Расчет кожухотрубчатого теплообменника

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/(мК)



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).



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/(м2К)



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/(м2К)





 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









Окончательно  и 



Расчетная площадь поверхности теплопередачи:



 м2.



С запасом 10%  м2



Принимаем к установке аппараты длиной 3 м (ГОСТ 15120-79 (П.Р.,215).









Площадь поверхности теплообмена одного аппарата по среднему диаметру труб:



 м2



Необходимое число аппаратов:







Примем N = 9. Запас поверхности при этом составляет:



%





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 пространство

Межтрубное 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):



шт.



Общее число элементов:



 шт.



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