4.5 Расчет подогревателя

Служит для подогрева исходной смеси от t_н = 18-20^оС до температуры t_F = 76,2^oC. Исходная смесь подогревается водяным насыщенным паром с температурой 100^оС.

Температурная схема процесса

110 - 110

28 - 76,2

; .

єС.

Определим среднюю температуру смеси

 єС.

Объемный расход смеси

м³/с,

где с₁=858,7 кг/м³ - средняя плотность в колонне при t₁=55,6 єС (таблица IV [1]);

G₁=1,32 кг/с - массовый расход смеси.

Средняя плотность жидкости в колонне:

=

Расход теплоты на нагрев смеси

Вт,

где с₁=2750 Дж/(кг·К) - средняя удельная теплоемкость смеси при t₁=55,6 єС (рисунок XI [1]).

Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:

,

где - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;

- массовые доли компонентов.

;

Расход сухого греющего пара с учетом 7 % потерь теплоты

кг/с,

где r=2217·10³ кг/с - удельная теплота конденсации водяного пара (таблица LVII [1]);

х - паросодержание греющего пара.

Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося водяного пара к органическим жидкостям К_min=300 Вт/(м²·К) (таблица 4.8 [1]). При этом

м².

Составляем схему процесса теплопередачи. Для обеспечения турбулентного течения смеси при Re>10000 скорость в трубах должна быть больше w₁

м/с,

где м₁=1,275·10^-3 Па·с - динамический коэффициент вязкости смеси при t₁=55,6 єС (таблица VI [1]);

Динамический коэффициент вязкости смеси:

где м_А, м_В- коэффициенты динамической вязкости компонентов А и В при соответствующей температуре [2, c.516].

d₁=0,021 м - внутренний диаметр труб;

с₁=784,5 кг/м³ - плотность смеси при t₁=55,6 єС (таблица IV [1]).

Число труб 25х2 мм, обеспечивающих объемный расход смеси при Re=10000

.

Условию n<30,4 и F<59,5 удовлетворяет шестиходовой теплообменник, внутренним диаметром 600 мм с числом труб на один ход трубного пространства n=33 (общее число труб n=196).

Уточняем значение критерия Рейнольдса Re

.

Критерий Прандтля для смеси при средней температуре t₁=55,6 єС равен

,

где л₁=0,15- коэффициент теплопроводности смеси при t₁=55,6 єС (рисунок Х [1]);

с₁=2723,5 Дж/(кг·К) - средняя удельная теплоемкость смеси при t₁=55,6 єС (рисунок XI [1]);

м₁=1,275·10^-3 Па·с - динамический коэффициент вязкости смеси при t₁=55,6єС (таблица VI [1]).

Рассчитаем критерий Нуссельта для смеси

,

где е₁=1.

Отношение (Pr₁/Pr_ст1)^0,25 примем равным 1,1 (с последующей проверкой).

Таким образом, коэффициент теплоотдачи для смеси равен

Вт/(м²·К).

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб. Расчет осуществляем приближенно (без учета влияния поперечных перегородок).

Вт/(м²·К),

где е=0,6 - коэффициент, зависящий от расположения и числа труб по вертикали в пучке, для шахматного расположения труб и числе труб n_в=14 (с.162 [1]);

е_Г=0,6 - коэффициент, зависящий от относительной массовой концентрации воздуха в паре - Х, принимаем Х=0,5 % (с.164 [1]);

В_t=1058 (таблица 4.6 [1]);

G₂=0,56 кг/с;

n=196 - общее число труб;

L=2 м - длина труб (таблица 4.12 [1]).

Примем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны греющего пара 1/r_загр.2=5800 Вт/(м²·К), со стороны бутанола 1/r_загр.1=5800 Вт/(м²·К) (таблица ХХХI [1]). Коэффициент теплопроводности стали л_ст=46,5 Вт/(м²·К) (таблица ХХVII [1]); д=0,002 м - толщина стенки.

Находим сумму термических проводимостей стенки и загрязнений

Вт/(м²·К).

Коэффициент теплопередачи

Вт/(м²·К).

Поверхностная площадь теплового потока

Вт/м²,

где Дt_ср=61,5 єС - средняя разность температур.

Проверяем принятое значение (Pr₁/Pr_ст1)^0,25. Определим

єС,

єС.

Определим критерий Прандтля при t_ст1=87,6 єС

,

где л₁=0,149- коэффициент теплопроводности смеси при t_ст1=87,6 єС (рисунок Х [1]);

с₁=2750 Дж/(кг·К) - средняя удельная теплоемкость бутанола при t_ст1=87,6єС (рисунок XI [1]);

значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:

,

где - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;

- массовые доли компонентов.

;

м₁=0,677·10^-3 Па·с - динамический коэффициент вязкости смеси при t_ст1=87,6 єС (таблица VI [1]).

Динамический коэффициент вязкости смеси:

где м_А, м_В- коэффициенты динамической вязкости компонентов А и В при соответствующей температуре [2, c.516].

Следовательно,

Было принято (Pr₁/Pr_ст1)^0,25 =1,1. Разница

Расчетная площадь поверхности теплообмена

 м².

Принимаем к установке шестиходовой теплообменник с F=31 м².

Характеристики теплообменника

Внутренний диаметр кожуха D_н=600 мм;

Общее число труб n=196;

Поверхность теплообмена F=31 м²;

Длина труб L=2 м;

Диаметр трубы d=25х2 мм.

Запас площади поверхности теплообмена