3. Технологический расчёт

Производительность кожухотрубчатого теплообменника предназначенного для нагрева смеси метанол – вода производительность 5 т/ч.

G₂=5 000/3 600=1,39 кг/с

Содержание легколетучего компонента в смеси =25 % мас. или x_F=15,8 % мол. Температура начальная t_2н = 20°С, температура конечная t_2к = 84,2°С [4] стр.375, давление греющего пара 6 атм.=0,6 МПа.

Давление в теплообменнике: р_т=(р_гр.+р_атм.)×11 325/98 100=7,23 кгс/см²

Зная давление в теплообменнике находим t_конд= 165,5 °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 = 165,5 – 20=145,5

Δt_м = 165,5 – 84,2= 81,3

=110,4

Средняя температура вещества:

t₂= t_конд – Δt_ср=165,5 – 110,4=55,1 °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=1,39/806=0,00172 м³/с

где ρ₂, – плотность смеси при t₂, 806 (кг/м³) [3] стр.512.

Тепловая нагрузка аппарата [3] стр. 228:

Q= G₂ × с₂×(t_2к – t_2н) =1,39 × 3 673×(84,2 – 20) = 327 547 Вт

где с₂–теплоемкость смеси при t₂, 3 673 Дж/(кг×К) [3] стр.562.

Расход греющего пара определим из уравнения теплового баланса:

G₁= Q /r₁=327 547 /2 070 860=0,158 кг/с

где r₁ – теплота конденсации греющего пара, 2 070 860 Дж/кг [3] стр.550;

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

где μ₂ – вязкость смеси при t₂, 0,000466 Па×с [3] стр.516, d_в– внутренний диаметр трубы, 0,021 м.

Минимальная скорость в трубах:

=0,275 м/с

Число труб определяется из соотношения:

=18,1 штук

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

F_ор=327 547 /(600×110,4)=24,7 м²

Условию n<18,1 и F<24,7 м² в соответствии с ГОСТ 15122 – 79 [2] стр.51 подходит следующий теплообменник: одноходовой теплообменник с F=3,0 м², количество труб на один ход n =13 штук, Н=3 м и D=159 мм.

Уточняем значение критерия Re₂ [3] стр.228:

Re₂=10 000×n’/n=10 000×18,1/13=13 908

=0,38 м/с

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

Pr₂=μ₂×c₂/λ₂

где λ₂ – теплопроводность 0,446 Вт/(м×К) [3] стр.561:

Pr₂=0,000466×3 673/0,446=3,83

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

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

Nu₂=0,021×13 908^0,8×3,83^0,43×1,05^0,25 ×1=78,18

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

=1 662 Вт/(м²×К)

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара на наружной поверхности:

где ρ₁, λ₁, μ₁ – физико-химические характеристики конденсата при температуреt_пл, соответственно плотность 948 кг/м³ [3] стр.512, теплопроводность 0,681 Вт/(м×К) [3] стр.561, вязкость 168×10^-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.

=3 486,1 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+1/5 800 +1/5 800 =7,38×10^-4 (м²×К)/Вт

Коэффициент теплопередачи равен [3] стр.229:

=614,8 (м²×К)/Вт

F_ор=327 547 /(614,8×110,4)=4,82м²

Аппарат имеет площадь теплообмена [3] стр.230:

F_внут=π×d_вн×L×n

F_внут=3,14×0,021×3×13=2,26 м²

Проверим запас поверхности теплообмена [3] стр.230:

Δ=(2,26– 4,82) ×100/2,26= -87,6 %.

Выбранный нами теплообменник не подходит. Т.к. теплообменников подходящих условию n<18,1 и F<24,7 м² в соответствии с ГОСТ 15122 – 79 [2] стр.51 не найдено, поэтому предположим, что число Рейнольдса должно быть меньше 2 300: Re₂’= 2 300.

Максимальная скорость в трубах:

=0,063 м/с

=78,6 штук

Условию n>78,6 и F<24,7 м² в соответствии с ГОСТ 15122 – 79 [2] стр.51 подходит следующий теплообменник: одноходовой теплообменник с F=17,0 м², количество труб на один ход n =111 штук, Н=2 м и D=400 мм.

Уточняем значение критерия Re₂ [3] стр.228:

Re₂=2 300×78,1/111=1 629

=0,045 м/с

Nu₂=0,021×1 626^,0,8×3,83^0,43×1,05^0,25 ×1=14,1

=299 Вт/(м²×К)

=7 419 Вт/(м²×К)

=237,1 (м²×К)/Вт

F=327 547 /(237,1×110,4)=12,51м²

F_внут=3,14×0,021×2×111=14,64 м²

Проверим запас поверхности теплообмена [3] стр.230:

Δ=(14,64– 12,51) ×100/14,64= 14,5 %.

Запас поверхности достаточен.