4.6 Подбор теплообменного аппарата

4.6.1 Обоснование и выбор исходных данных для расчёта теплообменного аппарата.

Основные параметры:

- среда в трубном пространстве - конденсированный газ ортоксилол;

- температура в трубном пространстве:

а) на входе t_1н = 150 °С;

б) на выходе t_1к = 140 °С.

- среда в межтрубном пространстве - газообразный этилбензол;

- расход, G₂ = 66,9 кг/с;

- температура в межтрубном пространстве:

а) на входе t_2н = 120 °С;

б) на выходе t_2к = 130 °С.

Так, как оба вещества имеют почти газообразное состояние, вязкость их мала, то в трубном и межтрубном пространстве будет турбулентный режим.

4.6.2 Определение поверхности нагрева и предварительный выбор типа теплообменного аппарата по каталогу.

Данный теплообменный аппарат является по своему назначению холодильником, конденсируя газы, выходящие с колонны разделения К-1 в специальную емкость Е-1. Охлаждение сырья производится газом этилбензолом. Основные физико-химические характеристики сред представлены в таблице 4.6.

Таблица 4.6 - Физико-химические характеристики сред

Параметр	Ортоксилол	Этилбензол
Плотность, ρ кг/м3.	652,92	680,29
Вязкость динамическая, μ Па·с.	0,122·10-3	0,128·10-3
Вязкость кинематическая, ν м2/с.	3,188·10-6	0,191·10-3
Удельная теплоемкость, Ср Дж/(кг·К).	2212,79	2120,94
Коэффициент теплопроводности, λ Вт/(м·К).	0,079	0,082
Теплота конденсации водяного пара, кДж/кг	1928,9	1846,71

Составим уравнение теплового баланса.

Количество теплоты выделенное горячим теплоносителем, должно быть равно количеству теплоты полученному холодным теплоносителем.

Q = Q_с = Q_в.п., (4.23)

где Q_с - количество тепла, получаемое в теплообменнике от водяного пара, Вт;

Q_в.п - количество тепла, передаваемое в теплообменнике от водяного пара, Вт;

Q - общее количество тепла, Вт.

Но так как мы не можем получить идеальную систему без потерь, как тепловых (расход тепла в атмосферу), так и утечек, то величины тепловых потоков различаются на значение коэффициента полезного действия (КПД), его принимают равным η = 0,95.

, (4.24)

где - массовый расход сырья, кг/с;

- теплоёмкость сырья, Дж/кг·К;

- температура входа сырья, °С;

- температура выхода сырья, °С;

- массовый расход ортоксилола, кг/с;

Подставив исходные данные, в формулу (4.24) получим

.

Количество передаваемого тепла

Вт;

.

Ориентировочная поверхность теплообмена аппарата определяется по формуле

, (4.25)

где К_ор- ориентировочный коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К);

Δt_ср- средняя разность температур между потоками, ºС.

На рисунке 4.4 приведена схема потоков теплообмена.

150ºС ортоксилол 140ºС

130ºС этилбензол 120ºС

Рисунок 4.4 - Схема потоков теплообмена

Средняя разность температур между потоками вычисляется по формуле

, (4.26)

, (4.27)

где , (4.28)

. (4.29)

Подставив данные в формулы (4.26) – (4.29), получим

ºС;

ºС;

ºС;

ºС;

ºС.

Для предварительного выбора теплообменного аппарата принимаем из таблицы К = 50 Вт/м²∙К, как при передаче тепла от конденсирующихся паров к жидкости.

Подставив данные в формулу (4.25), получим

м².

Произведем подбор по каталогу [8] всех типов теплообменных аппаратов, которые могут быть применены при заданной поверхности теплообмена.

Выбираем 2 теплообменных аппарат типа ТН, исходя из поверхности теплообмена равной F=1419,6/2=765 м², давление Р_у =1,6 МПа. Основные характеристики теплообменника представлены в таблице 4.7.

Таблица 4.7 - Основные характеристики теплообменника

Условное обозначение аппарата	Диаметр кожуха внутренний, мм	Давление в кожухе, Ру, МПа	Число ходов по трубам		Наружный диаметр труб, мм	Поверхность теплообмена, м25% при длине прямого участка труб, 6000мм	Площадь проходного сечения одного хода по трубам м25%
ТНГ	1200	1,6	2	21		765	0,0260

условное обозначение: теплообменник 1200 ТНГ - 1,6 - М1/25Г - 6 - 2 - У - И по ТУ 26-02-1090-88.

4.6.3 Уточненный расчет поверхности теплообменного аппарата и окончательный выбор типа теплообменного аппарата.

Поверхность теплообменного аппарата вычисляется по формуле

, (4.30)

где К_ут - уточненный коэффициент теплопередачи, который вычисляется по формуле

, (4.31)

где α₁ и α₂ - коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях трубок;

S_ст и λ_ст - толщина стенки и теплопроводность материала. В расчетах принимаем S_ст / λ_ст = 0.

Коэффициенты α₁ и α₂ в большой степени зависят от гидродинамических параметров потока на поверхностях теплообмена (в основном от скорости).

Произведем уточненный расчет поверхности теплообмена по уточненной теплоотдаче в трубном пространстве [9].

Рассчитаем линейные скорости движения потоков по формулам

, (4.32)

где G_тр- расход ортоксилола, кг/с;

ρ_тр- плотность ортоксилола, кг/ м³;

Подставив данные, получим

м/с;

м/с.

Режим потока устанавливается в зависимости безразмерного критерия Рейнольдса, который определяется по формуле

, (4.33)

где - линейная скорость движения потока по трубам, м/с;

- площадь проходного сечения одного хода по трубам м^2;

- плотность продукта, движущегося по трубам, кг/м³;

- динамическая вязкость продукта, движущегося по трубам, Па∙с.

Подставив указанные данные в формулу (4.34), получим

.

Так как критерий Рейнольдса > 10⁴, следовательно режим движения - турбулентный.

Для турбулентного режима движения рекомендуется следующая зависимость

, (4.35)

где - критерий Нуссельта,

Pr - критерий Прандтля.

Критерий Прандтля определяется по формуле

, (4.36)

где - теплоёмкость продукта, движущегося по трубам, Дж/кг∙К;

- динамическая вязкость продукта, движущегося по трубам, Па∙с;

- теплопроводность продукта, движущегося по трубам, Вт/м∙К.

Коэффициент теплопередачи от внутренней поверхности трубок определим по формуле

, (4.37)

где ₁– критерий Нуссельта;

- теплопроводность продукта, движущегося по трубам, Вт/м∙К;

- внутренний диаметр труб, м.

Подставив необходимые данные в формулы (4.35) - (4.37), получим

;

;

.

Произведем уточненный расчет поверхности теплообмена по уточненной теплоотдаче в межтрубном пространстве.

Рассчитаем линейные скорости движения потоков по формуле

, (4.38)

. (4.39)

где G_мтр - расход этилбензола масла, кг/с;

n - число трубок;

f_мтр - площадь проходного сечения по межтрубному пространству, м².

Подставив указанные данные данные, получим

м/с;

м/с.

Режим потока устанавливается в зависимости безразмерного критерия Рейнольдса, который определяется по формуле

, (4.40)

где - линейная скорость движения потока в межтрубном пространстве, м/с;

- площадь проходного сечения по межтрубному пространству, м²;

- плотность продукта, движущегося по межтрубному пространству, кг/м³;

- динамическая вязкость продукта, движущегося по межтрубному пространству, Па·с.

Подставив указанные данные, получим

.

Так как критерий Рейнольдса >10³, следовательно режим движения - турбулентный.

Для турбулентного режима движения рекомендуется следующая зависимость

, (4.41)

где - критерий Нуссельта;

С - коэффициент равный 0,38 для труб расположенных по вершинам квадрата и 0,21 для труб расположенных по вершинам треугольника;

n - коэффициент равный 0,6 для труб расположенных по вершинам квадрата и 0,65 для труб расположенных по вершинам треугольника;

- коэффициент угла атаки, стандартное значение равное 0,6;

Pr - критерий Прандтля;

Re - критерий Рейнольдса.

Для данного теплообменного аппарата было выбрано размещение труб по вершинам квадрата, поскольку такой вариант размещения не так трудоёмок при чистке, как вариант размещения труб по вершинам треугольника, а так же при таком варианте будет меньше гидравлическое сопротивление в межтрубном пространстве.

Критерий Прандтля определяется по формуле

, (4.42)

где С_р2 - теплоемкость продукта, движущегося в межтрубном пространстве, Дж/(кг·К);

- теплопроводность продукта, движущегося в межтрубном пространстве, Вт/(м·К);

- динамическая вязкость продукта, движущегося в межтрубном пространстве, Па·с.

Коэффициент теплопередачи от внутренней поверхности трубок определим по формуле

, (4.43)

где – теплопроводность продукта, движущегося в межтрубном пространстве, Вт/(м·К);

– наружный диаметр труб, м.

Подставив необходимые данные в формулы (4.42) – (4.43) , получим

;

;

.

Рассчитаем уточненный коэффициент теплопередачи, подставив необходимые данные

.

Найдем уточненную поверхность теплообменного аппарата подставив необходимые данные

м².

Определение запаса поверхности теплообмена производится по выражению

% , (4.44)

где F - ориентировочная поверхность теплообмена, м²;

- уточнённая поверхность теплообмена, м².

Подставив данные в (4.44), получим

% = 12,5%.

То есть необходимая поверхность теплообмена меньше той, которую может обеспечить выбранный при ориентировочном расчёте теплообменник. Окончательно выбираем теплообменный аппарата типа ТН [10], основные характеристики которого приведены в таблице 4.8.

Эскиз данного теплообменного аппарата представлен на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 - Эскиз теплообменного аппарата

Сводная таблица по результатам расчетов

Таблица 4.8 - Результаты расчетов

Параметр	Значение
Тепловой поток Q, Вт	1419615,425
Площадь поверхности теплообмена ,F м2	1241,7
Линейная скорость движения потока по межтрубному пространству, ωм.тр., м/с	0,0935
Линейная скорость движения потока по трубному пространству ,ωтр., м/с	0,0983
Критерий Рейнольдса в межтрубном пространстве, Re	24580,79
Критерий Рейнольдса в трубном пространстве, Re	27984,6
Критерий Прандтля в межтрубном пространстве ,Pr	3,31
Критерий Прандтля в трубном пространстве ,Pr	3,42
Критерий Нуссельта в межтрубном пространстве, Nu	13,84
Критерий Нуссельта в трубном пространстве, Nu	128,59
Коэффициент теплопередачи в трубном пространстве, α1	483,7
Коэффициент теплопередачи в межтрубном пространстве, α2	45,4
Коэффициент теплопередачи, К	41,5
Уточненная поверхность теплообмена, Fу, м2	1710
Запас по поверхности теплообмена, %	12,5

Выводы

В результате проведенных расчетов был выбран теплообменный аппарат с неподвижными трубными решетками, с диаметром кожуха D=1200 мм, на условное давление в кожухе и трубах P =1,6 МПа, материального исполнения М1 , с трубами диаметром d=20 мм и длиной L=6000 мм, двухходовой по трубному пространству, у которого поверхность теплообмена составляет F=1241,7/2=620,89 м², площадь проходного сечения одного хода по трубам f_тр=0,021 м², площадь проходного сечения по межтрубному пространству f_мтр=0,025 м². Его условное обозначение: 1200 ТНГ-1,6-М1/25Г-6-2-У-И.