Кожухотрубный теплообменник для охлаждения 15 м³/ч 60% НNO₃ от 80 до 20 ºС. Охлаждающий агент – вода c начальной температурой 10 ºC .

Введение

Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществ­ления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или ох­лаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

- поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, при­чем тепло передается через поверхность стенки;

- регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего тепло­носителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;

- смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредствен­ном соприкосновении теплоносителей.

В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструк­ций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубные, оросительные, погруженные и "труба в трубе".

Одним из самым распространенным типом теплообменников являются кожухотрубные теплообменики. Они представляют из себя пучек труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем разваль­цовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучек труб расположен внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой - в пространстве между кожухом и трубами.

Кожухотрубные теплообменники могут быть с неподвижной трубной ре­шеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15121-79, теплообменники могут быть двух- четырех- и шестиходовыми по трубному пространству.

Достоинствами кожухотрубных теплообменников являются: компакт­ность; небольшой расход метала; легкость очистки труб изнутри, а недос­татками - трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями; трудность очистки межтрубного пространства и трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

Кожухотрубные теплообменники могут использоваться как для нагрев, так и для охлаждения.

При охлаждении в кожухотрубных теплообменниках в качестве хладоа­гента может использоваться речная или артезианская вода, а в случае, когда требуется получить температуру ниже 5 ºС применяют холодильные рас­солы (водные растворы CaCl₂, NaCl, и др.).

1. Технологическая схема

Раствор из расходной емкости РЕ с помощью центробежного насоса ЦН подается в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменника ТО. В трубное пространство теплообменника поступает охлаждающая вода:, кото­рая затем сбрасывается в линию оборотного водоснабжения. Охлажденный раствор из теплообменника самотеком поступает в приемную емкость ПЕ.

Вода

РЕ

ЦН

ТО

ПЕ

Вода

Рис.1 Технологическая схема

2. Выбор конструкционного материала

Так как водный раствор HNO₃  является агрессивным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем не­ржавеющую сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600 ºС [4c59].

3. Тепловой и материальный расчет

3.1. Температурный режим аппарата.

Принимаем конечную температуру воды 30 ºС.

Принимаем противоточную схему движения теплоносителей.

t_б

t_м

Рис. 2 Схема движения теплоносителей

3.2. Средняя разность температур:

Δt_б = t_1н – t_2к = 80 – 30 = 50 ºС

Δt_м = t_1к – t_2н = 20 – 10 = 10 ºС

Так как отношение Δt_б/Δt_м = 50/10 = 5,0 >2, то

Δt_ср = (Δt_б – Δt_м)/ln(Δt_б/Δt_м) = (50 – 10)/ln(50/10) = 24,8 ºС

Средняя температура воды:

t_2ср = (t_2н + t_2н)/2 = (30 + 10)/2 = 20 ºC.

Средняя температура раствора:

t_1ср = t_2ср + Δt_ср = 20 + 24,8 = 44,8 ºС.

3.3. Тепловая нагрузка аппарата:

Q = G₁c₁(t_1н - t_1к),

где с₁ = 2,75 кДж/кг∙К – теплоемкость раствора [3 c.59]

G₁ - массовый расход раствора.

G₁ = Vρ/3600 = 15∙1335/3600 = 5,56 кг/с,

где ρ₁ = 1335 кг/м³ – плотность раствора при t_1ср [3 c. 36]

Q = 5,56∙2,75(80 - 20) = 917,8 кВт.

3.4. Расход охлаждающей воды:

G₂ = Q/c₂(t_2к - t_2н),

где c₂ = 4,19 кДж/кг∙К – теплоемкость воды [1 c. 537].

G₂ = 917,8/4,19(30 - 10) = 10,95 кг/с.

3.5. Ориентировочный выбор теплообменника.

Охлаждающая вода поступает в трубное пространство, а раствор дви­жется в межтрубном пространстве. 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 = 1,000∙10^-3 Па∙с – вязкость воды при 20 ºС [1 c. 537].

для труб 25×2 d_вн = 0,021 м

n/z = 10,95/0,785∙15000∙0,021∙1,000∙10^-3 = 44.

Принимаем также ориентировочное значение коэффициента теплопе­редачи К_ор = 500 Вт/м²∙К [1 c. 172], тогда ориентировочная по­верхность теплообмена:

F_ор = Q/K_ор Δt_ср = 917,8∙10³/500∙24,8 = 74,0 м².

Принимаем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена: 4-х ходовой с диаметром кожуха 600 мм и 206 трубками 25×2 [2c.51].

6. Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде:

₂ = Nu₂₂/d_вн,

где ₂ = 0,599 Вт/мК – теплопроводность воды при 20 С [1c.537],

Nu₂ – критерий Нуссельта для воды.

Фактическое значение критерия Рейнольдса:

Re₂ = G₂/[0,785d_вн(n/z)₂ =

10,95/[0,7850,021(206/4)1,00010^-3 = 12898.

Режим движения турбулентный в этом случае критерий Нуссельта:

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

где Рr₂ = 7,02 – критерий Прандтля для воды при 20 С [1c.537].

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

Nu = 0,02112898^0,87,02^0,43 = 94,3.

₂ = 94,30,599/0,021 = 2690 Вт/м²К.

3.7. Коэффициент теплоотдачи от кислоты к стенке:

₁ = Nu₁₁/d_н,

где ₁ = 0,413 Вт/мК – теплопроводность кислоты [3c.51],

Nu₁ – критерий Нуссельта для кислоты.

Критерий Рейнольдса:

Re₁ = G₁d_н/S_мтр₁,

где S_мтр = 0,045 м² – площадь сечения потока между перегородками,

₁ = 1,3210^-3 Пас – вязкость кислоты [1c516].

Re = 5,560,025/(0,0451,3210^-3) = 2340.

В этом случае критерий Нуссельта:

Nu₁ = 0,24Re^0,6Pr₁^0,36(Pr₁/Pr_ст1),

где Pr₁ = 8,8 – критерий Прандтля для кислоты.

Принимаем в первом приближении отношение (Pr₁/Pr_ст1)^0,25 = 1, тогда

Nu₁ = 0,242340^0,68,8^0,36 = 55,2.

₁ = 55,20,413/0,025 = 911 Вт/м²К.

3.8. Тепловое сопротивление стенки:

где _ст = 0,002 м – толщина стенки трубки;

_ст = 17,5 Вт/мК – теплопроводность нержавеющей стали [1 c.529];

r₁=r₂=1/5600 мК/Вт – тепловое сопротивление загрязнений cтенок;

(/) = 0,002/17,5 + 1/5600 + 1/5600 = 4,610^-4 мК/Вт.

3.9. Коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/₁+(/)+1/₂) =

1/(1/911+4,610^-4+1/2690) = 518 Вт/м²К.

10. Температуры стенок:

t_ст1 = t_ср1 – Кt_ср/₁ = 44,8 – 51824,8/911 = 30,6 С,

t_ст2 = t_ср2 + Кt_ср/₂ = 20,0 + 51824,8/2690 = 24,8 С.

Уточняем коэффициенты теплоотдачи.

Критерий Прандтля для кислоты при t_ст1 = 30,6  Pr_ст1 = 12,4

_1ут = ₁(Pr/Pr_ст1)^0,25 = 911(8,8/12,4)^0,25 = 836 Вт/м²К.

Критерий Прандтля для воды при t_ст2 = 24,8  Pr_ст2 = 6,26 [1c.564]

_2ут = ₂(Pr/Pr_ст2)^0,25 = 2690(7,02/6,28)^0,25 = 2766 Вт/м²К.

Уточняем коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/836 +4,610^-4+1/2766) = 496 Вт/м²К.

Температуры стенок:

t_ст1 = 44,8 – 49624,8/836 = 30,1 С,

t_ст2 = 20,0 + 49624,8/2766 = 24,4 С.

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

10. Поверхность теплообмена:

F = Q/Kt_ср = 917,810³/49624,8 = 74,6 м²

Выбираем теплообменник с ближайшей большей поверхность тепло-

Обмена: 4х ходовой теплообменник с длиной труб 6 м, у которого по-

верхность теплообмена 97 м² [2 c.51].