Расчет кожухотрубчатого теплообменника

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 25х2 мм по ГОСТ 15120-79 скорость течения спирта

при Re1>10000 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 89х4 мм (наружная) и

57х3.5 (внутренняя). Скорость спирта в трубах для обеспечения

турбулентного движения должна быть не менее:

[pic] м/c (П.Р.,216)

Число параллельно работающих труб 57х3.5 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 25х2

мм (ГОСТ 15120-79)

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 15120-79.

[pic]

где 0.025 – наружный диаметр труб, определяющий линейный размер при

поперечном обтекании.

Вариант 2 Кожухотрубчатый холодильник диаметром 159 мм с трубками 25х2

мм (ГОСТ 15120-79)

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 15120-79.

Для потока в трубах при Re1 < 10000 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 15120-79 (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 11069-64).

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.