Расчет кожухотрубчатого теплообменника
Теплотехника

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.