3. Технологический расчёт

Производительность кожухотрубчатого теплообменника – подогревателя по исходной смеси метанол – вода 3 т/ч.

G₂=3000/3600=0,83 кг/с

Содержание легколетучего компонента в смеси =22 % мас. или x_F=13,7 % мол. Температура начальная t_2н = 20°С, температура конечная t_2к = 85,48°С [4] стр.375, давление греющего пара 2 атм.=0,2 МПа.

Давление в теплообменнике: р_т=(р_гр.+р_атм.)×101 300/98 100= =(2+1)×101 300/98 100=3,09 кгс/см²

Зная давление в теплообменнике находим t_конд= 133,65 °С [3] стр.550.

Средняя движущая сила процесса [3] стр. 227:

Δt_б = t_конд – t_2н

Δt_м = t_конд – t_2к

Δt_б = 133, 65 – 20=113,65

Δt_м = 133,65 – 85,48= 48,22

=76,42

Средняя температура вещества:

t₂= t_конд – Δt_ср=133,65 – 76,42=57,3 °С

Все физико-химические свойства смеси рассчитываются по формуле аддитивности:

где а_см, а₁ и а₂ – физико-химическое свойство (плотность, вязкость, теплоём-

кость, теплопроводность) смеси, легколетучего и труднолетучего компонента, соответственно.

Объёмный расход: V₂=G₂/ ρ₂=1,39/800=0,00104 м³/с

где ρ₂, – плотность смеси при t₂, 800 (кг/м³) [3] стр.512.

Тепловая нагрузка аппарата [3] стр. 228:

Q= G₂ × с₂×(t_2к – t_2н) =0,83 × 3 729×(85,48 – 20) = 203 457 Вт

где с₂–теплоемкость смеси при t₂, 3 729 Дж/(кг×К) [3] стр.562.

Расход греющего пара определим из уравнения теплового баланса:

G₁= Q /r₁=203 457 /2 137 880=0,095 кг/с

где r₁ – теплота конденсации греющего пара, 2 137 880 Дж/кг [3] стр.550;

Предположим, что число Рейнольдса должно быть больше 10 000: Re₂’= 10 000.

где μ₂ – вязкость смеси при t₂, 0,000471 Па×с [3] стр.516, d_в– внутренний диаметр трубы, 0,021 м.

Минимальная скорость в трубах:

=0,28 м/с

Число труб определяется из соотношения:

=10,7 штук

Зададим К =120 Вт/(м²×К) [3] стр. 228 тогда F_ор=Q/KΔt_ср

F_ор=203 457 /(120×76,42)=22,183 м²

Условию n<10,7 и F<22,18 м² в соответствии с ГОСТ 15122 – 79 [2] стр.51 стр.51 не подходит ни один из представленных теплообменников, поэтому предположим, что число Рейнольдса должно быть меньше 2 300:Re₂’= 2 300.

Максимальная скорость в трубах:

=0,064 м/с

=46,7 штук

Условию n>46,7 и F< F<22,18 м² в соответствии с ГОСТ 15122 – 79 [2] стр.51 подходит следующий теплообменник: одноходовой теплообменник с F=14,5 м², количество труб на один ход n =62 штук, Н=3 м и D=325 мм.

Уточняем значение критерия Re₂ [3] стр.228:

Re₂=2 300×46,7/62=1 732

=0,049 м/с

Критерий Прандтля для смеси при t₂ [3] стр.228:

Pr₂=μ₂×c₂/λ₂

где λ₂ – теплопроводность 0,433 Вт/(м×К) [3] стр.561:

Pr₂=0,000471×3 729/0,471=4,05

Критерий Нусельта рассчитывается по формуле [3] стр.228:

Nu₂=0,021×Re₂^0,8Pr₂^0,43(Pr₂/Pr_ст2)^0,25ε_l

Nu₂=0,021×1 732^,0,8×3,83^0,43×1,05^0,25 ×1=15,1

Примем (Pr₂/Pr_ст2)^0,25=1,05 с последующей проверкой, таким образом :

=312 Вт/(м²×К)

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара на наружной поверхности:

где ρ₁, λ₁, μ₁ – физико-химические характеристики конденсата при температуреt_пл, соответственно плотность 932 кг/м³ [3] стр.512, теплопроводность 0,686 Вт/(м×К) [3] стр.561, вязкость 206×10^-6 Па×с [3] стр.561, n_общ – 62 штук, ε₁ – коэффициент для шахматного расположения труб в пучке и при числе труб по вертикали 9 [3] стр.215, 0,68 [3] стр.162, d_н – наружный диаметр трубы, 0,025 м.

=5 514 Вт/(м²×К)

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара 1/r_загр1≈1 860 Вт/(м²×К) [3] стр.531, со стороны смеси 1/r_загр2≈11 600 Вт/(м²×К) [3] стр.531, Коэффициент теплопроводности стали 17,5 Вт/(м×К). Тогда

Σδ/λ= 0,002/17,5+1/11 600 +1/1 860 =7,38×10^-4 (м²×К)/Вт

Коэффициент теплопередачи равен [3] стр.229:

=242,4 (м²×К)/Вт

F=203 457 /(242,4×76,42)=10,99 м²

F_внут=3,14×0,021×3×62=12,26 м²

Проверим запас поверхности теплообмена [3] стр.230:

Δ=(12,26– 10,99) ×100/12,26 = 10,4 %.

Запас поверхности достаточен.