Кожухотрубный теплообменник для нагрева 5 т/ч этилового спирта  от 10 до 80 С. Греющий пар с давление 0,1 МПа.

Введение

Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществ­ления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или ох­лаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

- поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, при­чем тепло передается через поверхность стенки;

- регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего тепло­носителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;

- смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредствен­ном соприкосновении теплоносителей.

В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструк­ций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубные, оросительные, погруженные и "труба в трубе".

Одним из самым распространенным типом теплообменников являются кожухотрубные теплообменники. Они представляют из себя пучек труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем разваль­цовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучек труб расположен внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой - в пространстве между кожухом и трубами.

Кожухотрубные теплообменники могут быть с неподвижной трубной ре­шеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15121-79, теплообменники могут быть двух- четырех- и шестиходовыми по трубному пространству.

Достоинствами кожухотрубных теплообменников являются: компакт­ность; небольшой расход метала; легкость очистки труб изнутри, а недос­татками - трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями; трудность очистки межтрубного пространства и трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

Кожухотрубные теплообменники могут использоваться как для нагрев, так и для охлаждения.

В качестве греющего агента в теплообменниках часто используется насыщенный водяной пар имеющий целый ряд достоинств:

- высокий коэффициент теплоотдачи;

- большое количество тепла, выделяемое при конденсации пара;

- равномер­ность обогрева, так как. конденсация пара происходит при постоянной тем­пературе;

- легкое регулирование обогрева.

1. Технологическая схема

Исходный этиловый спирт с помощью центробежного насоса ЦН подается в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменника ТО. В трубное пространство теплообменника поступает греющий пар, конденсирующийся на поверхности трубок, образовавшийся конденсат сбрасывается в линию оборотного водоснабжения. Нагретый за счет теплоты конденсации пара этиловый спирт из теплообменника самотеком поступает в приемную емкость ПЕ.

Рис.1 Технологическая схема

2. Выбор конструкционного материала

Так как этиловый спирт  является инертным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем сталь 12Х18 ГОСТ 5632 – 72, которая используются для изготовления деталей химической аппаратуры работающей в нейтральных средах при температурах до 600 ºС [4.c59].

3. Тепловой и материальный расчет

3.1. Температурный режим аппарата.

Температура конденсации насыщенного водяного пара при давлении Р=0,1 МПа t_к = 104,2 С [1c.550].

t_к

t_2н

t_2к

Рис. 2 Схема изменения температур в теплообменнике.

t_б = t_к – t_2н = 104,2 – 10 = 94,2 С.

t_м = t_к – t_2к= 104,2 –80 = 24.2 С.

так как t_б/t_м = 94,2/24,2 = 3,9 > 2 то средняя разность температур:

Δt_ср = (Δt_б – Δt_м)/ln(Δt_б/Δt_м) = (94,2 – 24,2)/ln(94,2/24,2) = 51,50 ºС

Средняя температура этилового спирта:

t_2ср = t_2к – t_cр = 104,2 – 51,50 = 52,7 С.

3.2. Тепловая нагрузка аппарата:

Q = 1,05G₂c₂(t_2н – t_2к),

где с₂ = 2,97 кДж/(кгK) – теплоемкость этилового спирта [1c. 564],

G₂ = 5000/3600 = 1,38 кг/с – массовый расход этилового спирта,

1,05 – коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду.

Q = 1,051,382,97(80–10) = 301,24 кВт.

Расход греющего пара:

G₁ = Q/r = 301,24/2249 = 0,133 кг/с,

где r = 2249 кДж/кг – теплота конденсации пара при давлении 0,1 МПа.

3.3. Ориентировочный выбор теплообменника.

Греющий пар конденсируется в межтрубном пространстве, а этиловый спирт дви­жется по трубам. Принимаем ориентировочное зна­чение критерия Рейнольдса Re_ор = 15000, соответствующее развитому турбулентному режиму движения жидкости, при котором обеспечи­ваются наилучшие условия теплообмена.

Число труб приходящееся на один ход теплообменника:

n/z = G₂/0,785Re_орd_внμ₂,

где d_вн – внутренний диаметр трубок,

μ₂ = 1,2∙10^-3 Па∙с – вязкость этилового спирта при 52,7 ºС [1 c. 516].

для труб 20×2 d_вн = 0,016 м

n/z = 1,38/0,785∙15000∙0,016∙1,2∙10^-3 =6.

Принимаем также ориентировочное значение коэффициента теплопе­редачи К_ор = 500 Вт/м²∙К [1 c. 172], тогда ориентировочная по­верхность теплообмена:

F_ор = Q/K_ор Δt_ср = 301,24∙10³/500∙51,50 =11,69 м².

Принимаем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена: 2-х ходовой с диаметром кожуха 325 мм и 30 трубками 20×2 [2c.51].

4. Коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору

₂ = Nu₂₂/d_вн,

где ₂ = 0,670 Вт/мК – теплопроводность этилового спирта,

Nu₂ – критерий Нуссельта.

Фактическое значение критерия Рейнольдса:

Re₂ = G₂/[0,785d_вн(n/z)₂ =

= 1,38/[0,7850,016(30/2)1,210^-3 = 6104

Режим движения турбулентный в этом случае критерий Нуссельта:

Nu₂ = 0,021Re₂^0,8Pr₂^0,42(Pr₂/Pr_ст2)^0,25,

где Рr₂ = 11 – критерий Прандтля для этилового спирта при 52,7 С [1c.564].

Принимаем в первом приближении отношение (Pr₂/Pr_ст2)^0,25 = 1, тогда

Nu = 0,0216104^0,811^0,43 = 62,8.

₂ = 62,80,670/0,016 = 2629 Вт/м²К.

3.5. Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке

, [6с.55]

где ₁ = 932 кг/м³ – плотность конденсата [1c.537],

₁ = 0,20710^-3 Пас – вязкость,

₁ = 0,684 Вт/(мК) – теплопроводность

Физико-химические свойства конденсата взяты при температуре конденсации 100 С.

₁ = 3,780,684[932²0,02030/(0,20710^-30,133)]^1/3 = 6890 Вт/(мК).

3.6. Тепловое сопротивление стенки:

где _ст = 0,002 м – толщина стенки трубки;

_ст = 17,5 Вт/мК – теплопроводность стали [1 c.529];

r₁ = r₂ = 1/5600 мК/Вт – тепловое сопротивление загрязнений сте-

нок [1 c.531];

(/) = 0,002/17,5 + 1/5600 + 1/5600 = 4,610^-4 мК/Вт.

3.7. Коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/₁+(/)+1/₂) =

1/(1/6890+4,610^-4+1/2629) = 1014 Вт/м²К.

3.8. Температуры стенок:

t_ст2 = t_ср2 + Кt_ср/₂ = 51,50 + 101452,7/2629 = 71,8 С.

Уточняем коэффициенты теплоотдачи.

Критерий Прандтля для раствора при t_ст2 =71,8  Pr_ст2 = 9

_2ут = ₂(Pr₂/Pr_ст2)^0,25 = 2629(11/9)^0,25 = 2764 Вт/м²К.

Уточняем коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/6890+4,610^-4+1/2764) = 1034 Вт/м²К.

Температура стенки:

t_ст2 = 51,50 + 103452,7/2764 =71,2 С.

Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейших уточне­ний не требуется.