Проектування теплообмінника для нагрівання цільвого компоненту

Міністерство  освіти і науки України

Національний  університет "Львівська політехніка"

Інститут ІМТ                                                                            Кафедра ЕМБ

ПтАПХВ 02.04.00.00.00 ПЗ

Розрахунково - пояснювальна записка

до курсової роботи

з дисципліни: "Процеси та апарати переробних та харчових виробництв"

Завдання 2

Варіант 4

Студент               гр. ПХВ-41                                                    Стащак Я.В.

Керівник              к.т.н.,доцент                                                Майструк В.В

Львів - 2012 р

ЗАВДАННЯ

на  курсовий проект

за спеціальністю  «Обладнання переробних та харчових виробництв»

для студента стаціонарної форми навчання гр. ПХВ-41

Стащака Я.В.

Тема: Розрахувати та запроектувати теплообмінник для нагрівання G (кг/c) речовини від початкової температури Т_1поч(⁰С) до кінцевої Т₁к (⁰С) теплоносієм з параметрами Р_ГП (МПа). Умовне позначення типу теплообмінника: КГ- кожухотрубний горизонтальний;

Кінцевий термін здачі курсового проекту «____»__________ 201_ року.

 Вхідні  дані:

Зміст основної частини розрахунково-пояснювальної  записки

Зміст графічної частини:

Видав :

доцент каф. ЕМБ , к.т.н. Майструк В.В.                          «____»__________ 201_ року.

Отримав :

студент гр. ПХВ-41          Стащак Я.В.                             «____»__________ 201_ року.

АНОТАЦІЯ

на курсовий проект

Тема:   ПРОЕКТУВАННЯ  ТЕПЛООБМІННИКА ДЛЯ НАГРІВАННЯ ЦІЛЬВОГО КОМПОНЕНТУ

Курсова робота складається з розрахунково-пояснювальної записки (15 стор. формату А4) і графічної частини ( 1 аркуш формату А1).

Спроектований теплообмінник призначений для охолодження цільового компоненту.

В розрахунково-пояснювальній  записці приведено послідовність  розрахунку для проектування теплообмінника, вибраний найбільш оптимальний варіант теплообмінника, вибрані оптимальні розміри, розрахунок гідравлічного опору теплообмінника.

Список використаних джерел містить 3 найменування.

В графічній  частині приведено складальне креслення  теплообмінника із технічними вимогами до нього, робоче креслення окремих  елементів.

Ключові слова:

 тепловий баланс, теплообмін, рідина, цільовий компонент.

ЗМІСТ

1. Коротка характеристика хімічної речовини.
1. Калій

Калій (лат. Kalium), K (читається «калій»), хімічний елемент з атомним номером 19, атомна маса 39,0983.

Калій зустрічається  в природі у вигляді двох стабільних нуклідів: 39К (93,10% за масою) і 41К (6,88%), а  також одного радіоактивного 40К (0,02%). Період напіврозпаду калію - 40 Т_1/2 приблизно в 3 рази менше, ніж Т_1/2 урану-238 і становить 1,28 мільярди років. При розпаді калію-40 утворюється стабільний кальцій-40, а при розпаді за типом електронного захоплення утворюється інертний газ аргон-40.

Калій належить до числа  лужних металів. У періодичній системі  Менделєєва калій займає місце в  четвертому періоді в підгрупі ІА. Конфігурація зовнішнього електронного шару 4s1, тому калій завжди виявляє ступінь окислення +1 (валентність I).

Атомний радіус калію 0,227 нм, радіус іона K⁺ 0,133 нм. Енергії послідовної іонізації атома калію 4,34 і 31,8 еВ. Електронегативність калію за Полінгом 0,82, що говорить про його яскраво виражених металевих властивості. В вільному вигляді - м'який, легкий, сріблястий метал.

Фізичні та хімічні властивості: металевий калій м'який, він легко  ріжеться ножем і піддається пресуванню та прокатці. Криталічна гратка - кубічно об'ємна центрована, параметр а = 0,5344 нм. Щільність калію менше щільності води і дорівнює 0,8629 г/см³. Як і всі лужні метали, калій легко плавиться (температура плавлення 63,51 ° C) і починає випаровуватися вже при порівняно невисокому нагріванні (температура кипіння калію 761 ° C).

Калій, як і інші лужні метали, хімічно дуже активний. Легко взаємодіє з киснем повітря  з утворенням суміші, переважно складається  з пероксиду К₂О₂ і супероксиду KO₂ (К₂О₄):

2K + O₂ = K₂O₂, K + O₂ = KO₂.

При нагріванні на повітрі  калій згорає фіолетово-червоним полум'ям. З водою і розведеними кислотами  калій взаємодіє з вибухом (запалюється  утворюється водень (H)):

2K + 2H₂O = 2KOH + H₂

з кисневмісними кислотами при такій взаємодії може відновлюватися. Наприклад, атом сірчаної кислоти відновлюється до S, SO₂ або S₂-:

8К + 4Н₂SO₄ = K₂S + 3K₂SO₄ + 4H₂O.

При нагріванні до 200-300 ° C калій реагує з воднем (H) з утворенням солеподобного гідриду КН:

2K + H₂ = 2KH

З галогенами калій взаємодіє з вибухом. Цікаво відзначити, що з азотом (N) калій не взаємодіє.

Калій легко розчиняється в рідкому аміаку. У такому стані калій викори-стовують для проведення деяких реакцій. При зберіганні калій повільно реагує з аміаком з утворенням Аміда KNH₂:

2K + 2NH₃ рі. = 2KNH₂ + H₂

Найважливіші сполуки  калію: оксид К₂О, пероксид К₂О₂, супероксид К₂О₄, гідроксид КОН, іодіда KI, карбонат K₂CO₃ і хлорид KCl.

Оксид калію К₂О, як правило, отримують непрямим шляхом за рахунок реакції пероксиду і металевого калія:

2K + K₂O₂ = 2K₂O

Цей оксид виявляє  яскраво виражені основні властивості, легко реагує з водою з утворенням гідроксиду калію КОН:

K₂O + H₂O = 2KOH

Гідроксид калію, або  їдке калі, добре розчинний у воді (до 49,10% маси при 20 ° C). Утворюється розчин - дуже сильне основу, що відноситься до лугів. КОН реагує з кислотними і амфотерними оксидами:

SO₂ + 2KOH = K₂SO₃ + H₂O,

Al₂O₃ + 2KOH + 3H₂O = 2K [Al (OH)₄] (так реакція протікає в розчині) і

Al₂O₃ + 2KOH = 2KAlO₂ + H₂O (так реакція протікає при сплаву реагентів).

В промисловості гідроксид  калію KOH отримують електролізом водних розчинів KCl або K₂CO₃ із застосуванням іонообмінних мембран і діафрагм:

2KCl + 2H₂O = 2KOH + Cl₂ + H₂,

або за рахунок обмінних реакцій розчинів K₂CO₃ або K₂SO₄ з Ca (OH)₂ або Ba (OH)₂:

K₂CO₃ + Ba (OH)₂ = 2KOH + BaCO₃

Попадання твердого гідроксиду калію або крапель його розчинів на шкіру і в очі викликає тяжкі опіки шкіри та слизових оболонок, тому працювати з цими їдкими речовинами треба тільки в захисних окулярах і рукавичках. Водні розчини гідроксиду калію при зберіганні руйнують скло, розплави - фарфор.

Карбонат калію K₂CO₃ (популярна назва поташ) одержують при нейтралізації розчину гідроксиду калію вуглекислим газом:

2KOH + CO₂ = K₂CO₃ + Н₂О.

В значних кількостях поташ міститься в золі деяких рослин.Назва: від арабського "аль-калі поташ" (давно відоме з'єднання калію, видобувається з деревної золи).

2. Історія відкриття: сполуки калію, як і його найближчого хімічного аналога - натрію (Na), були відомі з давніх-давен і знаходили застосування в різних областях людської діяльності. Однак самі ці метали були вперше виділені в вільному стані тільки в 1807 році в ході експериментів англійського вченого Г. Деві.

Деві, використовуючи гальванічні  елементи як джерело електричного струму, провів електроліз розплавів поташу і каустичної соди і таким чином виділив металеві калій і натрій, які назвав «потассіем» (звідси збереглося в англомовних країнах і Франції назва калію - potassium) і «содіем». У 1809 англійський хімік Л. В. Гільберт запропонував назву «калій» (від арабського аль-калі поташ).

3. Знаходження в природі: вміст калію в земній корі 2,41% за масою, калій входить в першу десятку найбільш поширених в земній корі елементів (7-е місце). Основні мінерали, що містять калій: сильвін KСl (52,44% К), сильвініт (Na, K) Cl (цей мінерал є щільно спресовану механічну суміш кристалів хлориду калію KCl і хлориду натрію (Na) NaCl), Карналіт KCl · MgCl₂ · 6H₂O (35,8% К), різні алюмосилікати, що містять калій, каїніт KCl · MgSO₄ · 3H₂O, полігаліт K₂SO₄ · MgSO₄ · 2CaSO₄ · 2H₂O, алуніти KAl₃ (SO₄)₂(OH)₆. У морській воді міститься близько 0,04% калію.

4. Отримання: в даний час калій отримують при взаємодії з рідким натрієм (Na) розплавлених KOH (при 380-450 ° C) або KCl (при 760-890 ° C):

Na + KOH = NaOH + K

Калій також отримують  електролізом розплаву KCl в суміші з K₂CO₃ при температурах, близьких до 700 ° C:

2KCl = 2K + Cl₂

Від домішок калій очищають вакуумної дистиляцією.

5. Застосування: металевий натрій - матеріал для електродів в хімічні джерела струму. Сплав калію з іншим лужним металом - натрій (Na) знаходить застосування в як теплоносій в ядерних реакторах.

В набагато більших масштабах, ніж металевий калій, знаходять  застосування його з'єднання. Калій - важливий компонент мінерального живлення рослин (на це йде близько 90% видобуваються солей калію), він необхідний їм у значних кількостях для нормального розвитку, тому широке застосування знаходять калійні добрива: хлорид калію КСl, нітрат калію, або калійна селітра, KNO₃, поташ K₂CO₃ і інші солі калію.

Поташ використовують також  при виробництві спеціальних  оптичних стекол, як поглинач сірководню при очищенні газів, як зневоднюються агент і при дубленні шкір.

В як лікарський засіб  знаходить застосування іодіда калію KI. Іодіда калію використовують також у фотографії і як мікродобрива. Розчин перманганату калію КMnO₄ («марганцівку») використовують як антисептичний засіб.

За змісту в гірських породах радіоактивного 40К визначають їхній вік.

6. Біологічна роль: калій - один з найважливіших біогенних елементів, постійно присутній у всіх клітинах всіх організмів. Іони калію К⁺ беруть участь у роботі іонних каналів і регуляції проникності біологічних мембран, генерації та проведення нервового імпульсу, в регуляції діяльності серця та інших м'язів, у різних процесах обміну речовин. Вміст калію в тканинах тварин і людини регулюється стероїдними гормонами наднирників.

У середньому організм людини (маса тіла 70 кг) містить близько 140 г  калію. Тому для нормальної життєдіяльності з їжею в організм повинен надходити 2-3 г калію на добу. Багаті калієм такі продукти, як родзинки, курага, горох та інші.

7. Особливості поводження з металевим калієм: металевий калій може викликати дуже сильні опіки шкіри, при попаданні найдрібніших частинок калію в очі виникають важкі ураження з втратою зору, тому працювати з металевим калієм можна тільки в захисних рукавичках і окулярах. Калій що спалахнув, заливають мінеральним маслом або засипають сумішшю тальку і NaCl. Зберігають калій в герметично закритих залізних контейнерах під шаром зневодненого гасу або мінерального масла.

2. Розрахунок теплообмінника
1. Розрахунок теплового навантаження.

Вихідні дані для  розрахунку: Продуктивність по цільовій речовині _{,температура кипіння цільового компоненту при надлишковому тиску РГП = 0,3 МПа, складе t2 = 107 ⁰ С. Фізико-хімічні властивості при температурі кипіння: густина ρ2 = 1173 кг/м³, динамічна в’язкість μ2 = 0,00024 Па*с, поверхневий натяг σ2 = 0,0583 Н/м, середня масова теплоємність с2 = 4200 Дж/(кг*К), теплопровідність λ2 = 0,720 Вт/(м*К),питома теплота випаровування r2 = 2350000 Дж/кг.}

_{В якості теплоносія використовуємо насичену водяну пару при надлишковому тиску РГП = 0,3 МПа, температура конденсації складе t1 = 132,9 ⁰ С. Фізико-хімічні властивості: густина ρ1 = 1618 кг/м³, динамічна в’язкість μ1 = 0,0003 Па*с,теплопровідність λ1 = 0,686 Вт/(м*К), питома теплота конденсації r1 = 2171000 Дж/кг.}

Для визначення теплового навантаження використаємо наступну залежність:

де  - теплове навантаження, Вт.

2. Розрахунок теплового балансу.

Витрати граючої пари визначаємо з рівняння теплового балансу:

_де

       - теплове навантаження, Вт.

       - масовий розхід граючої пари, кг/с;

3. Визначення різниці температур

4. Приблизна оцінка K_ор ,F_ор

В трубний простір  направляємо технічну воду, оскільки вона має більший розхід. Це дозволить вирівняти швидкості руху теплоносіїв та відповідні коефіцієнти тепловіддачі, збільшуючи тим самим коефіцієнт теплопередачі. Крім того, направляючи потік холодної рідини в між трубний простір, можна відмовитись від теплоізоляції кожуха теплообмінника.

Орієнтовно  приймемо значення К_ор = 1400 Вт/(м²×К).

Орієнтовне  значення поверхні теплообміну складатиме:

З таблиць вибираємо  теплообмінник з близькою поверхнею теплообміну, рівною 937 м² , діаметром кожуха 1200 мм, числом ходів z=2.

5. Вибір нормалізованого варіанту конструкції.

З таблиць для  обчисленого значення поверхні теплообміну  вибираємо теплообмінник з наступними параметрами:

D = 1200 мм; d_н = 20х2 мм; z = 2;H = 9 м.

6. Розрахунок поверхні тепловіддачі

Питоме теплове  навантаження:

Для визначення f(q₁ ) визначаємо коефіцієнти А та B:

_{В якості матеріалів труб нержавіючу сталь. Теплопровідність нержа-віючої сталі приймемо рівною  . Термічний опір забруднень rз2 = 1/5800 м²*К/Вт}

_{Сума  термічних опорів стінки та забруднень рівна:}

_Тоді

_{Приймемо  . Тоді} 

_{Уточнене  значення q3 визначаємо в точці перетину з віссю абсцис хорди, проведеної з точки (35112;0,92) в точку (40000;3,28) перетину з віссю абсцис хорди, проведеної з точки (35112;100,35) для залежності f(q) від q:}

_{Потрібна  поверхня теплообміну  складає}

З таблиць для  обчисленого значення поверхні теплообміну  вибираємо теплообмінник з наступними параметрами:

D = 1400 мм; d_н = 25х2 мм; z = 2;H = 9 м.

7. _{Гідравлічний розрахунок.}

_{Швидкість руху рідини в трубах:}

Критерій Рейнольдса:

_{Коефіцієнт тертя}

 _{Діаметр штуцерів в  розподільчій камері d тр.ш = 0,35 м, швидкість в штуцерах}

_{В трубному просторі присутні місцеві опори: вхід в камеру, вихід з камери , один поворот на 180^о .}

_{Гідравлічний  опір трубного простору:}

_{Число рядів труб, що омиваються потоком в міжтрубному просторі}

_{Приймемо  m = 25.}

_{Число сегментних перегородок х = 14.}

_{Діаметр штуцерів до кожуху d мтр.ш = 0,35 м , швидкість в штуцерах:}

_{Швидкість води в найбільш вузькому січенні між трубного простору площею S = 0.174 м²  рівна}

_{В міжтрубному просторі присутні місцеві опори: вхід та вихід рідини з штуцера , 6 поворотів через сегментні перегородки ( х = 14 ), і 15 опорів трубного пучка при його поперечному обтіканні ( х + 1 = 15 ) .}

_{Гідравлічний  опір міжтрубного  простору:}

3. Список використаних джерел.

1. http://www.alhimikov.net/
2. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. “Примеры и задачы по курсу процесов и апаратов химической технологии”-Л.:1987р.
3. Дитнерський Ю.Й. “ Основные процеси и апарати химической технологии ”-М.: 1991.