Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для подогрева исходного раствора перед подачей в выпарной аппарат - Технологический процесс выпаривания водного раствора карбоната калия под вакуумом

2.2.1 Определение средних температур теплоносителей.

температурная схема

Рис. 1 Температурная схема

Где t'Нач - начальная температура исходного раствора (по заданию)

TБ, tМ - большая и меньшая разность температур соответственно, С;

TБ, tМ - большая и меньшая разность температур соответственно, С;

TНач - температура исходного раствора после подогревателя, С ;

TБ = tКонд. гр. п - t'Нач

TМ = tКонд. гр. п - tНач

TБ = 116,3-14=102,3 С

TМ = tКонд. гр. п - tКон

TМ =116,3-91,04=25,26С

Температура гонденсации греющего пара 116,3 С. Так как она постоянна, то среднюю разность температур за время нагрева можно расчитать по формуле:

Tср=( tб - tм )/ 2,3*lg( tб/ tм )

Tср=(102,3-25,26)/(2,3*lg( 102,3/25,26))=55,14 С

Средняя температура MgCl2:

Tср=116,3-55,14=61,16 С

Расчитаем удельную теплоемкость раствора при средней температуре:

Ср0=4223,6+2,476*61,16*lg(61,16/100)=4191,264 Дж/кг*К

Ср=4191,264+(-6530,3+4804,79*0,03+5,64*61,16-1,979*10^-2*61.16^2)*0.03

Cр=4007,8 Дж/ кг*К

Расчитаем динамический коэффициент вязкости для средней температуры:

М0=0,59849*(43,252+61,16)^-1.5423=4.6*10^-4 Па*с

Lg M=lg 4.6*10^-4+(2.1786-3.825*10^-3*61.16+4.17079*10^-6*61.16^2)*0.03

LgM=-3.27

M=10^-3.27=5.37*10^-4 Па*с

Плотность раствора при средней температуре:

Р0=1000-0,062*61,16-0,00355*61,16^2=982.93 кг/м

Lg P=lg 982.93+(0.3372+7.9113*10^-4*61.16-3.2426*10^-6*61.16^2)*0.03=3.004

P=10^3.004=1009.25 кг/м^3

Для обеспечения турбулентного течения при Re >10000 скорость в трубах должна быть больше W'2:

W'2=(10000*M2)/(d2P2)=(10000*5.37*10^-4)/(0.021*1009.25)=0.253м/с

Число труб, обеспечивающих объемный расход при Re=10000

Нагревательный температура выпаривание

N'=V2/(0.785*d2*W2')=0.00358/(0.785*0.021^2*0.253)=41

Где V2=G2/P2=3.611/1009.25=0.00358м^3/c

Расход теплоты на нагрев раствора равен:

Q=G*C*(tk-th)=3.611*4007.8*(91.04-14)=1.115*10^6Вт

Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи равно 800 Вт/м^2*К. При этом :

F=Q/ Kmin* tcp=1.115*10^6/(800*55.14)=25.28 м^2

Данному условию удовлетворяют два теплообменника ( табл. 4,12 стр 215):

    1. Двухходовой, диаметром 400 мм с общим числом труб 100, и на один ход трубного пространства 50. 2. Шестиходовой, диаметром 600 мм с общим числом труб 196 , и на один ход трубного пространства 32,7.

Расчет двухходового теплообменника.

Уточняем значение критерия Re2:

Re2=10000*(41/50)=8310

Ввиду того, что данное значение критерия Рейнольдса соответствует переходному режиму, Значение критерия Нуссельта расчитывается по формуле :

Nu=0.022*Re^0.8*Pr2^0.4*(M/Mct2)^0.14=50.357

Расход теплоты на нагрев раствора равен 1,115 МВт. Примем расход теплоты на потери в атмосферу за 5% , тогда расход сухого греющего пара равен :

G1=1.05*Q/r=1.05*1.115*10^6/2217*10^3=0.528 кг/с

Где r-удельная теплота конденсации водяного пара ( табл. Стр. 550) Дж/кг.

Так как nи - число труб по вертикали для горизонтальных аппаратов - для выбранного аппарата равно 10 ( стр. 215), то коэффициент Е=0,65 ( стр.162 , по графику зависимости для шахматного расположения труб.).

Расчет теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб.

Расчет осуществляется приближенно (без учета поперечных перегородок) по формуле :

L1=2.02*E*Bt*(n/G1)^1/3*L^1/3=2.02*0.65*1059*(100/0.528)^1/3*L^1/3=7985.1*L

Пусть L=3м, тогда :

L1=Lcr=3^1/3*7985.1=11636.569Вт/м^2K

Примем температуру стенки t''2=113 C, тогда удельная тепловая нагрузка будет равна:

Q1=L1(*t1-tct)=11636.569*(116.3-113)=3.674*10^4Вт/м^2

Сумма термических сопротивлений равна:

    ?r=д/л + rзагр1 + rзагр=0.002/46.5 + 1/5800 + 1/1800=7,71*10^-4 м-К/Вт 1/rзагр=5800 Вт/м^2*K (стр 531)

Лст=46,5 Вт/м*К (стр 529)

Tст2=tст1-q1*?rст=113-3,674*10^4*7.71*10^-4=84.811 C

Pr2=C2M2/ л2=4007.8*5.37*10^-4/0.651=3.246

Л0=0.5542+0.00246*61.16-0.00001184*61.16^2=0.66 Вт/м*К

Л2=0,66*(1-0,49317*0,03)=0,651 Вт/м*К

Prст2=Сст2*Мст2/ Лст2=4027*3,834/0,65=2,37

Для того чтобы расчитать критерий Прантля для температуры стенки равной 84,811 С, необходимо найти для этой температуры динамическмй коэффициент вязкости, равный, в данном случае:

М0=0,59849*(43,252+84,811)^-1.5423=3.363*10^-4Па*с

LgM=lg 3.363*10^-4+(2.1786-3.825*10^-3*84.811+4.17079*10^-6*84.811^2)*0.03=-3.417

M=10^-3.417=3.831*10^-4 Па*с

Удельная теплоемкость: Ср=4027 Дж/кг*К

Коэффициент теплопроводности: Л=0,667 Вт/м*К

Из вычесленных значений можно найти коэффициент теплоотдачи:

L2=Nu2* Л2/d2=50.357*0.667/0.021=1561 Вт/м*К

Q2=L2*(tст2-t2)=1561*(84.811-61.16)=36831 Вт/м^2 По

Значениям расчитанных тепловых нагрузок q1,q2 ,расчитаем расхождение:

Е=(36831-36741)/36831=0,00221*100=0,221

Так как данное приближение не превышает 5% то дальше расчет можно не продолжать.

Сводная таблица расчетов расхождений

T1 С

Tст1 С

L1

Q1Вт/м^2

?rст

Tст2 С

L2

Q2Вт/м^2

E*100

116.3

113

1.163 *10^4

3.674 *10

7.71 *10

84.811

1.561 *10

3.673 *10

0.221

Расчет шестиходового теплообменника

Уточняем значение критерия Re2:

Re2=10000*(41/32,7)=12720

Расчет теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб.

Расчет осуществляется приближенно (без учета поперечных перегородок) по формуле :

L1=2.02*E*Bt*(n/G1)^1/3*L^1/3=2,02*0,6*1056*(196/0,528)^1/3*L^1/3=7661.02*L^1/3

Пусть L=2м, тогда:

L1=2^1/3*7661.02=9630 Вт/м^2*К

Pr2=3.246

Л2=0.651 Вт/м*К

Примем температуру стенки t''2=112 C, тогда удельная тепловая нагрузка будет равна:

Q1=L1(*t1-tct)=9630*(116,3-112)=41600 Вт/м^2

Tст2=tст1-q1*?rст=112-41600*7,71*10^-4=79,906 С

Prст2=Сст2*Мст2/ Лст2=4022*4,073*10^-4/0.665=2.464

Для того чтобы расчитать критерий Прантля для температуры стенки равной 79.906 С, необходимо найти для этой температуры динамическмй коэффициент вязкости, равный, в данном случае:

М0=0,59849*(43,252+79.906)^-1.5423=3.572*10^-4Па*с

LgM=lg 3.363*10^-4+(2.1786-3.825*10^-3*79.906+4.17079*10^-6*79.906^2)*0.03=-3.39

M=10^-3.39=4.073*10^-4 Па*с

Удельная теплоемкость: Ср=4022 Дж/кг*К

Коэффициент теплопроводности: Л=0,665 Вт/м*К

Так как значение критерия Рейнольдса, в данном случае, удовлетворяет турбулентному режиму течения, то критерий Нуссельта может быть вычислен по следующей формуле:

Nu=0.021*Re^0.8*Pr2^0.43 *(Pr/Prct2)^0.25

Nu=0.021*12720^0.8*3.246^0.43*(3.246/2.464)^0.25=71.715

Из вычесленных значений можно найти коэффициент теплоотдачи:

L2=Nu2* Л2/d2=71.715*0.665/0.021=2231.19 Вт/м*К

Q2=L2*(tст2-t2)=2231.19*(79.906-61.16)=4.154*10^4 Вт/м^2

По значениям расчитанных тепловых нагрузок q1,q2 ,расчитаем расхождение:

Е=(41600-415400)/41600=0,0015*100=0,15

Так как данное приближение не превышает 5% то дальше расчет можно не продолжать.

T1 С

Tст1 С

L1

Q1Вт/м^2

?rст

Tст2 С

L2

Q2Вт/м^2

E*100

116,3

112

9,63*10^4

4.16 *10^4

7.71 *10^-4

79.906

2231.19

4.154 *10^4

0.15

Расчитаем площадь поверхности теплообмена для двухходового теплообменника

F=Q/q=1.115*10^6/36740=30.276м^2

Расчетная длина труб равна:

L=F/П*n*dср=3,276/3,14*100*0,023=4,2м

Подходящий теплообменник : F=31м^2 L=4м. Запас поверхности составляет 2,3%.

Для шестиходового теплообменника:

F=1.115*10^6/41600=26.842м^2

L=26.842/3.14*196*0.023=1.89м

Так как в двухходовом теплообменнике длина труб больше, чем в шестиходовом, то выбираем шестиходовой теплообменник. Кроме того двухходовой подогреватель не удовлетворяет турбулентному течению. Запас поверхности для шестиходового теплообменника равен 13,4%.

Похожие статьи




Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для подогрева исходного раствора перед подачей в выпарной аппарат - Технологический процесс выпаривания водного раствора карбоната калия под вакуумом

Предыдущая | Следующая