Провести тепловой расчет и подобрать кожухотрубный теплообменник-конденсатор

Согласно справочным данным, температура кипения бутанола составляет 117,70С при атмосферном давлении. Принимаем температуру греющего пара, используемого для нагрева раствора до температуры кипения, равной 142,90С, что соответствует его давлению 0,4 МПа. Потери теплоты в окружающую среду примем в размере 5% от полезной теплоты.
Бутанол будет двигаться по трубному пространству теплообменного аппарата, а греющий пар по межтрубному пространству.
Составляем температурную схему процесса:
Бутанол: 12→117,70С
Водяной пар: 142,9→142,90С
tб=142,9-12=130,90С
tм=142,9-117,7=25,20С
tб/tм=130,9/25,2=5,19
Отношение tб/tм>2, значит, средняя движущая сила будет рассчитана как среднелогарифмическая:
∆tср=∆tб-tмln∆tб∆tм=130,9-25,2ln130,925,2=64,150С
Составим уравнение теплового баланса. Часть теплоты от пара переходит через стенку кожуха в окружающую среду.
Qпар=Qсм+Qп
Тепловая нагрузка в теплообменном аппарате:
Gпар∙rпар=Gр∙Cр∙tт.к-tт.н+Qп
Gпар∙rпар=1,05∙Gр∙Cр∙tт.к-tт.н
Удельная теплота конденсации пара с давлением 0,4 МПа составляет 2141 кДж/кг.
Удельная теплоемкость бутанола при его средней температуре в аппарате 64,850С(~650С) составляет 3100 Дж/(кг∙К).
Определим расход греющего пара:
Gпар=1,05∙10800∙3100∙(117,7-12)3600∙2141000=0,482кгс=1735,53кгч
Определим тепловую нагрузку теплообменного аппарата:
Q=108003600∙3100∙117,7-12=1032160,5 Вт
Зададимся ориентировочным значением коэффициента теплопередачи от конденсирующегося водяного пара к органической жидкости Кор=600 Вт/(м2∙К)
Тогда ориентировочная поверхность теплопередачи составит:
Fop=QKop∙∆tcp=1032160,5 600∙64,15= 26,82 м2
Зададимся критерием Рейнольдса, значение которого будет соответствовать турбулентному режиму движения теплоносителя по трубам диаметром 25х2 мм . И при этом значении критерия Рейнольдса определим скорость движения теплоносителя по трубам. Примем Re=20000. Определим плотность и вязкость потока при его средней температуре.
Плотность бутанола при 650С равна 777,25 кг/м3.
Динамический коэффициент вязкости бутанола при 650С составляет 1,045·10-3 Па∙с.
Тогда скорость потока в трубах составит:
w=Re∙μбdвн∙ρб=20000∙0,001045 0,021∙777,25=1,28 м/с
Число труб на один ход составит:
nx=Gбρб∙π∙dвн24∙w=108003600∙777,25∙3,14∙0,02124∙1,28=8,71
На основании выполненных расчетов выберем шестиходовый теплообменный аппарат типа ТН (так как разность температур между теплоносителями превышает 300С), имеющий следующие параметры:
диаметр кожуха – 0,6 м;
число труб - 196 шт.;
число труб на один ход - 31 шт.;
поверхность теплообмена – 31 м2;
высота труб – 2,0 м.
Уточненная скорость движения потока по трубам и режим движения потока:
wуточн=Gбρб∙π∙dвн24∙nx=108003600∙777,25∙3,14∙0,02124∙31=0,36
Reист=0,36∙0,021∙777,250,001045=5623
Режим движения потока по трубам переходной.
Коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на наружной поверхности пучка вертикальных труб, рассчитываем по формуле:
∝пар=2,04∙εt∙4λ3∙ρ2∙rμ∙∆t∙Н,
где εt - коэффициент, зависящий свойств конденсирующейся среды; для водяного пара εt=1;
λ-коэффициент теплопроводности конденсата при температуре конденсации, λ=0,685 Вт/(м·К);
ρ-плотность конденсата при температуре конденсации, ρ=923,39 кг/м3;
r-удельная теплота конденсации пара, r=2141000 Дж/кг;
g-ускорение свободного падения, g=9,81 м/с2;
μ-динамический коэффициент вязкости конденсата при температуре конденсации, μ=192,81·10-6 Па·с;
∆t-разность между температурой конденсации пара и температурой стенки со стороны пара, (tконд-tст1), 0С;
Н- высота труб, Н=2 м.
Для дальнейшего расчета зададимся температурой стенки со стороны пара, равной tст1=1380С, тогда коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке составит:
∝пар=2,04∙1∙40,6853∙923,392∙2141000192,81∙10-6∙(142,9-138)∙2=8563,59 Вт/(м2∙К)
Удельный тепловой поток со стороны пара:
qпар=αпар·(tконд-tст1)=8563,59·(142,9-138)=41961,6 Вт/м2
Температура стенки со стороны потока:
tст2=tст1-qпар∙rст,
где rст – термические сопротивления стенки с учетом загрязнений:
rст=δстλст+rзагр1+rзагр2,
где rзагр1-термические сопротивления загрязнений со стороны водяного пара, rзагр1=1/5800 (м2·К)/Вт;
rзагр2-термические сопротивления загрязнений со стороны органической жидкости, rзагр2=1/5800 (м2·К)/Вт;
δст-толщина стенки, δст=0,002 м;
λст-теплопроводность материала стенки, для стали λст=46,5 Вт/(м·К)
rст=0,00246,5+15800+15800=3,9∙10-4(м2∙К)/Вт
tст2=138-41961,6∙3,9∙10-4=1270С
Коэффициент теплоотдачи от стенки к потоку рассчитываем через критериальное уравнение:
∝б=Nu∙λбdвн,
где dвн - внутренний диаметр труб, dвн=0,021 м;
λб-коэффициент теплопроводности бутанола при средней температуре потока, Вт/(м·К).
Коэффициент теплопроводности бутанола при 650С составит 0,151 Дж/(кг∙К).
Для выбора критериального уравнения для расчета критерия Нуссельта, определяем предварительно произведение комплекса (Gr·Pr), для чего рассчитываем критерии Грасгофа и Прандтля