─ со стороны паров толуола

q′ = α₁∙Δt₁ = 1041,15 ∙20,16 = 20989,5 Вт/м²;

─ со стороны толуола

q″ = α₂∙Δt₂ = 1331,12∙15 = 19966,8 Вт/м².

Очевидно, что q′≠q″.

Для третьего приближения зададим Δt₂ = 15,5 °С

Тогда

t_ст2 = 67,9+15,5= 83,4 °С

Рг_Аст = 2001,63∙0,309 ∙10^-3 /0,122 = 5,07

α₂ = (0,122/0,016)∙0,023∙25273,28^0,8∙(6,62/5,07)^0,25∙6,62^0,4 = 1328,6 Вт/(м²∙К)

Δt_ст = 1328,6 ∙15,5∙3,88∙10^-4 = 7 °С

Δt₁ = 42,9-7-15,5 = 20,4 °С

t_пл = 110,8-18,66/2 = 101,5 °С

Таблица 3.4 ─ Параметры r_А, ρ_ж, λ_ж, μ_ж для толуола при температуре t_пл = = 101,5 °С [3]

Подставляя данные таблицы 3.4 в выражение (3.14), получим:

α₁ = 0,72∙0,6∙[(366343,5∙ 785,8² ∙ 0,1179³ ∙ 9,81)/(0,27 ∙ 10^-3 ∙ 0,02 ∙ 20,4)]^1/4 = 1049,52 Вт/(м²∙К)

Тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей равны:

─ со стороны паров толуола

q′ = α₁∙Δt₁ = 1058,85∙18,66 = 21410,2 Вт/м²;

─ со стороны толуола

q″ = α₂∙Δt₂ = 1328,6 ∙15,5 = 20593,3 Вт/м².

Как видим, q′ ≈ q″.

Расхождение между тепловыми нагрузками (3,8%) не превышает 5%, следовательно, расчет коэффициентов α₁ и α₂ на этом можно закончить.

Коэффициент теплопередачи равен:

К=1/(1/1058,85+1/1328,6 +3,88∙10^-4) = 479,59 Вт/(м²К)

Найдем уточненное значение относительной тепловой нагрузки q_ср, как среднее арифметическое q′ и q″

q_ср = (q′+ q″)/2 = (21410,2 +20593,3)/2 = 21001,75 Вт/м²

Известно, что относительная тепловая нагрузка связана с коэффициентом теплопередачи следующим образом:

q=K∙Δt_ср (3.15)

Тогда выражение для нахождения уточненного значения требуемой поверхности теплообмена примет вид

F = Q/(K∙Δt_ср) = Q/q_ср (3.16)

F = 1057130,52/21001,75= 50,33 м²

Данный кожухотрубный теплообменник с длиной труб L = 3 м и поверхностью F = 60 м², подходит с запасом:

∆ = [(60-50,33)/60]∙100% = 16 %

Результаты уточненного расчета поверхности теплопередачи сведены в таблицу 3.5.

Таблица 3.5 ─ Результаты уточненного расчета поверхности теплопередачи

3.6 Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве ∆p_тр рассчитываем по формуле:

∆p_тр = λ∙L∙z∙w²_тр∙ρ_тр/2d +[2,5(z-1)+2z]∙w²_тр∙ρ_тр/2+3 w²_тр.ш∙ρ_тр/2 (3.17)

Скорость толуола рассчитывается по формуле:

w_тр=4∙G_С∙z/(π∙d²_вн∙n∙ρ_С) (3.18)

Отсюда скорость будет равна:

w_тр= 4∙6,5∙6/(3,14∙0,016 ² ∙316∙830,4) = 0,739 м/с.

Коэффициент трения в трубах рассчитывается по формуле:

λ = 0,25{lg[e/3,7+(6,81/Re_тр)^0,9]}^-2, (3.19)

где е = Δ/d_вн ─ относительная шероховатость труб; Δ ─ высота выступов шероховатостей

е = 0,0002/0,016 = 0,0125.

Отсюда коэффициент трения будет равен:

λ = 0,25{lg[0,0125/3,7+ (6,81/25273,28) ^0,9]}^-2= 0,0434.

Скорость толуола в штуцерах рассчитывается по формуле:

w_шт = 4∙G_С/(π∙d_шт²∙ρ_С) (3.20)

Отсюда скорость раствора в штуцерах будет равна:

w_шт = 4∙6,5/(3,14∙0,1² ∙830,4) = 0,997 м/с.

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве:

∆p_тр=0,0434∙3∙6∙0,739²∙830,4/(0,016∙2)+[2,5(6-1)+2∙6]∙0,739²∙830,4/2+ 3∙830,4∙0,997²/2 = 17864,5Па.

Результаты гидравлического расчета кожухотрубчатого конденсатора сведены в таблицу 3.6.

Таблица 3.6 ─ Результаты гидравлического расчета

Заключение

В данной курсовой работе произведены теплотехнический, конструктивный и гидравлический расчеты теплообменников. На основании этих данных было подобрано следующее оборудование для проведения процесса охлаждения пара толуола и его конденсации: вертикальный холодильник и горизонтальный конденсатор.

В вертикальный одноходовой холодильник с параметрами:

— диаметр кожуха 1000 мм;

— число труб 747;

— длина труб 1 м;

— поверхность теплообмена 58,67 м².

поступает пар толуола (массовый расход равен 2,92 кг/с) при атмосферном давлении. Там он охлаждается со 160 °С до 110,8 °С. Охлаждающим теплоносителем служит воздух (давление 0,15 МПа, массовый расход 5,9кг/с). Который нагревается с 25 °С до 60 °С. Тепловая нагрузка со стороны толуола равна 219920,85 Вт, а со стороны воздуха — 208924,8 Вт.

Конденсация паров толуола производится в горизонтальном конденсаторе с параметрами:

— диаметр кожуха 600 мм;

— число труб 316;

— длина труб 3 м;

— число ходов 6;

— поверхность теплообмена 60 м².

Охлаждающим теплоносителем служит толуол (давление 0,5 МПа, массовый расход 6,5 кг/с), который нагревается с 20 °С до 95 °С. Тепловая нагрузка со стороны паров толуола равна 1057130,52 Вт, со стороны толуола 1004274 Вт.

Список использованных литературных источников

1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. –М.: Химия, 1973.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Под ред. Ю. И. Дытнерского.– М.: Химия, 1991.

3. К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1970.

4. Калишук Д.Г., Протасов С.К., Марков В.А. Процессы и аппараты химической технологии. Методические указания к курсовому проектированию по одноименной дисциплине для студентов очного и заочного обучения. – Мн: Ротапринт БГТУ, 1992.

5. Гельперин Н. И. Основные процессы и аппараты химической технологии М.: Химия, 1981. Т. 1. 384 с.

6. Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. 3. Процессы и аппараты химической технологии М.: Химия, 1967 848 с