Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Дано:

[pic].

Материальный баланс колонны:

[pic].

[pic].

[pic].

[pic].

[pic]кг/с.

[pic].

[pic].

Пересчет массовых % в мольные доли:

[pic].

Тепловой баланс теплообменника:

[pic].

[pic].

По табл. XLVII (П.Р., 543).

[pic].

По рис. XI (П.Р., 562).

[pic]кал/кг (с [pic] Дж/кг (К.

[pic].

Расход воды:

[pic] кг/с (Д., 32).

Ф/х свойства воды при т-ре 30С.

[pic]кг/м3.

[pic]Вт/(м (К).

[pic]Па (с.

Среднелогарифмическая разность температур:

[pic] [pic].

[pic].

[pic]С.

Ф/х cвойства cмеси метилового спирта и воды с массовой долей метилового спирта 7% при температуре 30 С.

[pic]кг/м3 (т. 1−101, Перри, 51).

Коэффициент динамической вязкости смеси рассчитывается по уравнению Томаса (ф. 1−91, Перри, 26):

[pic], где.

[pic],.

[pic]температура смеси;

[pic]постоянная вязкости, определяемая путем суммирования атомных и структурных составляющих смеси.

Для смеси метиловый спирт-вода,.

[pic] (т. 1−14, Перри, 26).

Таким образом,.

[pic] Па (с.

Коэффициент теплопроводности смеси органических жидкостей и воды с достаточной степенью точности можно посчитать по уравнению Краго.

(1−70, Перри, 22):

[pic],.

где [pic]относительная плотность смеси жидкостей по воде, равная в данном случае 0.99.

Таким образом.

[pic].

Удельную теплоемкость растворов органических жидкостей можно посчитать по методу Джонсона и Хуанга с помощью аддитивных составляющих (т. 1−7, Перри, 15). Для смеси вода-метиловый спирт при содержании спирта 7% по массе, теплоемкость практически равна теплоемкости воды при т-ре 30 градусов, или равна.

[pic]Дж/(кг (К) (р. XI, П.Р., 562).

Пустим спирт по трубам, а воду — в межтрубном пространстве.

Объемный расход спирта и воды:

[pic]м3/с (П.Р, 216).

[pic]м3/с (П.Р, 216).

Согласно т.4.8 (П.Р., 172) минимальное значение Kop для турбулентного режима составляет 250 Вт/(м (К).

Ориентировочная поверхность составляет:

[pic]м2 [pic]м2.

В теплообменных трубах 25×2 мм по ГОСТ 15 120–79 скорость течения спирта при Re1>10 000 должна быть не менее:

[pic] м/c (П.Р, 216).

Проходное сечение трубного пространства должно быть не менее:

[pic]м2.

Кожухотрубчатый холодильник наименьшего диаметра 159 мм с числом труб 13 имеет площадь 0.5(10−2 м2 (табл. 4.12, П. Р, 215). Следовательно турбулентное течение спирта можно обеспечить только в аппарате с меньшим диаметром трубного пространства, т. е. в теплообменнике «труба в трубе » .

Вариант 1. Теплообменник «труба в трубе «(ГОСТ 9930−78).

1. Рассмотрим аппарат, изготовленный из труб 89×4 мм (наружная) и.

57×3.5 (внутренняя). Скорость спирта в трубах для обеспечения турбулентного движения должна быть не менее:

[pic] м/c (П.Р., 216).

Число параллельно работающих труб 57×3.5 мм, при этом.

[pic] (П.Р., 217).

Примем n=2. Определим критерий Рейнольдса и скорость для спирта:

[pic]м/с (П.Р., 217).

[pic] (П.Р., 217).

Критерий Рейнольдса соответствует турбулентному движению.

Для воды:

[pic].

[pic] (П.Р., 217).

где 0.024 — эквивалентный диаметр, равный 0.081−0.057.

1.2. Составим схему процесса теплопередачи. По табл. 4.1 (П.Р., 151) находим, что теплоотдача для спирта и воды (турбулентный режим у обеих жидкостей) описывается ур. 4.17. (П.Р., 154).

[pic].

Коэффициент [pic] примем равным 1.

Ввиду того, что температуры стенок со стороны спирта [pic]и воды [pic] пока неизвестны, примем сомножитель [pic] равным единице для обоих потоков.

а) Коэффициент теплоотдачи для спирта:

Критерий Прандтля для спирта при 25.9 градусах.

[pic] (П.Р., 217).

Критерий Нуссельта для спирта:

[pic].

Коэффициент теплоотдачи от спирта к стенке:

[pic] Вт/(м2(К).

(П.Р., 217).

б) Коэффициент теплоотдачи для воды.

Критерий Прандтля для воды при 30 градусах.

[pic].

Критерий Нуссельта для воды:

[pic].

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде:

[pic] Вт/(м2(К).

Термическое сопротивление стенки и загрязнений (табл. XXXI, П.Р., 531).

Примем коэффициент теплопроводности материала стенки, равным коэффициенту теплопроводности стали, то есть равным 46.5.

[pic] м2(К/Вт.

Величина тепловой проводимости 1860 выбрана из расчета загрязненной воды, так как смесь в трубе представляет собой воду с примесью органической жидкости.

Коэффициент теплопередачи:

[pic].

[pic] Вт/(м2(К).

Поверхностная плотность теплового потока:

[pic] Вт/м2.

1.3. Определим ориентировочно значения [pic] и [pic], исходя из того, что.

[pic], где сумма.

[pic].

Найдем:

[pic].

[pic].

[pic] (П.Р., 218).

Следовательно:

[pic].

[pic].

Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи:

Критерий Прандтля для спирта при [pic].

[pic].

Критерий Прандтля для воды при [pic].

[pic].

Уточненный коэффициент теплоотдачи для спирта:

[pic].

Уточненный коэффициент теплоотдачи для воды:

[pic].

Исправленные значения [pic]:

[pic].

[pic]Вт/(м2(К).

[pic] Вт/м2.

[pic].

[pic].

Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

[pic]м2.

С запасом 10%: [pic] м2.

Поверхность теплообмена одного элемента длиной 6 м.:

[pic]м2.

Число элементов в каждой из двух секций (ветвей):

[pic]шт.

Общее число элементов:

[pic] шт.

Вариант 2. Кожухотрубчатый холодильник диаметром 159 мм с трубами 25×2 мм (ГОСТ 15 120−79).

Скорость и критерий Рейнольдса для спирта:

[pic] м/с.

[pic].

Скорость и критерий Рейнольдса для воды:

[pic] м/с.

где 0.9(10−2 — проходное сечение межтрубного пространства между перегородками по ГОСТ 15 120–79.

[pic].

где 0.025 — наружный диаметр труб, определяющий линейный размер при поперечном обтекании.

Вариант 2 Кожухотрубчатый холодильник диаметром 159 мм с трубками 25×2 мм (ГОСТ 15 120−79).

Скорость и критерий Рейнольдса для спирта:

[pic] м/с.

[pic].

Скорость и критерий Рейнольдса для воды:

[pic] м/с.

[pic].

где [pic] - проходное сечение межтрубного пространства между перегородками по ГОСТ 15 120–79.

Для потока в трубах при Re1 < 10 000 значение tcт.1. влияет на выбор расчетной формулы через произведение GrPr. Зададимся значениями температур стенки, исходя из того, что.

[pic].

Примем исходя из предыдущего расчета (теплообменник «труба в трубе »).

[pic].

[pic].

а) коэффициент теплоотдачи для воды (Re2 = 8671.6).

При поперечном омывании потоком трубного пучка при Re > 1000 рекомендуется соотношение.

[pic].

Примем [pic] = 0.6 (157, П.Р.). Критерий Прандтля для спирта:

[pic].

Тогда.

[pic] [pic].

[pic] Вт/(м2(К) б) Коэффициент теплоотдачи для спирта (Re1 = 6873).

Для выбора расчетной формулы определим произведение (PrGr) при определяющей температуре — средней температуре пограничного слоя. (П.Р., 154).

[pic]С Физические свойства спирта при температуре 27.5С:

[pic]кг/м3 (т. 1−101, Перри, 51) [pic] Па (с [pic] [pic]Дж/(кг (К) (р. XI, П.Р., 562).

[pic].

[pic] [pic] [pic] [pic].

[pic].

Для определения Nu2 при данном соотношении и Re > 3500 воспользуемся табл. 4.4 (П.Р., 155) В данных пределах критерий Нуссельта по формуле 4.28 (П.Р., 155).

[pic],.

где n = 0.11 при нагревании, n=0.25 при охлаждении. В нашем случае n=0.25. [pic]динамический коэффицент вязкости смеси при температуре стенки. В нашем случае можно принять равным динамическому коэффициенту вязкости при температуре смеси.

[pic] [pic].

[pic] Вт/(м2(К) Коэффициент теплопередачи:

[pic] Вт/(м2(К) Поверхностная плотность теплового потока:

[pic] Вт/м2.

Уточним значения.

[pic] [pic].

Окончательно [pic] и [pic].

Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

[pic] м2.

С запасом 10% [pic] м2.

Принимаем к установке аппараты длиной 3 м (ГОСТ 15 120−79 (П.Р., 215).

Площадь поверхности теплообмена одного аппарата по среднему диаметру труб:

[pic] м2.

Необходимое число аппаратов:

[pic].

Примем N = 9. Запас поверхности при этом составляет:

[pic]%.

Таким образом видно, что первый вариант теплообменника («труба в трубе ») имеет меньшую металлоемкость и большее число Рейнольдса по сравнению с кожухотрубчатым теплообменником. Проведем расчет экономических параметров теплообменника «труба в трубе » .

Табл. 1. «Технические характеристики теплообменника «|Показатели |Трубное |Межтрубное | | |пространство |пространство | |Среда |Наименование |Метанол |Вода | | |Токсичность |Токсична |Нетоксична | | |Взрывоопасность |Невзрывоопасна |Невзрывоопасна | | |Агрессивность |Агрессивна |Неагрессивна | | |Температура |93.5 (на входе) |40 (на выходе) | |Рабочее давление, МПа | | | |Емкость аппарата, м3 | | | |Поверхность теплообмена, м2 |2.81 |.

Материал деталей аппарата, соприкасающихся с метанолом — сталь Х18Н9Т ГОСТ 5632–72, остальных ст. 3 ГОСТ 380–71. Материал герметизирующих прокладок — картон асбестовый ГОСТ 2850–58. Материал прокладок в резьбовых соединениях — алюминий марок А95, А85, А8, А7, А6, А5, А0, А (ГОСТ 11 069−64).

Число элементов в каждой из двух секций (ветвей):

[pic]шт.

Общее число элементов:

[pic] шт.

Таким образом, затраты на элементы теплообменника из расчета 100 руб. за элемент составят 1100 рублей. Масса аппарата «труба в трубе «- 2200 кг.