Определение диаметра трубопровода

Диаметр трубопровода определяется по формуле

 

d = √ V/0,785∙w, с.16[4] (1)

 

где V – объемный расход

w – скорость воды во всасывающей и нагнетательной линиях одинаковая и равна 1,5 м/с

 

d =√ 2,5∙10^-3/0,785∙1,5 = 0,146 м = 146 мм.

 

Выбираем стандартный диаметр трубопровода 159 мм, толщина стенки 4,5 мм (Приложение А) [4].

Внутренний диаметр трубопровода равен

 

d = 159 – 2∙4,5 = 150 мм.

 

Определим среднюю температуру смеси

t_{кип(этанола)}= 78,3 ⁰С (с.541[3]); t_{кип(воды)}=100 ⁰С; t_{кип(средняя)}= 89,15 ⁰С

 

t_см= 20+89,15/2 = 54,6 ⁰С

 

Расчет потерь на трение и местные сопротивления

Определим режим течения заданной смеси этанол вода

 

R_e = w∙ρ_см∙d/μ_см, с.17[4] (2)

 

где μ_см – вязкость смеси жидкости, которая рассчитывается по формуле

 

μ_см = μ_э^х ∙ μ_в^(1-х), с.17[4] (3)

 

где μ_э и μ_в – динамический коэффициент вязкости веществ, взятые при средней температуре (с.516 [3]), μ_э = 0,825 мПа∙с = 0,825∙10^-3 Па∙с; μ_в = 0,509 мПа∙с = 0,509∙10^-3 Па∙с;

х₁ – мольная доля этанола, которая рассчитывается по формуле

 

х₁ = х₁∙ М_э/ (х₁∙ М_э+(1- х₁) ∙ М_в), с.18[4] (4)

 

где М_э, М_в–мольная масса этанола(с.541[3]) и воды,

М_э = 46,07 кг/кмоль; М_в= 18 кг/кмоль;

 

х₁= 0,2∙46,07/ (0,2∙46,07+(1-0,2) ∙18)= 0,998;

 

μ_см = 0,825^0,998 ∙ 0,509^(1-0,998) = 0,824∙ 10^-3 Па∙с

 

Определим плотность веществ по таблице IV [3], при t_см = 54,6 ⁰С.

 

ρ_{этанола при 55 С}= 948,75 кг/м³;

ρ_{воды при 55 С}= 985,25 кг/м³;

 

Плотность смеси жидкостей рассчитывается по формуле

 

1/ρ_см= (х₁/ ρ_э)+((1-х₁)/ ρ_в); с.16[3] (5)

 

1/ρ_см =(0,2/948,75)+((1-0,2)/985,25);

 

ρ_см = 977,73 кг/м³

 

Подставим найденные значения μ_см и ρ_см в формулу (3), тогда

 

R_e = (1,5∙977,73∙0,150)/(82,4∙10^-5)=266977.

 

Режим течения – турбулентный

Среднее значение шероховатости стенок труб ℓ = 0,2 мм (табл. XII [3]). Относительная шероховатость d_э/ℓ = 150/0,2=750. По графику 1.5 [3] находим значение коэффициента трения λ=0,0253.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений для всасывающей линии:

∑ ζ _вс= ζ₁+ ζ₂, с.90[3] (6)

 

где ζ₁ = 0,5 вход в трубу (с острыми краями); ζ₂ = 1 – кран пробочный; (табл. XIII [3]). Тогда

∑ ζ _вс = 0,5+2= 2,5

 

Потеря давления ∆р равен

 

∆р =(λL_вс/d+∑ ζ _вс)(ρ_смw /2)=(0,0253∙10/0,150+2,5)(977,73∙1,5²/2)= 4605,11 Па с.90[3] (7)

 

Потери напора на всасывающей линии:

 

Н_вс= ∆р/(ρg)= 4605,11/(977,73∙9,81)= 0,48 м, с.90[3] (8)

 

Сумма коэффициентов местных сопротивлений для нагнетательной линии:

∑ ζ_н= ζ₁+ ζ₂+2ζ₃+5ζ₄ , с.92[3] (9)

 

где ζ₁ = 1 выход из трубы; ζ₂ = 0,13 – диафрагма (отверстие) с острыми краями в прямой трубе (m=0,9); ζ₃ = 1 – кран пробочный; ζ₄=А∙В= 1∙0,15=0,15 – отвод под углом 90⁰ (табл. XIII [3]). Тогда

 

∑ ζ_н = 1+0,13+2+5∙0,15=3,88

 

Потеря давления ∆р равен

 

∆р =(λL_наг/d+∑ ζ_н)(ρ_смw /2)=(0,0253∙15/0,150+3,88)(977,73∙1,5²/2)= 7050,66 Па

 

Потери напора на всасывающей линии:

 

Н_н= ∆р/(ρg)= 7050,66/(977,73∙9,81)= 0,74 м.

 

Общие потери напора:

 

Н_п = Н_вс+ Н_н = 0,48+0,74=1,22 м. с.91[3] (10)

 

Определение гидравлического сопротивления теплообменника

Скорость жидкости в трубах теплообменника рассчитывается по формуле

W_тр = V/ (0,785∙d_в²∙n), м/с, с.20[4] (11)

 

где n – общее число труб;

d_в – внутренний диаметр теплообменника, равный

d_в=25-2∙2=21 мм.

 

n=n_труб/z, с.20[4] (12)

где z – число ходов;

n=240/2=120;

 

W_тр = 2,5∙10^-3/(0,785∙0,021² ∙120)=0,06 м/с

 

R_e =(0,06∙977,73∙0,021)/ 0,824∙ 10^-3 = 1495,07.

 

Режим течения – ламинарный

 

При ламинарном течении коэффициент λ не зависит от шероховатости стенки трубы, а зависит только от R_e: для труб круглого сечения

 

λ =64/ R_e=64/1495,07=0,0428 с.21[3] (13)

 

Потеря давления ∆р равен

 

∆р = (λ∙(n∙L/d)) ∙ (w²ρ/2) + (∑ζ ∙(w²ρ/2)), с.21[4] (14)

 

где L – длина трубы теплообменника;

d – диаметр труб;

w – скорость жидкости в трубах теплообменника;

n – число ходов;

∑ζ – сумма коэффициентов местного сопротивления в теплообменнике (с. 26[3]).

 

∆р = (0,0428∙(2∙3/0,021)) ∙ (0,06²∙977,73/2) + (5∙ (0,06²∙977,73/2)) = 30,22 Па

 

Напор в теплообменнике равен

 

H_тепл.= ∆р/ρg =30,32/(977,73∙9,81)=0,00316 м. с.22[4] (15)

Определение напора и выбор насоса

Общий напор установки определяется по формуле

 

Н = Н_г + Н_п + Н_тепл. = 20 + 1,22 + 0,00316 = 21,22 м. с.22[4] (16)

 

Устанавливаем центробежный насос марки Х20/31, для которого при оптимальных условиях работы производительность Q=5,5∙10^-3 м³/с, напор Н=25м, КПД насоса η_н=0,55. Насос снабжен двигателем АО2-41-2 номинальной мощностью 5,5 кВт; η_д=0,87, частота вращения вала n=48,3 об/с. (с.92 [3]).

Рассчитаем потребляемую мощность насоса по формуле

 

N =(V∙ρ∙g∙Н)/1000∙η_н =(2,5∙10^-3∙977,73∙9,81∙21,22)/1000∙0,55 = 0,93 кВт.

с.22[4] (17)

 

Заключение

В данной расчетно-графической работе был определен напор и мощность при заданной подаче (расходе) жидкости, перемещаемой насосом. Далее по этим характеристикам был выбран насос марки Х20/31, для которого при оптимальных условиях работы производительность Q=5,5∙10^-3 м³/с, напор Н=25м, КПД насоса η_н=0,55. Насос снабжен двигателем АО2-41-2 номинальной мощностью 5,5 кВт; η_д=0,87, частота вращения вала n=48,3 об/с.

 

 

 

Список использованных источников

1 Левин Б.Д., Ченцова Л.И., Шайхутдинова М.Н., Ушанова В.М. процессы и аппараты химических и биологических технолгий. Учеб. пособие для студентов химических специальностей вузов / Под общ. ред. д-ра. хим. Наук С.М. Репяха. – Красноярск: Сибирский государственный технологический университет, 2002. - 430с.

2 Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. – 496 с.

3 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов под ред. чл. – корр. АН России П.Г. Романкова. – 12-е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987г. М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. – 576 с.

4 Ченцова, Л.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебное пособие к самостоятельной работе студентов специальностей 240901, 240403, 240502, 240701, 240702, 240406, 280201, 050501, 240801, 260601, 200503, 080502, 0240100 очной формы обучения / Л.И. Ченцова, М.К. Шайхутдинова, В.М. Ушанова. – Красноярск: СибГТУ, 2006. – 262 с.