Процессы и аппараты химической технологии. Методика и примеры расчёта кожухотрубчатых теплообменников

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методические указания

Процессы и аппараты химической технологи. Методика и примеры расчёта кожухотрубчатых теплообменников

Казань 2010

Составители:

доц. Н.И. Еникеева

доц. Н.И. Зубарева

Э.Р. Сайфутдинова

Процессы и аппараты химической технологии: методические указания, контрольные задания и примеры расчёта кожухотрубчатого теплообменника/ Н.И. Еникеева, Н.И. Зубарева, Э.Р. Сайфутдинова. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2010. - 39 с.

В курсе «Процессы и аппараты химической технологии» изучаются теория основных процессов, конструкций типовых аппаратов, принципы и методы расчёта аппаратов, используемых для проведения этих процессов.

Одним из разделов курса является процесс теплопередачи в химической аппаратуре. Данные указания включает в себя описание конструкций теплообменных аппаратов и детально кожухотрубчатых теплообменников.

Приведены методика и примеры расчёта кожухотрубчатых теплообменников.

В приложении даются все необходимые данные для расчёта.

Предназначены для студентов заочной формы обучения.

Подготовлены в Волжском филиале КГТУ.

Печатаются по решению методической комиссии по циклу общепрофессиональных дисциплин.

Рецензенты:

к.т.н., проф. А.М. Гумеров

к.т.н., ст. преподаватель, С.Ф. Дебердеева

1. Классификация теплообменников

кожухотрубчатый теплообменник термический охлаждающий

Аппараты, в которых происходит процесс теплообмена, называются теплообменниками. Теплообменники характеризуются разнообразием конструкций в зависимости от различного назначения аппаратов и условий проведения процессов.

По принципу действия теплообменники делятся:

- на рекуперативные;

- на смесительные;

- на регенеративные.

В рекуперативных теплообменниках теплоносители разделены стенкой, и теплота передаётся от одного теплоносителя к другому через разделяющую стенку.

В смесительных теплообменниках передача теплоты происходит при непосредственном смешении (градирни, скрубберы, конденсаторы смешения и т. д.).

В регенеративных теплообменниках имеется теплообменная поверхность, которая омывается попеременно горячим и холодным теплоносителями. При омывании горячим теплоносителем поверхность нагревается, теплоноситель сливают, затем подаётся холодный теплоноситель, который воспринимает тепло от нагретой поверхности.

Рекуперативные теплообменники по конструкции разделяются на кожухотрубчатые, типа «труба в трубе», змеевиковые, спиральные, оросительные, аппараты с рубашками.

Наиболее широко в пищевых производствах используются кожухотрубчатые теплообменники (рис. 1).

В кожухотрубчатом теплообменнике теплоноситель I проходит в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом, трубами и трубными плитами.

Теплоноситель II проходит по трубам (трубное пространство).

Важным моментом в использовании теплообменника является выбор: какой теплоноситель, в какое пространство направить. В системе пар-жидкость в межтрубное пространство обычно направляется пар, где он конденсируется. В трубное пространство направляется жидкость для увеличения скорости движения жидкости.

Рис. 1. Принципиальная схема одноходового кожухотрубчатого теплообменника (типа ТН):

1 - цилиндрический корпус (кожух);

2 - трубы;

3 - крышка;

4 - днище;

5, 6 - верхняя и нижняя трубные плиты (трубные решетки);

7, 8 - штуцеры для входа и выхода теплоносителя I;

9, 10 - штуцеры для входа и выхода теплоносителя II

Учитывая выше сказанное, в контрольной работе по теме 2 задачи 11-20, теплоноситель I - пар, II - жидкость. Теплообмен между теплоносителями осуществляется через стенки труб.

2. Конструкции кожухотрубчатых теплообменников

С целью увеличения интенсификации теплообмена в кожухотрубчатых теплообменниках пучок труб разделяют на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель проходит последовательно. Разделение труб на ряд ходов достигается с помощью перегородок в крышке и днище.

По числу ходов кожухотрубчатые теплообменники делятся на одно- и многоходовые.

В одноходовых теплообменниках теплоноситель движется в одном направлении параллельно по всем трубкам (рис. 1). В многоходовых теплообменниках теплоноситель последовательно проходит несколько ходов, двигаясь в противоположных направлениях.

В многоходовых теплообменниках увеличивается скорость теплоносителей, а, следовательно, и интенсивность процесса за счёт того, что теплоносителей поступает не во все трубы сразу, а только в пучок труб, ограниченный перегородкой.

Многоходовыми теплообменники могут быть по трубному (рис. 2) и межтрубному пространству (рис. 3).

Рис. 2. Схема многоходового теплообменника (по трубному пространству): 1 - кожух; 2 - трубы; 3 - крышки; 4 - перегородки



Рис. 3. Схема многоходо вого теплообменника (по межтруб- ному пространству): 1 - кожух; 2 - перегородки; 3 - трубы; 4 - крышки (верхняя и нижняя

Приведённые теплообменники надёжно работают при разностях температур между корпусом и трубками 30-50 ^оС. При более высоких разностях температур между корпусом и трубами возникают значительные температурные напряжения, которые могут привести к выходу теплообменника из строя. Поэтому при больших разностях температур применяют конструкции теплообменников, в которых предусмотрена компенсация температурных удлинений.

Простейшее устройство для компенсации температурных удлинений - линзовый компенсатор, который устанавливается на корпусе теплообменника и компенсирует температурные деформации осевым сжатием или расширением (рис. 4а).

Можно использовать также теплообменники с U-образными трубками (рис. 4б). Они имеют одну трубную решетку, в которой закреплены оба конца U-образных трубок. Каждая трубка при нагревании может удлиняться независимо от других тем самым, компенсируя температурные удлинения.



а б

Рис. 4. Устройство теплообменников с компенсацией температурных напряжений а - с линзовым компенсатором: 1 - кожух; 2 - трубы; 3 - линзовый компенсатор; б - с U - образными трубами: 1 - крышка; 2 - кожух; 3 - U - образные трубы

При выборе кожухотрубчатого теплообменника по ГОСТу, зная поверхность теплообмена, необходимо выбрать тип теплообменника (ТН - с неподвижными трубными решетками, ТК - с компенсатором) по разности температур между кожухом и трубками.

Варианты и номера задач по расчёту кожухотрубчатого теплообменника

Вариант	№ задач
0	11
1	12
2	13
3	14
4	15
5	16
6	17
7	18
8	19
9	20

Контрольные задания выполняются по вариантам, номер варианта определяется последней цифрой шифра.

11-15. Рассчитать вертикальный кожухотрубчатый теплообменник-конденсатор для конденсации насыщенных паров при атмосферном давлении в количестве G кг/ч.

№ задачи	Насыщенный пар	Расход пара, кг/ч
11	Бензол	5000
12	Четырёххлористый углерод	8000
13	Метиловый спирт	11000
14	Этиловый спирт	14000
15	Пропиловый спирт	17000

Охлаждение производится водой, начальная температура которой t_н=10^оС. Конечную температуру воды принять такой, чтобы была обеспечена на выход из теплообменника движущая сила Дt_к равная 10-20^оС.

16-20. Рассчитать горизонтальной кожухотрубчатый теплообменник для нагревания жидкости в количестве G кг/ч от начальной температуры t_н=10^оС до температуры кипения t_к. Нагрев проводится насыщенным водяным паром, абсолютное давление которого Р атм.

№ задачи	Наименование жидкости	Расход жидкости, кг/ч	Давление насыщенного пара Р, атм
16	Ацетон	20000	1,0
17	Бензол	15000	1,8
18	Толуол	10000	2,0
19	Сероуглерод	25000	1,0
20	Бутиловый спирт	30000	3,0

3. Методика расчёта кожухотрубчатого теплообменника

Рассчитать кожухотрубчатый теплообменник - значит определить необходимую поверхность теплообменника и подобрать теплообменник по ГОСТу.

Математическая модель расчёта теплообменника можно представить двумя уравнениями: основное уравнение теплопередачи (1) и уравнение теплового баланса (2).

Q=К^.F^.Д t_ср; (1)

Q=Q₁=Q₂+Q_пот, (2)

где Q - тепловой поток, Дж/с (Вт); Q₁ - тепло, отдаваемое более нагретым теплоносителем, Вт; Q₂ - тепло, воспринимаемое менее нагретым теплоносителем, Вт; К - коэффициент теплопередачи между теплоносителями, Вт/м^2.град; F - поверхность теплообменника, м²; Дt_ср - средняя разность температур между теплоносителем (^оС, К); Q_пот - потери тепла, (Вт).

Если Q_пот = 0, то Q₁=Q₂=Q.

Из уравнения (1) следует, что

(м²). (3)

Для определения F нужно найти Д t_ср, Q и К.

В контрольной работе по расчёту теплообменника студентам предложено 2 варианта задач по расчёту теплообменника.

В задачах 11-15 в межтрубном пространстве теплообменника конденсируются органические пары (теплоноситель I), в трубном пространстве проходит охлаждающая вода (теплоноситель II).

В задачах 16-20 в межтрубном пространстве конденсируется водяной пар, в трубном пространстве нагревается органическая жидкость.

Средняя разность температур теплоносителей Дt_ср определяется в зависимости от характера изменения температуры теплоносителя вдоль поверхности теплообменника.

Исходя из условий задачи I теплоноситель конденсируется. Изменение агрегатного состояния происходит при постоянной температуре.

В задачах 11-15 - t_конд=t_кип органической жидкости (прил. 1. табл. 1)

В задачах 16-20 - t_конд зависит от давления водяного пара (прил. 1. табл. 10)

Второй теплоноситель нагревается от t_2н=10 ^оС до t_2к.

В первом варианте задач (11-15) t_2к =t_конд - Дt_к, Дt_к=10ч20 ^оС (по условию задачи).

Во втором варианте (16-20) температура на выходе t_2к = t_кип органической жидкости (прил. 1. табл. 1).

Строим график изменения температур:

Задачи 11-15 Задачи 16-20

Рис. 5. Изменение температуры теплоносителя вдоль поверхности теплообменника

Если агрегатное состояние одного из теплоносителей меняется, направление движения теплоносителей не играет роли при определении средней разности температур

, если ; (4)

с достаточной точностью

Определяем среднюю температуру II теплоносителя

t_ср2 = t_конд -Д t_ср (5)

Тепловой поток Q определяется из уравнения теплового баланса:

Q₁=Q₂,

где Q₁ - теплота, выделяемая при конденсации паров (Вт);

Q₁=G₁^.r₁, (6)

где G₁ - расход паров (кг/с); r₁ - удельная теплота конденсации пара (Дж/кг);

Q₂=G₂^.с₂^.( t_2к- t_2н), (7)

где Q₂ - тепло, воспринимаемое жидким теплоносителем (Вт); G₂ - расход жидкости (кг/с); с₂ - средняя удельная теплоёмкость жидкости, определяется по средней температуре жидкости (Дж/кг град) (прил. 2. рис. 5); t_2н, t_2к - температура II теплоносителя на входе и выходе из теплообменника (^оС).

Тогда уравнение теплового баланса запишется

Q=G₁^.r₁=G₂^.c₂ (t_2к-t_2н). (8)

Коэффициент теплопередачи К зависит от коэффициентов теплоотдачи.

Теплопередача - процесс переноса теплоты из ядра потока более нагретого теплоносителя к ядру потока менее нагретого через стенку. Это сложный процесс, он состоит из трех этапов:

а) процесс переноса теплоты из ядра потока теплоносителя I к наружной стенке трубки (теплоотдача), (9);

б) процесс переноса теплоты через стенку (теплопроводность), (10а, 10б);

в) процесс переноса теплоты от наружной стенки трубки к ядру потока II теплоносителя (теплоотдача) (11).

Это описывается уравнениями:

(9)

. (10а)

Если стенки трубки покрыты загрязнениям или накипью, то

, (10б)

где Уr - суммарное термическое сопротивление загрязнения и самой стенки (вт/м к); л - теплопроводность материала стенки; - толщина стенки (м).



Рис. 6. Демонстрация уравнений (9),(10),(11.)

, (11)

где б₁ и б₂ - коэффициенты теплоотдачи со стороны 1 и 2 теплоносителей (Вт/м^{2 .}К).

Решая систему из трех уравнений (9), (10б), (11) получим:

. (12)

Таким образом, чтобы определить коэффициент теплопередачи (К), необходимо рассчитать коэффициенты теплоотдачи б₁ и б₂ и сумму термических сопротивлений Уr. Чтобы определить коэффициент теплоотдачи нужно ответить на два вопроса:

1. Меняет или не меняет агрегатное состояние теплоноситель?

2. Если теплоноситель не меняет агрегатного состояния, то каков режим движения теплоносителя

В задачах 11-20 теплоноситель меняет агрегатное состояние (конденсируется), поэтому б₁=б_конд.

Второй теплоноситель не меняет агрегатного состояния, значит нужно определить режим движения теплоносителя.

Режим движения теплоносителя определяется числовым значением критерия Рейнольдса:

, (13)

где щ - скорость движения теплоносителя, м/с; - коэффициент динамической вязкости, Пас; - плотность второго теплоносителя, кг/м³; - определяющий размер, в данном случае =d_вн (внутренний диаметр трубы), м.

Скорость движения II теплоносителя (щ) нам неизвестна, поэтому используем вариант расчёта, в котором делается предварительный выбор теплообменника по ГОСТу, а дальнейшими расчётами он проверяется.

Задаёмся критерием Рейнольдса. Пусть Re=10000 (турбулентный режим), тогда

. (14)

По ГОСТу существуют кожухотрубчатые теплообменники с трубами 20x2 и 25x2, выбираем 25х2, где 25 мм - наружный диаметр трубы, 2 мм - толщина стенки трубы, внутренний диаметр d_вн = 21 мм =0,021 м. Предварительный выбор теплообменника проводится по числу труб в одном ходу и ориентировочной поверхности теплообменника.

Число труб в одном ходу теплообменника определяется из уравнения расхода для II теплоносителя:

, (15)

где n - число труб в одном ходу; S_тр - поперечное сечение одной трубы, м²; V₂ - объёмный расход II теплоносителя, м³/с.

Заменив объёмный расход теплоносителя массовым, мы получим:

, (16)

где G₂ - расход второго теплоносителя(кг/с); - плотность второго теплоносителя (кг/м³); n_р - расчетное число труб в одном ходу.

Тогда

. (17)

Ориентировочное значение поверхности теплообменника определяем, выбрав ориентировочное значение коэффициента теплопередачи в зависимости от условий теплообменника (прил. 1, табл. 3).

В задачах 11-15 тепло передаётся от насыщенных органических паров к воде (К_ор=300-800 Вт/м^2.К).

В задачах 16-20 тепло передаётся от водяного пара к органической жидкости (К_ор=120-340 Вт/м^2.К).

Таким образом,

(18)

Зная n_p и F_op, предварительно выбирают теплообменник при условии (n<n_p, F<F_op).

При выборе приводят все возможные варианты одно-, двух- четырёх - шести ходового теплообменника (прил. 1, табл. 7).

Выбрав теплообменник, мы имеем:

n_т - табличное число труб в одном ходу;

n_общ - общее число труб во всех ходах;

- длина труб (м);

F_т - табличная поверхность теплообменника (м²).

Сделав предварительный выбор теплообменника, уточняют режим движения теплоносителя II в выбранном теплообменнике:

. (19)

По значению Re определяют режим движения теплоносителя и выбирают критериальное уравнение:

Если Re?10000 (турбулентный);

(20)

, (21)

где - критерий Прандтля; - теплоёмкость (прил. 2, рис. 5); - коэффициент динамической вязкости (прил. 1, табл. 8); -теплопроводность теплоносителя II при температурах t_ср2 (прил. 2, рис. 1). можно определить так же (прил. 2, рис. 4).

У капельных жидкостей с увеличением температуры величина критерия уменьшается. Следовательно, при нагревании больше единицы. На этом основании при проектировании теплообменников в расчете коэффициентов теплоотдачи для нагревания жидкостей можно принять , допуская небольшую погрешность в сторону запаса площади теплообменника.

Выбрав критериальное уравнение, определяется Nu₂ из уравнения (20) и б₂:

, (22)

где - коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки в ядро потока II теплоносителя, Вт/(м² К).

Определяем б₁ - коэффициент теплоотдачи из ядра потока I теплоносителя к наружной стенке трубки.

Как описывалось выше б₁= б_конд.

В задачах 11-15 конденсируются органические пары.

Для вертикального теплообменника

(23)

где - расход I теплоносителя (пара), кг/с; - коэффициент динамической вязкости I теплоносителя, Па.с; с₁ - плотность I теплоносителя, кг/м³; - теплопроводность 1 теплоносителя, Вт/м^.град; d_нар - наружный диаметр трубок, м; n_общ - общее число трубок в теплообменнике.

В задачах 16-20 конденсируется водяной пар на наружной поверхности горизонтальных труб.

, (24)

где и - поправочные коэффициенты (прил. 2, рис. 2, 3); B_t - коэффициент, зависящий от температуры конденсации пара (прил. 1, табл. 5).

Суммарное термическое сопротивление Уr определяется в зависимости от термических сопротивлений загрязнений и самой стенки:

Уr=r₁+д/л+r₂ (25)

где r₁ и r₂ - термические сопротивления загрязнённой стенки со стороны пара и жидкости (прил.1, табл. 9); д - толщина стенки трубки равна 0,002 м; л - коэффициент теплопроводности стенки. Если стенка стальная, то л=46,5 Вт/м^.град.

Зная б₁, б₂ и Уr,определяем коэффициент теплопередачи:

. (26)

Далее определяем поверхность теплообменника:

(м²). (27)

Рассчитанную поверхность сравнивают с табличной, которую мы получили при предварительном выборе теплообменника F_Т.

Определяем запас поверхности теплообменника:

. (28)

Если Д>30%, то выбирается другой теплообменник и повторяются расчёты.

4. Выбор конструкции кожухотрубного теплообменника

При выборе теплообменника по ГОСТу необходимо определить не только поверхность теплообмена и ходовость, но и выбрать конструкцию теплообменника.

Для этого необходимо найти разность температур между кожухом и трубками.

Рис. 7. К выбору конструкции кожу- хотрубчатого теплообменника

Дt=t_кож-t_тр,

где t_кож - температура кожуха; t_тр - температура трубы; t_кож - предполагается равной температуре теплоносителя в межтрубном пространстве t_мтр (t_мтр=t_кож)

Температура трубы:

t_тр=(t_ст1+t_ст2)/2

где t_ст1 - температура наружной стенки трубы; t_ст2 - температура внутренней стенки трубы.

Определяем температуру стенок трубы.

Из уравнения (1):

,

где q - удельный тепловой поток.

Из уравнений теплоотдачи (9) и (10б):

; (29)

. (30)

Откуда

.

Определяем температуру трубы:

.

Разность температур между кожухом и трубой

Дt = t_кож - t_тр.

Зная Дt, выбирается конструкция теплообменника в зависимости от диаметра кожуха (прил. 1, табл. 11).

Пример расчёта задач 11-15

Рассчитать вертикальный кожухотрубный теплообменник для конденсации 7800 кг/ч насыщенного пара бензола под атмосферным давлением. Жидкий бензол отводится из конденсатора при температуре конденсации. Охлаждение производится водой, начальная температура которой . Конечную температуру воды принять такой, что бы она обеспечевала движущую силу на выходе из теплообменника равная 20 ^оС (^оС).

Определяем среднюю разность температур Дt_ср.

Температура конденсации бензола под атмосферным давлением 80,2 ^оС (прил. 1, табл. 1). Температурная схема конденсатора:

80,2 80,2

10 60,2

Дt_н=70,2 Дt_к=20

Так как Дt_н/Дt_к > 2, то средняя разность температур:

.

Средняя температура охлаждающей воды:

t_ср.в= t_конд - Дt_ср = 80,2 - 40 = 40,2 ^оС.

Рассчитаем тепловой поток Q:

Q=G₁r₁=(7800/3600)^. 393,6^.10^3.=848725,7 Вт,

где r₁ = 393,6^.10³Дж/кг - теплота конденсации бензола при 80 ^оС (прил. 1. табл. 2)

Расход охлаждающей воды

кг/с

где c_в - теплоемкость воды при температуре t_ср.в, Дж/кг К (прил. 1. табл. 3).

Определяем коэффициент теплопередачи.

Задаемся критерием Рейнольдся Re=1000, тогда

,

где = 992 кг/м³ - плотность воды при 40,2 ^оС (прил. 1, табл. 6); м=0,657^.10^-3 Па^.с -- динамический коэффициент вязкости воды при 40,2 ^оС (прил. 1, табл. 6); d_вн - внутренний диаметр трубы 0,021 м (см. выше).

Находим ориентировочное значение коэффициента теплопередачи от конденсирующегося пара жидкости органических веществ к воде К_ор=300-800 Вт/(м^2.К) (прил. 1, табл. 5). Тогда максимальная площадь поверхности теплообменника:

м².

Зная n_р и F_мах, (прил. 1. табл. 7) выбираем возможный вариант теплообменника при условии n_т < n_p, F < F_мах.

Одноходовой теплообменник с диаметром кожуха 159мм n=13, F_max=3м².

Двухходовой теплообменник с диаметром кожуха 325мм n=56/2=28, F_max=17,5м².

Шестиходовой теплообменник с диаметром кожуха 600мм n=196/6=32,6, F_max=91м².

При таком числе труб в одном ходу одноходовых теплообменников с площадью поверхности такого порядка нет (прил.1., табл. 4), двухходовой имеет F_max=17,5м², следовательно проектируемый теплообменник будет шестиходовым (n_т=32,6; n_общ=196; F=61 м², L=4м, D=600 мм).

Определяем коэффициент теплоотдачи для воды .

Находим режим движения воды в выбранном теплообменнике.

.

Турбулентному течению соответствует критериальное уравнение:

,

полагая . Значение критерия Pr для воды при 40 ^оС находим из прил. 1. табл. 3: Pr = 4,31.

Тогда

Вт/(м^2.К),

где л - коэффициент теплопроводности воды при 40 ^оС (прил. 1, табл. 6). Рассчитываем коэффициент теплоотдачи в вертикальном теплообменнике для конденсирующегося пара бензола по уравнению

.

Значения физико-химических констант жидкого бензола берём при температуре конденсации 80 °С:

л₁=0,14 Вт/(м^.К) - прил. 2, рис. 2

с₁=815 кг/м³ - прил. 1, табл. 4

м₁=0,316^.10^-3 Па·с - прил.1, табл. 8.

Расход бензола G₁=7800/3600=2,16 кг/с, м.

Следовательно,

Вт/(м^2.К).

Термическое сопротивление стальной стенки трубы:

м^2.К/Вт,

где л_ст = 46,5 Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности стали.

Тепловая проводимость загрязнения со стороны бензола (прил. 1, табл. 9):

Вт/(м^2.К).

Тепловая проводимость загрязнения со стороны воды:

Вт/(м^2.К).

Суммарное термическое сопротивление стенки и загрязнений:

м^2.К/Вт.

Определяем коэффициент теплопередачи К

Требуемая площадь поверхности теплообменника F:

м².

Выбранная по ГОСТу поверхность теплообмена F_т= 61 м². Запас площади поверхности теплообменника

.

Тип теплообменника выбираем по Дt = t_кож - t_тр.

^оС;

Дt = t_кож - t_тр = 80,2 - 54,315 = 25,885. Дt < 40.

Выбираем теплообменник жестко конструкции (тип ТН).

Пример решения задач 16-20

Рассчитать горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник для нагревания 20 т/ч бензола от начальной температуры 10C до температуры кипения. Обогрев проводится водяным паром, абсолютное давление которого 1,5 кгс/см². В водяном паре содержится 0,5% воздуха.

Определяем среднюю разность температур между теплоносителями Дt_ср.

Температура конденсации водяного пара при давлении кгс/см² C. (прил. 1, табл. 10)

Температура кипения бензола при атмосферном давлении C

Температурная схема:

110,7 -- 110,7

10 -- 80,2

Средняя разность температур

C.

Средняя температура бензола

°C.

Расход бензола кг/с.

Объемный расход бензола

м³/с,

гдекг/м³ плотность бензола при температуре 42°C (прил. 1, табл. 4).

Тепловая нагрузка

Вт,

где ккал/кг·°C - удельная теплоемкость бензола при температуре 42°C (прил. 2, рис. 5).

Расход водяного пара

кг/с,

где кДж/кг - удельная теплота парообразования водяного пара при давлении 1,5 кгс/см² (прил. 1, табл. 10).

Определяем коэффициент теплопередачи.

Зададимся критерием Рейнольдса . Тогда скорость течения воды в трубах теплообменника

м/с,

где - вязкость бензола при температуре 42°C (прил. 1, табл. 8); = 845кг/м³ плотность бензола при 42 C (прил.1, табл. 6).

Вычисляем число труб на один ход теплообменника.



Принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Вт/м²К (прил. 1, табл. 3). Тогда максимальная поверхность теплообмена

м².

Условию и м² удовлетворяют несколько теплообменников:

а) двухходовой с диаметром 400 мм и числом труб на один ход (общее число труб 100);

б) четырехходовой с диаметром 600 мм и числом труб на один ход (общее число труб 206);

в) шестиходовой с диаметром 800 мм и числом труб на один ход (общее число труб 384).

Выбираем двухходовой горизонтальный теплообменник с диаметром мм числом труб на один ход 50, длиной труб м, с общим числом труб и поверхностью теплообмена м² (прил. 1, табл. 7).

Режим движения в выбранном теплообменнике:

Критериальное уравнение для турбулентного режима имеет вид:



Отношение принято равным 1 (см. выше).

Критерий Прандтля для бензола:

,

где ккал/м·ч·°C -теплопроводность бензола при температуре 42°C (прил. 2, рис. 1).

Таким образом,

Вт/м²К.

Коэффициент теплоотдачи при конденсации насыщенного водяного пара на наружной поверхности пучка горизонтальных труб можно определить по уравнению

Вт/м²К,

где для шахматного расположения труб с числом рядов труб по вертикали (прил. 2, рис. 2), для концентрации воздуха в паре 0,5% (прил. 2, рис. 3), для температуры конденсации пара 110°C (прил. 1, табл. 5).

Суммарное сопротивление стенки:

м²К/Вт,

где м - толщина стенки греющих труб; Вт/м·К - теплопроводность стали; Вт/м²·К - тепловая проводимость загрязнений стенок со стороны водяного пара и бензола соответственно (прил. 1, рис. 9).

Коэффициент теплопередачи

Вт/м²К

Требуемая площадь теплообмена

м².

Запас поверхности

Выбираем тип теплообменника

Удельный тепловой поток

Вт/м²

°C

°C

Средняя температура трубок

.

Соответственно выбираем по диаметру теплообменник жесткой конструкции типа ТН (прил. 1, табл. 11).

Литература

1. Васильев В.Г., Кавицкий А.В. Процессы и аппараты пищевых технологий. Москва 2000г., 526 с.

2. Еникеева Н.И., Сосновская Н.Б., Бикбулатов А.Щ., Костромин В.П. Процессы и аппараты химической технологии. Программы, методические указания и контрольные задания. Казань 1997г., 32 с.

3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л. Химия 1987г., 576 с.

Приложение 1

Таблица 1. Физические свойства некоторых органических жидкостей. Пересчёт в СИ: 1 мм. рт. ст.= 133,3 Па

Жидкость	Химическая формула	Мольная масса, кг/кмоль	Плотность, кг/м	Температура кипения, оС	Давление насыщенного пара при 20оС, мм рт. ст.	Температура плавления, оС
Ацетон		58,08	810	56	186	-94,3
Бензол		78,11	900	80,2	75	+5,5
Сероуглерод		76,13	1290	46,3	298	-112
Спирт бутиловый		74,12	810	117,7	4,7	-90
Спирт метиловый		34,04	800	64,7	95,7	-98
Спирт пропиловый		60,09	800	97,2	14,5	-126
Спирт этиловый		46,07	790	78,3	44	-114,5
Толуол		92,13	870	110,8	22,3	-95
Углерод четырёх-хлористый		153,84	1630	76,7	90,7	-22,8

Таблица 2. Удельная теплота парообразования некоторых веществ (в кДж/кг).

Вещество	Температура, оС
	0	20	60	100	140
Ацетон	565,7	553,1	519,6	473,5	-
Бензол	448,3	435,8	408,5	379,2	346,1
Метиловый спирт	1198,3	1173,2	1110,4	1013,9	892,6
Пропиловый спирт	812,9	791,9	745,8	683,0	595,0
Четырёххлористый углерод	218,3	213,7	201,9	185,6	168,0
Этиловый спирт	921,8	913,4	879,9	812,9	712,3

Таблица 3. Ориентировочное значения коэффициентов теплопередачи [в Вт/(м²·К)]

Вид теплообменника	Вынужденное движение	Свободное движение
От газа к газу (при невысоких давлениях)	10-40	4-12
От газа к жидкости (газовые холодильники)	10-60	6-20
От конденсирующегося пара к газу (воздухоподогреватели)	10-60	6-12
От жидкости к жидкости (вода)	800-1700	140-340
От жидкости к жидкости (углеводороды, масла)	120-270	30-60
От конденсирующегося пара к воде (конденсаторы, подогреватели)	800-3500	300-1200
От конденсирующегося пара к органическим жидкостям (подогреватели)	120-340	60-170
От конденсирующегося пара жидкости органических веществ к воде (конденсаторы)	300-800	230-460
От конденсирующегося пара к кипящей жидкости (испарители)	-	300-2500

Таблица 4. Плотность жидких веществ и водных растворов в зависимости от температуры

Вещество	Плотность,
	-20 оС	0 оС	20 оС	40 оС	60 оС	80 оС	100 оС	120 оС
Ацетон	835	813	791	768	746	719	693	665
Бензол	-	900	879	858	836	815	793	769
Бутиловый спирт	838	824	810	795	781	766	751	735
Метиловый спирт	828	810	792	774	756	736	714	-
Пропиловый спирт	-	819	804	788	770	752	733	711
Сероуглерод	1323	1293	1263	1233	1200	1165	1125	1082
Толуол	902	884	865	847	828	808	788	766
Четырёххлористый углерод	1670	1633	1594	1556	1517	1471	1434	1390
Этиловый спирт	823	806	789	772	754	735	716	693

Таблица 5. К расчету коэффициента теплоотдачи при конденсации паров

Температура конденсации водяного пара	100	110	120	140	160	180
	6960	7100	7240	7420	7490	7520
	1010	1040	1070	1120	1150	1170

Таблица 6. Физические свойства воды (на линии насыщения). Пересчёт в СИ: 1 кгс/см2=9,81 104 Па

л 102, Вт/м К	б 107, м2/с	µ 106, Па с	Н 106, м2/с	В 104, К-1	у 104, кг/с2	Pr	P, кгс/см2	t, °С	С, кг/м3	I, кДж/кг	С, кДж/кг К
55,1	1,31	1790	1,79	-0,63	756	13,7	1	0	1000	0	4,23
57,5	1,37	1310	1,31	-0,70	762	9,52	1	10	1000	41,9	4,19
59,9	1,43	1000	1,01	1,82	727	7,02	1	20	998	83,8	4,19
61,8	1,49	804	0,81	3,21	712	5,42	1	30	996	126	4,18
63,4	1,53	657	0,66	3,87	697	4,31	1	40	992	168	4,18
64,8	1,57	549	0,556	4,49	677	354	1	50	988	210	4,18
65,9	1,61	470	0,478	5,11	662	2,98	1	60	983	251	4,18
66,8	1,63	406	0,415	5,70	643	2,55	1	70	978	293	4,19
67,5	1,66	355	0,365	6,32	626	2,21	1	80	972	335	4,19
68,0	1,68	315	0,326	6,95	607	1,95	1	90	965	377	4,19
68,3	1,69	282	0,295	7,5	589	1,75	1,03	1000	958	419	4,23
68,5	1,69	256	0,268	8,0	569	1,58	1,46	110	951	461	4,23
68,6	1,72	231	0,244	8,6	549	1,43	2,02	120	943	503	4,23
68,6	1,72	212	0,226	9,2	529	1,32	2,75	130	935	545	4,27
68,5	1,72	196	0,212	9,7	507	1,23	3,68	1401	926	587	4,27
68,4	1,72	185	0,202	10,3	487	1,17	4,85	150	917	629	4,32
68,3	1,72	174	0,191	10,8	466	1,10	6,30	160	907	671	4,36
67,9	1,72	163	0,181	11,5	444	1,05	8,08	170	897	713	4,40
67,5	1,72	153	0,173	12,2	424	1,01	10,23	180	887	755	4,44

Таблица 7. Основные характеристики теплообменников ТН и ТК и холодильников ХН и ХК с трубами 252 мм (ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79, 15122-79)

Диаметр кожуха внутренний D, мм	Число труб n	Длина труб l, м		nв	H, мм
		1,0	1,5	2,0	3,0	4,0	6,0	9,0	ST 102	Sм 102	Sв.п. 102
		Поверхность теплообменника F, м2
Одноходовые
159*	13	1,0	1,5	2,0	3,0	-	-	-	0,5	0,8	0,4	5	100
273*	37	3,0	4,5	6,0	9,0	-	-	-	1,3	1,1	0,9	7	130
325*	62	-	7,5	10,0	14,5	19,5	-	-	2,0	2,9	1,3	9	180
400	111	-	-	17	26	35	52	-	3,8	3,1	2,0	11	250
600	257	-	-	40	61	81	121	-	8,9	5,3	4,0	17	300
800	465	-	-	73	109	146	219	329	16,1	7,9	6,9	23	350
1000	747	-	-	-	176	235	352	528	25,9	14,3	10,6	29	520
1200	1083	-	-	-	-	340	510	765	37,5	17,9	16,4	35	550
Двухходовые
325*	56	-	6,5	9,0	13,0	17,5	-	-	1,0	1,5	1,3	8	180
400	100	-	-	16,0	24,0	31,0	47	-	1,7	2,5	2,0	10	250
600	240	-	-	38	57	75	113	-	4,2	4,5	4,0	16	300
800	442	-	-	69	104	139	208	312	7,7	7,0	6,5	22	350
1000	718	-	-	-	169	226	338	507	12,4	13,0	10,6	28	520
1200	1048	-	-	-	-	329	494	740	17,9	16,5	16,4	34	550
Четырехходовые
600	206	-	-	32	49	65	97	-	1,8	4,5	4,0	14	300
800	404	-	-	63	95	127	190	285	3,0	7,0	6,5	20	350
1000	666	-	-	-	157	209	314	471	5,5	13,0	10,6	26	520
1200	986	-	-	-	-	310	464	697	8,4	16,5	16,4	32	550
Шестиходовые
600	196	-	-	31	46	61	91	-	1,1	4,5	3,7	14	300
800	384	-	-	60	90	121	181	271	2,2	7,0	7,0	20	350
1000	642	-	-	-	151	202	302	454	1,6	13,0	10,2	26	520
1200	958	-	-	-	-	301	451	677	5,2	16,5	14,2	32	550

* Наружный диаметр кожуха; np - число рядов труб по вертикали для горизонтальных аппаратов - по ГОСТ 15118-79; h - расстояние между перегородками

Таблица 8. Динамические коэффициенты вязкости жидких веществ в зависимости от температуры

Вещество	Динамический коэффициент вязкости, кПа·с (сП)
	-20 оС	-10 оС	0 оС	10 оС	20 оС	30 оС	40 оС	50 оС	60 оС	80 оС	100 оС	120 оС
Ацетон	0,5	0,442	0,395	0,356	0,322	0,293	0,268	0,246	0,23	0,2	0,17	0,15
Бензол	-	-	0,91	0,76	0,65	0,56	0,492	0,436	0,39	0,316	0,261	0,219
Бутиловый спирт	10,3	7,4	5,19	3,87	2,95	2,28	1,78	1,41	1,14	0,76	0,54	0,38
Метиловый спирт	1,16	0,97	0,817	0,68	0,584	0,51	0,45	0,396	0,351	0,29	0,24	0,21
Сероуглерод	0,556	0,488	0,433	0,396	0,366	0,319	0,29	0,27	0,25	0,21	0,19	0,17
Толуол	1,06	0,9	0,768	0,667	0,586	0,522	0,466	0,42	0,381	0,319	0,271	0,231
Четырёх-хлористый углерод	1,9	1,68	1,35	1,13	0,97	0,84	0,74	0,65	0,59	0,472	0,387	0,323
Этиловый спирт	2,38	2,23	1,78	1,46	1,19	1,0	0,825	0,701	0,591	0,435	0,326	0,248

Таблица 9. Среднее значение тепловой проводимости загрязнений стенок

Теплоносители	Тепловая проводимость загрязнений стенок
Вода загрязнённая	1400-1860*
>> среднего качества	1860-2900*
>> хорошего качества	2900-5800*
>> очищенная	2900-5800*
>> дистиллированная	11600
Нефтепродукты чистые, масла, пары хладагентов	2900
Нефтепродукты сырые	1160
Органические жидкости, рассолы, жидкие хладагенты	5800
Водяной пар (с содержанием масла)	5800
Органические пары	11600
Воздух	2800

* Для воды меньшие значения тепловой проводимости загрязнений соответствуют более высоким температурам.

Таблица 10. Свойство насыщенного водяного пара в зависимости от давления

Давление (абсолютное), кгс/см2	Температура, оС	Удельный объем, м3/кг	Плотность, кг/м3	Удельная энтальпия жидкости i', кДж/кг	Удельная энтальпия пара, i'' кДж/кг	Удельная теплота парообразования r, кДж/кг
1,0	99,1	1,727	0,5790	415,2	2677	2264
1,2	104,2	1,457	0,6865	437,0	2686	2249
1,4	108,7	1,261	0,7931	456,3	2693	2237
1,6	112,7	1,113	0,898	473,1	2703	2227
1,8	116,3	0,997	1,003	483,6	2709	2217
2,0	119,6	0,903	1,107	502,4	2710	2208
3,0	132,9	0,6180	1,618	558,9	2730	2171

Таблица 11. Выбор конструкции теплообменника

Диаметр кожуха внутренний	К	n	Sт·102, м2	Sс.ж.·102, м2	h1, мм	(tк-t)макс, К (для ТН, ХН, КН, ИН)
150	1	13	0,4	0,5	25	Для ХН 20 Для ТН 30
259	1	37	1,4	1,3	40
325	1	61	2,1	1,4	55
	2	52	0,9
400	1	111	3,8	2,2	68	30
	2	100	1,7
600	1	261(279)	9,0	4,9	111	40
	2	244(262)	4,2
	4	210(228)	1,8
	6	198(216)	1,14		166
800	1	473(507)	16,7	7,7	166
	2	450(484)	7,8
	4	408(442)	3,1
	6	392(426)	2,2		194
1000	1	783(813)	27,0	12,1	194	50 Для ТН 60
	2	754(784)	13,1
	4	702(732)	6,0
	6	678(708)	3,8		250
1200	1	1125(1175)	39,0	16,8	222	60
	2	1090(1140)	18,9
	4	1028(1078)	8,5
	6	1000(1050)	5,7		305

Приложение 2

л, ккал/(м·ч·оС)

Рис 1. Коэффициенты теплопроводности некоторых жидкостей

Вещество	№ кривой
Метиловый спирт 100%	1
Этиловый спирт 100%	2
Ацетон	3
Сероуглерод	4
Бутиловый спирт	5
Пропиловый спирт	6
Бензол	7
Толуол	8
Четыреххлористый углерод	9

Пересчет в СИ: 1ккал/(м*ч*⁰С)=1,163 Вт/(м*К).



Рис. 2. Зависимость усредненного для всего пучка коэффициента от числа труб по вертикали n_в и порядок определения для коридорного (1) и шахматного (2) расположения труб (n_в из табл. 4)

Рис. 3. Зависимость поправочного коэффициента е_r от концентрации воздуха в паре

Рис 4. Номограмма для определения критерия Pr жидкостей

Бутиловый спирт	1	Метиловый спирт н	5
Изопропиловый спирт	2	Толуол	6
Этиловый спирт	3	Четыреххлористый углерод	7
Бензол	4	Ацетон	8
		Сероуглерод	9

Рис 5. Номограмма для определения теплоемкости жидкостей

Четыреххлористый углерод	1	Ацетон	5
Сереуглерод	2	Метиловый спирт	6
Толуол	3	Пропиловый спирт	7
Бензол	4	Бутиловый спирт	8
		Этиловый спирт	9

Пересчет в СИ: 1ккал/(кг·с)=4,19 10³ Дж/(кг·К).

Размещено на Allbest.ru