Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола

 

3.5 Уточненный  расчет поверхности теплопередачи

 

Коэффициент теплопередачи K рассчитывается по формуле (3.7):

 

К = (1/α1+δст/λст+rз1+ rз2+1/α2)-1, (3.7)

 

где α1 и α2 ─  коэффициенты теплоотдачи со стороны  теплоносителей, Вт/(м2∙К); λст ─  теплопроводность материала стенки, Вт/(м∙К); δст ─ толщина стенки, м; 1/rз1 и 1/rз2 ─ термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки, Вт/(м2∙К).

Сумма термических  сопротивлений со стороны стенки и загрязнений равна:

 

Σδ/λ = δст/λст+ rз1+ rз2, (3.8)

 

При δст= 2 мм = 0,002 м, Для стали сталь 20 теплопроводность λст= 46,5 Вт/(м∙К). 1/rз1= 5800 Вт/(м2∙К), 1/rз2= 5800 Вт/(м2∙К) [3] термическое сопротивление со стороны стенки равно:

Σδ/λ = 0,002/46,5+1/5800+1/5800 = 3,88 ∙ 10-4 м2∙К/Вт.

Действительное  число Re вычисляется по формуле:

 

ReС = 4∙GС∙z/(π∙dвн∙n∙µС) (3.9)

 

ReС = 4∙6,5∙6/(3,14∙0,016∙316∙0,0003888) = 25273,28.

Коэффициент теплоотдачи  со стороны толуола к стенке α2 равен:

 

α2= λ/dвн(0,023∙Re0,8∙(Pr/Prст)0,25∙Pr0,4), (3.10)

 

где Ргст ─ критерий Прандтля, рассчитанный при температуре стенки tст.

 

РгС = cС∙µС/λС = 2062,53∙0,3888 ∙10-3 /0,128 = 6,62

 

Температуру стенки можно определить из соотношения

 

tст = Tср± Δt, (3.11)

 

где Tср ─ средняя  температура теплоносителя, Δt ─  разность температур теплоносителя  и стенки.

Расчет α2 - ведем методом последовательных приближений.

В первом приближении  разность температур между толуолом и стенкой примем Δt2= 17 °С. Тогда

tст2 = 67,9 + 17 = 84,9 °С

 

РгСст = cСст∙µСст/λСст = 2003,9∙0,307 ∙10-3 /0,1218 = 5,05

 

α2 = (0,1218/0,016)∙0,023∙25273,280,8∙(6,62/5,05)0,25∙6,620,4 = 1325,14 Вт/(м2∙К)

Для установившегося  процесса передачи тепла справедливо  уравнение:

Q = α2∙Δt2 = Δtст/(ΣΔδ/λ) = α1∙Δt1, (3.13)

 

где q ─ удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; Δtcт ─ перепад  температур на стенке, °С; Δt1 ─ разность между температурой стенки со стороны паров толуола и температурой самого теплоносителя, °С.

Отсюда:

 

Δtст = α2∙Δt2∙(Σδ/λ) = 1325,14 ∙17∙3,88 ∙10-4 = 8,75

 

Тогда

 

Δt1 = Δtср-Δtст-Δt2 = 42,9-8,75-17 = 17,15 °С

 

Коэффициент теплоотдачи  α1 толуола, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб, определим по уравнению:

 

α 1=0,72∙ε∙[(rА∙ρж2∙λж3∙g)/(μж∙dн∙Δt2)]1/4, (3.14)

 

где rА ─ теплота  конденсации паров толуола, Дж/кг; dн ─ наружный диаметр труб; ε  ─ коэффициент, учитывающий то что  при конденсации пара на наружной поверхности пучка из n горизонтальных труб средний коэффициент теплоотдачи несколько ниже, чем в случае одиночной трубы, вследствие утолщения пленки конденсата на трубах, расположенных ниже: аср = εα. При n > 100 приближенно можно принять ε = 0,6 [2]; ρж; λж; μж ─ соответственно плотность, кг/м3; теплопроводность Вт/(м∙К); вязкость, Па∙с; конденсата при средней температуре пленки:

 

tпл = TА-Δt1/2 (3.15)

 

tпл = 110,8-17,15/2 = 102,23 °С

Таблица 3.2 ─  Параметры rС, ρж, λж, μж для толуола при температуре tпл = = 102,23 °С [3]

rА, кДж/кг	364674,7	μж, 10-3∙Па∙с	0,264
ρж, кг/м3	782,6	λж, Вт/(м∙К)	0,117

 

Подставляя  данные таблицы 3.2 в выражение (3.14), получим:

α1 = 0,72∙0,6∙[(364674,7∙ 782,62 ∙ 0,1173∙ 9,81)/(0,264 ∙ 10-3 ∙ 0,02 ∙ 12,7)]1/4 = = 1104,96 Вт/(м2∙К)

Вычислим тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей:

─ со стороны  паров толуола

 

q′ = α1∙Δt1 = 1104,96∙17,15 = 18950 Вт/м2;

 

─ со стороны  толуола

 

q″ = α2∙Δt2 = 1327,75∙17 = 22571,75 Вт/м2.

 

Как видим, q′≠q″.

Для второго  приближения зададим Δt2 = 15 °С

Тогда

tст2 = 67,9+15 = 82,9 °С

РгАст = 1998,18∙0,311 ∙10-3 /0,12229 = 5,08

α2 = (0,12229/0,016)∙0,023∙25273,280,8∙(6,62/5,08)0,25∙6,620,4 = 1331,12 Вт/(м2∙К)

Δtст = 1331,12 ∙15∙3,88∙10-4 = 7,74 °С

Δt1 = 42,9-7,74-15 = 20,16 °С

tпл = 110,8-20,16/2 = 100,72 °С

 

Таблица 3.3 ─  Параметры rА, ρж, λж, μж для толуола  при температуре tпл = = 100,72°С [3]

rА, кДж/кг	368700	μж, 10-3∙Па∙с	0,271
ρж, кг/м3	788	λж, Вт/(м∙К)	0,118

 

Подставляя  данные таблицы 3.3 в выражение (3.14), получим:

α1 = 0,72∙0,6∙[(368700∙ 7882 ∙ 0,1183 ∙9,81)/(0,271 ∙ 10-3 ∙ 0,02 ∙ 20,16)]1/4 =

= 1041,15 Вт/(м2∙К)

Тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей равны:

─ со стороны  паров толуола

 

q′ = α1∙Δt1 = 1041,15 ∙20,16 = 20989,5 Вт/м2;

 

─ со стороны  толуола

 

q″ = α2∙Δt2 = 1331,12∙15 = 19966,8 Вт/м2.

 

Очевидно, что q′≠q″.

Для третьего приближения  зададим Δt2 = 15,5 °С

Тогда

tст2 = 67,9+15,5= 83,4 °С

РгАст = 2001,63∙0,309 ∙10-3 /0,122 = 5,07

α2 = (0,122/0,016)∙0,023∙25273,280,8∙(6,62/5,07)0,25∙6,620,4 = 1328,6 Вт/(м2∙К)

Δtст = 1328,6 ∙15,5∙3,88∙10-4 = 7 °С

Δt1 = 42,9-7-15,5 = 20,4 °С

tпл = 110,8-18,66/2 = 101,5 °С

 

Таблица 3.4 ─  Параметры rА, ρж, λж, μж для толуола  при температуре tпл = = 101,5 °С [3]

rА, кДж/кг	366343,5	μж, 10-3∙Па∙с	0,27
ρж, кг/м3	785,8	λж, Вт/(м∙К)	0,1179

 

Подставляя  данные таблицы 3.4 в выражение (3.14), получим:

α1 = 0,72∙0,6∙[(366343,5∙ 785,82 ∙ 0,11793 ∙ 9,81)/(0,27 ∙ 10-3 ∙ 0,02 ∙ 20,4)]1/4 = 1049,52 Вт/(м2∙К)

Тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей равны:

─ со стороны  паров толуола

 

q′ = α1∙Δt1 = 1058,85∙18,66 = 21410,2 Вт/м2;

 

─ со стороны  толуола

 

q″ = α2∙Δt2 = 1328,6 ∙15,5 = 20593,3 Вт/м2.

 

Как видим, q′  ≈ q″.

Расхождение между  тепловыми нагрузками (3,8%) не превышает 5%, следовательно, расчет коэффициентов α1 и α2 на этом можно закончить.

Коэффициент теплопередачи  равен:

К=1/(1/1058,85+1/1328,6 +3,88∙10-4) = 479,59 Вт/(м2К)

Найдем уточненное значение относительной тепловой нагрузки qср, как среднее арифметическое q′ и q″

 

qср = (q′+ q″)/2 = (21410,2 +20593,3)/2 = 21001,75 Вт/м2

 

Известно, что  относительная тепловая нагрузка связана  с коэффициентом теплопередачи  следующим образом:

q=K∙Δtср (3.15)

 

Тогда выражение  для нахождения уточненного значения требуемой поверхности теплообмена  примет вид

 

F = Q/(K∙Δtср) = Q/qср (3.16)

 

F = 1057130,52/21001,75= 50,33 м2

Данный кожухотрубный  теплообменник с длиной труб L = 3 м и поверхностью F = 60 м2, подходит с запасом:

∆ = [(60-50,33)/60]∙100% = 16 %

Результаты  уточненного расчета поверхности  теплопередачи сведены в таблицу 3.5.

 

Таблица 3.5 ─  Результаты уточненного расчета  поверхности теплопередачи

F, м2	RеС	Положение труб	α1, Вт/(м2∙К)	α2, Вт/(м2∙К)
50,33	25273,28	горизонтально	1049,52	1328,6

 

3.6 Расчёт  гидравлического сопротивления  теплообменника

 

Гидравлическое  сопротивление в трубном пространстве ∆pтр рассчитываем по формуле:

 

∆pтр = λ∙L∙z∙w2тр∙ρтр/2d +[2,5(z-1)+2z]∙w2тр∙ρтр/2+3 w2тр.ш∙ρтр/2 (3.17)

 

Скорость толуола  рассчитывается по формуле:

 

wтр=4∙GС∙z/(π∙d2вн∙n∙ρС) (3.18)

Отсюда скорость будет равна:

wтр= 4∙6,5∙6/(3,14∙0,016 2 ∙316∙830,4) = 0,739 м/с.

Коэффициент трения в трубах рассчитывается по формуле:

 

λ = 0,25{lg[e/3,7+(6,81/Reтр)0,9]}-2, (3.19)

 

где е = Δ/dвн ─  относительная шероховатость труб; Δ ─ высота выступов шероховатостей

е = 0,0002/0,016 = 0,0125.

Отсюда коэффициент  трения будет равен:

λ = 0,25{lg[0,0125/3,7+ (6,81/25273,28) 0,9]}-2= 0,0434.

Скорость толуола  в штуцерах рассчитывается по формуле:

 

wшт = 4∙GС/(π∙dшт2∙ρС) (3.20)

 

Отсюда скорость раствора в штуцерах будет равна:

wшт = 4∙6,5/(3,14∙0,12 ∙830,4) = 0,997 м/с.

Гидравлическое  сопротивление в трубном пространстве:

∆pтр=0,0434∙3∙6∙0,7392∙830,4/(0,016∙2)+[2,5(6-1)+2∙6]∙0,7392∙830,4/2+ 3∙830,4∙0,9972/2 = 17864,5Па.

 

Результаты  гидравлического расчета кожухотрубчатого конденсатора сведены в таблицу 3.6.

 

Таблица 3.6 ─  Результаты гидравлического расчета

λ	wтр, м/с	wтр.шт, м/с	Δpтр, Па
0,0434	0,739	0,997	17864,5

 

Заключение

 

В данной курсовой работе произведены теплотехнический, конструктивный и гидравлический расчеты  теплообменников. На основании этих данных было подобрано следующее оборудование для проведения процесса охлаждения пара толуола и его конденсации: вертикальный холодильник и горизонтальный конденсатор.

В вертикальный одноходовой холодильник с параметрами:

— диаметр кожуха 1000 мм;

— число труб 747;

— длина труб 1 м;

— поверхность теплообмена 58,67 м2.

поступает пар толуола (массовый расход равен 2,92 кг/с) при атмосферном  давлении. Там он охлаждается со 160 °С до 110,8 °С. Охлаждающим теплоносителем служит воздух (давление 0,15 МПа, массовый расход 5,9кг/с). Который нагревается с 25 °С до 60 °С. Тепловая нагрузка со стороны толуола равна 219920,85 Вт, а со стороны воздуха — 208924,8 Вт.

Конденсация паров толуола  производится в горизонтальном конденсаторе с параметрами:

— диаметр кожуха 600 мм;

— число труб 316;

— длина труб 3 м;

— число ходов 6;

— поверхность теплообмена 60 м2.

Охлаждающим теплоносителем служит толуол (давление 0,5 МПа, массовый расход 6,5 кг/с), который нагревается  с 20 °С до 95 °С. Тепловая нагрузка со стороны паров толуола равна 1057130,52 Вт, со стороны толуола 1004274 Вт.

 

Список  использованных литературных источников

 

Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. –М.: Химия, 1973.

Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Под ред. Ю. И. Дытнерского.– М.: Химия, 1991.

К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков. Примеры и задачи по курсу  процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1970.

Калишук Д.Г., Протасов С.К., Марков В.А. Процессы и аппараты химической технологии. Методические указания к курсовому проектированию по одноименной дисциплине для студентов очного и заочного обучения. – Мн: Ротапринт БГТУ, 1992.

Гельперин Н. И. Основные процессы и аппараты химической технологии М.: Химия, 1981. Т. 1. 384 с.

Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. 3. Процессы и аппараты химической технологии М.: Химия, 1967 848 с