РГР ПАХТ. РГР_ПАХиМП_Пример расчета_27сент.2022_Шубина_для Образ.портала (. Расчет оборудования участка подогрева исходной смеси реакторной установки

• Название: Расчет оборудования участка подогрева исходной смеси реакторной установки
• Анкор: РГР ПАХТ
• Дата: 17.12.2022
• Размер: 2.03 Mb.
• Имя файла: РГР_ПАХиМП_Пример расчета_27сент.2022_Шубина_для Образ.портала (.docx
• Тип: Документы; #849117
• страница: 1 из 2

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.Г.И.НОСОВА» 
(ФГБОУ ВО «МГТУ ИМ. Г.И. НОСОВА»)

Кафедра металлургии и химических технологий

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА (РГР)

по дисциплине

«Процессы и аппараты химической и металлургической промышленности»
на тему: «Расчет оборудования участка подогрева исходной смеси

реакторной установки»

Исполнитель: ___________________, студент ___ курса, группа ________

Работа защищена "___" _________ 20__г. с оценкой _____________ _____________
(оценка) (подпись)

Магнитогорск, 20__
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.Г.И.НОСОВА» 
(ФГБОУ ВО «МГТУ ИМ. Г.И. НОСОВА»)
Кафедра металлургии и химических технологий

ЗАДАНИЕ

НА РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКУЮ РАБОТУ (РГР)

по дисциплине

«Процессы и аппараты химической и металлургической промышленности»
на тему: «Расчет оборудования участка подогрева исходной смеси

реакторной установки»
Студенту __________________________________________________________________

Цель работы:

Тепловой и гидравлический расчеты оборудования участка подогрева исходной смеси реакторной установки.

Задачи:

1. Расчет стандартного кожухотрубного аппарата для процесса нагрева исходной смеси.

2. Расчет гидравлических сопротивлений в трубопроводе и выбор центробежного насоса.
Вариант-0

Исходные данные:

Смесь: этиловый спирт – уксусная кислота

Массовая доля НК х_НК = 0,60

Расход смеси G = 15000 кг/ч

Начальная температура водяного пара t_1н = 150 °C

Конечная температура водяного пара t_1к = 150 °C

Начальная температура смеси t_2н = 20 °C

Конечная температура смеси t_2к =79 °C

Давление водяного пара P_ВП=480000 Па

Геометрическая высота подъема h_геом = 21 м

Магнитогорск, 20___

Содержание

1Цель и исходные данные для РГР 4

В данной РГР расчеты проведены для бинарной смеси этиловый спирт – уксусная кислота с массовой долей низкокипящего компонента (НК) 𝜒_НК = 0,6; смесь подается с массовым расходом 𝐺 = 15000 кг/ч центробежным насосом в реакторную установку с геометрической высотой подъема 21 м; в кожухотрубном теплообменнике смесь нагревается от начальной температуры 20 °С до температуры кипения НК 79 °С влажным насыщенным водяным паром с давлением 𝑃_вп = 480000 Па за счет тепла конденсации водяного пара (начальная температура водяного пара 150 °С). 4

2РАСЧЕТ СТАНДАРТНОГО КОЖУХОТРУБНОГО АППАРАТА ДЛЯ ПРОЦЕССА НАГРЕВА СМЕСИ ЭТИЛОВЫЙ СПИРТ – УКСУСНАЯ КИСЛОТА 5

3РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ В ТРУБОПРОВОДЕ И ВЫБОР ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА 12

3.1 Теоретическое обоснование расчета 12

3.1.1 Анализ основных уравнений для расчета 12

3.1.2 Анализ схемы установки с трубопроводом для гидравлического расчета 14

3.1.3 Определение характеристик смеси на разных участках трубопровода 15

3.2 Перевод массового расхода жидкости в объемный 16

3.3 Определение ориентировочного диаметра трубопровода 17

3.4 Выбор стандартного диаметра трубопровода 17

3.5 Уточнение скорости движения жидкости 18

3.6 Определение режима движения жидкости 18

3.7 Определение коэффициента гидравлического трения 19

3.8 Определение коэффициентов местных сопротивлений 19

3.9 Определение полной потери напора в трубопроводе 20

3.10 Построение характеристики трубопроводной сети 21

3.11 Выбор насоса 21

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 23

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 24

Продолжение приложения 9 34

Продолжение 1 приложения 10 36

Продолжение 2 приложения 10 37

1. 
   Цель и исходные данные для РГР
   

Целью данной РГР является практическое применение знаний по теоретическим основам процессов и аппаратов в химической и металлургической промышленности; приобретение навыков расчетов и проектирования химической аппаратуры. Для этого представлены тепловой и гидравлический расчеты оборудования участка подогрева исходной смеси реакторной установки, состоящие из двух этапов:

1) Расчет стандартного кожухотрубного аппарата для процесса нагрева исходной смеси.

2) Расчет гидравлических сопротивлений в трубопроводе и выбор центробежного насоса.
В данной РГР расчеты проведены для бинарной смеси этиловый спирт – уксусная кислота с массовой долей низкокипящего компонента (НК) 𝜒_НК = 0,6; смесь подается с массовым расходом 𝐺 = 15000 кг/ч центробежным насосом в реакторную установку с геометрической высотой подъема 21 м; в кожухотрубном теплообменнике смесь нагревается от начальной температуры 20 °С до температуры кипения НК 79 °С влажным насыщенным водяным паром с давлением 𝑃_вп = 480000 Па за счет тепла конденсации водяного пара (начальная температура водяного пара 150 °С).

2. 
   РАСЧЕТ СТАНДАРТНОГО КОЖУХОТРУБНОГО АППАРАТА ДЛЯ ПРОЦЕССА НАГРЕВА СМЕСИ ЭТИЛОВЫЙ СПИРТ – УКСУСНАЯ КИСЛОТА
   

2.1 Определение температурных условий процесса нагрева смеси
Обозначим горячий теплоноситель – водяной пар – индексом «1», холодный теплоноситель – этиловый спирт – уксусная кислота – индексом «2».

Начальная температура водяного пара на входе t_1н=150°C. Примем конечную температуру водяного пара t_1к=150°C. Холодный теплоноситель меняет свою температуру с t_2н=20°C до t_2к=79°C.

Бинарная смесь

2 0°C 79°C

Водяной пар

1 50°C 150°C

Определим среднюю температуру бинарной смеси:



Определим температуру на концах теплообменника:





Определим среднюю разность температур по формуле (1):

(1)
2.2 Определение количества теплоты и расхода водяного пара для нагрева смеси
Найдем количество теплоты, которое необходимо для нагрева бинарной смеси по формуле (2):

(2)

где G₂ – массовый расход бинарной смеси, кг/ч;

C₂ – теплоемкость бинарной смечи при ее средней температуре t₂ = 49,5°C, Дж/(кг·К) (Приложение 1) [3, рисунок XI, с.562];

1,05 – коэффициент, учитывающий 5 % потери тепла в процессе.

Переведем расход из кг/ч в кг/с:



Рассчитаем теплоемкость бинарной смеси при t₂ = 49,5°C:



Тогда количество теплоты для нагрева смеси составит



Определим расход водяного пара:

(3)

где H_пар иH_конд – энтальпии водяного пара и конденсата соответственно, Дж/кг.

При температуре t₁ = 150 °C энтальпии водяного пара и конденсата [4, табл. II-I, с. 23]:





Тогда расход водяного пара составит:



Найдем объемный расход бинарной смеси:

(4)

где ρ₂ – плотность бинарной смеси при ее средней температуре t₂ = 49,5°C, кг/м³;

рассчитаем плотность бинарной смеси при t₂ = 49,5°C (с применением линейной интерполяции по ссылке http://www.xn--m1abbbfjh0bzc.xn--p1ai/interpolation/inter.php):

кг/м³.
2.3 Выбор теплообменника для нагрева смеси и определение гидродинамических параметров в его трубном и межтрубном пространстве
Примем, что водяной пар движется в межтрубном пространстве, а бинарная смесь ‒ по трубам. Такое движение теплоносителей предпочтительно по двум причинам:

• 
  водяной пар, конденсируясь в межтрубном пространстве, создает меньшее сопротивление, нежели в трубном;
  
• 
  при омывании горячим теплоносителем трубного пучка, по которому движется холодный теплоноситель, коэффициент теплопередачи выше.
  

Наметим возможные варианты теплообменных аппаратов. Для этого необходимо определить ориентировочную площадь 𝐹_ор теплообменника и площадь сечения трубного пространства 𝑆₂.

(5)

где 𝐾_ор – ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, Вт/(м² ∙ К)

(Приложение 2) [3, табл. 4.8, с.172].

Для вынужденного движения при передаче тепла от пара к жидкости 𝐾_ор = 120  − 340 Вт/(м²∙ К). Принимаем 𝐾_ор = 240 Вт/(м² ∙К). Тогда:



Попробуем подобрать теплообменник, чтобы в трубном пространстве было турбулентное течение (𝑅𝑒₂ > 10⁴). Тогда ориентировочная скорость в трубном пространстве должна быть:

(6)

где 𝜇₂ – динамическая вязкость бинарной смеси при t₂ = 49,5°C, Па∙с;

рассчитаем динамическую вязкость бинарной смеси при t₂ = 49,5°C (с применением линейной интерполяции по ссылке http://www.xn--m1abbbfjh0bzc.xn--p1ai/interpolation/inter.php):

;

𝜌₂ – плотность бинарной смеси при t₂ = 49,5°C, кг/м³;

𝑑₂ – внутренний диаметр труб теплообменника, м; 𝑑₂ = 2,1 ∙ 10⁻² м.



Тогда ориентировочное поперечное сечение трубного пространства должно быть менее:

(7)

Примем к расчету теплообменник с диаметром кожуха 𝐷 = 400 мм, трубами 𝑑 = 25х2 мм (для всех вариантов расчета), 𝑛 = 100 (число труб), 𝐹_ор = 31 м², 𝑙_тр = 4 м, 𝑆₂ = 1,7 ∙ 10⁻² м², 𝑆₁ = 2,5 ∙ 10⁻² м² (Приложение 3) [3, табл. 4.12, с.215].

Определим скорость в трубах:

(8)

Определим критерий Рейнольдса для трубного пространства:



Найдем объемный расход водяного пара:

(9)

где 𝜌₁ – плотность водяного пара при 𝑡₁ = 150 °С, кг/м³ [3, табл. IV, с.512].

(10)

где 𝑣₁ – удельный объём водяного пара, м³ [4, табл. II-I, с.26].





Определим скорость в межтрубном пространстве:

(11)

Определим критерий Рейнольдса для межтрубного пространства:

(12)

где d₁ =2,5 · 10^-2 м (для всех вариантов);

𝜇₁ – динамическая вязкость для водяного пара при 𝑡₁ = 150 °С и P₁=0,48 Мпа, Па·с [4, табл. II-V, с.179].

Методом линейной интерполяции определяем (по ссылке http://www.xn--m1abbbfjh0bzc.xn--p1ai/interpolation/inter.php) , что 𝜇₁=173,5140·10^-6 Па·с, тогда:


2.4 Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к смеси с применением критериев подобия
Составим тепловую схему процесса (рисунок 2.1). Примем температуру стенки t_ст2 выше, чем t₂ на 4…10 °С или до следующего целочисленного значения.



Рисунок 2.1 – Тепловая схема процесса
Поскольку в трубном пространстве переходный режим движения потока бинарной смеси (𝑅𝑒₂ = 3425,84), для вычисления критерия Нуссельта, согласно данным источника [3, табл. 4.1, с.151], надо воспользоваться одной из формул (4.23) – (4.28) из источника [3, табл. 4.4, с.155]. Для вычисления по этим формулам необходимо знать произведение критериев Грасгофа и Прандтля.

Вычислим критерий Прандтля:

(13)

где 𝜆₂ – коэффициент теплопроводности бинарной смеси при t₂ = 49,5°C, Вт/(м∙К), (Приложение 4) [3, рисунок Х, с.561];

рассчитаем коэффициент теплопроводности бинарной смеси при t₂ = 49,5°C (с применением линейной интерполяции по ссылке http://www.xn--m1abbbfjh0bzc.xn--p1ai/interpolation/inter.php):





Для вычисления критерия Грасгофа используем формулу:

(14)

где g – ускорение свободного падения, м/с²;

𝛽₂ – коэффициент объёмного расширения бинарной смеси при 𝑡₂ = 49,5°С (Приложение 5) [3, табл. XXXIII, с.531–532];

∆𝑡₂ – разница между температурой стенки и смеси, К.

Определим значение коэффициента объёмного расширения бинарной смеси, рассчитав соответствующие значения 𝛽 для ее компонентов методом линейной интерполяции (по ссылке http://www.xn--m1abbbfjh0bzc.xn--p1ai/interpolation/inter.php):





Произведение критериев Прандтля и Грасгофа:



Полученное значение 𝑃𝑟₂ ∙ 𝐺𝑟₂ > 8 ∙ 10⁵, из чего следует, что для вычисления критерия Нуссельта необходимо воспользоваться формулой (4.27) из источника [3] для горизонтального расположения труб [3, табл. 4.4 , с.155]:

(15)

где – вязкость бинарной смеси при t_ст2=50 °С, Па·с [3, табл. IX, с.516].

Определим значение вязкости бинарной смеси при температуре t_ст2, рассчитав соответствующие значения для ее компонентов методом линейной интерполяции (по ссылке http://www.xn--m1abbbfjh0bzc.xn--p1ai/interpolation/inter.php):







Тогда коэффициент теплоотдачи от стенки к бинарной смеси:

(16)