Расчет теплообменного аппарата

 

 

 

 

Решение

При абсолютном давлении паров уксусной кислоты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для этилацетата выписываем значения:

Из условия t1н=77 °С, t1к=30 °С, t1ср=55,5 °С.

Физико-химические свойства при t1ср=55,5 °С:

кг/м3 (таблица IV, [2]); Вт/(м·К) (монограмма X, [2]), Па·с (таблица IX, [2]), Дж/(м·К) (номограмма XI, [2]).

Для воды:

Принимаем начальную и конечную температурц t2н=20 °С, t2к=40 °С, t2ср=10 °С.

Физико-химические свойства при t2ср=30 °С:

кг/м3 (таблица IV, [2]); Вт/(м·К) (монограмма X, [2]), Па·с (таблица IX, [2]), Дж/(м·К) (номограмма XI, [2]).

 Принимаем противоточную  схему движения теплоносителей

 

Рисунок 3 – Схема движения теплоносителей

 

1.  Тепловая нагрузка аппарата (формула 2.2, [1]):

(1)

 

2. Определение расхода воды:

(2)

 

3. Определим среднюю разность температуры ( формула 2.6 [1]):

(3)

 

4. Ориентировочный выбор теплообменника. В трубное пространство поступает вода, а рабочая среда, этилацетат, в межтрубное пространство. Принимаем ориентировочное значение критерия Рейнольдса , соответствующее развитому турбулентному режиму движения жидкости, при котором обеспечиваются наилучшие условия теплообмена.  Определим соотношение n/z для конденсатора из труб:

диаметром мм

(4)

 

диаметром мм

(5)

 

где n – общее число труб;

z – число ходов по трубному пространству;

d – внутренний диаметр труб, м.

Примем Вт/(м2·К) (из таблицы 2.1, [1]). Тогда оринтировочное значение требуемой поверхности составит :

(6)

 

5. Определим поправку для среднелогарифмической разности температур, согласно формуле 2.7 [1]:

(7)

 

(8)

 

(9)

 

(10)

 

(15)

 

(16)

 

Тогда

С учетом поправки ориентировочная поверхность составит:

(17)

 

6. Уточненный расчет следующих вариантов:

1К: D = 600 мм; dн = 20×2; z = 2; n/z = 370/2 = 185;

2К: D = 800 мм; dн = 20×2; z = 4; n/z = 638/4 = 159,5;

3К: D = 800 мм; dн = 25×2; z = 4; n/z = 404/4 = 101.

7. Уточненный расчет поверхности теплопередачи

Вариант 1K:

(18)

;

(19)

.

Коэффициент теплоотдачи к воде определим по уравнению 2.12, [1], пренебрегая поправкой (Pr/Prст)0,25:

(20)

 

(21)

 

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками м2 , тогда

(22)

 

(23)

 

В соответстви с формулой 2.16 [1] коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся в межтрубном пространстве, составит:

(24)

 

Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений:

(25)

 

где м – толщина стенки трубки;

Вт/м·К – теплопроводность нержавеющей стали [1 c.529];

м·К/Вт; – тепловые сопротивления загрязнений стенок.

Коэффициент теплопередачи:

(26)

.

Требуемая поверхность:

(27)

 

Из таблицы 2.3 [1] следует, что из вабранного ряда подходит теплообменник с трубами длинной 4,0 м и номинальной поверхностью F = 93 м2.

Запас:

(28)

 

Масса теплообменника М1К = 3500 кг.

Вариант 2К:

Аналогичный расчет дает следующие результаты:

, Вт/(м2·К), , Вт/(м2·К),

 Вт/(м2·К), м2. Из таблицы 2. 3 [1] следует, что теплообменник длиной 2,0 м имеент недостаточный запас поверхности (Δ <10 %), поэтому для данной задачи он не пригоден. Теплообменник  длиной 3,0 м, поверхностью 120 м2 , имеет преимущество по сравнению с варианто 1К, так как при небольшой разнице в массе (М2К=3550 кг) длина труб в 1,3 раза меньше, что характеризуется меньшим гидравлическим сопротивлением.

Вариант 3К:

Аналогичный расчет дает следующие результаты:

, Вт/(м2·К), , Вт/(м2·К),

 Вт/(м2·К), м2. Из таблицы 2. 3 [1] следует, что теплообменник с трубами длиной 3,0 м, номинальной поверхностью м2 подходи с запасом ((Δ = 15 %). Его масса кг, а длина труб  составляет 3,0 м.

Дальнейшее сопоставление тех конкурентоспособностых вариантов (1К, 2К, 3К) проводим по гидравлическому сопротивлению .

8. Расчет гидравлического сопротивления кожухотрубчатых теплообменников.

(29)

 

Коэффициент трения:

(30)

 

где  – относительная шероховатость труб;

 – высота выступов шероховатости ( мм).

Принимаем диаметр штуцеров в распределительной камере .

Скорость в штуцерах

(31)

В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, 1 поворотов на 180 градусов, 2 входов в трубы и 2 выходов из них.

В соответствии с формулой 2.35 [1] гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:

(32)

 

(33)

 

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве, ; примем округляя в большую сторону 12. Число сегментных перегородок x = 10 [2, таблица 2.7]

Диаметр штуцеров к кожуху  м.

Скорость потока в штуцерах:

(34)

 

Скорость потока в наиболее узком сечении м2

(35)

 

В межтрубном пространстве следующие местные сопротивления: вход и выход жидкости через штуцера, 10 поворотов сегменты и 11 сопротивлений трубного пучка при его обтекании.

Гидравлическое сопротивление

(36)

 

(37)

 

Вариант 2К:

 Аналогичный расчет  дает следующие результаты: м/с ; ; м/с; Па; м/с; м/с; ; ; Па. Сопоставление этого варианта с вариантом 1К показывает, что , как и ожидалось , по гидравлическому сопротивлению вариант 2К лучше.

Вариант 3К:

Результаты расчета: м/с ; ; м/с; Па; м/с; м/с; ; ; Па. Сопротивление этого теплообменника чуть больше чем у варианта 2К , а так как мы стремимся подобрать теплообменник с наименьшим гидравлическим сопротивлением , то целесообразнее выбрать вариант 2К.

По итогам проведенных расчетов был выбран четырехходовой теплообменник со следующими характеристиками:

; ; общее число труб ; поверхность теплообмена ; длина труб .

 

Заключение

 

Широкая номенклатура теплообменников по типам, размерам, параметрам и материалам позволяет выбрать для конкретных условий теплообмена аппарат, оптимальный по размерам и материалам. В данной работе использовался кожухотрубчатый теплообменник. Достоинство таких теплообменников – возможность получения значительной поверхности теплообмена при сравнительно небольших габаритах и хорошо освоенная технология изготовления, недостаток – высокий расход металла по сравнению со спиральными и пластинчатыми теплообменниками.

 

Список используемой литературы

 

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов [и др.]; под общ. ред. Ю.И. Дытнерского. – 2-е изд. – М.: Химия, 1991. – 496 с.

2. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. – 10-е изд. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.

3. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А.Г. Касаткин. – 7-е изд. – М.: 1961. – 829 с.

4. Лащинский, А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: Справочник / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский – 2-е изд. – Л.: Машиностроение, 1970. – 752 с.

5. Тимонин, А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник: в 3 т. / А.С. Тимонин – 2-е изд. – Калуга: Издательство Н. Бочкаревой. – 2002. – 3 т.

6. Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи. Учеб. пособие для студентов втузов, обучающихся по специальности «Процессы и аппараты химических производств»/ И. В. Доманский, В. П. Исаков, Г. М. Островский и др.; Под общ. Ред. В. Н. Соколова ˗ Л.: машиностроение, Ленингр. отд- ние, 1982. ˗ 384 с. ил.