3. Технологический расчёт

Производительность кожухотрубчатого теплообменника – подогревателя по исходной смеси сероуглерод – четырёххлористый углерод 7 000 кг/ч.

G₂=7 000/3 600=1,94 кг/с

Содержание легколетучего компонента в смеси =20 % мас. или x_F=33,68 % мол. Температура начальная t_2н = 20°С, температура конечная t_2к = 61,2°С [4] стр.375, давление греющего пара 3 атм.=0,3МПа.

Давление в теплообменнике: р_т=(р_гр.+р_атм.)×101 300/98 100= =(3_.+1_.)×101 300/98 100=4,13 кгс/см²

Зная давление в теплообменнике находим t_конд= 143,8 °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 = 143,8 – 20=123,8

Δt_м = 143,8 – 61,2= 82,6

=101,9

Средняя температура вещества:

t₂= t_конд – Δt_ср=143,8 – 101,9=41,9 °С

Все физико-химические свойства смеси рассчитываются по формуле аддитивности:

где а_см, а₁ и а₂ – физико-химическое свойство (плотность, вязкость, теплоёмкость, теплопроводность) смеси, легколетучего и труднолетучего компонента, соответственно.

Объёмный расход: V₂=G₂/ ρ₂=1,94/1 475=0,00132 м³/с

где ρ₂, – плотность смеси при t₂, 1 475 (кг/м³) [3] стр.512.

Тепловая нагрузка аппарата [3] стр. 228:

Q= G₂ × с₂×(t_2к – t_2н) =1,94 × 831×(61,2 – 20) = 66 549 Вт

где с₂–теплоемкость смеси при t₂, 831 Дж/(кг×К) [3] стр.562.

Расход греющего пара определим из уравнения теплового баланса:

G₁= Q /r₁=66 549 /2 137 880=0,031 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, 0,000554 Па×с [3] стр.516, d_в– внутренний диаметр трубы, 0,021 м.

Минимальная скорость в трубах:

=0,18 м/с

Число труб определяется из соотношения:

=21,3 штук

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

F_ор=66 549 /(120×101,9)=5,44 м²

Eсловию n<21,3 и F<5,44 м² в соответствии с ГОСТ 15122 – 79 [2] стр.51 стр.51 подходит следующий теплообменник: одноходовой теплообменник с F=3 м², количество труб на один ход n =13 штук, Н=3 м и D=159 мм.

Re₂=10 000×n’/n=10 000×21,3/13=16 385

=0,29 м/с

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

Pr₂=μ₂×c₂/λ₂

где λ₂ – теплопроводность 0,118 Вт/(м×К) [3] стр.561:

Pr₂=0,000554×831/0,118=3,9

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

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

Nu₂=0,021×16 385^0,8×3,9^0,43×1,05^0,25 ×1=89,75

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

=505 Вт/(м²×К)

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара на наружной поверхности:

где ρ₁, λ₁, μ₁ – физико-химические характеристики конденсата при температуреt_пл, соответственно плотность 923 кг/м³ [3] стр.512, теплопроводность 0,685 Вт/(м×К) [3] стр.561, вязкость 192×10^-6 Па×с [3] стр.561, n_общ – 13 штук, ε₁ – коэффициент для шахматного расположения труб в пучке и при числе труб по вертикали 5 [3] стр.215, 0,7 [3] стр.162, d_н – наружный диаметр трубы, 0,025 м.

=3 295 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:

=331 (м²×К)/Вт

F_ор=66 549 /(331×101,9)=1,97 м²

Аппарат имеет площадь теплообмена [3] стр.230:

F_внут=π×d_вн×L×n

F_внут=3,14×0,021×3×13=2,57 м²

Проверим запас поверхности теплообмена [3] стр.230:

Δ=(2,57– 1,97) ×100/2,57= 23,2 %.

Запас поверхности достаточен.