Проект системы охлаждения 10% NaCl холодной водой в спиральном теплообменном аппарате производительностью 28×103 кг/ч

     В качестве греющего агента в теплообменниках  часто используется насыщенный водяной пар имеющий 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.

      При охлаждении в кожухотрубных теплообменниках в качестве хладоагента может использоваться речная или артезианская вода, а в случае, когда требуется получить температуру ниже 5 °С применяют холодильные расолы (водные растворы CaCL₂, NaCl, и др.).

     Так, как 10% NaCl является коррозионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, стойкую в агрессивных средах до температур порядка 600 °С. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. Описание технологической схемы 

     Коагуляция  латекса осуществляется в две  стадии:

1. флокуляция электролитами (10% раствор поваренной соли);
2. коагуляция растворами сильных электролитов (серной кислотой).

     Флокуляция латекса начинается при смешении его с раствором клея в насосе Н-4, подающем латекс на каскады коагуляции в А-80, представляющий собой металлический сосуд объемом 15 литров, в котором осуществляется смешивание латекса, заправленного клеем с раствором поваренной соли за счет центробежного потока, так как вход продукта в аппарат осуществляется по касательной.

     В А-80 раствор поваренной соли поступает  из общего коллектора. Расход ее регулируется автоматически. Расход латекса также регулируется автоматически.

     При введении в латекс электролита NaCl в А-80 активируется процесс флокуляции. При этом электрические заряды частиц полимера нейтрализуются положительными зарядами ионов натрия, в результате чего частицы слипаются и укрупняются, происходит агломерация частиц латекса. Образовавшийся флокулят поступает в аппарат А-81, при помощи насоса Н-4 (предварительно пройдя через фильтр Ф-4), снабженный мешалкой.

     Принципиальная  технологическая схема представлена в приложении 1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2. Технологический расчет теплообменного  аппарата

     2.1. Средняя разность  температур 

      Расчет  температурного режима теплообменного аппарата состоит из определения средней разности температур Dt ср, вычисления средних температур рабочих сред, а также определения температуры стенок аппарата.

     Взаимное  направление потоков и разность температур определяем по схеме:

     100 ⁰С 40 ⁰С

     18 ⁰С   38 ⁰С

     Dt_б = 62⁰С         Dt_в = 22⁰С. 

2.2. Средняя разность  температур 

     Среднюю разность температур рассчитаем по формулам: 
 

     Средняя температура в теплообменном  аппарате составит: 

     Средняя температура 10% NaCl: 

     Средняя температура 10% NaCl: 

     10% NaCl при средней температуре имеет следующие параметры: r₁=1071 кг/м³; l₁=0,6900 Вт/(м×К); m₁=0,0008 Па×с; с₁=690 Дж/(кг×К).

     Вода  при средней температуре имеет  следующие параметры: r₂=973 кг/м³; l₂=0,6750 Вт/(м×К); m₂=0,0004 Па×с; с₂=4190 Дж/(кг×К). 

2.3. Тепловая нагрузка  аппарата 

 

где G₁ – производительность по метанолу.

     С учетом потерь  окружающую среду: 
 

2.4. Расчет производительности  по хладагенту 

     Расход  10% NaCl составит: 
 

     2.5. Расчет размера  каналов 

     Задаемся  скоростью движения 10% NaCl w₁ = 1 м/с, тогда площадь поперечного сечения канала составит: 

     При ширине канала b₁ = 12 мм высота ленты должна составлять: 

     Принимаем по ГОСТ 12067-80 h = 0,4 м; ширину второго канала принимаем b₂ = b₁ = 0,012 м; толщина листа d = 3,5 мм. 

     2.6. Коэффициент теплоотдачи  от 10% NaCl к стеке 

     Эквивалентный диаметр канала: 

  Скорость  движения 10% NaCl: 

     Критерий  Рейнольдса: 

     Критерий  Прандтля:

     l

     Критерий  Нуссельта: 

     Поправкой (Pr/Prст) можно пренебречь, так как разность температур t1 и tст1 не велика.

     

 

     2.7. Коэффициент теплоотдачи  от стенки к  воде 

  Скорость  движения 10% NaCl: 

     Критерий  Рейнольдса: 

     Критерий  Прандтля:

     l

     Критерий  Нуссельта: 

     Поправкой (Pr/Prст) можно пренебречь, так как разность температур t1 и tст1 не велика.

     

 

     2.8. Тепловое сопротивление  стенки 

     Примем  термические сопротивления загрязнений  одинаковыми, рвными r_загр1=r_загр2=1/2900 м2×К/Вт Повышенная коррозионная активность этих жидкостей диктует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной λ_ст=17,5 Вт/(м·К). 
 

     2.9. Коэффициент теплоотдачи 

     Рассчитаем  температуру стенки: 
 
 

     2.10. Расчет поверхности  теплообмена 
 

     Так как теплообменник с ближайшей  большей поверхностью F = 40 м² изготовляется с шириной листа 0,7 или 1,0 м, то принимаем к установке два последовательно соединенных теплообменника с поверхностью теплообмена 20,0 м² каждый. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3. Конструктивный расчет теплообменного  аппарата

     3.1. Длина спирали 
 
 

     3.2. Расчет штуцеров 

     Принимаем скорость жидкости в штуцере w_шт = 1 м/с.

     Штуцер  для входа и выхода 10% NaCl: 

принимаем d₁ = 65 мм.

     Штуцер  для входа и выхода 10% NaCl: 

принимаем d₂ =  40 мм.

     Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция  (рис. 4.1.) и размеры которых приводятся в табл.4.1. 

     Таблица 4.1.

     Конструктивные  размеры фланцев

 
 

     

     Рис. 4.1. Конструкция фланца 

     3.3. Число витков спирали 

     Шаг спиралей: 

     Принимаем радиус полувитка с учетом расположения штуцера r = 0,2 м.

     Число полувитков первой спирали: 

Число полувитков второй спирали: 
 

     3.4. Диаметр аппарата 
 

     Принимаем D=1100 мм. 

     3.5. Уплотнение каналов 

     Каждый  канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской  прокладкой. Такой способ предотвращает смешение теплоносителей при в случае неплотности в прокладки. Кроме того, этот тип уплотнения позволяет легко очистить каналы при их загрязнении. 

     

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     4. Гидравлический расчет аппарата 

     Задачей гидравлического расчета является определение гидравлического сопротивления аппарата и выбор насоса для подачи жидкого теплоносителя. 

     4.1. Гидравлическое сопротивление  аппарата для 10% NaCl 

     Скорость  10% NaCl в штуцере: 

     Коэффициент трения: 

     Гидравлическое  сопротивление: 

     Требуемый напор насоса: 

где h – геометрическая высота подъема жидкости и потери напора в подводящем трубопроводе. Принимаем h = 3 м.

     Объемный  секундный расход 10% NaCl: 

     По  этим двум величинам выбираем центробежный насос Х20/18, для которого производительность Q= 0,0055 м³/с, напор Н = 10,5 м. 

     4.2. Гидравлическое сопротивление  аппарата для хладагента 

     Скорость  10% NaCl в штуцере: 

     Коэффициент трения: 

     Гидравлическое  сопротивление: 

     Требуемый напор насоса: 

где h – геометрическая высота подъема жидкости и потери напора в подводящем трубопроводе. Принимаем h = 3 м.

     Объемный  секундный расход 10% NaCl: 

     По  этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/30, для которого производительность Q = 0,0024 м³/с, напор Н = 17 м. 
 

     5. Расчет тепловой изоляции 

         Принимаем температуру наружной  поверхности стенки t_ст.в = 40 °С, температуру окружающего воздуха t_в = 18 °С, тогда толщина стекловолокнистой изоляции: 

где l_из = 0,09 Вт/м×К – коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала; a_в – коэффициент теплоотдачи от наружной стенки корпуса в окружающую среду. 

     ^×