Расчет емкостного аппарата с рубашкой и лопастной мешалкой для нагревания 20%-го раствора NaOH - файл n1.doc

приобрести
Расчет емкостного аппарата с рубашкой и лопастной мешалкой для нагревания 20%-го раствора NaOH
скачать (42.7 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc270kb.31.03.2010 19:02скачать

n1.doc

Емкостной аппарат с рубашкой и лопастной мешалкой для нагревания 2м3 20%-ного р-ра NaОН.

Начальная температура 15, конечная 80 С.

Давление греющего пара 0,25 МПа.


Введение


Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются лля осу­щест­вления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или ох­лаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные ап­параты называют подогревателями или холодильниками.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплооб­менных аппаратов:

- поверхностные, в которых оба теплоносителя разде­лены стенкой,
причем тепло передастся через поверхность стенки;

- регенеративные, б которых процесс передачи тепла от горячего теп­лоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и про­ис­ходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообмен­ни­ка;

- смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредс­т­венном соприкосновении теплоносителей.

В химической промышленности наибольшее распространение полу­чили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием кон­струкций.

Наиболее часто встречаются емкостные теплообменные аппараты с ме­шалками, используемые для проведения многих технологических про­цессов (плавления, кристаллизации, нагревания, охлаждения). Механиче­ские ме­шалки позволяют значительно интенсифицировать перечисленные выше про­цессы. Конструкции мешалок весьма разнообразны и выбор того или иного вида перемешивающего устройства производится в каждом от­дельном случае с учетом формы и размера аппарата и физико-химических свойств переме­шиваемой среды.

В качестве нагревательных устройств обычно применяются рубашки или змеевики, последние могут быть смонтированы как снаружи, так и внутри аппарата. Обогрев аппарата может быть проведен также "острым" паром или при помощи электрической энергии.

Наибольшее распространение в качестве греющего агента в теплооб­менниках получил насыщенный водяной пар, имеющими целый ряд досто­ин­ств:

- высокий коэффициент теплоотдачи;

- большое количество тепла, выделяемое при конденсации пара;

- рав­номерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоян­ной температуре;

- легкое регулирование обогрева.
  1. Выбор конструкционного материала


Так как водный раствор NaОН  является агрессивным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем не­ржавеющую сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600 єС [4c59].

  1. Определение габаритов аппарата


Полный объем аппарата:

Vп = Vр/ = 2,0/0,7 = 2,86 м3,

где  = 0,70 – коэффициент заполнения аппарата [3 c. 26].

Принимаем по ГОСТ 9931-61 аппарат с эллиптическим отбортованным днищем номинальной емкостью 3,2 м3:

- внутренний диаметр 1600 мм;

- высота цилиндрической части – 1250 мм;

- общая высота – 1675 мм.

- толщина стенки 10 мм.

Принимаем по ОН-26-01-74-68 рубашку диаметром 1700 мм с поверхностью теплообмена 8,5 м2 и высотой 1595 мм.


  1. Тепловой расчет аппарата


При теплообмене между греющим паром и жидкостью температура жидкости меняется только во времени и для данного отрезка времени во всех точках объема теплоносителя остается постоянной, а температура насыщенного пара постоянна как по времени так и по поверхности нагрева, поэтому среднюю разность температур можно считать как для установившегося режима.

Температура конденсации пара при давлении 0,25 МПа – tк =127,4 С.

Разности температур в начале и конце процесса.

?tб = tк – t = 127,4 – 15 = 112,4 єС

?tм = tк – t = 127,4 – 80 = 47,4 єС

Так как отношение ?tб/?tм = 112,4/47,4 = 2,37 > 2, то

Средняя разность температур:

?tср = (?tб – ?tм)/ln(?tб/?tм) = (112,4 – 47,4)/ln(112,4/47,4) = 75,3 єС

Средняя температура раствора:

t2ср = tк – ?tср = 112,4 – 75,3 = 37,1 єC.
Тепловая нагрузка аппарата:

Q = Dr = 1,03[G2c2(t - t) + Gаcа(tак - tан) + Gрcр(tрк - tрн)],
где D – массовый расход греющего пара,

r = 2181 кДж/кг – теплота конденсации греющего пара,

G2, Gа, Gр – масса раствора, аппарата и рубашки,

c2, cа, cр – теплоемкость раствора, материала аппарата и рубашки

t,t, tак, tан, tрк, tрн – начальные и конечные температуры раствора аппарата и рубашки.
Масса раствора:

G2 = Vр?2 = 2∙1210 = 2420 кг,

где ?2 = 1210 кг/м3 – плотность раствора при t2ср [2 c. 164].
Масса аппарата

Gа = Gо+2Gд = 496+2237 = 970 кг

где Gд = 237 кг – масса днища [2c.441]

Gо – масса обечайки

Go = 0,785(Dн2 – Dв2)Hст = 0,785(1,622 – 1,62)1,257850 = 496 кг

Принимаем массу аппарата с учетом фланцев, штуцеров, мешалки и т.д. Ga = 1200 кг.
Масса рубашки

Gр = Gо+Gд = 493+266 = 759 кг

где Gд = 266 кг – масса днища [2c.441]

Go = 0,785(Dн2 – Dв2)Hст = 0,785(1,722 – 1,72)1,177850 = 493 кг
с2 = 3,28 кДж/кг∙К – теплоемкость раствора [1 c.248]

са = ср = 0,5 кДж/кгК – теплоемкость стали [1c.527].
Принимаем t= tан = tрн = 20 С – начальная температура,

t= tак = 90 С – конечная температура раствора и аппарата,

tрк = 127 С – конечная температура рубашки.

Q = 1,03[24203,61(80 – 15) +12000,5(80 - 15) + 7590,5(127-15)] =

= 668838 кВт.

Расход греющего пара

D = Q/r = 668838/2181 = 306,7 кг

  1. Расчет перемешивающего устройства


Выбираем двухлопастную мешалку

Геометрические размеры мешалки [1c.525]

H/d = 3; D/dм= 3; h/dм= 0,33

Диаметр мешалки:

dм = Dв/3 = 1,6/3 = 0,53 м,

принимаем dм = 0,50 м.

Ширина мешалки:

b = 0,1dм = 0,10,5 = 0,05 м.

Рекомендуемое значение окружной скорости w = 1,55 м/с,

принимаем w = 4 м/с.

Число оборотов мешалки:

n = w/dм = 4/0,5 = 2,55 об/с.

Критерий Рейнольдса:

Re = ndм2/ = 12102,550,52/2,7210-3 = 283594

где  = 2,7210-3 Пас – вязкость раствора [3c.94].

Критерий мощности

К = c/Rem = 6,80/2835940,20 = 0,55

где с = 6,80; m = 0,20 – вспомогательные коэффициенты

Мощность, потребляемая мешалкой при установившемся режиме:

N = Kn3d5 = 0,5512102,5530,55 =346 Вт.

  1. Расчет времени нагрева


Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке:



где а = 1,15 – для вертикальной поверхности,

1 = 0,684 Вт/мК – теплопроводность конденсата [1c.537],

1 = 937 кг/м3 – плотность конденсата,

1 = 0,2210-3 Пас – вязкость конденсата,

t1 = 5 С – в первом приближении,

Н = 1,1 – высота вертикальной поверхности конденсации.

1 = 1,15[0,6843937221810009,8/(0,2210-351,1)0,25 = 9652 Вт/м2К.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору.

Критерий Нуссельта

Nu = CRemPr0,33(/ст)0,14,

где Pr =14,6 – критерий Прандтля,

(/ст)0,14 = 1 – в первом приближении,

для аппаратов с рубашками С = 0,36; m = 0,67

Nu = 0,362835940,6714,60,33 = 3925,

2 = Nu2/D = 39250,668/1,6 = 1639 Вт/м2К,

где 2 = 0,668 Вт/мК – теплопроводность раствора.
Тепловое сопротивление стенки:



где ст = 0,010 м – толщина стенки;

ст = 17,5 Вт/мК – теплопроводность нержавеющей стали [1 c.529];

r1 = r2 = 1/5600 мК/Вт – тепловое сопротивление загрязнений стенок;

(/) = 0,010/17,5 + 1/5600 + 1/5600 = 9,310-4 мК/Вт.
Коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/1+(/)+1/2) =

1/(1/9652+9,310-4+1/1639) = 608 Вт/м2К.
Температуры стенки:

tст1 = tср1 – Кtср/1 = 127,4 – 60875,3/9652 =122,7 С,

t1 = tk – tст1 = 127,4-122,7 = 4,7 С

1 = 9652(5/4,7)0,25 = 9802 Вт/м2К.
tст2 = tср2 + Кtср/2 = 37,1 + 60875,3/1639 = 65,0 С.

ст = 1,4810-3 Пас – вязкость раствора при tст2

2 = 1639(2,72/1,48)0,14 = 1785 Вт/м2К.
Уточняем коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/9802+9,310-4+1/1785) = 628 Вт/м2К.

Температуры стенки:

tст1 = 127,4 – 62875,3/9802 =122,6 С,

tст2 = 37,1 + 62875,3/1785 = 63,6 С.

Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейших уточне­ний не требуется.

Время нагрева раствора:

 = Q/KtcpF = 668838103/62875,38,5 = 1664 c = 27,7 мин.

6. Конструктивный расчет

6.1. Толщина обечайки рубашки


 = DP/2 +Cк,

где D = 1,7 м – внутрений диаметр обечайки;

P = 0,25 МПа – давление в аппарате;

 = 138 МН/м2 – допускаемое напряжение для стали [2 c.76];

 = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва [2 c.77];

Cк = 0,001 м – поправка на коррозию.

 = 1,700,25/21380,8 + 0,001 = 0,004 м.

Принимаем согласно рекомендациям [4c.24] толщину обечайки =10 мм.

6.2. Днища.


Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [3 c.25], толщина стенки днища 1 = = 8 мм.

Днище корпуса:


Днище рубашки:

6.3. Штуцера.


Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

d = ,

где G – массовый расход теплоносителя,

 - плотность теплоносителя,

w – скорость движения теплоносителя в штуцере.

Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1,0 м/с, скорость пара в

штуцере 15 м/с.

Массовый расход пара

G1 = 306,7/1664 = 0,184 кг/с

диаметр штуцера для входа пара:

d1,2 = (0,184/0,785151,39)0,5 = 0,106 м,

принимаем d1 = 100 мм;

диаметр штуцера для выхода конденсата:

d1,2 = (0,184/0,7851934)0,5 = 0,016 м,

принимаем d2 = 25 мм;
Принимаем время загрузки раствора 10 мин = 600 с, тогда

диаметр штуцера для входа и выхода раствора:

d3,4 = (2420/6000,7851,01210)0,5 = 0,065 м,

принимаем d3,4 = 65 мм.

Диаметр технологического люка принимаем равным 300 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:



Рис. 4 Фланец штуцера

dусл

D

D2

D1

h

n

d

25

100

75

60

12

4

11

65

160

130

110

14

4

14

100

205

170

148

14

4

18

300

435

395

365

22

12

22

6.4. Опоры аппарата.


Максимальная масса аппарата:

Gmax = Ga+ Gр +Gв =1200 + 759 + 3200 = 5159 кг = 0,051 МН,

где Gв – масса воды заполняющей аппарат.

Gв = Vнв = 3,21000 = 3200 кг

Принимаем, что аппарат установлен на четырех опорах, тогда нагрузка приходящаяся на одну опору:

Gоп = 0,051/4 = 0,013 МН

По [4 c.673] выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,025 МН.



Рис. 5 Опора аппарата.

6.5. Расчет тепловой изоляции


Принимаем температуру наружной поверхности стенки tст.в = 40 С, температуру окружающего воздуха tв = 18 С, тогда толщина стекловолокнистой изоляции:

,

где из = 0,09 Вт/мК – коэффициент теплопроводности теплоизоляци- онного материала,

в – коэффициент теплоотдачи от наружной стенки корпуса в окружающую среду

в = 8,4+0,06tв = 8,4+0,0622 = 9,72 Вт/м2К,

где tв = tст.в – tв = 40 – 18 = 22 С.

из = 0,09(127-40)/[9,72(40 – 18) = 0,037 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 40 мм.
Литература

  1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсупро­цессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.

  2. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета

химической аппаратуры – Л. «Машиностроение», 1975.

3. Кисельников В.Н., Архангельский А.Г. Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Учебное пособие. – Иваново, 1977.

4. Теплофизические свойства газов, растворителей и растворов солей. Спра-

вочник /Сост. Е.М.Шадрина и др. Иваново. 2004.

Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации