,5
|
|
μ•10-3 Па• с
|
1,083
|
1,056
|
1,0695
|
Коэффициент ε = 0,6. (табл. 4.5) [1, с.157]:
Отношение принято равным 1,01 (с последующей проверкой).
Таким образом, коэффициент теплоотдачи:
Ø Проверим принятое значение коэффициента теплоотдачи для
раствора гидроксида натрия. Для этого определим:
q = K• Δtср=1006•50,061 = 50361
Вт/м2
Δt2 = q/α2 = 50361/1988 = 25,34 0Сст2 = t2 - Δt2 = 62,94 - 25,34 = 37,6 0С.
Динамические коэффициенты вязкости растворовов гидроксида натрия в
зависимости от температуры. (табл. VIII) [1, с.515]:
|
t 0С
|
30
|
40
|
37,6
|
|
μ
мПа• с 25%
|
5,25
|
3,86
|
4,194
|
С2 = 3462,5 Дж/кг•К, μ = 4,194•10-3 Па•с, λ2 = 0,552 Вт/м•К.
Отношение было принято равным 0,99.
Ø Проверим принятое значение коэффициента теплоотдачи для
охлаждающей воды. Для этого определим:
q = K• Δtср=1006•50,061 = 50361 Вт/м2
Δt1 = q/α1 = 50361/9725 = 5,18 0Сст1 = t1 + Δt1 = 17,50 + 5,18 = 22,68 0С
Коэффициенты теплопроводности воды при t1 = 22,68 0С. (табл. XXXIX) [1,с.537]:
|
t 0С
|
20
|
30
|
22,68
|
|
λ Вт/м•К
|
0,599
|
0,618
|
0,604
|
Динамические коэффициенты вязкости охлаждающей воды при t1 = 22,68 0С. (табл. VI) [1, с.514]:
|
t 0С
|
22
|
23
|
22,68
|
|
μ•10-3 Па• с
|
0,9579
|
0,9358
|
С1=4,187
кДж/кг•К. (табл. XXXIX) [1, с.537].
Отношение было принято равным 1,01.
Таким образом, коэффициент теплоотдачи:
Ø Произведём дальнейшее уточнение, так как расхождение между α2´,
α2 и К ´, К превышает 5%.
Ø Уточним значение коэффициента теплоотдачи для раствора
гидроксида натрия. Для этого определим:
q´ = K´• Δtср=922,4•50,061 = 46176 Вт/м2
Δt´2 = q´/α´2 = 46176/1686 = 27,39 0С´ст2 = t2 - Δt´2 = 62,94 - 27,39 = 35,55 0С.
Динамические коэффициенты вязкости растворовов гидроксида натрия в
зависимости от температуры. (табл. VIII) [1, с.515]:
|
t 0С
|
30
|
40
|
35,55
|
|
μ
мПа• с 25%
|
5,25
|
3,86
|
4,631
|
С2 = 3462,5 Дж/кг•К, μ = 4,631•10-3 Па•с, λ2 = 0,552 Вт/м•К.
Отношение было принято равным 0,8396.
Таким образом, коэффициент теплоотдачи:
Дальнейшее уточнение не требуется, так как расхождение между α1´, α1 и α2´, α2 , и К ´, К´´ не превышает 5%.
q´´´ = K´´´• Δtср=909,9•50,061 = 45551 Вт/м2
F´р = Q/q = 913556/45551 = 20,06 м2
С запасом 10%: Fр = 22,06 м2
Площадь поверхности теплообмена одного элемента длиной 3 м: F1 = 3 м2
N = Fр/n•F1 = 22,06/3 = 8 шт.
Из расчёта следует , что дальнейшее уменьшение скорости рассола приведёт
к ещё большему снижению коэффициента К и росту поверхности теплопередачи.
Однако, учитывая то обстоятельство, что в более крупных аппаратах расход
металла на единицу площади теплообмена меньше, чем в мелких аппаратах, выполним
расчёт более крупного аппарата. При течении раствора NaOH в ламинарном режиме коэффициент теплопередачи будет
ниже, чем при переходном режиме, и с уменьшением скорости увеличивается
возможность отложения загрязнений на поверхности теплообмена. Поэтому
попытаемся подобрать аппарат с переходным режимом течения раствора NaOH.
Минимальная скорость течения, обеспечивающая объёмный расход раствора
гидроксида натрия при Re2 >2320:
Максимальное число труб Ø25 х 2 мм, обеспечивающих объёмный
расход раствора гидроксида натрия при Re2
>2320 :
Двухходовые аппараты с наружным диаметром кожуха 325 мм согласно (табл.
4.12) [1, с.215] с длиной труб 4 метра потребуется минимум два. Шестиходовый
аппарат с внутренним диаметром кожуха равным 600 мм согласно (табл. 4.12) [1,
с.215] имеет незначительно большее трубное проходное сечение, а межтрубное в
значительно мень-шей степени оказывает влияние на коэффициент К. Поэтому может
быть целесообразно применение шестиходового аппарата, так как он потребуется
только один.
Вариант №3: Шестиходовый теплообменник.
Ø Коэффициент теплоотдачи для раствора гидроксида натрия.
n I =196/6=32,667 Δtб = 88 0С Δtм = 25 0С
Уточняю значение для критерия Re2:
Средняя разность температур: Δtср = 45,49 0С
Средняя температура раствора гидроксида натрия:
t2
= tн2- Δtср = 113 0С - 45,49 0С = 67,51 0С
≈ 67,5 0С
Нахождение динамического коэффициента вязкости раствора гидроксида натрия
при t2 = 67,5 0С
Плотность растворов гидроксида натрия в зависимости от температуры.
(табл. IV) [1, с.512]:
|
t 0С
|
60
|
80
|
67,5
|
|
Ρ
кг/м3 при 30%
|
1303
|
1289
|
1298
|
|
Ρ
кг/м3 при 20%
|
1196
|
1183
|
1191
|
Динамические коэффициенты вязкости растворовов гидроксида натрия в
зависимости от температуры. (табл. IX) [1,с.516]:
|
t 0С
|
60
|
80
|
67,5
|
|
μ
мПа• с 30%
|
3,4
|
2,16
|
2,934
|
|
μ
мПа• с 20%
|
1,63
|
1,27
|
1,495
|
xv2 = 1-xv1 = 1- 0,5214=0,4786
μ=1,954•10-3 Па•с
Критерий Прандтля для раствора гидроксида натрия при t2 = 67,5 0С:
С2=3462,5 кДж/кг•К, μ=1,954•10-3 Па•с, λ=0,552
Вт/м•К.
Отношение принято равным 0,99 (с последующей проверкой).
Таким образом, коэффициент теплоотдачи:
Ø Коэффициент теплоотдачи для охлаждающей воды.
Уточняю значение для критерия Re1:
Динамические коэффициенты вязкости охлаждающей воды в зависимости от
температуры. (табл. VI) [1, с.514]:
|
t 0С
|
17
|
18
|
17,5
|
|
μ•10-3 Па• с
|
1,083
|
1,056
|
1,0695
|
Коэффициенты теплопроводности воды при t1 = 17,5 0С. (табл. XXXIX) [1,с.537]
|
t 0С
|
10
|
20
|
17,5
|
|
λ Вт/м•К
|
0,575
|
0,599
|
0,593
|
Коэффициент ε = 0,6. (табл. 4.5) [1, с.157]:
Отношение принято равным 1,01 (с последующей проверкой).
Таким образом, коэффициент теплоотдачи:
Коэффициент теплопередачи.
Ø Проверим принятое значение коэффициента теплоотдачи для
раствора гидроксида натрия. Для этого определим:
q = K• Δtср=509,1• 45,49 = 23159 Вт/м2
Δt2 = q/α2 = 23159/843,2 = 27,47 0Сст2
= t2 - Δt2 = 62,94 - 27,47 = 35,47 0С
≈ 35,5 0С.
Динамические коэффициенты вязкости растворов гидроксида натрия в
зависимости от температуры. (табл. VIII) [1, с.515]:
|
t 0С
|
30
|
40
|
35,5
|
|
μ
мПа• с 25%
|
5,25
|
3,86
|
4,625
|
С2 = 3462,5 Дж/кг•К, μ = 4,625•10-3 Па•с, λ2 = 0,552 Вт/м•К.
Отношение было принято равным 0,99.
Ø Проверим принятое значение коэффициента теплоотдачи для
охлаждающей воды. Для этого определим:
q = K• Δtср=509,1• 45,49 = 23159 Вт/м2
Δt1 = q/α1 = 23159/2561 = 9,04 0С
tст1
= t1 + Δt1 = 17,50 + 9,04 = 26,54 0С
Коэффициенты теплопроводности воды при t1 = 26,54 0С. (табл. XXXIX) [1,с.537]:
|
t 0С
|
20
|
30
|
26,54
|
|
λ Вт/м•К
|
0,599
|
0,618
|
0,611
|
Динамические коэффициенты вязкости охлаждающей воды при t1 = 26,54 0С. (табл. VI) [1, с.514]:
|
t 0С
|
26
|
27
|
26,54
|
|
μ•10-3 Па• с
|
0,8737
|
0,8545
|
0,8747
|
С1=4,183 кДж/кг•К. (табл. XXXIX) [1, с.537].
Отношение 
было принято равным 1,01.
Таким образом, коэффициент теплоотдачи:
Ø Произведём дальнейшее уточнение, так как расхождение между α2´,
α2 и К ´, К превышает 5%.
Ø Проверим принятое значение коэффициента теплоотдачи для
раствора гидроксида натрия. Для этого определим:
q = K• Δtср= 451,2• 45,49 = 20525 Вт/м2
Δt2 = q/α2 = 20525/843,2 = 29,90 0Сст2
= t2 - Δt2 = 62,94 - 29,90 = 33,04 0С
≈ 33 0С.
Динамические коэффициенты вязкости растворовов гидроксида натрия в
зависимости от температуры. (табл. VIII) [1, с.515]:
|
t 0С
|
30
|
40
|
33
|
|
μ
мПа• с 25%
|
5,25
|
3,86
|
4,833
|
С2 = 3462,5 Дж/кг•К, μ = 4,833•10-3 Па•с, λ2 = 0,552 Вт/м•К.
Отношение было принято равным 0,8063.
Проверим принятое значение коэффициента теплоотдачи для
охлаждающей воды. Для этого определим:
q´ = K´• Δtср=451,2• 45,49 = 20525 Вт/м2
Δt´1 = q´/α´1 = 20525/2688 = 7,64 0С´ст1 = t1 + Δt´1 = 17,50 + 7,64 = 25,14 0С
Коэффициенты теплопроводности воды при t1 = 25,14 0С. (табл. XXXIX) [1,с.537]:
|
t 0С
|
20
|
30
|
25,14
|
|
λ Вт/м•К
|
0,599
|
0,618
|
0,609
|
Динамические коэффициенты вязкости охлаждающей воды при t1 = 26,54 0С. (табл. VI) [1, с.514]:
|
t 0С
|
25
|
26
|
25,14
|
|
μ•10-3 Па• с
|
0,8937
|
0,8737
|
0,8909
|
С1=4,183 кДж/кг•К. (табл. XXXIX) [1, с.537].
Отношение 
было принято равным 1,0599.
Таким образом, коэффициент теплоотдачи:
Дальнейшее уточнение не требуется, так как расхождение между α1´, α1 и α2´, α2 , и К ´, К´´ не превышает 5%.
q´´ = K´´• Δtср=447,5• 45,49 = 20357 Вт/м2
F´р = Q/q´´ = 913556/20357 = 44,88 м2
В виду отсутствия в переходном режиме надёжных формул для критерия
Нуссельта введём дополнительный запас 10% получим Fр = 49,37 м2.
Площадь поверхности теплопередачи одного аппарата с трубами L = 4 м (табл. 4.12) [1, с. 215]:
составит 61 м2.
Запас поверхности составляет при этом:
F-Fр/ Fр = 61 - 49,37/49,37 = 23,6 %
Запас площади поверхности теплообмена достаточен.
3. Расчет гидравлических сопротивлений
3.1 Двухтрубчатый теплообменник
Расчет гидравлического сопротивления двухтрубчатого теплообменника
произво-дится по формулам, приведенным ниже:
Скорость жидкости в трубах: 
Коэффициент трения рассчитывается по формуле:
Где е - высота выступов шероховатостей (принимаю е = 0,2 ∙ 10 -3
м)
Диаметр штуцеров к распределительной камере dтр.ш = 0,1 м.
(таб. II.8.)
Скорость раствора гидроксида натрия в штуцерах:
В трубном пространстве местные сопротивления: вход в теплообменник и
выход из неё, пять поворотов на 1800 и по шесть раз вход в трубы и
выход из них.
Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:
А180 = 1,40 , В2 = 0,15; АВ = 0,21. (табл. XIII) [1, с.521].
3.2 Шестиходовый теплообменник
Расчет гидравлического сопротивления кожухотрубчатых теплообменников
производится по формулам, приведенным ниже.
Скорость жидкости в трубах:
Коэффициент трения рассчитывается по формуле:
Где е - высота выступов шероховатостей (принимаю е = 0,2 ∙ 10 -3
м)
Диаметр штуцеров к распределительной камере dтр.ш = 0,1 м.
(таб. II.8.)
Скорость раствора гидроксида натрия в штуцерах:
В трубном пространстве местные сопротивления: вход в камеру и выход из
неё, восемь поворотов на 1800 и по девять раз вход в трубы и выход
из них.
Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:
ρ= xv1•ρ1 + xv2•ρ 2,= 0,5214•1191 + 0,4786•1298=1242 кг/м3
Вывод
гидроксид натрия раствор теплообменник
Целью данной курсовой работы было подобрать теплообменник для охлаждения
раствора гидроксида натрия с концентрацией 25%, по массе. Раствор поступает в
аппарат после выпаривания. Нами были рассмотрены несколько вариантов подходящих
по площади поверхности и по числу труб, обеспечивающих объёмный расход при
турбулентном и переходном течении жидкости, теплообменников. Одноходовый
теплообменник обеспечивающий течение раствора гидроксида натрия в переходном
режиме имеет малую поверхность теплообмена. Для обеспечения необходимой площади
поверхности их потребуется семь, а это влечет за собой высокую металлоёмкость.
Двухтрубчатый теплообменник является наиболее простым, но обладает очень
высоким сопротивлением которое составляет 18009 Па. У шестиходового
кожухотрубчатого теплообменника сопротивление равно 3407 Па, что в 5,3 раза
ниже. Вместе с тем теплообменник типа «труба в трубе» более громоздок, чем
кожухотрубчатые, и требуют большего расхода металла на единицу поверхности
теплообмена. Поэтому эти теплообменники использовать не рационально.
Таким образом, поставленная задача решается применением шестиходового
кожухотрубчатого теплообменника принимаемого с учётом всех факторов
(гидравлического сопротивления, площади поверхности теплообмена,
металлоёмкости, окончательной цены аппарата).
Но наиболее полно оптимизировать весь технологический процесс можно, если
рассматривать отдельные его стадии не отдельно друг от друга, а считая их
единым целым. Начальная температура охлаждающей воды может различаться в
зависимости от сезона, а получаемое тепло от охлаждения раствора гидроксида
натрия можно, также использовать в производстве. В результате, сложность
вычислений заметно усложняется, но применение современной вычислительной
техники позволяет и в этом случае оптимизировать технологический процесс.
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, 1987, 576 с.
2. Дытнерский
Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование. - М.:
Химия, 1991, 462 с.
. Касаткин
А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973, 750
с.
. Справочник
химика. - М. - Л.: Госхимиздат, 1963, Т.1, 1071 с.
. Справочник
химика. - М. - Л.: Госхимиздат, 1965, Т.3, 1008 с.
. Кувшинский
М.Н. Соболева А.П. Курсовое проектирование по предмету "процессы и
аппараты химической промышленности". - М.: Высшая школа, 1980, 223 с.
. Дытнерский
Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: в 2 кн - М.: Химия, 1995.
. Общий
курс процессов и аппаратов химической технологии: учебник: в 2 кн. / В.Г.
Айнштейн, М.К. Захаров, Г.А. Носков и др. Под ред. В.Г. Айнштейна. М.: Логос;
Высшая школа, 2003.
. Физическая
химия. Под ред. Стромберг А.Г. М.: - Высшая школа, 1988, 496 с.