Расчет теплообменника (тепловой). Тепловой расчет
 Скачать 139.05 Kb.
|
|
Тепловой расчет Рассчитать кожухотрубчатый теплообменник колонны синтеза аммиака (кожухотрубчатый теплообменник со стальными цельнотянутыми трубками диаметром 18x2 мм) для подогрева газовой смеси, поступающей на реакцию синтеза в катализаторную коробку колонны, за счёт тепла прореагировавшего газа. (рис 1)  Рис 1. Конструктивная схема кожухотрубчатого теплообменника колонны синтеза аммиака Исходные данные (Вариант 6): (при производительности колонны 100 т аммиака в сутки): количество прореагировавшей газовой смеси (горячий газ) V1; количество подогреваемой газовой смеси (холодный газ) V2. Таблица 1
Таблица 2 Состав газовых смесей в объёмных %:
Начальная температура горячего газа 𝑡1н= 490 °C, конечная 𝑡1к = 164 °C, начальная температура холодного газа 𝑡2н = 13 °C, рабочее давление в аппарате р = 300 кгс/см2. Исходя из конструктивных особенностей колонны и температурных условий принимается: горячий газ проходит по трубкам, холодный − в межтрубном пространстве. Скорости газовых смесей приняты: − в трубках w1 = 1,9 м/с; − в межтрубном пространстве w2 = 1,97 м/с (на основе предварительных расчетов в рекомендуемых при высоких давлениях пределах от 1,5 до 5,5 м/с). Диаметр теплообменных трубок: внутренний d1 = 14 мм, внешний d2 = 18 мм, размещение трубок в шахматном порядке. В случаях, когда теплоносителями являются смеси газов, для удобства расчета целесообразно исходные данные о расходах и составах газовых смесей выражать в различных единицах (таблицы 3 и 4). Таблица 3 Данные о расходе и составе горячего газа
Таблица 4 Данные о расходе и составе холодного газа
Определим объёмные расходы компонентов горячего газа по формуле:  где:  – объёмная доля i-того компонента смеси, %; – расход горячего газа;Объёмный расход H2:  Объёмный расход N2:  Объёмный расход NH3:  Объёмный расход CH4:  Определим массовые расходы компонентов горячего газа по формуле:  где:  – плотность компонента смеси;Массовый расход H2:  Массовый расход N2:  Массовый расход NH3:  Массовый расход CH4:  Определим суммарный массовый расход горячего газа:  Определим массовую долю компонентов горячего газа по формуле:  Массовая доля H2:  Массовая доля N2:  Массовая доля NH3:  Массовая доля CH4:  Определим мольный расход компонентов горячего газа по формуле:  где:  – молекулярная масса компонента; кмоль/кгМольный расход H2:  Мольный расход N2:  Мольный расход NH3:  Мольный расход CH4:  Определим суммарный мольный расход горячего газа:  Сведем результаты расчета расходов и состава горячего газа в таблицу 3. Определим объёмные расходы компонентов холодного газа по формуле:  где: – объёмная доля i-того компонента смеси, %; – расход холодного газа;Объёмный расход H2:  Объёмный расход N2:  Объёмный расход NH3:  Объёмный расход CH4:  Определим массовые расходы компонентов холодного газа по формуле: где: – плотность компонента смеси;Массовый расход H2:  Массовый расход N2:  Массовый расход NH3:  Массовый расход CH4:  Определим суммарный массовый расход холодного газа:  Определим массовую долю компонентов холодного газа по формуле: Массовая доля H2:  Массовая доля N2:  Массовая доля NH3:  Массовая доля CH4:  Определим мольный расход компонентов холодного газа по формуле: где: – молекулярная масса компонента; кмоль/кгМольный расход H2:  Мольный расход N2:  Мольный расход NH3:  Мольный расход CH4:  Определим суммарный мольный расход холодного газа:  Сведем результаты расчета расходов и состава холодного газа в таблицу 4. Определим среднюю теплоемкость горячего теплоносителя по формуле:  где:  =0,8412 ккал/(кг·0С) – удельная теплоемкость горячего теплоносителя при температуре t1н=4900С;с2н=1,0346 ккал/(кг·0С) – удельная теплоемкость горячего теплоносителя при температуре t1к=1640С;  Определим тепловую нагрузку аппарата по формуле:   Конечная температура холодного газа t2к определяется из уравнения теплового баланса, предварительно необходимо определить теплосодержание холодного газа на выходе из аппарата:  где: I2к – теплосодержание холодного газа при конечной температуре, ккал/кг; I2н – теплосодержание холодного газа при начальной температуре, ккал/кг; Теплосодержание определяется по формуле:   Зависимость теплоёмкости рассматриваемой газовой смеси от температуры близка к линейной. Поэтому с достаточной для расчета степенью точности вместо среднего интегрального значения теплоёмкости можно принять среднее арифметическое:   Предварительно задаваясь t2к и определив теплоемкость с(0-t2к) определяется t2к. При этом, найденное значение t2к должно совпадать с принятым, что достигается пересчетами. Зададимся значением t2к=3700С   Конечная температура холодного теплоносителя:   Полученная температура отличается от принятой. Сделаем перерасчет, приняв конечную температуру t2к=356 0С   Расчет температурного режима В проектируемом газо-газовом теплообменнике температура обоих теплоносителей непрерывно изменяется. Для обеспечения необходимой скорости в межтрубном пространстве принята схема перекрестного тока как наиболее приемлемая схема движения рабочих сред. Определим разность температур на входе и выходе из аппарата:     Определим среднюю логарифмическую разность температур противоточной схемы:   Для перекрестной схемы движения теплоносителей Δtcр меньше, чем для противотока, поэтому необходимо уменьшить вычисленное значение на 10%   Средняя температура рабочей среды с меньшим температурным перепадом (горячий газ) определяется как среднеарифметическая:   Для холодного газа среднюю температуру вычислим по формуле:   Физические параметры рабочих сред. Физические параметры ρ, ср, ν, λ при средних температурах 𝑡1ср и 𝑡2ср определяются по соответствующим зависимостям для газовых смесей. Для горячего газа при t1cр плотность определяется по формуле:  где: p – давление, кгс/см2;  – коэффициент сжимаемости смеси.Коэффициент сжимаемости смеси определим из уравнения с использованием опытных данных о коэффициенте сжимаемости компонентов:  где: mi – объёмная доля компонента газовой смеси;  – коэффициент сжимаемости водорода; – коэффициент сжимаемости азота; – коэффициент сжимаемости аммиака; – коэффициент сжимаемости метана;  Удельная теплоемкость горячего газа при  методом интерполяции cсм=0,8694 ккал/кг·0СДинамическая вязкость смеси определяется с использованием опытных данных о вязкости компонентов по формуле:  где: – динамическая вязкость i-того компонента смеси;Для водорода μH2=1438·10-8 Для азота μN2=3177·10-8 Для аммиака μNH3=4566·10-8 Для метана μСH4=1888·10-8   Определим кинематическую вязкость горячего газа по формуле:   Коэффициент теплопроводности приближённо определим по формуле:  где: A=1,9 для двухатомного газа; k=1,4 для двухатомного газа;  Определим число Прандтля по формуле:   Аналогично произведем расчеты для холодного газа:    Удельная теплоемкость холодного газа при  методом интерполяции cсм=0,889 ккал/кг·0С  Определим кинематическую вязкость холодного газа по формуле:  Коэффициент теплопроводности приближённо определим по формуле:  Определим число Прандтля по формуле:  Сведем расчеты в таблицу 5: Таблица 5
Коэффициент теплопередачи. Коэффициент теплопередачи является функцией коэффициентов теплоотдачи α1 и α2 и термического сопротивления стенки δ/λ. Коэффициенты теплоотдачи α1 от горячего газа к стенке и α2 от стенки к холодному газу (для третьего и последующих рядов), ккал/(м2 ·ч·°С), вычисляются по критериальным уравнениям теплоотдачи в зависимости от числа Re. Определим критерий Рейнольдса для горячего теплоносителя по формуле:   Определим критерий Рейнольдса для холодного теплоносителя по формуле:   Определим критерий Нуссельта для горячего теплоносителя при продольном движении теплоносителя:   Определим критерий Нуссельта для холодного теплоносителя при продольном шахматном расположении труб в пучке:   Определим коэффициент теплоотдачи от горячего газа к стенке:   Определим коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному газу (для третьего и последующего рядов):   Определим средний коэффициент теплоотдачи для всего трубного пучка по формуле:  где:  – поправки при шахматном расположении трубок для первого и второго ряда соответственно;nI – число трубок в первом ряду, принимаем 30; nII – число трубок во втором ряду, принимаем 36; n – общее число трубок. В соответствии с конструктивными особенностями колонны синтеза проектируемый теплообменник должен быть одноходовым по трубному пространству. Поэтому общее число труб можно определить по формуле:    Определим коэффициент теплопередачи по формуле для чистой плоской стенки:  где:  – толщина стенки трубки;λст – коэффициент теплопроводности стенки трубки, в расчете принимаем равной 39 ккал/(м·ч·ºС).  Газовые смеси, участвующие в теплообмене, подвергают тщательной очистке, чтобы они не загрязняли поверхность теплообмена. Поэтому расчетный коэффициент теплопередачи:  где:  =0,95 – коэффициент использования поверхности теплообмена Определим необходимую поверхность теплообмена по формуле:   Температуры стенки со стороны горячего и холодного газа: - со стороны более горячей рабочей среды:   - со стороны нагреваемой среды:   | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||