Проект системы конденсации паров 40% раствора метилового спирта водой производительностью 15103 кг/ч

2.1. Расчет тепловой  нагрузки (теплового баланса) 

     Тепловой  расчет начинается с определения  тепловой нагрузки аппарата и расхода охлаждающего теплоносителя. Тепловой нагрузкой называется количество тепла, переданное от горячего теплоносителя к холодному.

     Таким образом:

                                                       (2.1)

     Тепловой  баланс в общем виде можно записать в виде равенства:

                                                         (2.2)

                                                         (2.3)

     В курсовой проекте рассматриваем теплообменник-конденсатор, в котором нагрев одного из теплоносителей происходит за счет конденсации паров другого теплоносителя:

                                             (2.4)

где G₁ – производительность теплообменного аппарата по водяному пару, кг/с; с₁ – удельная теплоемкость водяного пара, Дж/(кг·К).

     Подставив табличные данные в уравнение (2.4) получаем: 
 

2.2. Расчет производительности  по хладагенту 

     Зная  тепловую нагрузку теплового аппарата через уравнение (2.1) и (2.3) найдем производительность по холодному потоку: 

где с₂ – удельная теплоемкость 10% NaOH, Дж/(кг·К).

     Тогда: 
 

2.3. Расчет средней  температуры потока 

      Расчет  температурного режима теплообменного аппарата состоит из определения средней разности температур Dt ср, вычисления средних температур рабочих сред, а также определения температуры стенок аппарата.

      Предварительно  найдем средние температуры охлаждаемого потока и пара:

- средняя  температура горячего потока: 

- средняя  температура холодного потока: 

      40% раствора метилового спирта при средней температуре t₁=47,5⁰С имеет следующие физико-химические характеристики: r₁=934,5 кг/м³ [7, с. 879]; l₁=0,195 Вт/(м×К) [7, с. 930]; m₁=0,000544 Па×с [2, с. 98]; с₁=2470 Дж/(кг×К) [2, с. 516].

      Вода при средней температуре t₁=27,5⁰С имеет следующие физико-химические характеристики: r₂=977,8 кг/м³ [7, с. 879]; l₂=0,6620 Вт/(м×К) [7, с. 930]; m₂=0,0005 Па×с [2, с. 98]; с₂=4190 Дж/(кг×К) [2, с. 516]. 

2.4. Расчет среднелогарифмической разности температур 

      Расчет  температурного режима теплообменного аппарата состоит из определения средней разности температур Dt ср, вычисления средних температур рабочих сред, а также определения температуры стенок аппарата.

     Взаимное  направление потоков и разность температур определяем по схеме:

70 ⁰С 25 ⁰С

35 ⁰С   20 ⁰С

Dt₁ = 35⁰С         Dt₂ = 5⁰С.

     Так как Dt₁ / Dt₂ =7, то среднелогарифмическую разность находим по уравнению: 
 

2.5. Расчет объемного  расхода хладагента  и теплоносителя 
 
 
 

2.6. Ориентировочный  выбор теплообменного  аппарата 

     Вопрос  о том, какой из потоков направить  в трубное пространство, обусловлен его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхность теплообмена, расходом и так далее. В рассматриваемом  курсовом проекте в трубное пространство с меньшим проходным сечением целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом, то есть горячий раствор (40% раствора метилового спирта). Это позволит выровнять скорости движения теплоносителей и соответствующие коэффициенты теплопередачи, увеличивая таким образом коэффициент теплопередачи. Кроме того, направляя поток холодной жидкости (вода) в межтрубное пространство, можно отказаться от теплоизоляции кожуха теплообменника.

     Примем  ориентировочное значение Re_1ор=15000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения жидкости в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся не один ход, равно:

     для труб диаметром d_н=20´2 мм 

      для труб диаметром d_н=25´2 мм 
 

2.7. Расчет ориентировочной  поверхности теплообмена 

     Так как свойства теплоносителя мало отличаются от свойств воды, примем минимальное ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению жидкости для случая теплообмена между жидкостями К_ор=800 Вт/(м²×К). При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит: 

     Как видно справочных данных, теплообменники с поверхностью удовлетворяющей заданию на проектирование (с учетом запаса поверхности) имеют диаметр кожуха 600 мм и число заходов – 6; диаметр кожуха 800 мм и число заходов – 4 и 6.

     По  справочным данным [1. с. 51] выбираем ряд  теплообменных аппаратов, площадь поверхности которых сопоставима с ориентировочной площадью поверхности теплообмена:

     1. S=60 м²; D=600 мм; d_н=20х2 мм; z=6; n/z=316/6=52,6667

     2. S=63 м²; D=800 мм; d_н=25х2 мм; z=4; n/z=404/4=101

     3. S=78 м²; D=800 мм; d_н=20х2 мм; z=6; n/z=618/6=103

     Как видно из расчетных данных, из теплообменников  с близкой поверхностью теплообмена только аппарат D=600 мм; d_н=20х2 мм имеет соответствующее соотношение количестве труб на один ход аппарата.

     В многоходовых теплообменниках средняя  движущая сила несколько меньше, чем  в одноходовых, вследствие возникновения  смешанного взаимного направления  движения теплоносителей. Поправку для среднелогарифмической разности температур определим по уравнению:

                                                         (2.10)

где

                             (2.11)

                             (2.12)

h                          (2.13)

     Подставив значения уравнений (2.11) – (2.13) в (2.10), поучим:

     С учетом поправки среднелогарифмическая разность температур составит:

.               (2.14)

     С учетом поправки ориентировочная поверхность  теплообмена составит: 

     С запасом 10% поверхность теплообмена  составит:

                               (2.15) 

2.8. Расчет коэффициента теплоотдачи 

     Коэффициент теплопередачи (a) является количественной величиной, и зависит от коэффициентов теплоотдачи, термического сопротивления стенки и загрязнений.

     Рассмотрим  трубное пространство теплообменного аппарата. Рассчитаем для него критерии Re, Pr и Gr.

     Критерий  Рейнольдса и Прандтля для 40% раствора метилового спирта, находящегося в трубном пространстве теплообменника:

                                        (2.16)

l .                                            (2.17)

      Рассчитаем критерий Нуссельта для развитого турбулентного движения жидкости по трубам: 

(2.18)

     Поправкой (Pr/Pr_ст)^0,25 можно пренебречь, так как разность температур t₁ и t_ст1 не велика.

     Тогда скорость течения горячего потока составит:

(м/с).                (2.19)

     Тогда проходное сечение трубного пространства должно быть не менее:

(м²).                  (2.20)

     Рассчитаем  критерий Грастгофа:

,      (   2.21)

где

     Тогда коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам, составит:

  (Вт/(м²×К)).                    (2.22)

     Рассмотрим  межтрубное пространство теплообменного аппарата. Рассчитаем критерии Re, Pr и Gr.

     Критерий  Рейнольдса и Прандтля для холодного потока, находящегося в межтрубном пространстве теплообменника:

;                                     (2.23)

l.                                            (2.24)

     Рассчитаем  критерий Нуссельта для развитого  турбулентного движения жидкости между трубами: 

                (2.25)

     Поправкой (Pr/Pr_ст)^0,25 можно пренебречь, так как разность температур t₁ и t_ст1 не велика.

     Тогда скорость течения холодного потока составит:

(м/с).                                      (2.26)

     Тогда коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся между трубами, составит:

     l

      (Вт/(м²×К)).                  (2.27) 

     2.9. Расчет коэффициента  теплопередачи 

     Оба теплоносителя – мало концентрированные  водные растворы; поэтому, примем термические сопротивления загрязнений одинаковыми, равными r_загр1=r_загр2=1/2900 м2хК/Вт. Повышенная коррозионная активность этих жидкостей диктует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной λст=17,5 Вт/(м·К).

     Сумма термических сопротивлений и  стенки равна:

ll (м²К/Вт).     (2.28)

     Тогда коэффициент теплопередачи составит:

l 

2.10. Расчет требуемой  поверхности теплообмена 

     Зная  коэффициент теплопередачи, вычислим требуемую поверхность теплообмена:

(м²).                                      (2.30)

     По  справочным данным [1. с. 51] выбираем теплообменный  аппарат, площадь поверхности которого сопоставима с ориентировочной  площадью поверхности теплообмена с учетом коэффициента теплопередачи. Кроме того, принимая во внимание принятое ранее решение, о том, что аппарат D=800 мм; d_н=25х2 мм имеет соответствующее соотношение количестве труб на один ход аппарата, выбираем теплообменный аппарат со следующими характеристиками: S=63 м²; D=800 мм; d_н=25х2 мм; z=4; n=404; l=2000 мм.

     Запас поверхности теплообмена составит:

.                               (2.31) 

2.11. Расчет гидравлического  сопротивления теплообменного  аппарата 

     Скорость  жидкости в трубах составит: