Процессы и аппараты химической технологии приводятся расчеты процесса подогрева
Аннотация
В данном курсовом проекте по процессам и
аппаратам химической технологии приводятся расчеты процесса подогрева 10 % -
ного раствора гидроксида натрия в вертикальном кожухотрубчатом теплообменнике
производительностью 25 т. раствора в час Греющий агент - водяной пар давлением
0,3 МПа. Выполнены материальные и тепловые расчеты процесса, определена
поверхность теплопередачи и подобран стандартный кожухотрубчатый аппарат.
Выполнен прочностной расчет основных элементов теплообменника. Рассчитано гидравлическое
сопротивление трубного пространства аппарата и найдена требуемая толщина слоя
тепловой изоляции.
Проект состоит из расчетно - пояснительной
записки на 21 странице машинописного текста и чертёжа общего вида аппарата с
деталировкой узлов.
1. Введение
Процессы нагревания являются весьма
распространенными в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и некоторых
других отраслях промышленности. Многие химические реакции, а также
массообменные процессы, выпаривание протекают при температурах, превышающих
температуру окружающей среды. Наиболее часто требуется умеренное нагревание
жидких сред - до температур не более 120-150 оС. Техническое осуществление
процессов нагревания производится в теплообменных аппаратах различных
конструкций. Как правило, при осуществлении процесса в теплообменниках один
теплоноситель (теплоотдающий) передает теплоту другому теплоносителю
(тепловоспринимающему). Если передача теплоты происходит при изменении
агрегатного состояния какого либо теплоносителя (кипение жидкости или конденсация
пара), то его температура в процессе теплопередачи остается постоянной. В
остальных случаях температуры теплоносителей в теплообменных аппаратах
изменяются. Для умеренного нагревания в качестве источника теплоты используется
перегретая вода, а чаще - водяной пар. К достоинствам водяного пара как
источника теплоты следует отнести простоту осуществления нагрева и легкость
регулирования температуры. Благодаря большой теплоте конденсации расход
водяного пара на нагревание невелик. Высокий коэффициент теплоотдачи при
конденсации пара способствует интенсивному проведению процесса теплообмена.
В подавляющем большинстве процессов нагревания с
помощью водяного пара используют кожухотрубчатые теплообменники различных типов
ввиду их несомненного преимущества перед теплообменниками других конструкций.
2. Назначение и области
применения проектируемого оборудования
Кожухотрубчатые теплообменники относятся к
рекуперативным и предназначены для обмена теплотой двух жидкостей, конденсации
паров в межтрубном пространстве при охлаждении водой, а также для подогрева
жидкостей и газов за счет теплоты конденсации пара.
Кожухотрубчатые теплообменники могут иметь
различное конструктивное оформление в зависимости от параметров обменивающихся
теплотой сред, производительности, вида теплоносителей . Они могут быть с
неподвижной трубной решеткой или предусматривать тот или иной вид компенсации
температурных удлинений: плавающая головка, линзовый компенсатор, U
- образные трубы и прочее. В соответствии с ГОСТ 15121-79 теплообменники могут
быть двух, четырех, и шести ходовыми по трубному пространству. Характерной
отличительной особенностью кожухотрубчатых теплообменников с паром в качестве
одного из теплоносителей является большой диаметр штуцера для подвода пара,
значительно превышающий размеры всех других штуцеров. Как правило, аппараты
располагаются вертикально, однако, в некоторых случаях, особенно когда
теплообменники используются в качестве испарителей, возможно и горизонтальная
компановка.
Теплообменники с плавающей головкой, и U
- образными трубками применяются при значительной разности температур стенок и
кожуха, разности давлений в трубном и межтрубном пространствах, а также в
случае необходимости механической чистки трубного пучка снаружи.
В теплообменнике с плавающей головкой за счет
подвижной нижней трубной решетки решается проблема температурных деформаций
труб и кожуха, однако это достигается за счет значительного усложнения
конструкции.
Элементы стандартных теплообменных аппаратов
существенно зависят от диаметра кожуха, определяемого в свою очередь величиной
поверхности нагрева (то есть числом труб, их длиной и диаметром).
3. Технологическая
схема установки
теплообменник гидравлический
поверхность конструктивный
Технологическая схема установки для подогрева
раствора гидроксида натрия представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Технологическая схема нагревания
раствора гидроксида натрия в кожухотрубчатом теплообменнике водяным паром.
1. Теплообменник 2. Ёмкость с холодным
раствором; 3. Сборник нагретого раствора; 4. Конденсатоотводчик. 5. Насос для
подачи раствора; 6. Линия подвода пара.
Раствор гидроксида натрия из ёмкости 2 насосом 5
подается через штуцер в трубки теплообменника. Пройдя рассчитанное число ходов
по трубкам, нагретый раствор выводится и поступает в дальнейшую переработку.
Водяной пар поступает в межтрубное пространство теплообменника 1 и
конденсируются на наружной поверхности труб, передавая теплоту конденсации
нагреваемому раствору. Конденсат стекает под действием силы тяжести по трубкам
и выводится через нижний штуцер через конденсатоотводчик 4 в емкость для
конденсата, откуда насосом подается в котельную
4. Выбор
конструкционного материала аппарата
Поскольку гидроксид натрия концентрацией 10 %
при температуре до 80 оС вызывает коррозию углеродистых сталей [7], 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.
5. Расчет поверхности
теплообмена и подбор теплообменника
.1 Определение средней
разности температур
По таблицам [cтр
549-550] находим параметры греющего насыщенного водяного пара, соответствующего
давлению 0,3 МПа: температура - tп
=139.2 оС Температурная схема теплоносителей:
.2 оС → пар -конденсат → 139.2 оС
оС → раствор → 80 оС
Δtб
= 104.2 оС Δtм
= 59.2 оС
Так как температура конденсации пара постоянна,
расчет средней разности температур проводим по формуле для противотока без
поправок на смешанный ток, характерный для многоходовых теплообменников:
где Δtб
и Δtм
- большее и меньшее значение разности температур горячего и холодного
теплоносителя на сторонах теплообменника..
Δtб =
-
= 139.2 -
35 = 104.2 оС; Δtм = - 
= 139.2 -80
= 59.2 оС.
Средняя температура раствора 
= - Δtср =
139.2-79.6 =59.6 оС.
Из справочных таблиц находим физико-химические
свойства конденсата водяного пара при температуре конденсации и 10 %-ного
раствора гидроксида натрия при средней температуре.
Для раствора при температуре 35 оС:
теплопроводность λ= 0,6
Вт/(м∙К) [стр 561], плотность ρ = 1090
кг/м3 [стр 512]; динамическая вязкость μ = 0,000915
Па∙С [стр 517], удельная теплоемкость вычисляется по формуле: Ср= Ств∙х
+ Свод∙(1-х) Дж/кг∙К, где Ств = 0,92 кДж/кг [2] - теплоемкость
безводного гидроксида натрия; Свод = 4,19 кДж/кг∙К - теплоёмкость
воды[стр 562]; х - массовая доля NaOH
в растворе.
Ср= 0,92∙0,1 + 4,19∙(1 - 0,1) = 9,54
Дж/кг∙К.
Для конденсата водяного пара при 139.2оС:
теплопроводность λ= 0,679
Вт/(м∙К), плотность ρ
= 923 кг/м3[стр 512]; динамическая вязкость μ = 0,000174
Па∙С, удельная теплота конденсации r
=2110000 Дж/кг [ стр 549].
5.2 Ориентировочное
значение поверхности теплообмена и предварительный выбор теплообменника
Уравнение теплового баланса теплообменника
Gр ∙ Ср
∙ (
-
) = 0,98∙
r∙Gп.,
где r - теплота
конденсации водяного пара при рабочем давлении, Gр -
количество нагреваемого раствора, Gр =
25000/3600 = 6,94 кг/с; 0,98 - коэффициент, учитывающий потери теплоты в
окружающую среду через тепловую изоляцию теплообменника. (2%)
Тепловой поток через поверхность
нагрева равен количеству теплоты, воспринимаемому раствором гидроксида натрия
= Gр ∙ Ср
∙( -) = 6,94 ∙9,54
∙1000∙(60 -35) = 1655190 Вт
Решая уравнение теплового баланса
находим расход греющего пара.
р ∙ Ср ∙( -) = Q
=
0,98∙ r∙Gп.,
При нагревании водяным паром
раствора гидроксида натрия примем ориентировочное значение коэффициента
теплопередачи Кор = 900 Вт/(м2К) [2] . Тогда приближенно поверхность
теплообмена будет равна
Задаваясь числом Рейнольдса Re=12000
найдем отношение числа труб к числу ходов n/z, приняв
теплообменник с трубками внутренним диаметром 16 мм.
Вариант А. Такому числу труб n
= 31 шт. и площади поверхности аппарата F
= 15,1 м2 по [1, табл. 1.8] ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15122-79 наиболее полно
отвечает кожухотрубчатый двухходовой теплообменник диаметром 325 мм, с числом
труб 28 в одном ходе, длиной теплообменных труб 4000 мм и площадью поверхности F
= 17,5 м2.
Проверяем критерий Рейнольдса
Re = 
Имеем развитый турбулентный режим.
5.3
Уточнение поверхности теплообмена и окончательный выбор теплообменника
Определяем коэффициент теплоотдачи
от стенки трубы к кислоте, пользуясь критериальным уравнением для турбулентного
режима вынужденного движения раствора в трубках.
,
где Prж- критерий
Прандтля 10% раствора щелочи при средней температуре раствора 59.6 оС
ж= 
ст - критерий Прандля при
температуре стенки со стороны раствора.
Рис. 2. Распределение температур на
стенке трубы по направлению теплового потока.
Средняя разность температур равна
сумме частных тепловых напоров
Δtср = Δtп + Δtст + Δtр-ра ,
где Δtп = tп - t ст.п. - движущая
сила теплоотдачи со стороны пара;
Δtст =tcт.n - tст.р-ра -
движущая сила теплопроводности через многослойную стенку; Δtр-ра = tст.р-ра - tр-ра
движущая сила теплоотдачи со стороны раствора кислоты.
Температурой стенки со стороны
раствора задаемся с последующей проверкой. Предварительно принимаем 
100 оС. Для
10%-ного раствора щелочи при температуре 100 оС [6]: теплопроводность λ= 0,633 Вт/(м∙К),
динамическая вязкость μ
= 0,000466
Пас, теплоемкость 4030 Дж/(кгК)
ст =
Коэффициент теплоотдачи при
конденсации водяного пара на пучке вертикальных труб определяем по уравнению:
Вт/(м2К),
где 
- соответственно теплопроводность,
плотность и динамическая вязкость конденсата при температуре конденсации 170 оС
(найдено ранее), dн - наружный диаметр труб, n - их число
в пучке, на котором происходит конденсация, Gп - расход
пара.
Вт/(м2К)
Коэффициент теплопередачи равен:
Вт/(м2К),
где δ - толщина
стенки трубы (0,002 м); λст -
теплопроводность нержавеющей стали, λст = 17,5 Вт/(м∙К); 
сумма
термических сопротивлений загрязнений со стороны пара и раствора щелочи.
rв + rсп = 1/5800
+ 1/2900 = 0,000517 (м2К)/Вт [ 2 ].
Вт/(м2К)
Проверяем температуру стенки со
стороны раствора:
+ 
73,2 оС.
Ошибка: 
Перезадаемся температурой стенки 73 оС
Для 10% ного раствора щелочи при
температуре 73 оС [6]: теплопроводность λ= 0,615 Вт/(м∙К),
динамическая вязкость μ
= 0,00061
Пас, теплоемкость 4030 Дж/(кгК)
ст =
Вт/(м2К)
Вт/(м2К)
Проверяем температуру стенки со
стороны раствора:
+ 
73,2 оС.
Ошибка: 
К постановке принимаем двух ходовой
теплообменник теплообменник диаметром кожуха 325 мм, число труб 56. Поверхность
теплообмена по наружному диаметру 17,5 м2 при длине труб 4 м.
Запас поверхности теплообмена
6.
Конструктивный расчет теплообменника
.1 Расчет
толщины стенки обечайки
Минимальную толщину стенки
цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением,
рассчитываем по уравнению [3]:
где Dк -
внутренний диаметр обечайки аппарата, м; Р - расчетное давление, принимаем 0,2
МПа; φ
-коэффициент
ослабления обечайки из-за сварного шва и наличия неукрепленных отверстий,
принимаем φ
= 0,9; [σ] =η∙σ* -
допускаемое напряжение для материала обечайки, МН/м2; η -
поправочный коэффициент, η = 0,9; σ*-
нормативное допускаемое напряжение, для стали 08Х18Н9Т при расчетной
температуре 170 оС, σ*= 112 МН/м2; С1 - прибавка на
коррозию и эрозию. При скорости коррозии 0,1 мм в год и сроке службы аппарата
10 лет С1 = 10∙0,1= 1 мм = 0,001м (коррозия односторонняя); С2 - прибавка
к толщине стенки на минусовой допуск заготовки и округление размера до
стандартного значения.
δмин = 
,м
Минимальная толщина стенки кожуха
при Dк = 325 мм
равна 4 мм [4] принимаем С2 = 0,002 м.
δмин = 0,002 + 0,002 = 0,004
м.
6.2 Толщину
днища и крышки принимаем равной толщине стенки обечайки, то есть 0,004 м
D=325 мм; h
= 20 мм; hв = 80 мм; S
= 4 мм
Рис.3.
Эскиз крышки
6.3 Проверка
внутреннего диаметра кожуха
Выбираем способ размещения трубок в трубной
решетке по вершинам правильных равносторонних треугольников.
Шаг между трубками для труб диаметром 20 мм
ориентировочно принимаем равным:
Рис. 4.