Задание

Рассчитать и спроектировать теплообменник для нагревания толуола от начальной температуры t_н, =15^оС до t_к =25^оС. Расход толуола 7 т/час. Нагрев производится насыщенным водяным паром Р_изб = 0,2 кгс/см²

1. Выбор конструкционного материала

Так как ацетон является агрессивным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632 – 72, которая используются для изготовления деталей химической аппаратуры работающей в агрессивных средах при температурах до 600 ºС [4 c.59].

2. Технологический расчет.

2.1. Тепловая нагрузка и расход пара.

В виду того, что в трубах нагревается толуол, а не вода и температура в трубах выше 60°С, используем аппарата типа ТН и ТК. Принимаем для межтрубного пространства индекс «1», для трубного – «2». Абсолютное давление водяного пара PР_атмР_изб

P_атм =0,98 кгс/см² – атмосферное давление

P0,98+0,2=1,18 кгс/см²

Температура конденсации водяного пара t103, 8 ºC [1 табл. LVII, стр. 546] при давлении P 1,18 кгс/см²

Температурная схема

103, 8→103, 8 Водяной пар

15→25 Толуол

Средняя разность температур ∆t_ср

∆t_м= t_ср-t₂=103,8-25=78,8 ºC

∆t_Б= t_ср-t₁=103,8-15=88,8 ºC

Средняя температура толуола

t_ср.см=t_гр-∆t_ср=103,8-83,8=20 ºC

Расход толуола

G₂=7000/3600=1,944 кг/с; V₂=G₂/₂=1,944/866=0,00224 м³/с

где ₂ - плотность толуола при 20 ºC, ₂=866 кг/м³ [1 табл. IV c.512]

Расход теплоты на нагрев толуола

Q=G2*c2(t2-t1)=1,944*1,723*10³*(25-15)=33495,12 Вт;

где c2=1723 Дж/кг*К - средняя удельная теплоемкость толуола [1 рис. XI]

Расход сухого греющего пара

где r=2217 кДж/кг - удельная теплота парообразования при р=1,18 кгс/см² [1 табл. LVII];

Ориентировочно определяем максимальную величину подачи поверхностного теплообменника. По [1 табл. 4.8] минимальное значение коэффициента теплоотдачи для случая теплообмена от конденсирующего водяного пара к органической жидкости К=120 Вт/м²*К

Для обеспечения турбулентного режима при Re>10000 скорость в трубах будет:

где - динамический коэффициент вязкости толуола при t_ср.см=20 ºC

Число труб ф25*2, обеспечивающее данный расход толуола

По условию n<24 и F<8,4 м² удовлетворяет теплообменник: n=111, диаметр 400мм. Проведем расчет горизонтального и вертикального варианта выбранного теплообменника. Выбираем теплообменник «труба в трубе» ТТМ5 38/76 -10 -1,6

Наружная труба - 38х3,5 мм.

Внутренняя труба - 76х4 мм.

Для труб применяем сталь Х18Н10Т так как работает в среде органических жидкостей этилового и метилового спирта. Обоснование толщины труб приведено в механическом расчете.