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/хсвойства воды при т-ре 30С
/>кг/м3
/>Вт/(м×К)
/>Па×с
Среднелогарифмическая разность температур:
/> />
/>
/>С
Ф/х cвойстваcмеси метилового спирта и воды смассовой долей метилового спирта 7% при температуре 30 С
/>кг/м3(т. 1-101, Перри, 51)
Коэффициент динамической вязкости смеси рассчитывается поуравнению Томаса (ф. 1-91, Перри, 26):
/>, где
/>,
/>температура смеси;
/>постоянная вязкости, определяемая путем суммированияатомных и структурных составляющих смеси.
Для смеси метиловый спирт-вода,
/> (т. 1-14, Перри, 26)
Таким образом,
/> Па×с
Коэффициент теплопроводности смеси органическихжидкостей и воды с достаточной степенью точности можно посчитать по уравнениюКраго (1-70, Перри, 22):
/>,
где />относительнаяплотность смеси жидкостей по воде, равная в данном случае 0.99
Таким образом
/>
Удельную теплоемкость растворов органических жидкостейможно посчитать по методу Джонсона и Хуанга с помощью аддитивных составляющих(т. 1-7, Перри, 15). Для смеси вода-метиловый спирт при содержании спирта 7% помассе, 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 составляет250 Вт/(м×К)
Ориентировочная поверхность составляет:
/>м2/>м2
В теплообменных трубах 25х2 мм по ГОСТ 15120-79 скоростьтечения спирта при Re1>10000 должна быть не менее:
/> м/c (П.Р, 216)
Проходное сечение трубного пространства должно быть неменее:
/>м2
Кожухотрубчатый холодильник наименьшего диаметра 159 мм счислом труб 13 имеет площадь 0.5×10-2 м2 (табл. 4.12, П.Р,215).Следовательно турбулентное течение спирта можно обеспечить только в аппарате сменьшим диаметром трубного пространства, т.е. в теплообменнике «труба втрубе».
Вариант 1. Теплообменник «труба в трубе» (ГОСТ 9930-78).
1.1 Рассмотримаппарат, изготовленный из труб 89х4 мм (наружная) и 57х3.5 (внутренняя).Скорость спирта в трубах для обеспечения турбулентного движения должна быть неменее:
/> м/c (П.Р.,216)
Число параллельно работающих труб 57х3.5 мм, при этом
/> (П.Р.,217)
Примем n=2. Определимкритерий 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 обеихжидкостей) описываетсяур. 4.17. (П.Р., 154)
/>
Коэффициент /> примемравным 1.
Ввиду того, что температуры стенок со стороны спирта />и воды /> пока неизвестны, примемсомножитель /> равным единице для обоихпотоков.
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)
Термическоесопротивление 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 расчетазагрязненной воды, так как смесь в трубе представляет собой воду с примесьюорганической 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 25х2мм (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 межтрубногопространства между перегородками по ГОСТ 15120-79.
/>
где 0.025 – наружный диаметр труб, определяющий линейныйразмер при поперечном обтекании.
Вариант 2 Кожухотрубчатый холодильник диаметром 159 мм с трубками25х2 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 ГОСТ15120-79.
Для потока в трубах при Re1
/>
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 определяющейтемпературе – 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 вязкостисмеси при температуре стенки.
В нашем случае можно принять равным динамическомукоэффициенту 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 среднемудиаметру 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 числоРейнольдса 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 – стальХ18Н9Т ГОСТ 5632-72, остальных ст. 3 ГОСТ 380-71.
Материал герметизирующих прокладок – картон асбестовый ГОСТ2850-58.
Материал прокладок в резьбовых соединениях – алюминий марокА95, 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 израсчета 100 руб. за элемент составят 1100 рублей. Масса аппарата «труба втрубе» – 2200 кг.