Полный тепловой расчет холодильника конечного раствора

3.8.1 Ориентировочный расчёт теплообменного аппарата.

Таблица 3.5

Основные данные для расчета холодильника

Раствор хлорида аммония	Вода
, % масс.
	82,9			30,0

 

Температурная схема процесса:

 

Характер изменения температур вдоль поверхности теплопередачи

t,°C t2H Δt2б t2k t1k ΔtM t1H   F

 

 

 

 

Рис. 3.4

 

 

Значение усредненной по всей теплообменной поверхности разности температур рассчитывается по формуле:

; (3.38)

;

;

Получаем

.

 

Средняя температура раствора:

, (3.39)

где

;

.

Расход раствора:

.

Количество теплоты, которое необходимо забрать у раствора:

, (3.40)

где - удельная теплоемкость раствора, рассчитанная по формуле 3.15 при и % масс.

По формуле 3.16 удельная температура воды при равна:

.

Тогда по формуле 3.15:

 

, получаем:

 

.

 

Расход воды:

, (3.41)

где - теплоемкость воды при средней температуре . По формуле 3.16 находим:

.

Тогда

.

Принимая по (/1/, табл. 4.8 стр. 172) ориентировочный коэффициент теплопередачи , рассчитываем ориентировочную поверхность теплопередачи:

.

Полученное оценочное значение поверхности теплопередачи позволяет сделать вывод о том, что в качестве холодильника может быть использован кожухотрубчатый одноходовой теплообменник с внутренним диаметром кожуха , числом труб , поверхностью теплообмена , длиной труб , проходным сечением трубного пространства , числом рядов труб (по (/3/ табл. 1.2 стр. 6))

3.7.2 Подробный расчет теплообменного аппарата

Теплоотдача в трубах при турбулентном режиме.

Зададимся Re=

Скорость течения раствора в аппарате для обеспечения условия Re > должна быть не ниже

м/с (3.42)

Где рассчитана по формуле 3.10

-динамическая вязкость, рассчитанная по формуле 3.24

Поперечное сечение трубного пространства, обеспечивающее скорость раствора :

(3.43)

Объёмные расходы воды и раствора:

(3.44)

 

(3.45)

Кожухотрубчатый холодильник наименьшего диаметра 159 мм с числом труб 13 имеет Sтр=5 10^-3 м² /2, табл. 4.12/. Следовательно, турбулентное течение упаренного раствора MgSO4 можно обеспечить только в аппарате с меньшим сечением трубного пространства, т.е. в теплообменнике «труба в трубе».

Рассмотрим аппарат, изготовленный из труб 57´4 мм (наружная труба) и 25´3 мм (внутренняя труба). Скорость концентрата в трубах для обеспечения турбулентного течения должна быть более :

(3.46)

Число параллельных труб при этом должно быть не более чем

 

(3.47)

 

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

Для воды, проходящей по двум параллельным кольцевым пространствах:

Где - эквивалентны диаметр кольцевого канала, равный разности между внутренним диаметром наружной трубы и наружным диаметром внутренней трубы.

Интенсивность теплоотдачи описывается корреляционным соотношением

(3.48)

Коэффициент примем равным 1 полагая, что L/dэ>50 (/2/ табл. 3.1/).

В качестве первого приближения вместо задания температуры одной из стенок (например, можно принять приближенное равенство Тогда значение критерия Нуссельта для раствора:

Где

теплопроводность раствора при t=42,12

Коэффициент теплоотдачи от раствора к стенке:

(3.49)

Значение критерия Нуссельта для воды

Где

теплопроводность воды при t=20 ,рассчитанная по формуле 3.20

Коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору:

(3.50)

Суммарное термическое сопротивление стальной стенки внутренней трубы и загрязнений с обеих ее сторон находятся по табл. XXVI:

(3.51)

Значение коэффициента теплопередачи:

 

(3.52)

Поверхностная плотность теплового потока:

По значению ,которое для стационарного процесса должно быть одинаковым через все последовательные термические сопротивления ,определяются первые приближения для значений температур поверхностей стенок:

(3.53)

(3.54)

В качестве второго приближения вводится поправка в значения коэффициентов теплоотдачи и на симплексы ,для чего определяем значения критериев Прандтля при

Где

и - значения теплопроводности и динамической вязкости при ,рассчитанные по формулам 3.20 и 3.25.

 

Где

и - значения теплопроводности и динамической вязкости при ,рассчитанные по формулам 3.19 и 3.24

Новые уточненные значения коэффициентов теплоотдачи:

(3.55)

(3.56)

Исправленные значения К, q, tст.1, tст.2:

 

Дальнейшее уточнение a1, a2 и других величин не требуется, так как расхождение между a’1, a1 и a’2, a2 и др. не превышает 5%.

 

Расчётная площадь поверхности теплопередачи:

(3.57)

Если принять необходимый 10%-й запас теплообменной поверхности, то

Площадь цилиндрической поверхности одной трубы диаметром 25*3 мм длиной 6,0 м рассчитывается по её среднеарифметическому диаметру:

(3.58)

Число необходимых труб всего

(3.59)

Таким образом, согласно проведенному расчёту, необходимые расходные и температурные параметры теплообменного процесса может обеспечить теплообменник типа «труба в трубе», имеющий две параллельные секции(n=2) по N/n=10 последовательных труб в каждой секции; диаметр труб 25´3 и 57´4.

3.7.3Теплоотдача в трубах при ламинарном режиме.

Зададим Re=2300

Скорость течения раствора в аппарате:

м/с (3.60)

 

Поперечное сечение трубного пространства, обеспечивающее скорость раствора :

Рассмотрим аппарат кожухотрубчатый с 37 трубами диаметром 25´2мм и диаметром кожуха D= 273мм (/3/, табл.1.2, стр.5)

Скорость раствора в 37 трубах теплообменника

(3.61)

Критерий Рейнольдса для раствора

 

Скорость движения воды в проходном сечении межтрубного пространства

 

Критерий Рейнольдса

Расчет коэффициента теплоотдачи.

 

Т.к. значение Re менее 10000, произведем расчет произведения . В выражение для критерия Gr, а также в выражение для определяющей температуры входит величина . Но определяется только в конце расчета. Поэтому зададимся значением , исходя из того, что: .

Теплоотдача описывается уравнением(при шахматном расположении труб в пучке):

(3.62)

Где - критерий Прандтля при 25

Коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору:

Плотность теплового потока:

Значение температуры стенки со стороны раствора:

 

Выбор расчётного соотношения для определения коэффициента теплоотдачи от раствора при производится по значению произведения и при средней температуре пограничного слоя в потоке раствора и длине труб для рассматриваемого теплообменника:

 

Где , , -находятся при t=35 по формулам 3.15,3.10,3.19

Здесь плотность раствора при

,где и - плотности раствора при и и , и -динамическая вязкость, удельная теплоёмкость и теплопроводность раствора при

> , <3500, поэтому рассчитываем критерий Нуссельта по формуле:

(3.63)

Где - динамическая вязкость раствора при 28,56 по формуле 3.24

Коэффициент теплоотдачи от раствора

Значение коэффициента теплопередачи:

Плотность теплового потока от раствора к воде:

Cравнение значений и показывает их значительное различие. Это свидетельствует о неудачном задании первого приближения для значения температуры стенки .

Новое значение принимается на основе полученных в первом приближении значений и :

Далее производятся расчёты аналогичны предыдущим, но с новым значением

Отличается от предыдущего значением при

Плотность теплового потока к наружной стенке труб:

Температура внутренней поверхности

Критерий Нуссельта для раствора

Где - динамическая вязкость раствора при 26,67

Коэффициент отдачи от раствора

 

Плотность теплового потока от внутренней поверхности

Различия значений и не превышает 5%, значит последующие уточнения не имеют смысла.

Среднее значение плотности теплового потока

Расчетная поверхность принятого кожухотрубчатого теплообменника, который, как показывают проведенные расчёты, обеспечивает заданные параметры теплообменного процесса:

Принимаем 10%-й запас теплообменной поверхности:

Теплообменная поверхность одного кожухотрубчатого теплообменника с числом труб 37 и длиной труб 3 м

Следовательно, необходимое число последовательно включенных аппаратов

Что приводит к несколько меньшему, чем принятые 10%, запасу теплообменной поверхности .

 

Окончательно согласно ГОСТ 9830-79 выбираем аппарат “труба в трубе”, изготовленный из труб 57´4 (наружная труба) и 25´3 (внутренняя труба). Длина кожуховых труб – 6 м; площадь теплообмена –9,5м².

 

1.8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДОВ ГРЕЮЩЕГО ПАРА И ВОДЫ НА ВСЮ УСТАНОВКУ

 

Расход греющего пара:

,

где - расход пара на подогрев раствора, - расход пара на выпаривание.

Расход воды:

,

где - расход воды в барометрическом конденсаторе, - расход воды в холодильнике.

 

 

ВЫВОДЫ ПО ПРОЕКТУ

 

В данной курсовой работе представлен процесс выпаривания раствора сульфата магния.

В результате приведенных выше расчетов были выбраны следующие аппараты:

- выпарной аппарат: тип 1 исполнение 2 группа А – выпарной аппарат с выносной греющей камерой и кипением в трубах с площадью поверхности теплопередачи 63 ;

- Для подогрева мы выбираем: 2 кожухотрубчатых одноходовых теплообменников, с внешним диаметром кожуха , числом труб , поверхностью теплообмена , длиной труб , проходным сечением и числом рядов труб , расположенных в шахматном порядке.

- барометрический конденсатор диаметром с высотой трубы 6,13м. (/5/, табл. 2.7 стр. 26).

- вакуум насос типа ВВН1-3 мощностью N=4,95 кВт

холодильник: теплообменник типа “труба в трубе”, изготовленный из труб 57´4 (наружная труба) и 25´3 (внутренняя труба). Длина кожуховых труб – 6 м; площадь теплообмена –9,5м².

-

Расход греющего пара на всю установку: .

Расход воды на всю установку: .

Среда раствора сульфата магния относится к слабоагрессивным средам, поэтому в качестве основного конструкционного материала для всех аппаратов применима сталь Ст3кп.

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.- корр. АН СССР П. Г. Романкова, - 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.

2. Борисов Г. С., Брыков В. П., Дытнерский Ю. И./Под редакцией Дытнерского Ю. И., 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1991. – 496с

 

3. Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные: Метод. указания/ЛТИ им. Ленсовета. – Л.: 1989. – 40 с.

4. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, 8-е изд., М.: Химия, 1971. – 784 с.

5. Методическое пособие №705

Приложение 1 рисунок 1

Аппарат с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой.

Рисунок 2

Аппарат с выносными циркуляционными трубами

 

Рисунок 3

Аппарат с выносной нагревательной камерой.

Рисунок 4

 

Аппарат с вынесенной зоной кипения.