Расчет кожухотрубчатого теплообменника (145790)

Посмотреть архив целиком

Дано:



Материальный баланс колонны:






кг/с




Пересчет массовых % в мольные доли:





Тепловой баланс теплообменника:




По табл. XLVII (П.Р., 543)



По рис. XI (П.Р., 562)


кал/кгс Дж/кгК




Расход воды:


кг/с (Д., 32)


Ф/х свойства воды при т-ре 30С


кг/м3

Вт/(мК)

Пас


Среднелогарифмическая разность температур:






С


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


кг/м3 (т. 1-101, Перри, 51)


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


, где


,

температура смеси;

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


Для смеси метиловый спирт-вода,


(т. 1-14, Перри, 26)


Таким образом,


Пас


Коэффициент теплопроводности смеси органических жидкостей и воды с достаточной степенью точности можно посчитать по уравнению Краго (1-70, Перри, 22):


,


где относительная плотность смеси жидкостей по воде, равная в данном случае 0.99




Таким образом



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


Дж/(кгК) (р. XI, П.Р., 562)


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


Объемный расход спирта и воды:


м3/с (П.Р, 216)


м3/с (П.Р, 216)


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


Ориентировочная поверхность составляет:


м2 м2


В теплообменных трубах 25х2 мм по ГОСТ 15120-79 скорость течения спирта при Re1>10000 должна быть не менее:


м/c (П.Р, 216)


Проходное сечение трубного пространства должно быть не менее:

м2





Кожухотрубчатый холодильник наименьшего диаметра 159 мм с числом труб 13 имеет площадь 0.510-2 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:


м/c (П.Р.,216)


Число параллельно работающих труб 57х3.5 мм, при этом


(П.Р.,217)


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


м/с (П.Р.,217)


(П.Р., 217)


Критерий Рейнольдса соответствует турбулентному движению.


Для воды:


(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)



Коэффициент примем равным 1.

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


а) Коэффициент теплоотдачи для спирта:


Критерий Прандтля для спирта при 25.9 градусах


(П.Р., 217)


Критерий Нуссельта для спирта:



Коэффициент теплоотдачи от спирта к стенке:


Вт/(м2К)

(П.Р., 217)


б) Коэффициент теплоотдачи для воды.


Критерий Прандтля для воды при 30 градусах.



Критерий Нуссельта для воды:



Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде:


Вт/(м2К)

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


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


м2К/Вт


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


Коэффициент теплопередачи:


Вт/2К)


Поверхностная плотность теплового потока:


Вт/м2



1.3. Определим ориентировочно значения и , исходя из того, что

,

где сумма



Найдем:


(П.Р., 218)



Следовательно:




Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи:


Критерий Прандтля для спирта при



Критерий Прандтля для воды при



Уточненный коэффициент теплоотдачи для спирта:



Уточненный коэффициент теплоотдачи для воды:



Исправленные значения :

Вт/2К)



Вт/м2


Расчетная площадь поверхности теплопередачи:


м2


С запасом 10%: м2


Поверхность теплообмена одного элемента длиной 6 м.:


м2


Число элементов в каждой из двух секций (ветвей):


шт.


Общее число элементов:


шт.




















Вариант 2. Кожухотрубчатый холодильник диаметром 159 мм с трубами 25х2 мм (ГОСТ 15120-79)


Скорость и критерий Рейнольдса для спирта:


м/с



Скорость и критерий Рейнольдса для воды:


м/с


где 0.910-2 - проходное сечение межтрубного пространства между перегородками по ГОСТ 15120-79.



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:


м/с






Скорость и критерий Рейнольдса для воды:


м/с



где - 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



Примем исходя из предыдущего расчета (теплообменник "труба в трубе")



а) коэффициент теплоотдачи для воды (Re2 = 8671.6)


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



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



Тогда




Вт/(м2К)


б) Коэффициент теплоотдачи для спирта (Re1 = 6873)


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


С


Физические свойства спирта при температуре 27.5С:


кг/м3 (т. 1-101, Перри, 51)

Пас

Дж/(кгК) (р. XI, П.Р., 562)





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)


,


где n = 0.11 при нагревании, n=0.25 при охлаждении. В нашем случае n=0.25.

динамический коэффицент вязкости смеси при температуре стенки.

В нашем случае можно принять равным динамическому коэффициенту вязкости при температуре смеси.



Вт/(м2К)


Коэффициент теплопередачи:


Вт/(м2К)


Поверхностная плотность теплового потока:


Вт/м2


Уточним значения