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 15 121–79 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

5.1 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:

139.2 оС > парконденсат > 139.2 оС

35 оС > раствор > 80 оС Дtб = 104.2 оС Дtм = 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 Дtб и Дtм — большее и меньшее значение разности температур горячего и холодного теплоносителя на сторонах теплообменника.

Дtб =- = 139.2 — 35 = 104.2 оС; Дtм = - = 139.2 -80 = 59.2 оС.

Средняя температура раствора = - Дtср = 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 л= 0,6 Вт/(м•К) [стр 561], плотность с = 1090 кг/м3 [стр 512]; динамическая вязкость м = 0,915 Па•С [стр 517], удельная теплоемкость вычисляется по формуле: Ср= Ств•х + Свод•(1-х) Дж/кг•К, где Ств = 0,92 кДж/кг — 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 л= 0,679 Вт/(м•К), плотность с = 923 кг/м3[стр 512]; динамическая вязкость м = 0,174 Па•С, удельная теплота конденсации r =2 110 000 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 = 25 000/3600 = 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

Q = Gр • Ср •(-) = 6,94 •9,54 •1000•(60 -35) = 1 655 190 Вт

Решая уравнение теплового баланса находим расход греющего пара.

Gр • Ср •(-) = Q = 0,98• r•Gп.,

При нагревании водяным паром раствора гидроксида натрия примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор = 900 Вт/(м2К). Тогда приближенно поверхность теплообмена будет равна Задаваясь числом Рейнольдса Re=12 000 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 15 118–79 и ГОСТ 15 122–79 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 Prжкритерий Прандтля 10% раствора щелочи при средней температуре раствора 59.6 оС

Prж=

Prст — 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 Дtср = Дtп + Дtст + Дtр-ра ,

где Дtп = tп — t ст.п. — движущая сила теплоотдачи со стороны пара;

Дtст =tcт.n — tст. р-ра — движущая сила теплопроводности через многослойную стенку; Дtр-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 л= 0,633 Вт/(м•К), динамическая вязкость м = 0,466 Пас, теплоемкость 4030 Дж/(кгК)

Prст =

Вт/(м2К) 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 д — толщина стенки трубы (0,002 м); лст — теплопроводность нержавеющей стали, лст = 17,5 Вт/(м•К); сумма термических сопротивлений загрязнений со стороны пара и раствора щелочи.

rв + rсп = 1/5800 + 1/2900 = 0,517 (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 л= 0,615 Вт/(м•К), динамическая вязкость м = 0,61 Пас, теплоемкость 4030 Дж/(кгК)

Prст =

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

6.1 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; цкоэффициент ослабления обечайки из-за сварного шва и наличия неукрепленных отверстий, принимаем ц = 0,9; [у] =з•у* - допускаемое напряжение для материала обечайки, МН/м2; з — поправочный коэффициент, з = 0,9; у*- нормативное допускаемое напряжение, для стали 08Х18Н9Т при расчетной температуре 170 оС, у*= 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 = 0,001 м (коррозия односторонняя); С2 — прибавка к толщине стенки на минусовой допуск заготовки и округление размера до стандартного значения.

дмин =, м Минимальная толщина стенки кожуха при Dк = 325 мм равна 4 мм принимаем С2 = 0,002 м.

дмин = 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. Размещение труб в трубной решетке

1,25 dн = 1,25· 20 = 25 мм (0,025 м) Согласно минимальный (без учета перегородок) внутренний диаметр кожуха равен:

DВн = t· (b — 1) + dн + 2· (t — dн) ,

где DВн — внутренний диаметр кожуха, b — число трубок на диагонали шестиугольника, определяемое из выражения:

>>

DВн = 0,025· (11 — 1) + 0,02 + 2· (0,025−0,02) = 0,280 м.

Фактический диаметр кожуха 325 мм.

82 теплообменных трубки наружным диаметром 20 мм разместится в кожухе диаметром 325 мм по вершинам равносторонних треугольников при наличии перегородок между ходами. Схема размещения труб показана на рис. 4.

6.4 Расчет диаметра штуцеров Расчет диаметра штуцеров производим по формуле:

где d — внутренний диаметр штуцера, м; G — массовый расход среды, кг/с; с — плотность среды, кг/м3; w — скорость потока, м/с.

Диаметр штуцеров для раствора щелочи.

Принимаем скорость раствора в штуцере в пределах 1−3 м/с

принимаем 50 мм Диаметр штуцера для водяного пара (с = 4,075 кг/м3; w = 10 -30 м/с)

принимаем 100 мм Диаметр штуцера для конденсата (с = 897 кг/м3; w = 1 м/с)

принимаем 0,032 м

6.6 Фланцы на штуцера принимаем стальные приварные по ГОСТ 1255–67

Размеры фланцев показаны в таблице.

Рис. 5. Эскиз Фланца

6.7 Подбор опор аппарата Опоры выбираем по весу аппарата, полностью заполненного водой.

Вес аппарата с водой:

G = + Vапп· св, где — вес аппарата в сборке; = 575 кг [4,c. 56, табл.2.8.]

Vаппполный объём аппарата, включая объёмы трубок и межтрубного пространства, крышки и днища. Vапп = 0,785D2 · lтр.+ Vкр. + Vдн, м3.

Vкр. и Vдн — соответственно объёмы крышки и днища аппарата, из таблиц:

Vдн = Vкр = 0,006 м³; .

Vапп = 0,785· 0,3252 · 2 + 2•0,006. = 0,178 м³.

G = 575 + 0,178· 1000 = 753 кг (7,6 кН).

Выбираем опоры для вертикального аппарата в количестве 2 шт, тип 1 [3, стр. 275]. Нагрузка на одну опору 4 кН.

Размеры опоры (рис. 3): а = 75, а1 = 95, b = 95, h = 140, h1=10,K = 15,

K1= 25, dб = М12.

Рис. 6. Эскиз опоры

7. Гидравлический расчет теплообменника Гидравлический расчет теплообменника проводим только для трубного пространства. Он заключается в определении гидравлического сопротивления при движении раствора щелочи в трубках теплообменника.

Трубное пространство

= 0,083

где Qв — объёмный расход кислоты, м3/с; Qв=G2/с =4,157/1041 = 0,004 м3/с; l = 2 — длина теплообменной трубки, м; n — число труб в одном ходе; mчисло ходов; ?ж — сумма коэффициентов местных сопротивлений для трубного пространства, ?жшт — сумма коэффициентов местных сопротивлений для штуцеров. Для четырех ходового теплообменника

?ж = (m-1)жпов.180 + m (жвх.тр. + жвых.тр.) + 2жпов.90

где жпов.180 — коэффициент м.с. для поворота на 180о между ходами теплообменника, жпов.180 = 2,5; жпов.90 — коэффициент м.с. для поворота на 90о во входной и выходной камерах теплообменника, жпов.90 = 1,25; жвх.тр. и жвых.тр. — коэффициенты м.с. для входа и выхода в трубках теплообменника, жвх.тр.= 0,5; жвых. тр = 1 [1,2].

?ж = 3· 2,5 + 4· (0,5+1) + 2· 1,25= 16

?жшт = (жвх)шт + (жвых)шт ,

где (жвх) шт — коэффициент м.с. для входа в штуцер, (жвх) шт = 0,5;(жвых)шт — коэффициент м.с. для выхода из штуцера,

?жшт = 0,5 + 1 = 1,5;

Шероховатость стальных труб (нержавеющая сталь) е = 0,1 мм [4, c.14];

Re =21 255

500d/e = 500 · 0,016/0,0001 = 80 000 >Re = 21 255

20d/e = 20 · 0,016/0,0001 = 3200 < Re = 21 255

Для определения коэффициента трения в трубках теплообменника примем формулу:

=0, 083Па

8. Расчет тепловой изоляции Целью расчёта является определение толщины слоя тепловой изоляции, необходимой для достижения температуры её наружной поверхности.

Толщину тепловой изоляции находим из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции и от наружного слоя изоляции в окружающую среду.

где б — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности тепловой изоляции окружающему воздуху, вычисляется по приближенной формуле [2,c.168]: б = 9,74+0,07Дt, Вт/(м2К); Дt = tиз. нt0 = 40−20 = 20 оС.

б = 9,74+0,07· 20 = 11,5 Вт/(м2К) В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии и 15% асбеста, имеющий коэффициент теплопроводности лиз=0,09 вт/(м· К) [2]

(50 мм)

ЛИТЕРАТУРА

Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. М — Л.: Химия, 1987.

Лебедев В.Я. и др. Расчет и проектирование теплоиспользующего оборудования. Учебное пособие. Иваново 1992.

Лащинский А. А. Конструирование сварных химических аппаратов. Справочник. — Л.: Машиностроение, 1981.

4. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Ю. И. Дытнерского. 2-е изд. М.: Химия, 1991.

5. Справочник азотчика. 2-изд. перераб. -М.: Химия, 1987. 464 с.

6. Теплофизические свойства газов, растворителей и растворов солей: Справочник / Сост. Шадрина Е. М. и др. Иваново 2004.

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