Тепловой и материальный расчет

3.1. Температурный режим аппарата.

Температура и теплота конденсации метилового спирта:

t_к = 67,7 °С [1 c.541],

r_к = 1099,061 кДж/кг [1 c.542].

Начальная температура воды t_2н = 20 °С, конечная t_2к = 37 ºС.

 

Рис. 2 Схема движения теплоносителей

 

3.2. Средняя разность температур:

Δt_б = t_к – t_2н =64,7 – 20 =44,7 ºС

Δt_м = t_к – t_2к =64,7 – 37 =27,7 ºС

Так как отношение Δt_б/Δt_м =44,7/27,7 = 1,614 < 2, то

Δt_ср = (Δt_б + Δt_м)/2 = (44,7+27,7)/2 = 36,2 ºС

Средняя температура воды:

t_2ср = t_к – Δt_ср =64,7 –36,2 = 28,5 ºC.

 

3.3. Тепловая нагрузка аппарата.

Запишем уравнение теплового баланса:

Q = G₁r_к = G₂c₂(t_2к - t_2н),

где с₂ = 4,181 кДж/кг∙К – теплоемкость воды [1 c.537]

G₁ и G₂ - массовый расход паров метилового спирта и воды.

G₁ = 12000/3600 = 3,333 кг/с,

Q = 3,333×1099,061 = 3663,538 кВт

Из уравнения теплового баланса находим расход охлаждающей воды:

G₂ = Q/c₂(t_2к - t_2н) = 3663,538 /4,181(37 – 20) = 51,537 кг/с.

 

3.4. Ориентировочный выбор теплообменника.

Охлаждающая вода поступает в трубное пространство, а пары метилового спирта конденсируются. Принимаем ориентировочное зна­чение критерия Рейнольдса Re_ор = 15000, соответствующее развитому турбулентному режиму движения жидкости, при котором обеспечи­ваются наилучшие условия теплообмена.

Число труб приходящееся на один ход теплообменника:

n/z = G₂/0,785Re_орd_внμ₂,

где d_вн – внутренний диаметр трубок,

μ₂ = 8,334∙10^-4 Па∙с – вязкость воды при 28,5 ºС [1 c. 537].

для труб 25×2 d_вн = 0,021 м

n/z = 51,537/0,785∙15000∙0,021∙8,334∙10^-4 = 250,084.

Принимаем также ориентировочное значение коэффициента теплопе­редачи К_ор = 1000 Вт/м²∙К [1 c. 172], тогда ориентировочная по­верхность теплообмена:

F_ор = Q/K_ор Δt_ср = 3663,538∙10³/1000∙36,2 = 101,203 м².

Принимаем по ГОСТ 15120-79 теплообменник с близкой поверхностью теплообмена: 2-х ходовой с диаметром кожуха 800 мм и 442 трубками 25×2 [2c.51].

 

3.5 Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде:

a₂ = Nu₂l₂/d_вн,

где l₂ = 615,15∙10^-4 Вт/м×К – теплопроводность воды при 28,5 °С

[1c.537],

Nu₂ – критерий Нуссельта для воды.

Фактическое значение критерия Рейнольдса:

Re₂ = G₂/[0,785d_вн(n/z)m₂] =

51,537/[0,785×0,021× (442/2) × 8,334∙10^-4]=16974.

Режим движения турбулентный в этом случае критерий Нуссельта:

Nu₂ = 0,021Re₂^0,8Pr₂^0,42(Pr₂/Pr_ст2)^0,25,

где Рr₂ = 5,66 – критерий Прандтля для воды при 28,5 °С [1c.537].

Принимаем в первом приближении отношение (Pr₂/Pr_ст2)^0,25 = 1, тогда

Nu = 0,021×16974^0,8×5,66^0,43 =105,252.

a₂ = [105,252×(615,15∙10^-3)] /0,021 = 2589,829 Вт/м²×К.

 

3.6. Коэффициент теплоотдачи от метилового спирта к стенке:

,

где r₁ = 910,415 кг/м³ – плотность метилового спирта [1c.512],

m₁ = 0,885×10^-3 Па×с – вязкость метилового спирта [1c.516],

l₁ = 0,356 Вт/(м×К) – теплопроводность [1c.561]

Физико-химические свойства метилового спирта взяты при температуре конденсации 64,7 °С.

a₁=3,78×0,356[910,415²×0,025×442/(0,885×10^-3×3,333)]^1/3=1964,056Вт/(м×К).

 

3.7. Тепловое сопротивление стенки:

где d_ст = 0,002 м – толщина стенки трубки;

l_ст = 17,5 Вт/м×К – теплопроводность нержавеющей стали [1 c.529];

r₁ = r₂ = 1/5800 м×К/Вт – тепловое сопротивление загрязнений сте-

нок [1 c/531];

S(d/l) = 0,002/17,5 + 1/5800 + 1/5800 = 4,591×10^-4 м×К/Вт.

 

3.8. Коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/a₁+S(d/l)+1/a₂) =

1/(1/1964,056+4,591×10^-4+1/2589,829) = 738,34 Вт/м²×К.

 

3.9 Температуры стенок:

t_ст1 = t_к – КDt_ср/a₁ = 64,7– 840,242×36,2/1964,056= 51,091°С,

t_ст2 = t_ср2 + КDt_ср/a₂ = 28,5 + 840,242×36,2/2589,829= 38,82 °С.

Уточняем коэффициенты теплоотдачи.

Температура пленки конденсата:

t_пл = (t_к+t_ст1)/2 = (64,7+51,091)/2 =51,76 °С.

Физико-химические свойства метилового спирта при температуре

пленки 51,76 °С.

r₁ = 923,032 кг/м³ – плотность [1c.512],

m₁ = 7,68×10^-4 Па×с – вязкость [1c.516],

l₁ = 0,344 Вт/(м×К) – теплопроводность [1c.561]

a₁=3,78×0,344[923,032 ²×0,025×442/(7,68×10^-4×3,333)]^1/3=2006,637 Вт/(м×К).

 

Критерий Прандтля для воды при t_ст2 = 38,82 ® Pr_ст2 = 4,441 [1c.537]

a_2ут = a₂(Pr/Pr_ст2)^0,25 = 2006,637 (5,66/4,441)^0,25 = 2751,734 Вт/м²×К.

 

Уточняем коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/2006,637 +4,6×10^-4+1/2751,734) = 757,079 Вт/м²×К.

Температуры стенок:

t_ст1 = t_к – КDt_ср/a₁ = 64,7 – 757,079 ×36,2/2006,637 = 51,042°С,

t_ст2 = t_ср2 + КDt_ср/a₂ = 28,5 + 757,079 ×36,2/2751,734 = 38,46°С.

Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейших уточне­ний не требуется.

3.10 Поверхность теплообмена:

F = Q/KDt_ср = 3663,538×10³/757,079 ×36,2 = 133,675 м²

Выбираем теплообменник с ближайшей большей поверхность тепло-

Обмена: 2х ходовой теплообменник с длиной труб 4 м, у которого по-

верхность теплообмена 139 м² [2 c.51].

Конструктивный расчет

4.1. Толщина обечайки:

D = 0,8 м – внутренний диаметр аппарата;

P = 0,1 МПа – давление в аппарате;

 

Давление в аппарате P, МПа	Толщина стенки обечайки S, мм, при внутреннем диаметре D,мм
0,3

 

Табл.1 Толщина стенок вальцованных обечаек для аппаратов, работающих под избыточным давлением. [3 c.27]

 

Теплообменник изготовляется из труб диаметром 800´8, т.о. толщина обечайки d= 8 мм. [3 c.27]

4.2. Днища.

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [3 c.30], толщина стенки днища d₁ =d = 8 мм.

 

 

 

Рис. 3.1. Днище теплообменника

 

 

D,мм	sд, мм	Hд,мм	hц,мм	Fд, м2	Vд, м3
	4-12			0,76	0,0793

 

Табл.2 Размеры эллиптических отбортованных днищ. [3 c.30]

 

 

4.3. Штуцера.

Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

d = ,

где G – массовый расход теплоносителя,

r - плотность теплоносителя,

w – скорость движения теплоносителя в штуцере.

Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 3 м/с, скорость пара в

штуцере 25 м/с, тогда

диаметр штуцера для входа паров метилового спирта

Плотность паров метилового спирта при температуре конденсации:

,

где М = 32 – молекулярная масса метилового спирта

Т_0, Р₀ – температура и давление в нормальных условиях.

r₁ = 32×273×1/(22,4×337,7×1) = 1,155 кг/м³.

d₁ = (3,333/0,785×25×1,155)^0,5 = 0,383 м,

принимаем d₁ = 400 мм;

 

диаметр штуцера для выхода конденсата:

d₂ = (3,333/0,785×3×910,415)^0,5 = 0,039 м,

принимаем d₂ = 40 мм;

 

диаметр штуцера для входа и выхода воды:

d_3,4 = (51,53/0,785×3×995,45)^0,5 = 0,148 м,

принимаем d_3,4 = 150 мм.

 

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

 

Рис. 3.2. Фланец штуцера.

 

Pу, МПа

Размеры, мм

Число отверстий Z

Dy

DФ

DБ

D1

D2

D4

D5

h

h1

h2

d

<0,25

-

-

-

 

Табл.3 Размеры фланцев для труб и трубной арматуры. [3 c.47]

 

4.5. Опоры аппарата.

 

Максимальная масса аппарата:

G_max = G_a+G_в = 3950+1934 = 5884 кг = 0,0577 МН,

где G_a = 3950 кг – масса аппарата [2 c.56]

G_в – масса воды заполняющей аппарат.

G_в = 1000×0,785×(784×10^-3)²×4 = 1934 кг

Принимаем, что аппарат установлен на двух опорах, тогда нагрузка приходящаяся на одну опору:

G_оп = 0,0577/2 = 0,0289 МН = 0,3 кН

По [3 c.67] выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,3кН.

 

 

 

 

Рис. 3.3. Опора аппарата.

Q, kH

Тип опо- ры

a

a1

a2

B

b1

b2

c

c1

h

h1

s1

K

K1

d

d1

fmax

1,6

М12

Табл.4 Размеры опор для вертикальных аппаратов. [3 c.67]

 

4.6. Трубная решетка.

Наибольшее распространение имеют круглые решетки.

Тип I – представляет собой трубную решетку, привариваемую к обечайке или днищу (Рис.6).

 

Рис.3.4. Конструкция плоской трубной решетки.

 

Рис.3.5. Размещение труб в трубной решетке, по вершинам

равносторонних треугольников.

 

Условие устойчивости труб при осевом сжатии:

D = 0,8 м – расчетный диаметр;

d_н = 0,025 мм – наружный диаметр труб;

d_вн =0,021мм – внутренний диаметр труб;

P_m = 0,1 МПа – давление в трубном пространстве;

=140 МПа – допускаемое напряжение на сжатие;

z= 24 – число труб на диаметре;

ᵠ – коэффициент уменьшения допускаемого напряжения при осевом сжатии;

 

 

 

Номинальная расчетная высота трубных решеток:

 

 

l– максимальное средне арифметическое сторон прямоугольника в

решетке;

l₁– средне арифметическое сторон прямоугольника в решетке,

образованного центрами четырех смежных труб:

м.

t – минимальный шаг между трубами;

 

мм.

l₂– средне арифметическое сторон прямоугольника в решетке,

образованного центрами двух смежных труб в крайнем ряду и

и контуром решетки:

мм.

Расчетным является l₁, как большее.

 

м.

 

 

Гидравлический расчет

5.1. Скорость воды в трубах:

w_тр = G₂z/(0,785d_вн²nr₂) = 51,537×2/(0,785×0,021²×442×995,45) = 0,677 м/с.

 

5.2. Коэффициент трения:

,

где е = D/d_вн = 0,1/21 = 4,762×10^-3 – относительная шероховатость,

D = 0,2 мм – абсолютная шероховатость.

l = 0,25{lg[(4,762×10^-3 /3,7)+(6,81/16974.)^0,9]}^-2 = 0,035.

 

5.3. Скорость воды в штуцерах:

w_шт = G₂/(0,785d_шт²r₂) = 51,537/(0,785×0,15²×995,45) = 2,931 м/с

 

5.4. Гидравлическое сопротивление трубного пространства:

= 0,035×4×2×0,677 ²×995,45/(0,021×2) + [2,5(2-1)+2×2] 0,677²×995,45/2 +

+ 3×2,931²×995,45/2 = 1,737×10⁴ Па

 

 

5.5. Подбор насоса для воды.

Объемный расход воды и напор, развиваемый насосом:

Q₂ = G₂/r₂ = 51,537/995,45= 0,052 м³/с,

Н = DР_тр/rg + Н = 1,737×10⁴/ 995,45×9,8 + 4 = 5,779 м.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос

Х280/29 [2 c.38], для которого Q = 0,08 м³ и Н =21 м [2 c.20].

Литература

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу про­цессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по

проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.:Химия, 1991. 495 с.

3. Зыкова О.С., Липин А.Г. Выполнение курсового проекта по процессам и аппаратам химической технологии:учеб. Пособие/ О.С.Зыкова, А.Г.Липин;Иван.гос.хим.-технол.ун-т.-Иваново,2010.-104с.

4. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры – Л. «Машиностроение», 1975.