Теплообменный аппарат

Задание

Рассчитать и подобрать  нормализованный кожухотрубчатый теплообменник для кубового остатка ректификационной колонны в количестве G₁=9 кг/с (толуол) от t_1н=104^oC до t_1к=30^оС.

Кубовой остаток коррозионно - активная органическая жидкость, которая при средней температуре t_1ср=0,5(104+30)=67^оС

Имеет следующие физико - химические характеристики:

плотность                                          теплоемкость

р₁=980 кг/м³                                       с₁=4190 Дж/кгК

вязкость                                             теплопроводность

₁=0,54*10^-3 Н*с/м²                          ₁=0,66 Вт/м*К

Охлаждение осуществляется водой с t_2н=16^оС и t_2к=36^оС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет кожухотрубчатого теплообменника

1. Определение тепловой  нагрузки:

Q=9*4190(104-30)=279054 Вт

2. Расход воды определяем  из уравнения теплового баланса

G₂=279054/4184(36-16)=33,3 кг/с

3. Определение средней  массы температур при противоточном  движении теплоносителей

104      30                         

36        16                         

Ввиду того, что  определяем

^o C

4. Определение режима  движения теплоносителя в трубах

Определяем какое число  труб диаметром 25х2 мм потребуется на один ход в трубном пространстве при турбулентном режиме движения.

n= 9/(0,785*0,54*10^-3*0,021*15000)=67

Уточняем значение критерия Рейнольдса

R_e=9/(0.785*0,54*10^-3*0,021*61)=14596

Следовательно, режим движения толуола - турбулентный.

5. Определение коэффициента  теплоотдачи для толуола

Критерий Прандтля для  толуола при t_1ср=67,5^оС.

Pr=(0.54*10^-3*4190)/0.66=3.43

Тогда

а₁=^0,8*3,43^0,43=2404 Вт/(м²К)

6. Определение коэффициента  теплоотдачи от стенки к охлаждающей  воде.

Критерий Прандтля для  воды при t_2ср=30 ^оС равен 5,56

Определяем скорость движения в межтрубном пространстве

м/с

Для определения критерия Рейнольдса находим значение d_э:

d_э=(0,325^-2-61*0,025^-2)/0,325+61*0,025=0,04 м.

Критерий Рейнольдса:

R_e=0,1*0,04*995,7/(0,82*10^-3)=4426

Следовательно, режим движения переходный.

Для достижения турбулентного  режима движения воды в межтрубном пространстве теплообменника необходимо увеличить скорость  движения воды, для чего нужно установить  перегородки.

Принимаем величину критерия Рейнольдса равной 10000

Определяем значение критерия Нуссельта:

Nu=1,72(0,04*10000)^0,6*5,56^0,33=92,6

Коэффициент теплоотдачи  от стенки к охлаждающей воде

а₂=92,6*0,616/0,03=1902 Вт/(м²К)

Термическое сопротивление  загрязнений: со стороны  толуола  r_з1=1/5800 м²*К/Вт; со стороны воды r_з2=1/2500 м²*К/Вт.

Трубы теплообменника выполнены  из нержавеющей стали, коэффициент  теплопроводности которой .

Коэффициент теплопередачи:

К= 1/(1/2404+0,002/17,5+1/5800+1/2500+1/1902)=337 Вт

При наличии перегородок  в межтрубном пространстве устанавливается  многократный перекрестный ток движения теплоносителей.

Определим средний температурный  напор. Для этого найдем

=

Для определения этого  коэффициента, найдем P и R:

Р=20/88=0,23     R=74/20=3,7

Таким образом, средний температурный  напор равен 30,55.

Требуемая площадь поверхности  теплопередачи

F= 279054/337*30.55=27 м²

Принимаем к установке 4 одноходовых  кожухотрубных теплообменника  со следующей характеристикой: площадь поверхности теплообмена 19,5 м²; диаметр корпуса 325 мм, диаметр труб 25х2 мм; длина труб 4 м; число труб 61, число сегментных перегородок 18; число туб по диагонали -9.

Конструктивный расчет. Отношение  шага между трубами к наружному  диаметру труб

 

Угол, образуемый центральными линиями трубных рядов при  размещении труб по вершинам равносторонних треугольников а=60^о

Коэффициент заполнения трубной  плиты:

²*0,0866/(0,785*0,325²)=0,65

Степень заполнения сечения  трубами в продольном потоке

х_пр=(3,14/4*1,28²)*(0,65/0,866)=0,36

Проводим необходимые  расчеты для определения ширины перегородки:

0,021=()(1-0.36)

Преобразуя уравнение, получим

 

Таким образом,  определив  угол сегмента перегородки ^о

Находим половину центрального угла сегмента:

161/2=80,50^о

cos , где r=D₀/2=0.325/2=0.1625 м.

0,165=(b- 0,1625)/0,1625, вычисляем b=0,189 м.

Определение диаметров штуцеров

Схема соединения теплообменников - последовательная, секционная. скорость движения рабочих сред в штуцерах по возможности должна совпадать  с рабочей скоростью среды.

Определяем скорость движения толуола по трубам теплообменника:

 

Скорость  воды 

Определяем диаметры патрубков  для воды и колен, соединяющих  теплообменники, для толуола

 

 

Принимаем трубы для изготовления патрубков и колен диаметров: для воды - 159х4,5 мм, для толуола - 168х3 мм.

Примерный кожухотрубный теплообменник представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Кожухотрубный теплообменник