Химия. Примеры решения задач контрольной работы

Метрические задачи http://predtm.ru/

Начертательная геометрия
Инженерная графика
Машиностроительное черчение
Химия
Современная теория строения атомов и молекул
Закон эквивалентов
Рассчитайте мольную массу
ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
СВОЙСТВА РАСТВОРОВ
ИОННЫЕ РЕАКЦИИ ОБМЕНА
ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ
Окислительно-восстановительные реакции
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ЭЛЕКТРОЛИЗ
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Полимеры
ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ
Пример решения задачи № 2
Гидромеханические методы
Теплопередача
Расчет коэффициента теплопередачи
Классы неорганических соединений
Элементы химической термодинамики
Электролитическая диссоциация
Электролитическая диссоциация
Дисперсные системы
Растворы неэлектролитов
Степень окисления
Электрохимические процессы

Контрольная работа № 2

В контрольной работе № 2 необходимо решить одну задачу по теме «Теплопередача».

2.1. Пример решения задачи № 4

Методические указания

При решении этой задачи используются расчетные зависимости, уравнения, описывающие способы передачи тепла. При знакомстве с теорией теплопередачи нужно хорошо усвоить сущность, основные законы и уравнения, описывающие каждый из элементарных способов распространения тепла (теплопроводность, конвекция и тепловое излучение).

Различают три вида теплопередачи (теплообмена, способа организации теплопередачи): смесительную теплопередачу, рекуперативную (поверхностную) и регенеративную. В химической промышленности наиболее распространена рекуперативная теплопередача, при которой тепло передается от «горячего», более нагретого, теплоносителя к «холодному», менее нагретому, теплоносителю через разделяющую их «глухую» стенку.

В основе расчетов поверхностной теплопередачи лежит основное уравнение теплопередачи:

, (4.1)

где   – тепловая нагрузка аппарата, Вт;

  – коэффициент теплопередачи, ;

  – поверхность теплопередачи, ;

  – движущая сила процесса (средний температурный напор), оС (или К).

Решение данной задачи представляет собой, по сути, технологический тепловой расчет теплообменного аппарата, который в дальнейшем можно использовать при выполнении курсового проекта на тему «Проектирование кожухотрубчатого теплообменника». Цель теплового расчета – определение необходимой теплопередающей поверхности (площади поверхности теплопередачи). При технологическом расчете на основе численного значения необходимой поверхности подбирается стандартный (по ГОСТ) теплообменник (тип ТН и/или ТК) с запасом поверхности 5–15 %. В случае, если разница между средними температурами кожуха и труб превышает 50 оС, желательно использование аппарата типа ТК (с линзовым компенсатором). Для уточнения конкретного вида аппарата необходим расчет температурного напряжения его кожуха и труб.

Принцип и примеры расчета поверхностной теплопередачи подробно рассмотрены в литературе [3, 4, 5, 6]. Все необходимые вспомогательные материалы имеются у методистов ИДО и в библиотеках ТПУ и ИДО. На кафедре Общей химической технологии ТПУ есть пакет прикладных программ, позволяющий проводить технологический расчет теплообменной аппаратуры, конструктивный и механический расчеты ее элементов с помощью ЭВМ [8].

В задаче 4 следует:

1. Принять, что раствор подогревается до температуры кипения.

2. Задаться тепловыми потерями в пределах 2–7 %.

3. Задаться вариантом исполнения аппарата (вертикальное или горизонтальное).

4. Самостоятельно выбрать давление греющего пара и задаться степенью его сухости.

Условие задачи

Провести тепловой расчет и подобрать кожухотрубный теплообменник-конденсатор (по ГОСТ 15118–79, 15119–79, 15121–79, 14246–79 и 14247–79) для осуществления процесса нагревания водного раствора вещества до температуры кипения насыщенным водяным паром. Конденсат пара отводится при температуре конденсации.

Рис. 4.1. Принципиальная
схема кожухотрубчатого
теплообменника-конденсатора

Характеристики теплообменника и теплоносителей:

DK – диаметр кожуха аппарата;

Dнxδ – размер теплообменных труб;

N – общее число труб;

n – число ходов в трубном пространстве;

D – расход насыщенного пара, кг/с;

G – расход холодного теплоносителя, кг/с;

P – давление насыщенного пара в межтрубном пространстве, ата;

tH, tK – начальная и конечная температуры раствора, °С.

Таблица 4.1

Исходные данные

Состав водного раствора

G

Р

NаNO3

25

20

18

1

Здесь:

  – концентрация раствора, % масс.;

G – производительность по раствору, т/ч;

 – начальная температура раствора, оС;

Р – давление в трубном пространстве, ата.

Примем, что дальнейшие расчеты проводятся для аппарата вертикального исполнения.

Температурная схема процесса

Целесообразно насыщенный водяной пар направить в межтрубное пространство, а раствор NаNO3 – в трубное, потому что трубное пространство легче промывать от грязи, чем межтрубное и проще изменять (увеличивать) скорость движения.

В соответствии с условием задачи раствор в аппарате нагревается до температуры кипения. Температура кипения водного 25%-го раствора NаNO3 составляет 103,5 оС [4, стр. 535].

Внимание!

Если давление в трубном пространстве отличается от нормального (1 атм), то температуру кипения солевого раствора можно рассчитать по правилу Бабо:

, (4.2)

где Рраствора – давление пара над раствором;

Ррастворителя – давление насыщенного пара растворителя при той же температуре.

К примеру, если давление в трубной зоне принять 2 ата, т. е. 0,2 МПа, то температура кипения раствора будет рассчитана следующим образом.

Поскольку известно, что температура кипения раствора в нормальных условиях, при 1 атм, составляет 103,5 оС, находим давление паров воды (вода является растворителем), соответствующее этой температуре: Рводы  1,18 ат [4]. Согласно (4 – 2)1,03/1,18 = 0,873.

Находим давление паров растворителя при искомом давлении 2 ат (табл. 9, 10 приложения):

(2/Рискомое) = 0,873, следовательно, Рискомое = 2,291 (ат). По уже известной таблице с давлениями водяного пара в зависимости от температуры находим, что искомому давлению 2,291 ат соответствует температура t = 132 оС. Найденная таким образом температура и является температурой кипения данного раствора при 2 ата, т.е. tКИП = 132 оС.

В качестве греющего агента выберем насыщенный водяной пар под давлением 3,5 ата (3,5 кгс/см2 = 0,35 МПа), поскольку его температура составляет 137,9 оС, что с разумным запасом превышает температуру, до которой в аппарате должно проводиться нагревание.

Внимание!

В качестве греющего агента следует подбирать такой пар, температура которого, будет превышать температуру кипения раствора примерно на 20 оС. В случае, если у раствора tКИП =132 оС, то можно выбрать пар под давлением 6 ата, поскольку его температура = 158,1 оС:
158,1 – 132 = 26,1 (оС). Пар под давлением 5 ата с температурой 151,1 оС также подходит: 151,1 – 132 = 19,1 (оС), что тоже близко к 20 оС.

Согласно условию задачи «горячий» теплоноситель отводится при температуре конденсации (фазового перехода), следовательно, температура горячего теплоносителя в процессе теплопередачи не изменяется.

Таким образом, в аппарат поступает горячий теплоноситель при температуре 137,9 оС, с этой же температурой он отводится; холодный теплоноситель поступает при 18 оС, а отводится при 103,5 оС:

  – большая разность температур теплоносителей, оС;

  – меньшая разность температур теплоносителей на концах теплообменника, оС.

 


Рис. 4.2. Температурная схема процесса

Температурные расчеты

В многоходовых теплообменниках с простым смешанным током (один ход в межтрубном пространстве и четное число ходов (2, 4, 6) в трубном) среднюю разность температур  рассчитывают по формуле

,  (4.3а)

где  и   – большая и меньшая разности температур теплоносителей на входе и выходе теплообменника, оС;

;

  – изменение температуры горячего теплоносителя, оС;

  – изменение температуры холодного теплоносителя, оС.

Можно использовать и другую формулу для расчета :

.  (4.3б)

Формула (4.3б) может применяться при прямоточной либо противоточной схеме взаимного движения теплоносителей, а также при простом смешанном токе, если не требуется высокая точность .

Средний температурный напор  рассчитывается по формулам (4.3а) и (4.3б).

Рассчитаем составляющие параметры:

1) = 0, т.к. = 137,9 оС;

2)   = 103,5 – 18 = 85,5 оС;

3) =137,9 – 18 = 119,9 оС;

4) =137,9 – 103,5 = 34,4 оС

Таким образом,  = 68,48 оС.

По формуле (4.3б)  = 68,6 оС.

Очевидно, что полученное по формуле (4.3б) значение близко к рассчитанному по формуле (4.3а). Таким образом, применительно к данной задаче упрощенная формула может применяться с достаточной для расчетной практики точностью.

Рассчитаем среднюю температуру раствора  и температуру пленки конденсата .

При конденсации горячего теплоносителя теплоотдача от пара к стенке трубы осуществляется через стекающую жидкую пленку. Таким образом, для расчета   воспользуемся формулой

,  (4.4)

где  – средняя температура горячего теплоносителя, в данном случае = =137,9 оС;

  – температура стенки со стороны горячего теплоносителя, оС:

;  (4.5)

 =131,04131 оС;

;  (4.6)

=134,47134,5 (оС) 135 оС;

;  (4.7)

= 65,9 оС   66 оС.

Иногда с достаточной для расчетной практики точностью принимают , и  находят по формуле: .

В данном случае по этой формуле получим =137,9–68,6=69,3 оС.

Химия. Примеры решения задач контрольной работы