Выбрать теплообменник для подогрева исходной смеси воды с уксусной кислотой перед подачей ее в ректификационную колонну. Подогрев осуществляется водяным паром, имеющим избыточное давление рати. Расход исходной смеси m кг/час, концентрация уксусной кислоты в ней С. Начальная температура смеси 37 оС, конечная температура tк. Свойства смеси и водяного пара определить из справочных пособий [1] с использованием линейного интерполирования.
Исходные данные для расчёта
C = 77%
р = 2,7 ати
tк = 95оС
m∙10-3 = 22 кг/ч
Решение
Выполним расчет кожухотрубчатого теплообменника для нагревания смеси вода - уксусная кислота при атмосферном давлении. Расход смеси m =22000 кг/ч. Начальная и конечная температуры смеси соответственно tн=370С и tк=950С. Нагрев осуществляется водяным паром под избыточным давлением 2,7 ати. Принимаем, что смесь, нагреваясь, будет двигаться по трубному пространству теплообменного аппарата, а водяной пар - по межтрубному пространству.
Абсолютное давление водяного пар:
р=ратм+ризб=1+2,7=3,7 атм
Согласно справочным данным, при давлении пара 3,7 атм его температура составляет 139,90С.
Потери теплоты в окружающую среду примем в размере 5% от полезной теплоты.
Определяем среднюю разность температур в теплообменнике:
Водяной пар: 139,90→139,90С
Смесь: 37→950С
tб=139,9-37=102,90С
tм=139,9-95=44,90С
tб/tм=102,9/44,9=2,29
Отношение tб/tм>2, значит, среднюю движущую силу рассчитываем как среднелогарифмическую:
∆tср=∆tб-tмln∆tб∆tм=102,9-44,9ln102,944,9=69,90С
Средняя температура смеси в теплообменнике равна:
tср=37+952=660С
Удельную теплоемкость смеси C определяем по формуле:
С=Сук·аук+Св·ав,
где Сук, Св –удельные теплоемкости компонентов при средней температуре смеси;
аук, ав – массовые доли компонентов.
Удельную теплоемкость уксусной кислоты и воды при средней температуре смеси в подогревателе (660С) определяем по справочным номограммам и выполняем соответствующие расчеты.
t, 0C Сук, ккал/(кг·К) Св, ккал/(кг·К) Ссмеси, Дж/(кг·К)
66 0,53 1,00 CF=4190·(0,53·0,77+1·0,23)=2673,64
Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси с учетом тепловых потерь в размере 5%:
Qп=1,05∙Gсм∙С∙tкип-tнач
Qп=1,05∙220003600∙2673,64∙95-37=995039,69 Вт
Расход греющего пара, имеющего давление рабс=3,7 кгс/см2 и влажность 5% в подогревателе исходной смеси:
Gгр.п.=Qпrг.п∙x=995039,692,150·106∙0,95=0,487кгс
Зададимся ориентировочным значением коэффициента теплопередачи от конденсирующегося водяного пара к органической жидкости Кор=800 Вт/(м2∙К)
Тогда ориентировочная поверхность теплопередачи составит:
Fop=QKop∙∆tcp=995039,69800∙69,9= 17,79 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.
Динамический коэффициент вязкости воды при 660С составляет 0,4293·10-3 Па∙с, уксусной кислоты - 0,658·10-3 Па∙с. Тогда динамический коэффициент вязкости смеси будет равен:
lgμсм=хв∙lgμв+1-хук∙lgμук,
где хв - молярная доля воды в смеси;
хi=хi-/Mi1n(хi-Mi)
М (CH3СООН)=60 г/моль; М (Н2О)=18 г/моль.
xв=0,23/180,2318+0,7760=0,5
lgμсм=0,5∙lg0,4243·10-3+1-0,5∙lg0,658∙10-3→μсм=0,000528 Па∙с
Плотность смеси при средней температуре в подогревателе определяется по формуле:
1ρсм=хук-ρук+1-хук-ρв,
где ρук, ρв - плотность уксусной кислоты и воды при 660С, кг/м3.
Плотность уксусной кислоты при 660С составляет 997,1 кг/м3, плотность воды при 660С равна 979,7 кг/м3.
1ρсм=0,77997,1+1-0,77979,7→ρсм=993 кг/м3
Тогда скорость потока в трубах составит:
w=Re∙μсмdвн∙ρсм=20000∙0,000528 0,021∙993=0,51 м/с
Число труб на один ход составит:
nx=Gсмρсм∙π∙dвн24∙w=22000/3600993∙3,14∙0,02124∙0,51=34,86
На основании выполненных расчетов выберем двуххходовой теплообменный аппарат типа ТН, имеющий следующие параметры:
диаметр кожуха – 0,4 м;
число труб - 100 шт.;
число труб на один ход – 50 шт.;
поверхность теплообмена – 24 м2;
длина труб – 3 м.
Уточненная скорость движения потока по трубам и режим движения потока:
wуточн=22000/3600993∙3,14∙0,02124∙50=0,35 м/с
Reист=0,35∙0,021∙9930,000528=13823
Режим движения потока по трубам турбулентный.
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-поправочная функция, учитывающая физические свойства конденсирующейся среды, для конденсирующегося водяного пара функция равна 1;
λ-коэффициент теплопроводности конденсата при температуре конденсации, λ=0,685 Вт/(м·К) при 139,90С;
ρ-плотность конденсата при температуре конденсации, ρ=926 кг/м3;
r-удельная теплота конденсации пара, r=2150000 Дж/кг;
g-ускорение свободного падения, g=9,81 м/с2;
μ-динамический коэффициент вязкости конденсата при температуре конденсации, μ=196·10-6 Па·с;
∆t-разность между температурой конденсации пара и температурой стенки со стороны пара, (tконд-tст1), 0С;
Н- высота труб, Н=3 м.
Для дальнейшего расчета зададимся температурой стенки со стороны пара, равной tст1=132,20С, тогда коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке составит:
∝пар=2,04∙1∙40,6853∙9262∙2150000196∙10-6∙(139,9-132,2)∙3=6899,95 Вт/(м2∙К)
Удельный тепловой поток со стороны пара:
qпар=αпар·(tконд-tст1)=6899,95·(139,9-132,2)=53129,65 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 потока смеси, 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=132,2-53129,65∙3,9∙10-4=11,480С
Коэффициент теплоотдачи от стенки к потоку рассчитываем через критериальное уравнение:
∝см=Nu∙λсмdвн,
где dвн - внутренний диаметр труб, dвн=0,021 м;
λсм-коэффициент теплопроводности смеси при средней температуре потока, Вт/(м·К).
Коэффициент теплопроводности смеси вода–уксусная кислота определяем по формуле:
λсм=λук∙хук-+λв∙1-хв-,
где λук,λв-коэффициент теплопроводности уксусной кислоты и воды при температуре 660С, Вт/(м∙К).
Коэффициент теплопроводности уксусной кислоты при 660С составляет λук=0,169 Вт/(м∙К), коэффициент теплопроводности воды при 660С составляет 0,664 Вт/(м∙К).
λсм=0,169∙0,77+0,664∙1-0,77=0,283 Вт/(м∙К)
Критерий Нуссельта при турбулентном режиме течения в прямых трубах и каналах рассчитываем по формуле:
Nu=0,021∙εL∙Re0,8∙Pr0,43∙PrPrст0,25,
где εL-коэффициент, учитывающий влияние длины трубы (канала) на коэффициент теплоотдачи, εL=1;
Pr-критерий Прандтля при средней температуре потока.
Pr=С∙μλ=2673,64∙0,0005280,283=4,99
Отношение Pr/ Prст при рассматриваемых условиях можно принять равным 1.
Nu=0,021∙1∙138230,8∙4,990,43=86,07
∝см=86,07∙0,2830,021=1159,98 Вт/(м2∙К)
Удельный тепловой поток со стороны смеси:
qсм=αсм·(tст2-tср)=1159,98·(132,2-66)=52755,36 Вт/м2
Сравнивая значения удельного теплового потока со стороны греющего пара и нагреваемой смеси (соответственно 53129,65 и 52755,36 Вт/м2) видно, что они практически не отличаются между собой, что позволяет принять выполненный расчет за окончательный
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
