Расчет и подбор теплообменной аппаратуры

Расчет подогревателя исходной смеси.

В кожухотрубных подогревателях в трубное пронстранство поступает исходная смесь, а в межтрубное пространство подается теплоноситель - водяной пар.

Примем начальную температуру исходной смеси равной температуре воздуха в летнее время в районе строительства: t=180C

Средняя разность температур

где DtБ = tгр. п - tнач = 133,5 - 18 = 115,50С

Dtм = tгр. п - tкон = 133,5 – 79,3 = 54, 20С

Тогда

Предположим, что движение исходной смеси по трубам теплообменника происходит в турбулентном режиме, тогда принимая Reор = 15000, находим требуемое масло труб диаметром 25 ´2 мм, приходящееся на один ход по уравнению

где m1 - динамический коэффициент вязкости исходной смеси при t = 43,30C.

Динамический коэффициент вязкости метанола при данной температуре mмет=0,27сП, динамический коэффициент вязкости воды mвод = 0,65сП (см. [1], стр.529, рис. V), откуда

Тогда

Определяем ориентировочное значение поверхности теплообмена

где - ориентировочный коэффициент теплопередачи (см. [1], стр,

175, табл.4-6)

м2

По данным [2] стр.51, табл.2.3, принимаем двухходовый теплообменник с числом труб в одном ходе 56/2 = 28, d nтр =25*2мм, l nтр =3м, F=13м2 и диаметром кожуха 325 мм.

Далее проводим уточненный расчет поверхности теплопередачи. Рассчитываем критерий Рейнольдса:

-турбулентный режим,

где кг/м3 - плотность исходной смеси

при t = 300С

t = 48,60C: rвод = 996 кг/м3; rац. = 779 кг/м3 (см. [1], стр.489, табл. IV)

Теперь рассчитаем коэффициент теплопередачи К, с учетом того, что теплопередача происходит от конденсирующегося пара к вынужденному потоку исходной смеси (см. [7], стр.532).

, где А – комплекс теплофизических величин, характеризующих горячий теплоноситель-пар (А соответствует по своему физическому смыслу частному коэффициент теплоотдачи aконд=a1).

где С - коэффициент расположения трубок, равный при горизонтальном расположении 0,72, а , r = 932 кг/м3, , - параметры греющего пара (см. [1], стр.512, таб. XXXIX).

Тогда

Теперь рассчитаем коэффициент теплоотдачи a2, используя гидродинамическую цепочку .

где С1=3,72 , , 0,49 (см. [1], стр.534,

рис. Х) –– параметры исходной смеси при средней температуре tср=81,00C.

= =4,56

– при развитом турбулентном режиме.

В расчете коэффициента теплоотдачи можно принимать =1 (см. [1], стр.156).

Тогда

Далее необходимо подобрать коэффициент теплопроводности стали lст.д.ля этого необходимо определиться с выбором конструкционного материала.

Материал для изготовления колонн и теплообменной аппаратуры выбирается в соответствии с условиями их эксплуатации (прочность, механическая обработка, свариваемость). Главным же требованием является их коррозийная стойкость, которая оценивается в зависимости от скорости коррозии.

Предпочтительны материалы, скорость коррозии которых не превышает 0,1-0,5 мм/год, а по возможности - более стойкие (скорость коррозии 0,01-0,05 мм/год).

Сталь марки ОХ17Т обладает повышенной сопротивляемостью межкристаллической коррозии и устойчива как к ацетону, так и к уксусной кислоте.

Сталь удовлетворительно обрабатывается резанием и обладает удовлетворительной свариваемостью.

Сталь ОХ17Т (ГОСТ 5632-61)

l=25,1 Вт/м·К,r=7700 кг/м3

(cм. [4], стр.281, 330)

Итак, коэффициент теплопроводности стали lст=46,5 .

Среднее значения тепловой проводимости загрязнений стенок:

теплоноситель водяной пар (с содержанием масла)

теплоноситель органическая жидкость (исходная смесь)

Термическое сопротивление стальной стенки и загрязнений:

Коэффициент теплопередачи с учетом средних значений тепловой проводимости загрязнений стенок:

Методом итераций находим К по выражению:

К=300 (708-617-527-499-499)

Требуемая площадь поверхности теплообмена

м2

Выбираем двухходовый вертикальный кожухотрубчатый теплообменник (см. [2], стр.51, табл.2.3) со следующими параметрами: трубы 25´2 мм; n = 56 шт; D = 325 мм.

Запас поверхности теплообмена

Расчет конденсатора-дефлегматора

Находим расход охлаждающей воды в дефлегматоре

где tк = 400С

tн = 200С

Средняя разность температур

Ориентировочное значение поверхности теплообмена

где (см. [1], стр.175, табл.4-6).

Задаемся числом Re1 = 15000 (развитой турбулентный режим) и определяем отношение n/z для конденсатора из труб диаметром 25´2 мм

где m1 = 0,8007×10-3 Па×с - динамический коэффициент вязкости воды при средней температуре tср = (20+40) /2 = 300C (см. [1], стр.491, табл. VI).

В соответствии с [2] стр.58, табл.2.9. соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значение у конденсаторов с диаметром кожуха D = 800 мм, диаметром труб 20´2 мм, числом ходов z = 2 и общим числом труб 690 шт.

Действительное число Re1 равно

Находим значение критерия Нуссельта

где Pr = 5,42 (cм. [1], стр.512, табл. XXXIX)

= 1 (т. к. в трубном пространстве происходит нагрев воды)

Тогда коэффициент теплоотдачи a2, характеризующий теплоотдачу стенка–охлаждающая вода, будет равен:

где l2 = 61,8×10-2 - коэффициент теплопроводности воды при 300С (см. [1], стр.512, табл. XXXIX).

Коэффициент теплоотдачи паров метанола, конденсирующегося на горизонтальных трубах, находим через А – комплекс теплофизических величин, характеризующих пары воды (А соответствует по своему физическому смыслу частному коэффициент теплоотдачи aконд=a1).

где С - коэффициент расположения трубок, равный при горизонтальном расположении 0,72,

(см. [1], стр.543,рис. X),

r=980 кг/м3 (см. [1], стр.489, табл. IV),

(см. [1], стр.529,рис. V),

r=2347 (см. [1], стр.516, табл. XLV) – параметры воды при t2.

Теперь рассчитаем коэффициент теплопередачи К.

где eр = 0,65–коэффициент рядности (см. [7], Рис.6.18., стр.520, 521).

Термическое сопротивление стальной стенки трубы

Тепловая проводимость загрязнения со стороны воды среднего качества , а со стороны органического пара (см. [1], стр.506, табл. XXXI).

Суммарное термическое сопротивление стенки и загрязнений

Коэффициент теплопередачи с учетом средних значений тепловой проводимости загрязнений стенок:

Методом итераций находим К по выражению:

(500-387-349-349)

К=349

Требуемая поверхность теплопередачи

м2

Согласно [2], стр.57, табл.2.9, принимаем двухходовой кожухотрубчатый конденсатор со следующими параметрами: D = 600 мм; d = 25´2 мм; z = 6; n = 196; F = 46 м2; lтр =3,0 м.

Расчет испарителя (кипятильника)

Средняя разность температур

Ориентировочное значение площади теплообмена составит

где (см. [1], стр.175, табл.4-6).

В соответствии с [2], стр.57, табл.29, поверхность наиболее близкую к расчетной имеет кожухотрубчатый испаритель с диаметром кожуха D = 600 мм, длиной труб 3,0 м и поверхностью теплообмена F = 40 м2.

Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящей жидкости (см. [7], стр.533):

где С - коэффициент расположения трубок, равный при вертикальном расположении 0,94, , r = 928 кг/м3, , - параметры греющего пара (см. [1], стр.512, таб. XXXIX).

B0=

Р= 1бар+0, 1927бар=1, 19бар

где

- динамический коэффициент вязкости кубового продукта при t0=99,5 0C (см. [1], стр.529, рис. V).

Тогда

B0=

Находим сумму термических сопротивлений стенки и загрязнений

Коэффициент теплопередачи с учетом средних значений тепловой проводимости загрязнений стенок:

Методом итераций находим К по выражению:

К=

(1400-1306-1213-1213)

К=1213

Тогда требуемая поверхность составит

м2

Исходя из значений требуемой поверхности теплообмена Fтр выбираем кожухотрубчатый испаритель со следующими параметрами: D = 600 мм, d = 20´2 мм; F = 40 м2, lтр = 2,0 м (см. [2], стр.56, табл.2.9)

Выбор емкостей

Для хранения дистиллята, кубового остатка и исходной смеси используют емкости. В качестве емкостей мы будем использовать горизонтальные цистерны и резервуары. Горизонтальные цистерны предназначены для хранения жидкостей. Они представляют собой горизонтальные сварные сосуды, которые укреплены изнутри кольцами и тягами жесткости, сваренными из уголка. Днища цистерн могут быть выпуклыми или плоскими. Резервуары представляют собой сварные сосуды горизонтального типа, сваренные из углеродистой стали обыкновенного качества, Резервуары снабжены съемными барботерами, двумя лазами, смотровыми окнами и двумя патрубками для присоединения трубопроводов каждый.

Емкость для хранения исходной смеси.

Определяем объем исходной смеси