Расчёт теплообменного аппарата.

Произведём расчёт теплообменного аппарата, предназначенного для отвода тепла, выделяющегося в ходе процесса окисления в колонне.

Изначально примем к установке теплообменник согласно ГОСТу 15118-79 и проверим, возможно ли его использование для нормального поддержания технологического режима.

Длина труб	6	м
Поверхность теплообмена	219
Число ходов z	1
Диаметр кожуха	800	мм
Диаметр труб	25x2	мм
Число труб n	465

Исходя из материального баланса, массовый приход шихты составляет 46461,03 кг/час. Удельная теплоёмкость шихты составляет 260,81 Дж/кг·К, начальная температура - 125 , конечная - 122 . Плотность шихты ρ_ш=796,04 кг/м³, динамическая вязкость μ=0,000135 Па*с, теплопроводность λ=0,121 Вт/м*К.

В качестве хладагента используется вода с температурой Т₁=15°С, Т₂=35°С. Физико-химические свойства воды: плотность воды ρ_в=998,04 кг/м³, μ=0,000891 Па*с, теплопроводность λ=0,58 Вт/м*К.

Тепловая нагрузка аппарата составляет Q=3810792,01 Вт, расход воды составляет 0,0127 м³/с.

Произведём уточненный расчёт коэффициента теплопередачи:

К=1/(1/α_ш+Σλ/δ+1/α_в), где и - коэффициенты теплоотдачи шихты и воды соответственно, Вт/(м*К);

Σλ/δ- сумма температурных сопротивлений, Вт/( *К).

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для трубного пространства α₁

В трубное пространство подаётся шихта G_ш=14214,55 кг/час = 3,95 кг/сек.

Объёмная скорость шихты равна

V=G/ρ=3,95/754,3=0,524 м³/с.

Внутренний диаметр труб:

d=D-2*δ=0,025-2*0,002=0,021 м.

Линейная скорость ω равна:

ω=4*V/(π*d²*n/z)=4*0,524/(3,14*0,021*465/1)=0,068 м/с.

Критерий Рейнольдса в межтрубном пространстве:

Re=ρ*ω*d/μ, где w – линейная скорость, м/с; d – внутренний диаметр трубы, м; ρ – плотность окислительной шихты; μ – динамическая вязкость.

_{Re=796,04*0,068*0,021/0,000135=13429,74}

Nu=0.023*Re^0,8*Pr^0,43*(Pr_ж/Pr_cт)^0,25

(Pr_ж/Pr_cт)^0,25=1,

Pr=C_p*μ/λ, где С_р – удельная теплоёмкость шихты, равна 260,81 Дж/(кг К); λ – удельная теплопроводность шихты, равна 0,121 Вт/(м*К); μ – динамическая вязкость 0,000135 Па*с.

Pr=260,81*0,000135/0,121=0,25

Критерий Нуссельта:

Nu=0.023*13429,74,8*0,250,43*1=22,75.

Коэффициент теплоотдачи:

α=Nu*λ/d, где где - коэффициент теплоотдачи, В/(м К); - критерий Нуссельта; - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); - внутренний диаметр трубы, м.

Коэффициент теплоотдачи окисляемой шихты:

α=22,75*0,121*/0,021=159,24 Вт /м²*К.

Рассчитаем площадь межтрубного пространства:

S_{межтруб}=0,785*(D²-n*d²)=0,785*(0,8²-465*0,025²)=0,096 м².

_{Эквивалентный диаметр находим по формуле:}

d_экв=(4* S_{межтруб}/π)^1/2==(4*0,096/3,14)^1/2=0,35 м.

Определим скорость воды в межтрубном пространстве:

ω_{межтруб}=V_воды/ S_{межтруб}=0,0127/0,096=0,132 м/с.

Критерий Рейнольдса для воды:

Re=ρ*ω*d/μ=998,04*0,132*0,35/0,000809=57121,547.

Режим движения воды в межтрубном пространстве – турбулентный.

Nu=0.023*Re^0,8*Pr^0,43*(Pr_ж/Pr_cт)^0,25, где

(Pr_ж/Pr_cт)^0,25=1,

Pr=C_p*μ/λ, где С_р – удельная теплоёмкость воды, равна 4181,1 Дж/(кг К); λ – удельная теплопроводность воды, равна 0,58 Вт/(м*К); μ – динамическая вязкость 0,000809 Па*с.

Критерий Нуссельта:

Nu=0,023*Re^0,8*Pr^0,43*(Pr_ж/Pr_cт)^0,25=0,023*57121,547*6,42^0,43=2922,59

Коэффициент теплоотдачи воды:

α=Nu*λ/d=2922,59*0,58/0,35=4843,15 Вт/м*К

Термические сопротивления по справочным данным составляют:

теплопроводность стали =47 Вт/(м К);

толщина стенки =0,002м;

тепловое сопротивление для воды δ/λ=0,0006 м²*К/Вт.

Σδ/λ=0,002/47+0,0006=0,00064 м²*К/Вт.

Коэффициент теплопередачи по формуле:

К=1/(1/α_ш+Σλ/δ+1/α_в)=1/(1/159,24+0,00064+1/4843,15)=140,32 Вт/м²*К.

ΔT_cp=95K.

Тогда расчётная поверхность теплообмена по формуле:

F=Q/(K*ΔT_cp)=3810792,01/(140,32*95)=179,41 м².

Δ=(219-179)*100/219=18,26%.

Вывод: выбранный теплообменный аппарат подходит для нормального поддержания технологического режима с запасом поверхности равной 18,26%.