Процессы и аппараты химических производств

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Энгельсский технологический институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного

учреждения высшего образования

«Саратовский государственный технический

университет имени Гагарина Ю.А.»

Контрольная работа № 2

по дисциплине «Процессы и аппараты химических производств»

студента группы ТМОБ - 41(зс)

Павлова Б.С.

Шифр 123301

Энгельс 2015

Задача 1. Определить скорость осаждения в воде частиц кварцевого песка шарообразной формы диаметром D = 0,15 мм, если плотность песка с = 2650 кг/м³, а температура воды t =15 єС.

Решение

Находим критерий Архимеда

Ar=D³(с - с_ср)с_срg/м²_ср,

где м_ср и с_ср - вязкость и плотность воды при средней температуре.

Для воды при t =15 єС с_ср = 999 кг/м³, м_ср = 1140·10-⁶ Па·с [1, табл. ХХХIХ].

Ar= (0,15·10-³)³(2650 - 999)999·9,81/(1140·10-⁶)² = 42.

По найденному значению критерия Архимеда определяем критерий Рейнольдса Re = 1,8 [1, рис. 3.1]. температура рейнольдс изоляция кварцевый

Вычисляем скорость осаждения

Задача 2. Определить диаметр шарообразных частиц твердого вещества, имеющего плотность с = 2650 кг/м³, которые начнут переходить во взвешенное состояние при скорости потока воздуха w= 1,5 м/с и температуре t =18 єС.

Решение

Величина критерия Лященко определяется по формуле

,

где с_с - плотность среды, кг/м³; м_с - динамический коэффициент вязкости среды, Па·с.

Плотность воздуха можно рассчитать по формуле [1, (1.5)]

1,293 1,213 кг/м³.

При t =18 єС м_с = 0,018 мПа·с [1, рис. VI].

Ly =

По графику [1, рис. 3.8] при найденном значении Ly определяем критерий Архимеда Ar = 4,5·10⁶.

Из уравнения

находим диаметр частиц

3,6м.

Задача 3. Определить часовую потерю тепла одним погонным метром стального трубопровода, изолированного слоем асбеста и слоем совелита:

Наружный диаметр трубопровода - = 54 мм

внутренний диаметр трубопровода - = 60 мм

толщина слоя асбеста - S =15 мм

толщина слоя совелита - = 20 мм

температура внутренней поверхности трубы - =120 єC

температуры наружной поверхности трубы - =10 єC

Начертить схему разреза трубопровода с изоляцией. Потери тепла определить по формуле для цилиндрической стенки.

Решение

На рис.1 дан схематический разрез стенки трубопровода, покрытого изоляцией.

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рис. 1. Схема разреза трубопровода с изоляцией

Потери тепла определяем по уравнению для многослойной цилиндрической стенки

где L - длина трубы, м; л_ст - коэффициент теплопроводности стенки трубы, Вт/(м·К); л₁ и л₂ - коэффициенты теплопроводности асбеста и совелита, Вт/(м·К).

Наружный диаметр слоя асбеста d₁ равен

d₁= d_н + 2S₁ = 0,060 + 2·0,015 = 0,09 м.

Наружный диаметр слоя совелита d₂ равен

d₂= d₁ + 2S₂ = 0,09 + 2·0,02 = 0,13 м.

Коэффициенты теплопроводности определяем по табл. XXVIII [1]: для стали л_ст = 46,5 Вт/(м·К); для асбеста л₁= 0,151 Вт/(м·К); для совелита л₂= 0,098 Вт/(м·К).

Потери тепла

Задача 4. Вычислить коэффициент теплоотдачи для воды, подогреваемой в трубчатом теплообменнике, состоящем из труб диаметром d = 10 мм. Вода идёт по трубам со скоростью w = 2,2 м/с. Средняя температура воды t_в = 60,5 єС, температура стенки t_с = 110 єС. Длина трубы L = 2 м. Толщина стенки трубы 2,5 мм.

Решение

Определяем режим течения воды:

,

где с - плотность воды, кг/м³; м - кинематический коэффициент вязкости воды, Па·с.

При средней температуре воды t_в = 60,5 єС с = 982,8 кг/м³ [1, табл. IV], м = 0,4653·10-³ Па·с [1, табл. VI].

> 10⁴ - турбулентный режим.

Расчетное уравнение [1, (4.17)]:

где е_l - коэффициент, учитывающий влияние отношения длины трубы к ее диаметру; Pr и Pr_ст - критерий Прандтля при температуре среды и при температуре стенки.

Для воды при t_в = 60,5 єС Pr = 2,958; при t_с =110 єС Pr_ст= 1,58 [1, табл. XXXIX].

При L/D = 2/0,01 = 200 и Re = 46468 е_l = 1 [1, табл. 4.3].

Критерий Нуссельта

Nu = 0,021·46468^0,8·2,958^0,43(2,958/1,58)^0,25·1 = 212.

Коэффициент теплоотдачи

212·0,66/0,01 = 13992 Вт/(м²·К),

где л = 0,66 Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности воды при 60,5 єС [1, табл. XXXIX].

Задача 5. Определить основные размеры (поверхность нагрева, число и длину трубок, диаметр кожуха) и подобрать по каталогу вертикальный бойлер для приготовления горячей воды. Расход воды Q = 10 м³/час. Температура воды: начальная t₁ = 5 єС, конечная t₂ =50 єС. Нагревающим агентом является насыщенный водяной пар с давлением Р = 2 ата.

Решение

Температура конденсации насыщенного водяного пара при Р=2 ата t_s = 119,6 єС [1, табл. LVII].

Температурная схема процесса:

119,6 Ї119,6

5>50

Дt_б=114,6Дt_м=69,6

1,65<2>Дt_ср=0,5(Дt_б+Дt_м)=0,5(114,6+69,6)=92,1 град.

Средняя температура воды

t_в=0,5(5+50)=27,5єC.

по справочным данным [1, табл. XXXIX] определяем теплофизические свойства воды при t_в=27,5°C плотность с_в= 996,5 кг/м³; вязкость м_в= 0,853 мПа?с; коэффициент теплопроводности л_в= 0,613 Вт/(м?К); теплоемкость с_в= 4182,5 Дж/(кг?К); критерий Прандтля Pr_в=5,82.

Расход воды

V = 10/3600 = 0,0028 м³/с;

G_в = V с_в = 0,0028·996,5 = 2,768 кг/с.

Расход теплоты на нагрев воды

Q = G_вc_в(t₂ - t₁) = 2,768·4182,5(50 - 5) = 520972,2 Вт.

Расход сухого греющего пара с учетом 5% потерь теплоты:

D = 1,05Q/r = 1,05·520972,2/2208000 = 0,25 кг/с,

где r - удельная теплота конденсации водяного пара [1, табл. LVII].

Ориентировочно определяем максимальную величину площади теплопередачи, полагая К_мин=800 Вт/(м²?К) [1, табл. 4.8]:

7,07 м².

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать теплообменный аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителя (воды) в трубах.

В теплообменных трубах диаметром 252 мм кожухотрубчатых теплообменных аппаратов по ГОСТ 15122-79 скорость течения воды при Re>10⁴ должна быть более:

Число труб, обеспечивающих объёмный расход воды при Re>10⁴:

Условиям n < 20 и F<7,07 м² удовлетворяет одноходовый теплообменник диаметром кожуха 159 мм с числом труб 25Ч2 мм n = 13.



Рис. 2. Схема вертикального бойлера

Скорость и критерий Рейнольдса для воды

где S_тр=0,5?10-² м² - проходное сечение трубного пространства;

Расчетное уравнение:

где е_l - коэффициент, учитывающий влияние отношения длины трубы к ее диаметру; Pr_в и Pr_ст.в - критерий Прандтля при температуре среды и при температуре стенки.

Так как температура стенки t_ст.в нам неизвестна, задаемся значением множителя =1,18 с последующей проверкой.

Nu_в=0,021?13738^0,8?5,82^0,43?1,18?1=108.

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к воде:

3153 Вт/(м²?К).

Находим коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к поверхности вертикальных труб по формуле:

где А_t - функция для воды; Н - высота труб, м; Дt_конд - разность между температурой конденсации пара и температурой стенки со стороны пара, єС.

При t_s = 119,6 єС А_t = 7234,4 [1, табл. 4.6]. Принимаем Н = 3 м. Получим:

Коэффициент теплопередачи К рассчитываем методом последовательных приближений.

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

,

где q - удельный тепловой поток, Вт/м²; Дt_ст - перепад температур на стенке, °С; Уr_ст - суммарное термическое сопротивление слоев загрязнений и стенки, м²·К/Вт; разность между температурой стенки со стороны воды и температурой воды, °С.

Принимаем термическое сопротивление загрязнений со стороны воды r_з,в = 1/2900 м²·К/Вт; со стороны пара r_{з, конд} = 1/5800 м²·К/Вт [1, табл. XXXI]. Коэффициент теплопроводности стали л_ст=46,5 Вт/(м?К) [1, табл. XXVIII].

Уr_ст = r_{з, в} +д_ст/л_ст + r_{з, конд} = 1/2900 + 0,002/46,5 + 1/5800 = 5,6·10-⁴ м²·К/Вт.

В первом приближении примем 15 °С. Тогда

_конд= 11213,8=11213,8·15-^0,25= 5698,1 Вт/(м²?К).

5698,1?15=85471,5 Вт/м²;

85471,5?5,6?10^-4=47,86 град.;

=--92,1 - 15 - 47,86 = 29,24 град.;

3153?29,24 =92194 Вт/м².

Расхождение 8% > 3%.

Во втором приближении примем 16 °С.

_конд= 11213,8·16-^0,25= 5606,9 Вт/(м²?К).

5606,9·16 =89710,4 Вт/м²;

89710,4?5,6?10^-4=50,2 град.;

= 92,1- 16 - 50,2 = 25,9 град.;

3153?25,9 =81662,7 Вт/м².

Расхождение 9% > 3%.

Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки от разности температур между паром и стенкой и определяем (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур

15,4 °С;

_конд= 11213,8·15,4-^0,25= 5660 Вт/(м²?К).

5660·15,4 =87164 Вт/м²;

87164?5,6?10^-4=48,81 град.;

= 92,1- 15,4 - 48,81 = 27,89 град.;

3153?27,89 =87937 Вт/м².

Расхождение 0,9% < 3% - расчет коэффициентов теплоотдачи закончен.

Проверяем принятое значение :

t_ст.в = t_в + = 27,5 + 27,89 = 55,39 єС;

Pr_ст.в= 3,26 [1, табл. XXXIX];

= (5,82/3,26)^0,25 = 1,156.

Было принято =1,18 - разница не превышает допустимого значения 3%.

Коэффициент теплопередачи:

Рассчитываем требуемую площадь поверхности теплопередачи:

5,96 м².

Теплообменник с Н = 3 м имеет площадь поверхности теплообмена F_ст = 3 м². Значит, нам понадобится два таких аппарата.

Литература

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии/ Под ред. П.Г. Романкова - Л.: Химия, 1987.-576 с.

Размещено на Allbest.ru