Теплообменник для охлаждения раствора NaOH

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание на проектирование

Рассчитать и спроектировать теплообменник для охлаждения раствора NaOH. После выпаривания раствор с концентрацией 25% массовых долей поступает в количестве 10 м³/час. Начальная температура раствора равна температуре кипения t_кип. , t_к = 35⁰С. Охлаждение производится водой начальная температура воды равна t_н = 10⁰С, конечная температура t_к = 35⁰С.

Введение

Процессы теплообмена имеют большое значение в химической, энергетической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. В теплообменных аппаратах теплопередача от одной среды к другой через разделяющую их стенку обусловлена рядом факторов и является сложным процессом, который принято разделять на три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. На практике эти явления не обособлены, находятся в каком-то сочетании и протекают одновременно.

Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагревающая среда, и отдающие тепло, принято называть нагревающими агентами, а теплоносители с более низкой температурой, чем среда, от которой они воспринимают тепло, - охлаждающими агентами.

В химической промышленности применяют теплообменные аппараты различных типов и конструкций. К числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников относятся кожухотрубчатые теплообменники.

В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая - в межтрубном пространстве. Одноходовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными или горизонтальными. Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. Горизонтальные теплообменники изготавливают обычно многоходовыми и работают при больших скоростях участвующих в теплообмене сред для того, чтобы свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и плотностей, а также устранить образование застойных зон.

Кроме кожухотрубчатых теплообменников частоепрактическое применение находят двухтрубчатые теплообменники. Теплообменники этой конструкции, называемые также теплообменниками типа «труба в трубе». Состоят из нескольких последовательно соединённых трубчатых элементов, образованных двумя концентрически расположенными трубами. Один теплоноситель движется по внутренним трубам, а другой - по кольцевому зазору между внутренними и наружными трубами.

1. Расчет тепловой нагрузки

Ввиду того, что в трубах нагревается раствор гидроксида натрия, а не вода и температура в трубах выше 60 ⁰С, используем аппараты типа ТН или ТК. Принимаем для межтрубного пространства индекс «1», для трубного- «2».

Определение температуры кипения раствора гидроксида натрия.

Определение температуры кипения раствора гидроксида натрия производится при помощи диаграммы построенной на основе таблицы t_кип-конц. (табл. XXXVI) [1,с.535]:

Конц.	14,53	18,32	23,08	26,21	33,77	37,58
tкип.	105	107	110	115	120	125

Температура кипения гидроксида натрия t_кип = 113 ⁰С

Температурная схема:

Температура охлаждающей воды: до охлаждения 10 ⁰С - после 25 ⁰С

Температура охлаждаемого раствора: до охлаждения 113 ⁰С - после 35 ⁰С

Дt_б = 88 ⁰С Дt_м = 25,0 ⁰С

Средняя разность температур:

Средняя температура раствора гидроксида натрия:

t₂ = t_н2- Дt_ср = 113 ⁰С - 50,061 ⁰С = 62,939 ⁰С ? 63 ⁰С

Объёмный расход раствора гидроксида натрия: V₂=10 м³/час.

V₂ =10/3600 м³/с, V₂ =1/360 м ³/с; V₂ = 0,0027778 м³/с.

Плотность раствора гидроксида натрия: (табл. IV) [1,с.512]:

t \ w	w=20%	w=30%	w=25%
t=100 0С	1170	1276	1223
t=120 0С	1155	1261	1208

t_кип = 113⁰С; w=25%

с₂ = 1208+(113 -100)* (1223 -1208)/20 =1217,75 ? 1218 кг/м³

Массовый расход раствора гидроксида натрия:

G₂ = V₂*с₂ =(10*1217,75 )/3600=3,3826кг/с

Средняя удельная теплоемкость раствора гидроксида натрия (при 63 ⁰С) [9, с.80]:

Элемент	Na	O	H
Q (кДж/кг*К)	26,0	16,8	9,6

С_NaOH =26,0 +16,8+9,6=1,31 кДж/кг*К

С_NaOH =1,31 кДж/кг*К. С_воды = 4,18 кДж/кг*К. (табл. XXXIX) [1, с.537].

С_раст = С_воды *Х_воды + С_NaOH *Х_NaOH = 4,18*0,75 +1,31*0,25 = 3,4625кДж/кг*К

С_раст = 3462,5 Дж/кг*К

Получаемое тепло от охлаждения раствора гидроксида натрия:

Q=G₂C₂(t_2к-t_2н)=3,3826*3462,5* (35 -113)= - 913556Дж/кг*К

Расход охлаждающей воды с учетом потерь холода в размере 5% теплоты:

V₁ = G₁/с₁ = 15,262/998 = 0,015293 м³/с.

Где С₁ = 4,19 кДж/кг*К - удельная теплоёмкость воды (табл. XXXIX) [1, с.537].

Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. По табл. 4.8. [1, с.172]: минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от жидкостей к жидкостям (подогреватели К_min = 800 Вт/(м²*К)). При этом:

F_max = Q/K_min* Дt_ср = 913556/(800*50,061)=22,811м²

2. Ориентировочный выбор теплообменника

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Раствор направим в трубное пространство, так как он даёт загрязнение, охлаждающую воду - в межтрубное пространство.

В теплообменных трубах O25 х 2 мм холодильников по ГОСТ 15120-79 скорость течения рассола для обеспечения турбулентного режима при Re₂ > 10 000 должна быть более:

Нахождение динамического коэффициента вязкости раствора гидроксида натрия при t₂ = 63 ⁰С

Плотность растворов гидроксида натрия в зависимости от температуры (табл. IV) [1, с.512]:

t 0С	60	80	63
С кг/м3 при 30%	1303	1289	1301
С 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
м мПа* с 30%	3,4	2,16	3,214
м мПа* с 20%	1,63	1,27	1,576

 - где x_v1 и x_v2 - объёмные доли компонентов смеси. Рассчитаем их:

m₁ = m₂,x_v1*с₁ = x_v2*с _2,x_v1*с₁ = (1- x_v1)*с ₂

x_v1+x_v2 = 1;x_v2 = 1-x_v1;x_v1*(с₁ + с ₂) = с₂

x_v2 = 1-x_v1 = 1- 0,5214=0,4786

м=2,084*10^-3 Па*с

с= x_v1*с₁ + x_v2*с _2,= 0,5214*1194 + 0,4786*1301=1245 кг/м³

Скорость течения, обеспечивающая объёмный расход раствора гидроксида натрия при Re₂ > 10 000:

Проходное сечение трубного пространства при этом должно быть менее:

Кожухотрубчатый холодильник наименьшего диаметра 159 мм с числом труб 13 имеет S_т = 0,5*10^-2 м², согласно (табл. 4.12) [1, с.215]. Следовательно, турбулентное течение рассола можно обеспечить только в аппарате с меньшим сечением трубного пространства, то есть в теплообменнике «труба в трубе». Также рассмотрим одиночный кожухотрубчатый теплообменник и элементный (составленный из нескольких кожухотрубчатых аппаратов меньшей площади, соединённых последовательно). Теплообменник типа «труба в трубе».

Одноходовый теплообменник с числом труб n=37, наружный диаметр кожуха D=273 мм; Шестиходовый теплообменник с числом труб на один ход трубного пространства n =32,67 (общее число труб 196), наружный диаметр кожуха D=600 мм;

Вариант №1 Двухтрубчатый теплообменник.

Рассмотрим аппарат, изготовленный из труб 89?4 мм (наружная труба) и 57?3,5 мм (внутренняя труба).

Скорость раствора гидроксида натрия в трубах для обеспечения турбулентного течения должна быть более щ?₂.

Нахождение динамического коэффициента вязкости раствора гидроксида натрия при t₂ = 63 ⁰С.

Плотность растворов гидроксида натрия в зависимости от температуры. (табл. IV) [1, с.512]:

t 0С	60	80	63
с кг/м3 при 30%	1303	1289	1301
с 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
м мПа* с 30%	3,4	2,16	3,214
м мПа* с 20%	1,63	1,27	1,576

- где x_v1 и x_v2 - объёмные доли компонентов смеси. Рассчитаем их:

m₁ = m₂,x_v1*с₁ = x_v2*с _2,x_v1*с₁ = (1- x_v1)*с ₂

x_v1+x_v2 = 1;x_v2 = 1-x_v1;x_v1*(с₁ + с ₂) = с₂

x_v2 = 1-x_v1 = 1- 0,5214=0,4786

м=2,084*10^-3 Па*с

с= x_v1*с₁ + x_v2*с _2,= 0,5214*1194 + 0,4786*1301=1245 кг/м³

Примем n=2. Определим скорость и критерий Рейнольдса для рассола:

,

Где эквивалентный диаметр d_э =D - d = 0,081- 0,057=0,024 м.

Ш Коэффициент теплоотдачи для раствора гидроксида натрия.

л _20%NaOH=0,550 Вт/м*К; л_30%NaOH =0,555 Вт/м*К - коэффициенты теплопроводности раствора гидроксида натрия при t₂ = 20 ⁰С [5, с.718]

л=0,552 Вт/м*К

Отношение принято равным 0,99 (с последующей проверкой).

Коэффициент е_l принят равным 1, пологая, L/d _э>50 (табл. 4.3) [1,с.153]: Таким образом, коэффициент теплоотдачи:

Ш Коэффициент теплоотдачи для охлаждающей воды.

Коэффициенты теплопроводности воды при t₁ = 17,5 ⁰С. (табл. XXXIX) [1,с.537]:

t 0С	10	20	17,5
л 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
м*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].

л_ст=46,5 Вт/м*К Коэффициент теплопроводности стали (табл. XXVIII), [1,с.529].

Ш Проверим принятое значение коэффициента теплоотдачи для раствора гидроксида натрия . Для этого определим:

q = K* Дt_ср=1209*50,061 = 60524 Вт/м²

Дt₂ = q/б₂ = 60524/3442 = 17,58 ⁰С

t_ст2 = t₂ - Дt₂ = 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
с кг/м3 при 30%	1316	1303	1313
с 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
м мПа* с 30%	6,3	3,4	5,575
м мПа* с 20%	2,48	1,63	2,268

- где x_v1 и x_v2 - объёмные доли компонентов смеси. Рассчитаем их:

m₁ = m₂,x_v1*с₁ = x_v2*с _2,x_v1*с₁ = (1- x_v1)*с ₂

x_v1+x_v2 = 1;x_v2 = 1-x_v1;x_v1*(с₁ + с ₂) = с₂

x_v2 = 1-x_v1 = 1- 0,5214=0,4786

м=3,185*10^-3 Па*с

л₂ =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* Дt_ср=1209*50,061 = 60524 Вт/м²

Дt₁ = q/б₁ = 60524/8595 = 7,04 ⁰С

t_ст1 = t₁ + Дt₁ = 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
л 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
м*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* Дt_ср=1173*50,061 = 58722 Вт/м²

F?_р = Q/q = 913556/58722 =15,56 м²

С запасом 10%: F_р = 17,11 м²

Площадь поверхности теплообмена одного элемента длиной 6 м:

F₁ = рd_срL = 3,14*0,0535*6 = 1,01 м²

N = F_р/n*F₁ = 17,11/2*1,01 = 9 шт.

Вариант №2 Одноходовый теплообменник.

Ш 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, м=2,084*10^-3 Па*с, л=0,552 Вт/м*К.

Отношение принято равным 0,99 (с последующей проверкой).

Таким образом, коэффициент теплоотдачи:

Ш 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
м*10-3 Па* с	1,083	1,056	1,0695

Коэффициент е = 0,6. (табл. 4.5) [1, с.157]:

Отношение принято равным 1,01 (с последующей проверкой).

Таким образом, коэффициент теплоотдачи:

Ш Проверим принятое значение коэффициента теплоотдачи для раствора гидроксида натрия. Для этого определим:

q = K* Дt_ср=1006*50,061 = 50361 Вт/м²

Дt₂ = q/б₂ = 50361/1988 = 25,34 ⁰С

t_ст2 = t₂ - Дt₂ = 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
м мПа* с 25%	5,25	3,86	4,194

С₂ = 3462,5 Дж/кг*К, м = 4,194*10^-3 Па*с, л₂ = 0,552 Вт/м*К.

Отношение было принято равным 0,99.

Ш Проверим принятое значение коэффициента теплоотдачи для охлаждающей воды. Для этого определим:

q = K* Дt_ср=1006*50,061 = 50361 Вт/м²

Дt₁ = q/б₁ = 50361/9725 = 5,18 ⁰С

t_ст1 = t₁ + Дt₁ = 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
л 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
м*10-3 Па* с	0,9579	0,9358	0,9429

С₁=4,187 кДж/кг*К. (табл. XXXIX) [1, с.537].

Отношение было принято равным 1,01.

Таким образом, коэффициент теплоотдачи:



Ш Произведём дальнейшее уточнение, так как расхождение между б₂?, б₂ и К ?, К превышает 5%.

Ш Уточним значение коэффициента теплоотдачи для раствора гидроксида натрия. Для этого определим:

q? = K?* Дt_ср=922,4*50,061 = 46176 Вт/м²

Дt?₂ = q?/б?₂ = 46176/1686 = 27,39 ⁰С

t?_ст2 = t₂ - Дt?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
м мПа* с 25%	5,25	3,86	4,631

С₂ = 3462,5 Дж/кг*К, м = 4,631*10^-3 Па*с, л₂ = 0,552 Вт/м*К.

Отношение было принято равным 0,8396.

Таким образом, коэффициент теплоотдачи:

Дальнейшее уточнение не требуется, так как расхождение между б₁?, б₁ и б₂?, б₂ , и К ?, К?? не превышает 5%.

q??? = K???* Дt_ср=909,9*50,061 = 45551 Вт/м²

F?_р = Q/q = 913556/45551 = 20,06 м²

С запасом 10%: F_р = 22,06 м²

Площадь поверхности теплообмена одного элемента длиной 3 м: F₁ = 3 м²

N = F_р/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 O25 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.

Ш Коэффициент теплоотдачи для раствора гидроксида натрия.

n ^I =196/6=32,667 Дt_б = 88 ⁰С Дt_м = 25 ⁰С

Уточняю значение для критерия Re₂:

Средняя разность температур: Дt_ср = 45,49 ⁰С

Средняя температура раствора гидроксида натрия:

t₂ = t_н2- Дt_ср = 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
С кг/м3 при 30%	1303	1289	1298
С 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
м мПа* с 30%	3,4	2,16	2,934
м мПа* с 20%	1,63	1,27	1,495

x_v2 = 1-x_v1 = 1- 0,5214=0,4786

м=1,954*10^-3 Па*с

Критерий Прандтля для раствора гидроксида натрия при t₂ = 67,5 ⁰С:

С₂=3462,5 кДж/кг*К, м=1,954*10^-3 Па*с, л=0,552 Вт/м*К.

Отношение принято равным 0,99 (с последующей проверкой).

Таким образом, коэффициент теплоотдачи:

Ш 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
м*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
л Вт/м*К	0,575	0,599	0,593

Коэффициент е = 0,6. (табл. 4.5) [1, с.157]:

Отношение принято равным 1,01 (с последующей проверкой).

Таким образом, коэффициент теплоотдачи:

Коэффициент теплопередачи.

Ш Проверим принятое значение коэффициента теплоотдачи для раствора гидроксида натрия. Для этого определим:

q = K* Дt_ср=509,1* 45,49 = 23159 Вт/м²

Дt₂ = q/б₂ = 23159/843,2 = 27,47 ⁰С

t_ст2 = t₂ - Дt₂ = 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
м мПа* с 25%	5,25	3,86	4,625

С₂ = 3462,5 Дж/кг*К, м = 4,625*10^-3 Па*с, л₂ = 0,552 Вт/м*К.

Отношение было принято равным 0,99.

Ш Проверим принятое значение коэффициента теплоотдачи для охлаждающей воды. Для этого определим:

q = K* Дt_ср=509,1* 45,49 = 23159 Вт/м²

Дt₁ = q/б₁ = 23159/2561 = 9,04 ⁰С

t_ст1 = t₁ + Дt₁ = 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
л 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
м*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:

Ш Произведём дальнейшее уточнение, так как расхождение между б₂?, б₂ и К ?, К превышает 5%.

Ш Проверим принятое значение коэффициента теплоотдачи для раствора гидроксида натрия. Для этого определим:

q = K* Дt_ср= 451,2* 45,49 = 20525 Вт/м²

Дt₂ = q/б₂ = 20525/843,2 = 29,90 ⁰С

t_ст2 = t₂ - Дt₂ = 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
м мПа* с 25%	5,25	3,86	4,833

С₂ = 3462,5 Дж/кг*К, м = 4,833*10^-3 Па*с, л₂ = 0,552 Вт/м*К.

Отношение было принято равным 0,8063.

Проверим принятое значение коэффициента теплоотдачи для охлаждающей воды. Для этого определим:

q? = K?* Дt_ср=451,2* 45,49 = 20525 Вт/м²

Дt?₁ = q?/б?₁ = 20525/2688 = 7,64 ⁰С

t?_ст1 = t₁ + Дt?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
л 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
м*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 б₁?, б₁ и б₂?, б₂ , и К ?, К?? не превышает 5%.

q?? = K??* Дt_ср=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 F_р = 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-F_р/ F_р = 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 d_тр.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 d_тр.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:

с= x_v1*с₁ + x_v2*с _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.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973, 750 с.

4. Справочник химика. - М. - Л.: Госхимиздат, 1963, Т.1, 1071 с.

5. Справочник химика. - М. - Л.: Госхимиздат, 1965, Т.3, 1008 с.

6. Кувшинский М.Н. Соболева А.П. Курсовое проектирование по предмету "процессы и аппараты химической промышленности". - М.: Высшая школа, 1980, 223 с.

7. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: в 2 кн - М.: Химия, 1995.

8. 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.

9. Физическая химия. Под ред. Стромберг А.Г. М.: - Высшая школа, 1988, 496 с.

Размещено на Allbest.ru