Главная страница

тепловой теплообменника. Расчет теплообменника (тепловой) (вар.9). Тепловой расчет


Скачать 234.82 Kb.
НазваниеТепловой расчет
Анкортепловой теплообменника
Дата13.04.2023
Размер234.82 Kb.
Формат файлаdocx
Имя файлаРасчет теплообменника (тепловой) (вар.9).docx
ТипДокументы
#1059742

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 9):

(при производительности колонны 100 т аммиака в сутки): количество прореагировавшей газовой смеси (горячий газ) V1; количество подогреваемой газовой смеси (холодный газ) V2.

Таблица 1

V1, м3

44250

V2, м3

49058

Таблица 2

Состав газовых смесей в объёмных %:

Формула

Горячий газ

Холодный газ

H2

61,13

70,56

N2

20,38

23,52

NH3

15,00

2,80

CH4

3,49

3,12

Начальная температура горячего газа 𝑡= 490 °C, конечная 𝑡 = 164 °C, начальная температура холодного газа 𝑡 = 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

Компонент

Молекулярная

масса

Плотность

кг/м3

Состав

в % об.

V1,

м3

G1,

кг/ч

Состав

% масс

В1,

кмоль/ч

H2

2,016

0,09

61,13

27050

2434,5

12,2

1207,6

N2

28,02

1,2505

20,38

9018

11277,2

56,6

402,5

NH3

17,034

0,7714

15

6638

5120,2

25,7

300,6

CH4

16,03

0,7168

3,49

1544

1107

5,6

69,1

Итого…

 

 

100

44250

19938,8

100

1979,7

Таблица 4

Данные о расходе и составе холодного газа

Компонент

Молекулярная

масса

Плотность

кг/м3

Состав

в % об.

V2,

м3

G2,

кг/ч

Состав

% масс

В2,

кмоль/ч

H2

2,02

0,09

70,56

34932,84

3143,96

15,81

1559,50

N2

28,02

1,25

23,52

11644,28

14561,17

73,24

519,67

NH3

17,03

0,77

2,80

1386,22

1069,33

5,38

62,78

CH4

16,03

0,72

3,12

1544,65

1107,20

5,57

69,07

Итого…

 

 

100,00

49508,00

19881,67

100,00

2211,02

Определим объёмные расходы компонентов газа по формуле:



где:

– объёмная доля i-того компонента смеси, %;

– расход горячего газа;

Определим массовые расходы компонентов газа по формуле:



где:

– плотность компонента смеси;

Определим суммарный массовый расход газа:


Определим массовую долю компонентов газа по формуле:


Определим мольный расход компонентов газа по формуле:



где:

– молекулярная масса компонента; кмоль/кг

Определим суммарный мольный расход газа:


Сведем результаты расчета расходов и состава горячего и холодного газов в таблицу 3 и 4.


Определим среднюю теплоемкость горячего теплоносителя по формуле:



где:

=0,8412 ккал/(кг·0С) – удельная теплоемкость горячего теплоносителя при температуре t=4900С;

с=1,0346 ккал/(кг·0С) – удельная теплоемкость горячего теплоносителя при температуре t=1640С;

Теплоемкости определим по графику на рисунке 1.



Рисунок 1 – зависимость удельных теплоемкостей горячей газовой смеси от температуры

Определим тепловую нагрузку аппарата по формуле:




Конечная температура холодного газа t определяется из уравнения теплового баланса, предварительно необходимо определить теплосодержание холодного газа на выходе из аппарата:



где:

Iтеплосодержание холодного газа при конечной температуре, ккал/кг;

I – 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 t и определив теплоемкость с(0-t2к) определяется t2к. При этом, найденное значение t должно совпадать с принятым, что достигается пересчетами. Зададимся значением t=3700С




Конечная температура холодного теплоносителя:







Рисунок 2 – зависимость удельных теплоемкостей холодной газовой смеси от температуры
Полученная температура отличается от принятой. Сделаем перерасчет, приняв конечную температуру t=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·0С
Динамическая 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

Параметры

Единица измерения

Значения параметров для газов

горячего

холодного

Температура

0С

327

198,9

Плотность

кг/м3

57,051

49,456

Удельная теплоемкость

ккал/(кг·0С)

0,8694

0,889

Динамическая вязкость *10-8

кг/(м·с)

2868,805

2619,439

Кинематическая вязкость *10-8

м2

50,2849

52,965

Коэффициент теплопроводности *10-2

ккал/(м·ч·0С)

12,19

11,38

Число Прандтля




0,7366

0,7367

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:





написать администратору сайта