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

?tб = 104.2 оС ?tм = 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 ?tб и ?tм - большее и меньшее значение разности температур горячего и холодного теплоносителя на сторонах теплообменника..

?tб =- = 139.2 - 35 = 104.2 оС; ?tм = - = 139.2 -80 = 59.2 оС.

Средняя температура раствора = - ?tср = 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 ?= 0,6 Вт/(м?К) [стр 561], плотность ? = 1090 кг/м3 [стр 512]; динамическая вязкость ? = 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 ?= 0,679 Вт/(м?К), плотность ? = 923 кг/м3[стр 512]; динамическая вязкость ? = 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

?tср = ?tп + ?tст + ?tр-ра ,

где ?tп = tп - t ст.п. - движущая сила теплоотдачи со стороны пара;

?tст =tcт.n - tст.р-ра - движущая сила теплопроводности через многослойную стенку; ?tр-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 ?= 0,633 Вт/(м?К), динамическая вязкость ? = 0,000466 Пас, теплоемкость 4030 Дж/(кгК)

ст =

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 ? - толщина стенки трубы (0,002 м); ?ст - теплопроводность нержавеющей стали, ?ст = 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 ?= 0,615 Вт/(м?К), динамическая вязкость ? = 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; ? -коэффициент ослабления обечайки из-за сварного шва и наличия неукрепленных отверстий, принимаем ? = 0,9; [?] =???* - допускаемое напряжение для материала обечайки, МН/м2; ? - поправочный коэффициент, ? = 0,9; ?*- нормативное допускаемое напряжение, для стали 08Х18Н9Т при расчетной температуре 170 оС, ?*= 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.

?мин = ,м

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

?мин = 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.