Дано:
Материальный баланс колонны:
 кг/с
Пересчет массовых % в мольные доли:
Тепловой баланс теплообменника:
По табл. XLVII (П.Р., 543)
По рис. XI (П.Р., 562)
 кал/кг×с  Дж/кг×К
Расход воды:
 кг/с (Д., 32)
Ф/х свойства воды при т-ре 30С
 кг/м3
 Вт/(м×К)
 Па×с
Среднелогарифмическая разность температур:
 
 С
Ф/х cвойства cмеси метилового спирта и воды с массовой долей метилового спирта 7% при температуре 30 С
 кг/м3
(т. 1-101, Перри, 51)
Коэффициент динамической вязкости смеси рассчитывается по уравнению Томаса (ф. 1-91, Перри, 26):
 , где
 ,
 температура смеси;
 постоянная вязкости, определяемая путем суммирования атомных и структурных составляющих смеси.
Для смеси метиловый спирт-вода,
 (т. 1-14, Перри, 26)
Таким образом,
 Па×с
Коэффициент теплопроводности смеси органических жидкостей и воды с достаточной степенью точности можно посчитать по уравнению Краго (1-70, Перри, 22):
 ,
где  относительная плотность смеси жидкостей по воде, равная в данном случае 0.99
Таким образом
Удельную теплоемкость растворов органических жидкостей можно посчитать по методу Джонсона и Хуанга с помощью аддитивных составляющих (т. 1-7, Перри, 15). Для смеси вода-метиловый спирт при содержании спирта 7% по массе, теплоемкость практически равна теплоемкости воды при т-ре 30 градусов, или равна
 Дж/(кг×К) (р. XI, П.Р., 562)
Пустим спирт по трубам, а воду – в межтрубном пространстве.
Объемный расход спирта и воды:
 м3
/с (П.Р, 216)
 м3
/с (П.Р, 216)
Согласно т.4.8 (П.Р., 172) минимальное значение Kop
для турбулентного режима составляет 250 Вт/(м×К)
Ориентировочная поверхность составляет:
 м2
 м2
В теплообменных трубах 25х2 мм по ГОСТ 15120-79 скорость течения спирта при Re1
>10000 должна быть не менее:
 м/c (П.Р, 216)
Проходное сечение трубного пространства должно быть не менее:
 м2
Кожухотрубчатый холодильник наименьшего диаметра 159 мм с числом труб 13 имеет площадь 0.5×10-2
м2
(табл. 4.12, П.Р,215). Следовательно турбулентное течение спирта можно обеспечить только в аппарате с меньшим диаметром трубного пространства, т.е. в теплообменнике "труба в трубе".
Вариант 1.
Теплообменник "труба в трубе" (ГОСТ 9930-78).
1.1 Рассмотрим аппарат, изготовленный из труб 89х4 мм (наружная) и 57х3.5 (внутренняя). Скорость спирта в трубах для обеспечения турбулентного движения должна быть не менее:
 м/c (П.Р.,216)
Число параллельно работающих труб 57х3.5 мм, при этом
 (П.Р.,217)
Примем n=2. Определим критерий Рейнольдса и скорость для спирта:
 м/с (П.Р.,217)
 (П.Р., 217)
Критерий Рейнольдса соответствует турбулентному движению.
Для воды:
 (П.Р.,217)
где 0.024 – эквивалентный диаметр, равный 0.081-0.057
1.2. Составим схему процесса теплопередачи. По табл. 4.1 (П.Р., 151) находим, что теплоотдача для спирта и воды (турбулентный режим у обеих жидкостей) описывается ур. 4.17. (П.Р., 154)
Коэффициент  примем равным 1.
Ввиду того, что температуры стенок со стороны спирта  и воды  пока неизвестны, примем сомножитель  равным единице для обоих потоков.
а) Коэффициент теплоотдачи для спирта:
Критерий Прандтля для спирта при 25.9 градусах
 (П.Р., 217)
Критерий Нуссельта для спирта:
Коэффициент теплоотдачи от спирта к стенке:
 Вт/(м2
×К)
(П.Р., 217)
б) Коэффициент теплоотдачи для воды.
Критерий Прандтля для воды при 30 градусах.
Критерий Нуссельта для воды:
Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде:
 Вт/(м2
×К)
Термическое сопротивление стенки и загрязнений
(табл. XXXI, П.Р.,531)
Примем коэффициент теплопроводности материала стенки, равным коэффициенту теплопроводности стали, то есть равным 46.5
 м2
×К/Вт
Величина тепловой проводимости 1860 выбрана из расчета загрязненной воды, так как смесь в трубе представляет собой воду с примесью органической жидкости.
Коэффициент теплопередачи:
 Вт/(м2
×К)
Поверхностная плотность теплового потока:
 Вт/м2
1.3. Определим ориентировочно значения  и  , исходя из того, что
 ,
где сумма
Найдем:
 (П.Р., 218)
Следовательно:
Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи:
Критерий Прандтля для спирта при 
Критерий Прандтля для воды при 
Уточненный коэффициент теплоотдачи для спирта:
Уточненный коэффициент теплоотдачи для воды:
Исправленные значения  :
 Вт/(м2
×К)
 Вт/м2
Расчетная площадь поверхности теплопередачи:
 м2
С запасом 10%:  м2
Поверхность теплообмена одного элемента длиной 6 м.:
 м2
Число элементов в каждой из двух секций (ветвей):
 шт.
Общее число элементов:
 шт.
Вариант 2.
Кожухотрубчатый холодильник диаметром 159 мм с трубами 25х2 мм (ГОСТ 15120-79)
Скорость и критерий Рейнольдса для спирта:
 м/с
Скорость и критерий Рейнольдса для воды:
 м/с
где 0.9×10-2
- проходное сечение межтрубного пространства между перегородками по ГОСТ 15120-79.
где 0.025 – наружный диаметр труб, определяющий линейный размер при поперечном обтекании.
Вариант 2
Кожухотрубчатый холодильник диаметром 159 мм с трубками 25х2 мм (ГОСТ 15120-79)
Скорость и критерий Рейнольдса для спирта:
 м/с
Скорость и критерий Рейнольдса для воды:
 м/с
где  - проходное сечение межтрубного пространства между перегородками по ГОСТ 15120-79.
Для потока в трубах при Re1
< 10000 значение tc
т
.1.
влияет на выбор расчетной формулы через произведение GrPr. Зададимся значениями температур стенки, исходя из того, что
Примем исходя из предыдущего расчета (теплообменник "труба в трубе")
а) коэффициент теплоотдачи для воды (Re2
= 8671.6)
При поперечном омывании потоком трубного пучка при Re > 1000 рекомендуется соотношение
Примем  = 0.6 (157, П.Р.). Критерий Прандтля для спирта:
Тогда
 Вт/(м2
×К)
б) Коэффициент теплоотдачи для спирта (Re1
= 6873)
Для выбора расчетной формулы определим произведение (PrGr) при определяющей температуре – средней температуре пограничного слоя. (П.Р., 154)
 С
Физические свойства спирта при температуре 27.5С:
кг/м3
(т. 1-101, Перри, 51)
 Па×с
Дж/(кг×К) (р. XI, П.Р., 562)
Для определения Nu2
при данном соотношении и Re > 3500 воспользуемся табл. 4.4 (П.Р.,155)
В данных пределах критерий Нуссельта по формуле 4.28 (П.Р., 155)
 ,
где n = 0.11 при нагревании, n=0.25 при охлаждении. В нашем случае n=0.25.
 динамический коэффицент вязкости смеси при температуре стенки.
В нашем случае можно принять равным динамическому коэффициенту вязкости при температуре смеси.
 
 Вт/(м2
×К)
Коэффициент теплопередачи:
 Вт/(м2
×К)
Поверхностная плотность теплового потока:
 Вт/м2
Уточним значения
Окончательно  и 
Расчетная площадь поверхности теплопередачи:
 м2
.
С запасом 10%  м2
Принимаем к установке аппараты длиной 3 м (ГОСТ 15120-79 (П.Р.,215).
Площадь поверхности теплообмена одного аппарата по среднему диаметру труб:
 м2
Необходимое число аппаратов:
Примем N = 9. Запас поверхности при этом составляет:
 %
Таким образом видно, что первый вариант теплообменника ("труба в трубе") имеет меньшую металлоемкость и большее число Рейнольдса по сравнению с кожухотрубчатым теплообменником.
Проведем расчет экономических параметров теплообменника "труба в трубе".
Табл. 1. "Технические характеристики теплообменника"
| Показатели |
Трубное пространство |
Межтрубное пространство |
| Среда |
Наименование |
Метанол |
Вода |
| Токсичность |
Токсична |
Нетоксична |
| Взрывоопасность |
Невзрывоопасна |
Невзрывоопасна |
| Агрессивность |
Агрессивна |
Неагрессивна |
| Температура |
93.5 (на входе) |
40 (на выходе) |
| Рабочее давление, МПа |
| Емкость аппарата, м3
|
| Поверхность теплообмена, м2
|
2.81 |
Материал деталей аппарата, соприкасающихся с метанолом – сталь Х18Н9Т ГОСТ 5632-72, остальных ст. 3 ГОСТ 380-71.
Материал герметизирующих прокладок – картон асбестовый ГОСТ 2850-58.
Материал прокладок в резьбовых соединениях – алюминий марок А95, А85, А8, А7, А6, А5, А0, А (ГОСТ 11069-64).
Число элементов в каждой из двух секций (ветвей):
шт.
Общее число элементов:
 шт.
Таким образом, затраты на элементы теплообменника из расчета 100 руб. за элемент составят 1100 рублей. Масса аппарата "труба в трубе" – 2200 кг.
|
