Полный расчет теплообменного аппарата

Выполним расчет теплообменника, служащего для подогрева окислительной шихты перед подачей ее в реактор в процессе окисления изопропилбензола в гидроперекись изопропилбензола.

 

Нагреваемая среда – окислительная шихта с температурой входа t₁=50^оС и температурой выхода t₂=125^oС. Подача шихты составляет G^ш =129503 кг/ч или 1070793.14 моль/ч. Теплоемкость шихты при средней температуре процесса t_ср=(125+50)/2=88^оС равна Ср^ш = 283, 59 Дж/(моль·К).

Теплоноситель – перегретый водяной пар с давлением 5 кгс/см², температура входа θ ₁=290^оС, температура выхода конденсата θ ₂=150^оС. Удельная теплоемкость пара при средней температуре θ _ср=(290+150)/2=220^оС равна Ср^в.п.=39160, 8 Дж/(моль·К).

 

Рассчитаем количество тепла, получаемого шихтой в процессе теплообмена по формуле:

, (7.8)

Q^ш = 1070793.14·283, 59·(125-50)=22775141934 Дж/ч, или 6326428, 32 Дж/с.

Коэффициент теплоиспользования η =0, 98. Тогда тепло, выделившееся при охлаждении и конденсации водяного пара равно

 

Q^в.п. = η ·Q^ш, (7.9)

Q^в.п. = 0, 98·22775141934=23239940749 Дж/ч или 6455539, 1 Дж/с.

Рассчитаем расход водяного пара, необходимый для нагрева шихты.

Теплота конденсации водяного пара в данных условиях равна H_конд=38475, 57 Дж/моль.

Количество теплоты, переданное водяным паром

Q^в.п. = G^в.п.·Ср^в.п.·(θ ₁-θ ₂)+ G^в.п· H_конд. (7.10)

Отсюда, расход водяного пара

,

моль/ч или 75, 77 кг/ч.

 

Рассчитаем средний температурный напор Δ t_cp.

Изменение температур потоков имеет вид:

теплоноситель 290^о → 150^о

окислительная шихта 125^о ← 50^о

 

Δ t_б=290-125=165^о; Δ t_м =150-50=100^о;

отношение Δ t_б/Δ t_м=165/100=1, 65.

Средний температурный напор Δ t_cp найдем как средне-логарифмическую разность:

, (7.11)

°.

Исходя из условий теплообмена, примем ориентировочный коэффициент теплопередачи К_ориент=290 Вт/(м²·К).

 

Тогда из уравнения теплопередачи (7.6) поверхность теплообмена

м².

Принимаем кожухотрубчатый теплообменник (ГОСТ 15118-79), характеристики которого приведены в таблице 17.

Таблица 17 – Характеристики принятого кожухотрубчатого теплообменника

Длина труб		м
поверхность теплообмена		м2
число ходов z
диаметр кожуха		мм
диаметр труб	20 × 2	мм
число труб n

 

Произведем уточненный расчет коэффициента теплопередачи. В данном случае уравнение (7.5) имеет следующий вид:

, (7.12)

где α _ш и α _в.п. – коэффициенты теплоотдачи шихты и водяного пара соответственно, Вт/(м^•К);

Σ (δ /λ ) – сумма температурных сопротивлений, Вт/(м^2•К).

 

Расчет коэффициента теплоотдачи для трубного пространства

В трубное пространство теплообменника подается окислительная шихта G^ш=129503 кг/ч=35, 97 кг/с.

Плотность шихты ρ ^ш=750 кг/м³. Объемная скорость шихты равна

G_об^ш=G^ш/ρ ^ш, (7.13)

G_об^ш=35.97/750=0.048 м³/с.

Внутренний диаметр трубы равен d=0, 016 м.

Линейная скорость ω (м/с) находится по формуле:

(7.14)

где G – объемная скорость подачи, м³/с;

d – внутренний диаметр трубы, м;

n – число труб в теплообменнике;

z – число ходов в теплообменнике.

Следовательно, линейная скорость шихты

.

Динамическая вязкость шихты μ _ш=0, 00074 Па·с.

Критерий Рейнольдса Re равен

, (7.15)

где ω - линейная скорость, м/с;

d – внутренний диаметр трубы, м;

ρ - плотность шихты, кг/м³;

μ - динамическая вязкость, Па·с.

, т.е., режим переходный.

Критерий Нуссельта для переходного режима описывается уравнением

Nu_ж=0, 008Re_ж^{0, 9}Pr_ж^{0, 43}, (7.16)

где Pr_ж – критерий Прандтля для окислительной шихты.

Pr=Cp·μ /λ , (7.17)

где Ср – удельная теплоемкость шихты, 2344, 88 Дж/(кг·К);

λ – удельная теплопроводность окислительной шихты, 0, 118 Вт/(м·К).

Pr=2344, 88·0, 00074/0, 118=14, 77.

Nu=0.008·6802^0.9·14.77^0.43=71.66.

Коэффициент теплоотдачи

, (7.18)

где α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м·К);

Nu – критерий Нуссельта;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

d – внутренний диаметр трубы, м.

 

Вт/(м²·К).

 

Расчет коэффициента теплоотдачи для межтрубного пространства

В межтрубное пространство подается перегретый водяной пар. Плотность пара в условиях процесса

, (7.19)

где ρ ^в.п. - плотность водяного пара в условиях процесса, кг/м³;

ρ ₀ - плотность водяного пара при нормальных условиях, кг/м³;

P – рабочее давление, атм;

P₀ – давление при нормальных условиях, P₀=1 атм;

T – рабочая температура, К;

T₀ – температура при нормальных условиях, T₀=298 К.

кг/м³.

Объемная подача пара по формуле (7.13) G_об^в.п.=75, 77/(2, 22·3600)=0, 0095 м³/с.

Наружный диаметр трубок 0.02 м.

Эквивалентный диаметр для межтрубного пространства

, (7.20)

где d_э – эквивалентный диаметр межтрубного пространства, м;

D – диаметр кожуха теплообменника, м;

n – число труб в теплообменнике;

d – наружный диаметр трубы, м.

м.

Скорость пара определяется по формуле:

, (7.21)

где ω – скорость, м/с;

G – объемная подача, м³/с;

d – эквивалентный диаметр, м.

м/с.

Динамическая вязкость пара μ ^в.п.=2, 03·10^-5 Па·с.

Критерий Рейнольдса для водяного пара по формуле (7.15):

, т.е. режим турбулентный.

Для турбулентного режима критерий Нуссельта рассчитывается по формуле

Nu=0, 021·Re^{0, 8} Pr^{0, 43} (Pr/Pr_ст)^{0, 25}, (7.22)

где (Pr_ж/Pr_ст)^{0, 25}=1.

Теплопроводность перегретого пара λ =0, 00331 Вт/(м·К);

теплоемкость пара Ср=2175600 Дж/(кг·К).

Критерий Прандтля для водяного пара по формуле (7.17) равен

Pr=2.03·10^-5·2175600/0.00331=13356.86.

Критерий Нуссельта по формуле (7.22):

Nu=0.021·57500.09^0.8·13356.86^0.43=8016.9.

Коэффициент теплоотдачи водяного пара по формуле (7.18) равен

Вт/(м²·К).

 

Термические сопротивления по справочным данным составляют:

теплопроводность стали λ =47 Вт/(м·К),

толщина стенки δ =0, 002 м,

тепловое сопротивление для водяного пара δ /λ =0, 00006 (м²·К)/Вт.

Таким образом, Σ (δ /λ )_i = 0.002/47+0.00006 = 0.00064 (м²·К)/Вт.

 

Коэффициент теплопередачи по формуле (7.12) равен

.

Тогда расчетная поверхность теплообмена (7.6)

м².

Т.е., F_расч< F_норм, следовательно к установке принимаем выбранный теплообменник.

Запас поверхности составляет (214-169, 4)/169, 4=0, 26 или 26%.

 

Гидравлический расчет теплообменника

1) Трубное пространство

Коэффициент трения определяется по формуле

(7.23)

где е = Δ /d – относительная шероховатость труб;

Δ =0, 2 мм = 0, 0002 м– высота выступов шероховатостей;

d – внутренний диаметр труб, м;

е=0, 0002/0, 016=0, 0125.

.

 

Коэффициенты местных сопротивлений для трубного пространства представлены в таблице 18:

Таблица 18 – Коэффициенты местных сопротивлений для трубного пространства

Коэффициенты местных сопротивлений	Значение
Входная и выходная камеры ξ тр1	1, 5
Поворот между ходами ξ тр2	2, 5
Вход в трубы и выход из них ξ тр3

 

Диаметр штуцеров трубного пространства примем 0, 25 м. Тогда скорость потока в штуцерах по формуле (7.21):

м/с.

 

Рассчитаем гидравлическое сопротивление для трубного пространства Δ Р_тр:

, (7.24)

где z – число ходов;

L – длина труб.

.

 

2) Межтрубное пространство

Диаметр штуцеров для межтрубного пространства принимаем 0, 25 м.

Скорость потока в штуцерах по формуле (7.21)

м/с.

Коэффициенты местных сопротивлений для межтрубного пространства представлены в таблице 19.

Таблица 19 - Коэффициенты местных сопротивлений для межтрубного пространства

Коэффициенты местных сопротивлений	Значение
Вход и выход ξ тр1	1, 5
Поворот через сегментную перегородку ξ тр2	1, 5
Сопротивление пучка труб ξ тр3=3m/Reмтр0, 2	1, 77·10-8

Рассчитаем гидравлическое сопротивление в межтрубном пространстве Δ Р_мтр:

, (7.25)

где х=6 – число сегментных перегородок;

m – число рядов труб, .

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: