tст2 = 67,9+15 = 82,9 °С
РгАст = 1998,18∙0,311 ∙10-3 /0,12229 = 5,08
α2 = (0,12229/0,016)∙0,023∙25273,280,8∙(6,62/5,08)0,25∙6,620,4 = 1331,12 Вт/(м2∙К)
Δtст = 1331,12 ∙15∙3,88∙10-4 = 7,74 °С
Δt1 = 42,9-7,74-15 = 20,16 °С
tпл = 110,8-20,16/2 = 100,72 °С
Таблица 3.3 ─ Параметры rА, ρж, λж, μж для толуола при температуре tпл = = 100,72°С [3]
| rА, кДж/кг | 368700 | μж,10-3∙Па∙с | 0,271 |
| ρж, кг/м3 | 788 | λж, Вт/(м∙К) | 0,118 |
Подставляя данные таблицы 3.3 в выражение (3.14), получим:
α1 = 0,72∙0,6∙[(368700∙ 7882 ∙ 0,1183 ∙9,81)/(0,271 ∙ 10-3 ∙ 0,02 ∙ 20,16)]1/4 =
= 1041,15 Вт/(м2∙К)
Тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей равны:
─ со стороны паров толуола
q′ = α1∙Δt1 = 1041,15 ∙20,16 = 20989,5 Вт/м2;
─ со стороны толуола
q″ = α2∙Δt2 = 1331,12∙15 = 19966,8 Вт/м2.
Очевидно, что q′≠q″.
Для третьего приближения зададим Δt2 = 15,5 °С
Тогда
tст2 = 67,9+15,5= 83,4 °С
РгАст = 2001,63∙0,309 ∙10-3 /0,122 = 5,07
α2 = (0,122/0,016)∙0,023∙25273,280,8∙(6,62/5,07)0,25∙6,620,4 = 1328,6 Вт/(м2∙К)
Δtст = 1328,6 ∙15,5∙3,88∙10-4 = 7 °С
Δt1 = 42,9-7-15,5 = 20,4 °С
tпл = 110,8-18,66/2 = 101,5 °С
Таблица 3.4 ─ Параметры rА, ρж, λж, μж для толуола при температуре tпл = = 101,5 °С [3]
| rА, кДж/кг | 366343,5 | μж,10-3∙Па∙с | 0,27 |
| ρж, кг/м3 | 785,8 | λж, Вт/(м∙К) | 0,1179 |
Подставляя данные таблицы 3.4 в выражение (3.14), получим:
α1 = 0,72∙0,6∙[(366343,5∙ 785,82 ∙ 0,11793 ∙ 9,81)/(0,27 ∙ 10-3 ∙ 0,02 ∙ 20,4)]1/4 = 1049,52 Вт/(м2∙К)
Тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей равны:
─ со стороны паров толуола
q′ = α1∙Δt1 = 1058,85∙18,66 = 21410,2 Вт/м2;
─ со стороны толуола
q″ = α2∙Δt2 = 1328,6 ∙15,5 = 20593,3 Вт/м2.
Как видим, q′ ≈ q″.
Расхождение между тепловыми нагрузками (3,8%) не превышает 5%, следовательно, расчет коэффициентов α1 и α2 на этом можно закончить.
Коэффициент теплопередачи равен:
К=1/(1/1058,85+1/1328,6 +3,88∙10-4) = 479,59 Вт/(м2К)
Найдем уточненное значение относительной тепловой нагрузки qср, как среднее арифметическое q′ и q″
qср = (q′+ q″)/2 = (21410,2 +20593,3)/2 = 21001,75 Вт/м2
Известно, что относительная тепловая нагрузка связана с коэффициентом теплопередачи следующим образом:
q=K∙Δtср (3.15)
Тогда выражение для нахождения уточненного значения требуемой поверхности теплообмена примет вид
F = Q/(K∙Δtср) = Q/qср (3.16)
F = 1057130,52/21001,75= 50,33 м2
Данный кожухотрубный теплообменник с длиной труб L = 3 м и поверхностью F = 60 м2, подходит с запасом:
∆ = [(60-50,33)/60]∙100% = 16 %
Результаты уточненного расчета поверхности теплопередачи сведены в таблицу 3.5.
Таблица 3.5 ─ Результаты уточненного расчета поверхности теплопередачи
| F, м2 | RеС | Положениетруб | α1, Вт/(м2∙К) | α2, Вт/(м2∙К) |
| 50,33 | 25273,28 | горизонтально | 1049,52 | 1328,6 |
3.6 Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника
Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве ∆pтр рассчитываем по формуле:
∆pтр = λ∙L∙z∙w2тр∙ρтр/2d +[2,5(z-1)+2z]∙w2тр∙ρтр/2+3 w2тр.ш∙ρтр/2 (3.17)
Скорость толуола рассчитывается по формуле:
wтр=4∙GС∙z/(π∙d2вн∙n∙ρС) (3.18)
Отсюда скорость будет равна:
wтр=4∙6,5∙6/(3,14∙0,016 2 ∙316∙830,4) = 0,739 м/с.
Коэффициент трения в трубах рассчитывается по формуле:
λ = 0,25{lg[e/3,7+(6,81/Reтр)0,9]}-2, (3.19)
где е = Δ/dвн ─ относительная шероховатость труб; Δ ─ высота выступов шероховатостей
е = 0,0002/0,016 = 0,0125.
Отсюда коэффициент трения будет равен:
λ = 0,25{lg[0,0125/3,7+ (6,81/25273,28) 0,9]}-2= 0,0434.
Скорость толуола в штуцерах рассчитывается по формуле:
wшт = 4∙GС/(π∙dшт2∙ρС) (3.20)
Отсюда скорость раствора в штуцерах будет равна:
wшт =4∙6,5/(3,14∙0,12 ∙830,4) = 0,997 м/с.
Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве:
∆pтр=0,0434∙3∙6∙0,7392∙830,4/(0,016∙2)+[2,5(6-1)+2∙6]∙0,7392∙830,4/2+ 3∙830,4∙0,9972/2 = 17864,5Па.
Результаты гидравлического расчета кожухотрубчатого конденсатора сведены в таблицу 3.6.
Таблица 3.6 ─ Результаты гидравлического расчета
| λ | wтр, м/с | wтр.шт, м/с | Δpтр, Па |
| 0,0434 | 0,739 | 0,997 | 17864,5 |
В данной курсовой работе произведены теплотехнический, конструктивный и гидравлический расчеты теплообменников. На основании этих данных было подобрано следующее оборудование для проведения процесса охлаждения пара толуола и его конденсации: вертикальный холодильник и горизонтальный конденсатор.
В вертикальный одноходовой холодильник с параметрами:
— диаметр кожуха 1000 мм;
— число труб 747;
— длина труб 1 м;
— поверхность теплообмена 58,67 м2.
поступает пар толуола (массовый расход равен 2,92 кг/с) при атмосферном давлении. Там он охлаждается со 160 °С до 110,8 °С. Охлаждающим теплоносителем служит воздух (давление 0,15 МПа, массовый расход 5,9кг/с). Который нагревается с 25 °С до 60 °С. Тепловая нагрузка со стороны толуола равна 219920,85 Вт, а со стороны воздуха — 208924,8 Вт.
Конденсация паров толуола производится в горизонтальном конденсаторе с параметрами:
— диаметр кожуха 600 мм;
— число труб 316;
— длина труб 3 м;
— число ходов 6;
— поверхность теплообмена 60 м2.
Охлаждающим теплоносителем служит толуол (давление 0,5 МПа, массовый расход 6,5 кг/с), который нагревается с 20°С до 95 °С. Тепловая нагрузка со стороны паров толуола равна 1057130,52 Вт, со стороны толуола 1004274 Вт.
1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. –М.: Химия, 1973.
2. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Под ред. Ю. И. Дытнерского.– М.: Химия, 1991.
3. К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1970.
4. Калишук Д.Г., Протасов С.К., Марков В.А. Процессы и аппараты химической технологии. Методические указания к курсовому проектированию по одноименной дисциплине для студентов очного и заочного обучения. – Мн: Ротапринт БГТУ, 1992.
5. Гельперин Н. И. Основные процессы и аппараты химической технологии М.: Химия, 1981. Т. 1. 384 с.
6. Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. 3. Процессы и аппараты химической технологии М.: Химия, 1967 848 с