Целью расчета является определение запаса поверхности теплопередачи при новой производительности. Расчеты будем проводить согласно методике, предложенной в [9], где рассматривается аналогичный случай.
Подконтактный холодильник предназначен для быстрого охлаждения контактного газа до температуры 140 – 200°С во избежании разложения образовавшегося формальдегида.
Для установки выбран стальной вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с противоточным движением теплоносителя в межтрубном пространстве и контактного газа в трубном пространстве. Теплоноситель – паровой конденсат (Р = 0,3,2 МПа, t = 133°С).
В холодильнике предусмотрено шахматное расположение труб (по вершинам правильных шестиугольников). Температурные напряжения, вызываемые разностью температур между кожухом и трубами, могут привести к разрушению аппарата; во избежании этого на корпусе установлен линзовый компенсатор.
Аппарат снабжен штуцером выхода контактного газа Dy = 800 мм, Р = 0,6 МПа, шестью штуцерами входа конденсата Dy = 100 мм, Рy = 1,0 МПа и шестью штуцерами выхода пароводяной эмульсии Dy = 200 мм, Рy = 1,0 МПа.
Принимаем агрегатную схему компоновки оборудования – контактный аппарат смонтирован непосредственно на подконтактном холодильнике.
Исходные данные:
Расход охлаждаемого контактного газа 25302,74/3600 = 7,03 кг/с.
Расход охлаждающей жидкости – воды: 8,7 кг/с.
на входе:
температура контактного газа 650оС;
температура воды 90оС.
на выходе:
температура контактного газа 180оС;
температура воды 123оС;
Температурная схема процесса:
650 → 180
123 ← 90
∆tб = 527оС ∆tм = 90оС
(18.17)
Средняя температура контактных газов:
(18.18)
Теплофизические параметры контактных газов при 415С в таблице 18.4.
Таблица 18.4– Теплофизические параметра контактных газов при 415оС
| Состав | ρ, кг/м2 | С, Дж/кг К | μ (м с)/м2 | √М Ткр |
| СН2О | 0,547 | 514 10-7 | 111,47 | |
| СН3ОН | 0,583 | 226 10-7 | 89,33 | |
| Н2О | 0,327 | 232 10-7 | 108 | |
| СО | 0,51 | 309 10-7 | 61,4 | |
| СО2 | 0,801 | 299 10-7 | 115,5 | |
| Н2 | 0,036 | 154 10-7 | 8,13 | |
| N2 | 0,51 | 311 10-7 | 59,5 | |
| смесь | 0,487 | 1,743 103 | 250 10-7 | - |
Плотность компонентов определена по формуле:
(18.19)
Плотность смеси по правилу аддитивности. Вязкость компонентов взята из [4, с. 430 таб. 6].
Вязкость смеси определена по формуле:
(18.20)
где, m1…m2 - объемные доли компонентов;
М1…Мn – молекулярные массы компонентов;
Ткр1…Ткр.n - критические температуры.
Теплоемкость смеси:
(18.21)
где, Q – количество теплоты, отданное контактными газами при охлаждении от 650оС до 180оС.
где, Gсм – расход контактных газов, кг/с;
tвх, tвых – температуры входа и выхода контактных газов, оС.
Определим критерий Прандтля.
Наибольший процент в смеси составляют многоатомные газы. Принимаем приблизительное значение Pr для смесей такое же, как для трехатомных газов, Pr = 0,8 [ 2, с. 187].
Теплопроводность смеси (λсм)
(18.22)
Так как диаметр реактора равен 3,0 м, принимаем диаметр обечайки подконтактного холодильника Dхвн = 3,0 м с трубами d - 38×2 мм и рассчитаем необходимое количество труб:
(18.23)
где, К – коэффициент заполнения трубной решетки, принимаем К = 0,7;
t – шаг.
t = 1,25 dн = 1,25 0,038 = 0,048 м;
Скорость движения газа:
(18.24)
(18.25)
переходный режим
(18.26)
(18.27)
коэффициент теплоотдачи для воды в межтрубном пространстве.
Принимаем теплообменник с поперечными перегородками в межтрубном пространстве. Расстояние между перегородками равно 0,9 м. Площадь поперечного сечения между соседними соединениями соседних перегородок, считая его по диаметру кожуха.
Sм тр=D h (t-d) [1, с. 64]; (18.28)
Sм тр=3,0 0,9 (0,048 – 0,038) = 0,577 м2.
Скорость движения воды при поперечном обтекании:
(18.29)
Средняя температура воды:
Теплофизические параметры воды при tср=106,5оС в таблице 18.5.
Таблица 18.5 – Теплофизические параметры воды при tср=106,5оС
| С, Дж/кг К | Ρ кг/м3 | μ, Па с | λ, Вт/м К |
| 4,23 | 954 | 226,10-6 | 0,684 |
(18.30)
(18.31)
dэ = 0,0334 м [1, стр. 81].
(18.32)
(18.33)
- переходный режим
Nu = 0,24 Re0.6 Pr0,43; (18.34)
Pr = 4,23 103 226 10-6/0,684 = 1,397; (18.35)
Nu = 0,24 2819,790,6 1,3970,43 = 32,56;
(18.36)
Коэффициент теплопередачи:
(18.37)
где rст – термическое сопротивление стальной сетки и ее загрязнений, м2К/Вт.
∑rст = rзагр.К.Г. + rзагр.В. (18.38)
Принимаем
[2, табл. ХХХ] (18.39)
∑rсм = 0,00041 м2К/Вт;
Поверхность теплообмена:
(18.40)
С учетом запаса 10% F = 1160 м2, Lтр = 5 м.
Расстояние между трубными решетками:
(18.41)
где Z – число ходов, Z = 1.
Принимаем l1 = 4 м.
Общая высота холодильника:
Н = l1 + h1; (18.42)
где, h1 – высота нижней камеры, м.
принимаем h1 = 0,8 м.
Н = 4 + 0,8 = 4,8 м.
ГИДРАЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
Целью расчета является определение величины гидравлического сопротивления.
Исходные данные:
внутренний диаметр обечайки – 3 м;
количество труб – 24,75 d = 38×2 мм;
длина – 5 м;
диаметр внутренний входного штуцера – 0,15 м;
диаметр внутренний выходного штуцера – 0,6 м;
количество перегородок в межтрубном пространстве – 3 (шт).
Расход воды – 8,7 кг/с при tср 106,5оС, ρ = 854 кг/м3.
Расход контактного газа – 7 кг/с при tср = 415оС, ρ = 0,487 кг/м3.
Высота слоя катализатора – 0,6 мм.
Общее гидравлическое сопротивление определим по формуле:
∆Р = ∆Рк.ап. + ∆Ртр, (19.1)
где, ∆Рк..ап. - гидравлическое сопротивление слоя катализатора, Па;
∆Ртр – гидравлическое сопротивление трубного пространства подконтактного холодильника, Па.
(19.2)
где, f – функция Re, для турбулентного режима и насыпной насадки f = 3,8/Re0,2;
ε – порозность слоя, ε = 0,4;
g0 – удельная массовая скорость газа, рассчитанная на сечение пустого аппарата, кг/м2с.
(19.3)
ρг – плотность газа, кг/м3;
g – ускорение свободного падения – 9,81 м/с;
Re – 4238,19 [технологич. pасчет].
(19.4)
∆Ртр = ∆Р1 + ∆Р2, Па(19.5)
где, ∆Р1 – потеря давления на входе в трубки, в трубках, на выходе из них, Па;
∆Р2 – потеря давления на входе в выходной патрубок, Па.
(19.6)
Коэффициент сопротивления на входе в трубку принимаем ε1 = 0,5 d = 38×2 мм, Re = 4238,19.
Относительная шероховатость:
(19.7)
Размер выступов шероховатости принимаем равным 0,1 мм.
Коэффициент трения λ для Re = 4238,19 и l/d = 0,0029 находим
[7, с. 445], λ = 0,045.
Коэффициент сопротивления на входе из трубок принимаем 0,5 – εn.
(19.8)
(19.9)
∆Ртр = 117,98 + 572,3 = 690,28 Па;
∆Р = 3,43 + 690,28 = 693,71 Па.
Определение гидравлического сопротивления межтрубного пространства подконтактного холодильника [1, с. 446, рис. 3]:
(19.10)
где, D – внутренний диаметр кожуха, м;
n – число перегородок в межтрубном пространстве;
ω – скорость движения жидкости, м/с;
dэ – эквивалентный диаметр межтрубного пространства, dэ = 0,0334;
ρ – плотность жидкости, кг/м3;
λ – коэффициент трения, λ = 0,6 [1, с. 446].
Затраты давления на подъем охлаждающей жидкости:
(19.11)
∆Pпод = 
= 112304,88 Па;
∆Р = ∆Рм.тр. + ∆Рпод. = 26,42 + 112304,88 = 112331,3 Па. (19.12)
МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
Цель расчета – определение размеров отдельных элементов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию аппарата за счет установочной механической прочности, плотности расчетных соединений, устойчивости к сохранению формы и необходимой долговечности.
Дата: 2019-05-28, просмотров: 192.
