3.2.1 Цель расчета

Целью расчета является определение основных параметров теплообменника.

3.2.2 Данные для расчета

Расход сероводородсодержащего раствора – G₁=2,78 кг/с;

начальная температура сероводородсодержащего раствора – t_1н=60 ºС;

конечная температура сероводородсодержащего раствора – t_1к=90 ºС;

начальная температура очищенного моноэтаноламина – t_2н=110 ºС;

конечная температура очищенного моноэтаноламина – t_2к=90 ºС.

Расчетная схема приведена на рисунке 3.2.1.

Расчет ведем согласно [8].

Рисунок 3.2.1 Расчетная схема теплообменника

3.2.3 Определение тепловой нагрузки

Тепловая нагрузка определяется по формуле:

Q=G₁C₁(t_1к – t_1н), (3.2.1)

где C₁ – теплоемкость моноэтаноламина при его средней температуре t₁.

t₁ =(t_1н + t_1к)/2 (3.2.2)

t₁=(60+90)/2=75ºС;

C₁=4187 Дж/(кгК).

Тогда

Q=2,78·4187·(90-60)=349195,8 Вт.

Расход моноэтаноламина определяем по формуле:

Q

G₂ = , (3.2.3)

C₂ · (t_2н – t_2к)

где С₂ – теплоемкость моноэтаноламина при его средней температуре t₂ .

t₂ =(t_2н + t_2к)/2 (3.2.4)

t₂ =(110+90)/2=100 ºС;

С₂=4271 Дж/(кгК).

Тогда 349195,8

G₂= =4,09 кг/с.

4271·(110-90)

3.2.4 Определение температурного напора

Средний температурный напор определяется по формуле:

∆t_б +∆t_м

∆t_ср = , (3.2.5)

2

где ∆t_б – большая разность температур теплоносителя;

∆t_м – меньшая разность температур теплоносителя.

∆t_б =90-60=30 ºС;

∆t_м =110-90=20 ºС.

Тогда 30+20

∆t_ср = =25 ºС.

2

3.2.5 Выбор теплообменника

По рекомендации [8] принимаем коэффициент теплопередачи от жидкости к жидкости К_ор=250 Вт/м²К.

Ориентировочную поверхность теплообменника определяем по формуле:

Q

F_ор = , (3.2.6)

∆t_ср ·ж_ор

Тогда 349195,8

F_ср = =56 м ².

25·250

Принимаем теплообменник типа ТП имеющий следующие характеристики [8]:

D_в=500 мм; d_т=25×2 мм; число ходов Z=2; поверхность теплообмена F=62 м², при длине труб l=6 м.

3.2.6 Уточненный тепловой расчет теплообменника

Определяем теплофизические параметры теплоносителей при их средних температурах [9].

Сероводородсодержащий раствор:

Т_ср=75 ºС;

теплоемкость С₁=4187 Дж/(кгК);

теплопроводность λ₁=0,571 Вт/(мК);

относительная плотность ρ₁=1022 кг/м³;

кинематическая вязкость γ₁=0,000000576.

Моноэтаноламин:

Т_ср=100 ºС;

теплоемкость С₂=4271 Дж/(кгК);

теплопроводность λ₂=0,586 Вт/(мК);

относительная плотность ρ₂=950 кг/м³;

кинематическая вязкость γ₂=0,000000344.

Критерий Прандтля:

С₁ γ₁ ρ₁

Pr₁ = , (3.2.7)

λ₁

тогда 4187·0,576·10^-6·1022

Pr₁ = =4,3.

0,571

С₂ γ₂ ρ₂

Pr₂ = , (3.2.8)

λ₂

тогда

4271·0,344·10^-6·950

Pr₁ = =2,3.

0,586

Скорость движения сероводородсодержащего раствора по трубам определяется по формуле:

G₁

W₁ = , (3.2.9)

ρ₁·f₁

где f₁– площадь сечения одного хода по трубам [8].

f₁ =0,023 м ³.

Тогда 2,78

W ₁ = =0,12 м /с

1022·0,023

Скорость движения моноэтаноламина в межтрубном пространстве определяется по формуле:

G₂

W₂ = , (3.2.10)

Ρ₂·f₂

где f₂ – площадь проходного сечения по межтрубному пространству.

f₂ =8·10^-3 м ³.

Тогда 4,09

W ₂ = =0,54 м /с

950·8·10^-3

Критерий Рейнольдса:

W₁ d_вн

Re₁ = , (3.2.11)

γ₁

тогда 0,12·0,021

Re₁ = =4375

0,576·10^-6

W₂ d_вн

Re₂ = , (3.2.12)

γ₂

тогда 0,54·0,025

Re₁ = =39244

0,344·10^-6

Коэффициент теплопередачи жидкости, движущейся по трубам, в переходном режиме определяется по формулам:

Nu=0,008 Re^0,9Pr^0,43 (3.2.13)

В качестве определяющего геометрического размера принимают внутренний диаметр теплообменных труб.

α₁ d_в

Nu . (3.2.14)

λ₁

Тогда λ₁

α₁ = — ·0,008 Re₁ ^0,9Pr₁ ^0,43 (3.2.15)

d_в

0.571

α₁ = — ·0,008 ·4375^0,9·4,3^0,43 =770 Вт/м ³ К.

0,021

При движении жидкости в межтрубном пространстве кожухотрубчатых теплообменников с симметричными перегородками коэффициент теплопередачи определяется при Re ≥1000 по формулам [8]:

Nu=0,24 Re^0,6Pr^0,36 (Pr/Pr_ст)^0,25, (3.2.16)

где Pr/Pr_ст=1.

В качестве определяющего геометрического размера принимают наружний диаметр теплообменных труб.

α₂ d_н

Nu = . (3.2.17)

λ₂

Тогда λ₂

α₂ = ·0,24 Re₂ ^0,6Pr₂ ^0,36 (3.2.18)

d_н

0.586

α₂ = ·0,24 ·39244^0,6·2,03^0,36 =4331 Вт/м ³ К.

0,025

Коэффициент теплопередачи при d_н/d_в<2 определяем по формуле:

1

К= , (3.2.19)

1 δ_ст 1

— + r₁+ — + r₂+ —

α₁ λ_ст α₂

где λ_ст – теплопроводность нержавеющей стали;

r₁, r₁– термическое сопротивление загрязнений.

λ_ст =17,5 Вт/(мк); r₁=r₁=0,00086 м²К/Вт.

Тогда

1

К= =297 Вт/(м²К).

1 0,002 1

— + 0,00086+ — + 0,00086+ —

770 17,5 4331

Требуемая поверхность составляет:

349195,8

F = = 47 м ².

25·297

Запас поверхности теплообмена:

62-47

∆ = ·100% = 31%.

47

Принятый ранее теплообменник типа ТП с поверхностью теплообмена F=62 м ² удовлетворяет исходным данным.

3. Прочностной расчет абсорбционной колонны