ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ(ЗАДАЧНИК) Авторы Р. Б. Комляшев, А. В. Вешняков, М. А. Носырев

Изменения температур теплоносителей:

t1 t1н t1к 110°С 80°С 30 К, t2 t2к t2н 70°С 20°С 40 К.

Для теплоносителя с меньшим изменением температуры среднюю интегральную температуру можно принять равной средней арифметической. Поскольку t1 t2 , среднее значение температуры теплагента:

б) противоток теплоносителей в одноходовом теплообменнике (рис. 17).

Рис. 17. Профиль температур теплоносителей по длине труб одноходового кожухотрубчатого подогревателя-рекуператора при противотоке

Бóльшее и меньшее значение движущей силы в теплообменнике:

tБ t1к t2н 80°С 20°С 60К,tМ t1н t2к 110°С 70°С 40 К.

Среднее логарифмическое значение движущей силы:

51

Изменения температур теплоносителей:

t1 t1н t1к 110°С 80°С 30 К, t2 t2к t2н 70°С 20°С 40 К.

Для теплоносителя с меньшим изменением температуры среднюю интегральную температуру можно принять равной средней арифметической. Поскольку t1 t2 , среднее значение температуры теплагента:

t

t1н = 110 °C

t1к = 80 °C

t2к = 70 °C

t2н = 20 °C

L

Рис. 18. Профиль температур теплоносителей по длине труб двухходового кожухотрубчатого подогревателя-рекуператора при смешанном токе

В двухходовом кожухотрубчатом теплообменнике теплоноситель, поступающей в трубное пространство (на рис. 18 это хладагент), часть пути

52

проходит прямотоком по отношению к теплоносителю, движущемуся в межтрубном пространстве, а часть пути противотоком. Таким образом получается смешанный ток, и движущая сила для такого случае рассчитывается по более сложному уравнению.

Изменения температур теплоносителей:

t1 t1н t1к 110°С 80°С 30 К, t2 t2к t2н 70°С 20°С 50 К.

Среднее логарифмическое значение движущей силы:

1)При противотоке наблюдается наибольшее значение движущей силы, поэтому он наиболее выгоден. Прямоток практически не востребован из-за низкой движущей силы.

2)Смешанный ток по значению движущей силы занимает промежуточное значение между прямотоком и противотоком. По движущей силе смешанный ток менее выгоден, чем противоток, но смешанный ток востребован благодаря другим преимуществам многоходовых теплообменников (более высоких коэффициент теплопередачи).

3)В том случае если t2к t1к прямоток теплоносителей невозможен. Сме-

шанный ток возможен только в том случае, если t1н t2к и t1к t2н .

4) В четырёх- и шестиходовых теплообменниках средняя движущая сила рассчитывается по более сложным трансцендентным уравнениям, содер-

53

жащим гиперболические тангенс и котангенс. Однако применение для многоходовых теплообменников уравнения, полученного для двухходового теплообменника, даёт пренебрежимо малую погрешность.

Задача 34

Определить среднюю движущую силу процесса теплопередачи и средние температуры теплоносителей для реактора с мешалкой, где происходит охлаждение жидкости от 80 °С до 60 °С с помощью хладагента, подающегося в змеевик, если хладагент при этом нагревается 25 °С до 50 °С.

Решение

Теплагент – жидкость (охлаждение в аппарате с мешалкой). Хладагент – жидкость (нагрев в змеевике).

Тип аппарата – аппарат перемешивания со змеевиком.

Структура потоком в аппарате, снабжённом мешалкой, близка к модели идеального смешения (МИС). Такая структура потоков характеризуется постоянством температуры теплоносителя по всему объёму аппарата

(рис. 19).

Хладагент – жидкость (нагрев) МИВ

t2н = 25 °C

L

Рис. 19. Профиль температур теплоносителей в реакторе с мешалкой и охлаждающем змеевиком

Таким образом, для теплагента, перемешиваемого мешалкой, температура постоянна практически по всей длине аппарата до выхода. И только на

54

входе теплагента наблюдается резкий скачок температуры. Однако вклад этого скачка температур в движущую силу пренебрежимо мал, и при расчёте движущей силы им пренебрегают, считая температуру перемешиваемого теплоносителя постоянной по всей длине аппарата и равной температуре на выходе.

Структура потоком в змеевике близка к МИВ, поэтому для поступающего в змеевик хладагента профиль температур представляет плавную выпуклую кривую.

Бóльшее и меньшее значение движущей силы в теплообменнике:

tБ t1к t2н 60°С 25°С 35К,tМ t1к t2к 60°С 50°С 10 К.

Среднее логарифмическое значение движущей силы:

Среднее значение температуры теплагента, структура потока которого близка к МИС, равна его конечной температуре:

t1ср t1к 60°C.

Среднее значение температуры хладагента:

Задача 35

Определить среднюю движущую силу процесса теплопередачи и средние температуры теплоносителей для реактора с мешалкой, где происходит нагрев жидкости от 20 °С до 70 °С с помощью насыщенного водяного пара, подаваемого в рубашку реактора под избыточным давлением 0,5 кгс/см². Атмосферное давление принять равным 750 мм рт. ст.

Решение

Теплагент – насыщенный водяной пар (конденсация в рубашке аппарата). Хладагент – жидкость (нагрев в аппарате с мешалкой).

55

Тип аппарата – аппарат перемешивания с рубашкой.

Абсолютное давление насыщенного водяного пара: p1 pатм p1

750мм рт.ст. 133,32 ммПарт.ст. 0,5кгссм2 98100 Паат 149040 Па.

Температура насыщенного водяного пара: t1 111,2°C [2, c. 7].

Фазовый переход (конденсация пара) происходит без изменения температуры. На рис. 20 профиль температур теплагента в этом случае изображается горизонтальной линией.

Для хладагента, перемешиваемого мешалкой, температура постоянна практически по всей длине аппарата до выхода. При расчёте движущей силы считают температуру перемешиваемого теплоносителя постоянной по всей длине аппарата и равной температуре на выходе.

t

Теплагент – насыщенный водяной пар (конденсация)

Среднее значение температуры хладагента, структура потока которого близка к МИС, равна его конечной температуре: t2ср t2к 70°C.

Движущая сила в случае постоянства температур теплоносителей равна их разности: tср t1 t2ср 111,2°С 70 К 41,2°C.

56

ОРИЕНТИРОВОЧНЫЙ РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕННИКА

Задача 36

В теплообменнике, обогреваемом насыщенным водяным паром, производится нагрев бензола от 20 °C до 70 °C. Избыточное давление насыщенного водяного пара составляет 1 кгс/см², атмосферное давление 750 мм рт. ст. Расход жидкого бензола составляет 49 м³/ч. Тепловые потери составляют 5 % от тепловой нагрузки теплообменника. Определить ориентировочную поверхность теплообменника и подобрать под неё стандартные кожухотрубчатый, двухтрубный и пластинчатый теплообменники.

Решение

Теплагент – насыщенный водяной пар (конденсация). Хладагент – жидкий бензол (нагрев).

Абсолютное давление насыщенного водяного пара: p1 pатм p1

750мм рт.ст. 133,32 ммПарт.ст. 1кгссм2 98100 Паат 198090 Па .

Температура насыщенного водяного пара: t1 119,9°C [2, c. 7].

Удельная теплота фазового перехода (конденсации) насыщенного водяно-

го пара: r1 2203,1кДжкг [2, c. 7].

t

Теплагент – насыщенный водяной пар (конденсация)

t1 = 119,9 °C

ΔtМ = 49,9 К

t2к = 70 °C

ΔtБ = 99,9 К

Хладагент – бензол (нагрев) МИВ

t2н = 20 °C

L

Рис. 21. Профиль температур теплоносителей по длине труб подогревателя-конденсатора

57

Бóльшее и меньшее значение движущей силы в теплообменнике (рис. 21):

tБ t1 t2н 119,9°С 20°С 99,9К,tМ t1 t2к 119,9°С 70°С 49,9К.

Среднее логарифмическое значение движущей силы:

Поскольку движущая сила представляет собой разность температур, то её величина одинакова и в градусах Цельсия, и в Кельвинах.

Среднее значение температуры хладагента:

Теплоёмкость хладагента при средней арифметической температуре:

Плотность хладагента при средней интегральной температуре:

2 849,1кгм3 [2, с. 14].

Объёмный расход хладагента: V2 49м3ч 1,361 10 2 м3с. Массовый расход хладагента:

m2 V2 2 1,361 10 2 м3с 849,1кгм3 11,56кгс.

Расход тепловой энергии на нагрев хладагента:

Находим тепловую нагрузку теплообменного аппарата и расход тепловой энергии, выделяющейся при конденсации теплагента:

Массовый расход теплагента (насыщенного водяного пара):

Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи от конденсирующегося пара к органическим жидкостям в подогревателях при вынуж-

58

денном движении теплоносителей [1, с. 172, табл. 4.8]:

Kор 120 340 мВт2 К .

Кожухотрубчатый теплообменник

Для кожухотрубчатого теплообменника выбираем середину интервала:

Kор 230 мВт2 К .

Ориентировочная поверхность теплопередачи кожухотрубчатого теплооб-

Выбираем из [4, с. 57, табл. 2.9] теплообменник с такой площадью поверхности, чтобы запас по поверхности составлял от 5 до 30 %. Минимальная и максимальная площади поверхности теплопередачи такого теплообменника составляют:

Amin 1,05 Aор 1,05 65,53м2 68,8м2 ,

Amax 1,3 Aор 1,3 65,53м2 85,2м2 .

Массу теплообменника находим по [4, с. 56, табл. 2.8].

Выбираем теплообменник с наименьшей массой. Характеристики теплообменника:

площадь поверхности теплопередачи AТО = 70 м2; диаметр кожуха D = 600 мм;

диаметр труб d = 20×2 мм; число ходов N = 2; общее число труб n = 370; длина труб L = 3,0 м;

масса теплообменника mТО = 1970 кг.

59

Запас по поверхности теплопередачи:

Теплообменник «труба в трубе»

В двухтрубном теплообменнике турбулентность потока теплоносителей выше, чем в кожухотрубчатом, что приводит к большему коэффициенту теплопередачи. Выбираем верхнюю границу интервала:

Kор 340 мВт2 К

Ориентировочная поверхность теплопередачи кожухотрубчатого теплооб-

Выбираем из [4, с. 61, табл. 2.11, 2.12] теплообменник с такой площадью поверхности, чтобы запас по поверхности составлял не менее 5 %. Минимальная площадь поверхности теплопередачи такого теплообменника со-

ставляют: Amin 1,05 Aор 1,05 44,33м2 46,5м2 .

Подходит разборный многопоточный теплообменник типа «труба в трубе» со следующими характеристиками:

площадь поверхности теплопередачи AТО = 66 м2; число параллельных потоков N = 22;

число труб n = 44; длина труб L = 9,0 м.

Запас по поверхности теплопередачи:

В качестве альтернативы можно рассмотреть 6 последовательно соединённых двухпоточных теплообменников типа «труба в трубе» со следующими характеристиками:

площадь поверхности теплопередачи AТО = 9 м2; диаметр труб d = 159×4,5 мм;

число параллельных потоков N = 1; число труб n = 2;

длина труб L = 9,0 м.

60