Расчет ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси бензол – уксусная кислота (Подбор теплообменного аппарата для подогрева исходной смеси)

2.2 Подбор теплообменного аппарата для подогрева исходной смеси

Рассчитать вертикальный теплообменный аппарат (с течением исходной смеси в трубном пространстве) для подогрева 0,95 кг/с смеси от 18 °С до 94,31 °С с помощью насыщенного водяного пара абсолютным давлением   0,4 Мпа и содержанием воздуха 0,5%.

2.2.1 Определение ориентировочного значения поверхности теплопередачи

Принимается индекс «1» для пара в межтрубном пространстве и индекс «2» для исходной смеси в трубном пространстве.

Температура конденсации водяного пара t₁=142,9 °С /1/.

Средняя разность температур теплоносителей определяется по формуле

, где t_H – начальная температура исходной смеси, °С;

t_K – конечная температура исходной смеси, °С.

Тогда

Средняя температура смеси

 °С.

Объемный расход исходной смеси

где G_F – массовый расход исходной смеси, кг/с;

ρ₂=917,7 – плотность исходной смеси при температуре 62,07 °С, кг/м³ /1/.

Определим ориентировочное максимальное значение поверхности теплообмена, для чего по справочным данным /1/ принимается минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплопередачи от конденсирующегося водяного пара к органическим жидкостям           К_мин=120 Вт/м²*К:

где Q – тепловой поток в паровом подогревателе исходной смеси, Вт.

Тогда

2.2.2 Уточненное значение поверхности теплопередачи

Примем ламинарный режим течения смеси в трубном пространстве. Чтобы обеспечить условие Re₂<2300, скорость смеси в трубах должна быть меньше W^`₂, определяемой по формуле

где μ₂=0,59*10^-3 – динамическая вязкость исходной смеси при 62,07 °С, Па*с;

d₂ – внутренний диаметр труб теплообменника, м.

Тогда

Число труб на один ход трубного пространства должно быть больше n^`₂, определяемого по формуле

Тогда

По справочнику /4/ подберем теплообменники с плавающей головкой, удовлетворяющие условию n>41,26:

1.теплообменник с числом труб n=56, с диаметром кожуха D=325 мм, с теплообменной поверхностью F=10 м²;

2.теплообменник с числом труб n=82, с диаметром кожуха D=400 мм, с теплообменной поверхностью F=19 м².

Вариант теплообменника №1.

Действительное значение критерия Рейнольдса для исходной смеси

Для выбора расчетного уравнения при ламинарном режиме течения необходимо знать ориентировочное значение произведения критериев Грасгофа и Прандтля (GrPr). В критерий Gr₂ в качестве определяющей температуры входит температура внутренней поверхности стенки трубы, которую необходимо предварительно принимать, а затем проверять правильность принятого значения по условию равенства плотностей стационарных тепловых потоков, проходящих последовательные термические сопротивления на пути от водяного пара к исходной смеси.

В качестве первого приближения значение температуры  примем как девять десятых от средней разности температур теплоносителей:

При этом температура внутренней стенки труб определим по формуле

,

а определяющая температура определяется по формуле

Значение произведения (Gr₂Pr₂) при 98,445 °С

где значения теплофизических свойств смеси взяты по табл. 3, 7, 28 /1/, а критерия Pr₂=8 – из номограммы 10 /1/.

Тогда

Поскольку (Gr₂Pr₂)>8*10⁵ и Re₂<3500, то для определения критерия Нуссельта используется расчетная формула

где n=0,11 – при нагревании теплоносителя;

μ и μ_w – динамическая вязкость теплоносителя при определяющей температуре теплоносителя и при температуре стенки соответственно, Па*с.

Тогда

Коэффициент теплоотдачи к исходной смеси

где λ₂ – теплопроводность смеси при 62,07 °С, Вт/(м*К);

d₂ – внутренний диаметр трубы, м.

Тогда

Плотность теплового потока от внутренней поверхности труб к смеси

Температура наружной поверхности труб

где 1/r_T1 и 1/r_T2 – тепловые проводимости загрязнений со стороны греющего пара, Вт/м²*К /1/;

λ – теплопроводность стали, Вт/м*К.

Тогда

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к наружной поверхности труб

где A_t – размерный коэффициент, определяемый при t₁=142,9 °С;

ε – коэффициент, учитывающий явление конденсации на пучке труб;

d – наружный диаметр трубы, м.

Плотность теплового потока от пара к трубам

что более чем в два раза превышает первое приближение для . Следовательно, значение температуры t_w2 должно быть увеличено.

В качестве второго приближения принимается  

Плотность теплового потока от внутренней поверхности труб к смеси

Температура наружной поверхности труб

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к наружной поверхности труб

Плотность теплового потока от пара к трубам

что отличается от  на (11787,48-11004,15)/11004,15=0,048=4,8%.

Значение коэффициента теплопередачи определяется по формуле

где ∑r_T – суммарное термическое сопротивление стальной стенки трубы и загрязнений с обеих её сторон, м²*К/Вт.

Площадь необходимой поверхности теплопередачи

Расчетная поверхность теплообменника с 56 трубами длиной 3 м может быть определена по внутреннему диаметру труб:

где n – число труб в теплообменнике;

L – длина труб в теплообменнике, м;

d_вн – внутренний диаметр труб, м.

  

Следовательно, теплообменника с выбранными параметрами недостаточно.

Вариант теплообменника №2.

Действительное значение критерия Рейнольдса для исходной смеси