Расчет кожухотрубного теплообменника

сигнализаторами довзрывных концентраций наиболее прогрессивен. В соответствии с методическими  указаниями ВСН 64- 86 такой контроль проводят в производственных помещениях с взрывоопасными зонами В – 1,В – 1а и В – 1б по ПУЭ, в которых имеются источники выделения взрывоопасных   и пожаро – и взрывоопасных газов и паров. Автоматические сигнализаторы могут быть самостоятельными  или входить в состав  системы защиты.  Отечественная промышленност  выпускает ряд сигнализаторов, фиксирующих и сигнализирующих о наличии концентраций 5– 50% от нижнего концентрационного                      

предела распространения  пламени.

      При  достижении  концентраций  паров  и  газов  в   воздухе  более 50% от НКПР одновременно  с выключением   предупредительной   сигнализации  и аварийной

  вентиляции необходимо предусматривать автоматическое или ручное отключение всего  или  части  технологического  оборудования.  Сигнализация  должна  быть световой  и  звуковой.

    Если  по  условиям  производства  образование   довзрывоопасных   концентраций  может  происходить в течение длительного времени, устанавливают взрывобезопасные автоматические газовые переключатели, которые передают пробы контролируемого воздуха от нескольких точек к одному датчику.                                                 
 
 

                                                
 
 
 
 
 
 

                                                 2. Расчётная часть

                                        2.1.  Материальный  баланс

Расход  смеси  – 8000 кг/ч

Содержание  бензола  в  смеси - 40% весовых

Начальная  температура смеси - 35˚С

Конечная  температура  смеси - 55˚С

Температура  греющей  воды - 96˚С

Расход  греющей  воды -20000кг/ч 

1. Рассчитаем  расход бензола

      ,                                                  (1)

где  G_см – расход смеси, кг/с.

      х – весовое содержание бензола

      х = 40% / 100% = 0,4

      G_б = 8000 · 0,4/3600 = 0,889 [кг/с] 

2. Рассчитаем  расход толуола

      G_т = (1-х)/ G_см 3600                                          (2)

Gm = ( 1 – 0.4 ) /  8000 / 3600 = 1.334[кг/с] 

3. Рассчитаем расход греющей воды

      G_в = 20000/3600 = 5,556[кг/с]                            (3) 
 
 
 

4.  Расход смеси бензол + толуол

   G_см=G_{б +}G_т                                                                                                      (4)

G_{см =} 0,889 + 1,334 = 2,223

Таблица 1. Материальный   баланс

 

                                     2.2.  Технологический   расчет 

1. Рассчитаем тепловую нагрузку аппарата

      Q = G_см · С_см (t₂ – t₁),                                            (1)

где  С_см  – теплоемкость смеси, Дж/кг · град.

      t₂  – конечная температура, ˚С

      t₁ – начальная температура,˚С

     G_см = С_бенз·х + С_тол (1-х),                                       (2)

где  С_бен – теплоемкость бензола из справочника, [5, прил.3 с. 808-809]

 С_бен= 0,43 * 4190 [Дж/кг·град]); 
 
 
 
 
 

С_тол – теплоемкость толуола из  справочника, [5, прил.3  с.  808-809]        

С_тол = 0,418 * 4190 [Дж/кг·град]

     G_см = 1801 ·0,4 + 1751 (1-0,4)  = 1771 [Дж/кг·град]

     Q = 2,22 3 *  1771 *(55-35) = 78738,66 [Дж/с] 

2. Рассчитаем конечную температуру воды

      Q = G_в · С_в (Т1 – Т2),                                            (3)

где  Т₁ – начальная температура воды ,  

           Т1 = 96 ˚С 

      Т₂ – конечная температура воды,  

      С_в – теплоемкость воды  из справочника [5,прил. 3 с. 808-809]

Своды = 4190 [Дж/кг·град]);

                                                                           (4)

      Т2 = 96 – 78738,66 / 4190 * 5,556 = 92,6 ˚С     

3. Определим  ∆t  среднее

      35 → 55

     92,6 ← 96

     ∆t_бол = 57,6

     ∆t_мал = 41 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                 (5)

∆t_ср = 57,6 + 41 / 2 = 49,3˚С             

4. Рассчитаем среднюю температуру смеси 

                                                                                (6)

     tср.см. = 35 +55 / 2 = 45˚ 

5. Рассчитаем среднюю температуру воды  

      t _ср.в. = t_ср.см. + ∆t_ср                                                          (7)

     t _ср.в. = 45 + 49,3 = 94,3˚С 

6. Определяем площадь трубного пространства, принимая массовую скорость смеси 200 [кг/м² · с] 

      W_см = 200 кг/м² · с 

7. Площадь трубного пространства рассчитываем по формуле:

                                                                                                 (8)

     Sтр = 2,223 / 200 = 0,0111 [м²] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

8. Принимаем число трубок n = 37шт., тогда диаметр трубки определяем по формуле: 

                                                                                           (9)

d = √4 * 0,0111 / 3,14 = 0,014 [м] 

9. Принимаем толщину стенки трубки равной 0,001м, тогда наружный диаметр трубки будет равен:  

      d_н = d + 2δ,                                                                 (10)

где  δ – толщина стенки трубки, м;    

δ= 0,001 [м]

      d_н = 0,014 + 2 ·0,001 = 0,016 [м] 

10. Рассчитаем критерий Рейнольдса для трубного пространства:

                                                                                     (11)

где μ_см – вязкость смеси, Н·с / м²

      W_см – массовая скорость смеси, кг/ м²·с

      d_экв – эквивалентный диаметр трубного пространства, м;

             ,                                                  (12) 
 
 
 
 
 

где  d – внутренний диаметр трубки, м;   

d = 0,014 [м]

            dэкв. = 4 * 0,0111 / 37 * 3,14 * 0,014 = 0,16 [м]

      μ_см = μ_бен · х + μ_тол (1-х),

где  μ_бен – вязкость бензола из справочника [5, прил. 2 с. 806-807]

 μ_бен = 0,526 ·10^-3 [Н·с /м²]); 

     μ_тол= 0,494 · 10^-3 [Н·с /м²]

     μ_см  = 0,000526 * 0,5 + 0,000494 *(1-0,4) = 0,0005068 [Н·с/м²]

     Re = 200 * 0,16 / 0,0005068 = 63142  

11. Рассчитаем критерий Прандтля:

       ,                                                                     (13)

где λ_см – теплопроводность смеси, Вт/м·град.

      λ_см = λ_бен * х + λ_тол (1 - х),                                                  (14)

где  λ_бен – теплопроводность бензола берем из справочника [5, прил. 4 с. 810]

      λ_бен = 0,125 * 1,16[Вт/м·град]

      λ_тол = 0,116 * 1,16 [Вт/м·град]

         λ_см = 0,145 *  0,4 + 0,135 (1 - 0,4) = 0,139 [Вт/м·град]

            Pr = 0,0005068  *  1771  /  0,139 = 6,457

12. Рассчитаем критерий Нуссельта смеси

      N_и = 0,023 Rе^0,8 · Рr^0,4                                                                                           (15) 
 
 

N_и = 0,023 * 63142^0,8 * 6,457^0,4 = 335,78 [Вт/м·град] 

13. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи  смеси

                                                                                                        (16)

      αсм. = 335,78 * 0,139 / 0,16 = 291,71 [Вт/м²·град]