Дано:
[pic]
Материальный баланс колонны:
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]кг/с
[pic]
[pic]
Пересчет массовых % в мольные доли:
[pic]
Тепловой баланс теплообменника:
[pic]
[pic]
По табл. XLVII (П.Р., 543)
[pic]
По рис. XI (П.Р., 562)
[pic]кал/кг(с [pic] Дж/кг(К
[pic]
Расход воды:
[pic] кг/с (Д., 32)
Ф/х свойства воды при т-ре 30С
[pic]кг/м3
[pic]Вт/(м(К)
[pic]Па(с
Среднелогарифмическая разность температур:
[pic] [pic]
[pic]
[pic]С
Ф/х cвойства cмеси метилового спирта и воды с массовой долей метилового
спирта 7% при температуре 30 С
[pic]кг/м3 (т. 1-101, Перри, 51)
Коэффициент динамической вязкости смеси рассчитывается по уравнению
Томаса (ф. 1-91, Перри, 26):
[pic], где
[pic],
[pic]температура смеси;
[pic]постоянная вязкости, определяемая путем суммирования атомных и
структурных составляющих смеси.
Для смеси метиловый спирт-вода,
[pic] (т. 1-14, Перри, 26)
Таким образом,
[pic] Па(с
Коэффициент теплопроводности смеси органических жидкостей и воды с
достаточной степенью точности можно посчитать по уравнению Краго
(1-70, Перри, 22):
[pic],
где [pic]относительная плотность смеси жидкостей по воде, равная в
данном случае 0.99
Таким образом
[pic]
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
[pic]Дж/(кг(К) (р. XI, П.Р., 562)
Пустим спирт по трубам, а воду – в межтрубном пространстве.
Объемный расход спирта и воды:
[pic]м3/с (П.Р, 216)
[pic]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:
[pic]м2 [pic]м2
В теплообменных трубах 25х2 мм по ГОСТ 15120-79 скорость течения спирта
при Re1>10000 должна быть не менее:
[pic] м/c (П.Р, 216)
Проходное сечение трубного пространства должно быть не менее:
[pic]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. Рассмотрим аппарат, изготовленный из труб 89х4 мм (наружная) и
57х3.5 (внутренняя). Скорость спирта в трубах для обеспечения
турбулентного движения должна быть не менее:
[pic] м/c (П.Р.,216)
Число параллельно работающих труб 57х3.5 мм, при этом
[pic] (П.Р.,217)
Примем n=2. Определим критерий Рейнольдса и скорость для спирта:
[pic]м/с (П.Р.,217)
[pic] (П.Р., 217)
Критерий Рейнольдса соответствует турбулентному движению.
Для воды:
[pic]
[pic] (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)
[pic]
Коэффициент [pic] примем равным 1.
Ввиду того, что температуры стенок со стороны спирта [pic]и воды [pic]
пока неизвестны, примем сомножитель [pic] равным единице для обоих потоков.
а) Коэффициент теплоотдачи для спирта:
Критерий Прандтля для спирта при 25.9 градусах
[pic] (П.Р., 217)
Критерий Нуссельта для спирта:
[pic]
Коэффициент теплоотдачи от спирта к стенке:
[pic] Вт/(м2(К)
(П.Р., 217)
б) Коэффициент теплоотдачи для воды.
Критерий Прандтля для воды при 30 градусах.
[pic]
Критерий Нуссельта для воды:
[pic]
Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде:
[pic] 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
[pic] 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:
[pic]
[pic] Вт/(м2(К)
Поверхностная плотность теплового потока:
[pic] Вт/м2
1.3. Определим ориентировочно значения [pic] и [pic], исходя из того,
что
[pic],
где сумма
[pic]
Найдем:
[pic]
[pic]
[pic] (П.Р., 218)
Следовательно:
[pic]
[pic]
Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи:
Критерий Прандтля для спирта при [pic]
[pic]
Критерий Прандтля для воды при [pic]
[pic]
Уточненный коэффициент теплоотдачи для спирта:
[pic]
Уточненный коэффициент теплоотдачи для воды:
[pic]
Исправленные значения [pic]:
[pic]
[pic]Вт/(м2(К)
[pic] Вт/м2
[pic]
[pic]
Расчетная площадь поверхности теплопередачи:
[pic]м2
С запасом 10%: [pic] м2
Поверхность теплообмена одного элемента длиной 6 м.:
[pic]м2
Число элементов в каждой из двух секций (ветвей):
[pic]шт.
Общее число элементов:
[pic] шт.
Вариант 2. Кожухотрубчатый холодильник диаметром 159 мм с трубами 25х2
мм (ГОСТ 15120-79)
Скорость и критерий Рейнольдса для спирта:
[pic] м/с
[pic]
Скорость и критерий Рейнольдса для воды:
[pic] м/с
где 0.9(10-2 — проходное сечение межтрубного пространства между
перегородками по ГОСТ 15120-79.
[pic]
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:
[pic] м/с
[pic]
Скорость и критерий Рейнольдса для воды:
[pic] м/с
[pic]
где [pic] — проходное сечение межтрубного пространства между
перегородками по ГОСТ 15120-79.
Для потока в трубах при Re1 < 10000 значение tcт.1. влияет на выбор
расчетной формулы через произведение GrPr. Зададимся значениями температур
стенки, исходя из того, что
[pic]
Примем исходя из предыдущего расчета (теплообменник «труба в трубе»)
[pic]
[pic]
а) коэффициент теплоотдачи для воды (Re2 = 8671.6)
При поперечном омывании потоком трубного пучка при Re > 1000
рекомендуется соотношение
[pic]
Примем [pic] = 0.6 (157, П.Р.). Критерий Прандтля для спирта:
[pic]
Тогда
[pic]
[pic]
[pic] 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)
[pic]С
Физические свойства спирта при температуре 27.5С:
[pic]кг/м3 (т. 1-101, Перри, 51)
[pic] Па(с
[pic]
[pic]Дж/(кг(К) (р. XI, П.Р., 562)
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
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)
[pic],
где n = 0.11 при нагревании, n=0.25 при охлаждении. В нашем случае n=0.25.
[pic]динамический коэффицент вязкости смеси при температуре стенки.
В нашем случае можно принять равным динамическому коэффициенту вязкости
при температуре смеси.
[pic] [pic]
[pic] Вт/(м2(К)
Коэффициент теплопередачи:
[pic] Вт/(м2(К)
Поверхностная плотность теплового потока:
[pic] Вт/м2
Уточним значения
[pic]
[pic]
Окончательно [pic] и [pic]
Расчетная площадь поверхности теплопередачи:
[pic] м2.
С запасом 10% [pic] м2
Принимаем к установке аппараты длиной 3 м (ГОСТ 15120-79 (П.Р.,215).
Площадь поверхности теплообмена одного аппарата по среднему диаметру труб:
[pic] м2
Необходимое число аппаратов:
[pic]
Примем N = 9. Запас поверхности при этом составляет:
[pic]%
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 |Межтрубное |
| |пространство |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):
[pic]шт.
Общее число элементов:
[pic] шт.
Таким образом, затраты на элементы теплообменника из расчета 100 руб. за
элемент составят 1100 рублей. Масса аппарата «труба в трубе» – 2200 кг.