Процесс абсорбции аммиака из воздушкой смеси водой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА – ХОЛОДИЛЬНИКА АБСОРБЕНТА.

 

 

7.1 Выбор кожухотрубчатого  теплообменника – холодильника  абсорбента.

 

Кожухотрубчатые теплообменные  аппараты  могут  использоваться  в  качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей.

Теплообменники предназначены  для нагрева и охлаждения, а холодильники — для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладоагентом) жидких и газообразных сред. В соответствии с ГОСТ 1512(1-79 и ГОСТ 15122—79 кожухотрубчатые теплообменники и холодильники могут быть двух типов: Н - с неподвижными трубными решетками и К с линзовым компенсатором неодинаковых температурных удлинений кожуха и труб. Наибольшая допускаемая разность температур кожуха и труб для аппаратов типа Н может составлять 20— 60 град, в зависимости от материала кожуха и труб, давления в кожухе и диаметра аппарата.

Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально  или вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников - также и из латуни. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали.

Стандартный двухходовый по трубному пространству кожухотрубчатый холодильник

1 – крышка распределительной  камеры; 2 - распределительная камера;         3 – кожух; 4 – теплообменные трубы; 5 – перегородка с сегментным  вырезом;         6 –  линзовый компенсатор; 7 – штуцер; 8 – крышка.

Кожухотрубчатые конденсаторы предназначены для конденсации  паров в межтрубном пространстве, а также для подогрева жидкостей  и газов за счет теплоты конденсации  пара. Они могут быть с неподвижной  трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15121—79. конденсаторы могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. От холодильников они отличаются большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство.

В кожухотрубчатых испарителях  в трубном пространстве кипит  жидкость, а в межтрубном пространстве может быть жидкий, газообразный, парообразный, парогазовый или газожидкостной теплоноситель. Согласно ГОСТ 15119— 79 эти теплообменники могут быть только вертикальными одноходовыми, с трубками диаметром 25х2 мм Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе.

Применение кожухотрубчатых  теплообменников с температурным  компенсатором на кожухе (линзовый компенсатор ограничено предельно допустимым давлением в кожухе, равным 1,6 МПа). При большем давлении в кожухе (1.6 - 9 МПа) следует применять теплообменники с плавающей головкой или с U-образными трубами.

Кожухотрубчатые конденсаторы с плавающей головкой (ГОСТ 14247-79) отличаются от аналогичных теплообменников большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство. Допустимое давление охлаждающей среды в трубах до 1,0 MПa, в межтрубном пространстве—от 1,0 до 2,5 МПа. Эти аппараты могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Диаметр кожуха от 600 до 1400 мм, высота труб 6,0 м.

Теплообменники с U-образными  трубами применяют для нагрева и охлаждении жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Они рассчитаны на давление до 6.4 МПа, отличаются от теплообменников с плавающей головкой менее сложной конструкцией (одна трубная решетка, нет внутренней крышки), однако могут быть лишь двухходовыми, из труб только одного сортамента: 20х2 мм.

Кожухотрубчатые испарители с трубными пучками из U-образных труб или с плавающей головкой имеют паровое пространство над кипящей в кожухе жидкостью. В этих аппаратах, всегда расположенных горизонтально, горячий теплоноситель (в качестве которого могут быть использованы газы, жидкости или пар) движется по трубам.

 

 

7.2 Тепловой расчет холодильника абсорбента.

 

Определяем тепловую нагрузку Q теплообменного аппарата в соответствии с заданными условиями. Тепловой поток, необходимый для нагрева или охлаждения заданного расхода теплоносителя, равен:

Q=V × c× (t -t ),(7.1)

где V - расход теплоносителя, кг/с;

с - удельная теплоемкость теплоносителя, Дж (кг-К);

t , t ^- начальная и конечная температуры теплоносителя, °С.

Q= 0,8× 1026× (85-25)= 49248 (Вт)

На основании уравнения теплового баланса Q =Q определяем расход воды:

V = , (7.2)

где - удельная теплоемкость воды;

 и  - начальная и конечная температуры воды.

(кг/с)

Находим среднелогарифмическую  разность температур теплоносителей при противоточном направлении. Учитывая, что разности температур различаются менее чем в два раза, находим ее как среднее арифметическое:

;  (7.3)

°С.

Предварительно определяем ориентировочное значение площади поверхности теплопередачи по уравнению теплопередачи:

(7.4)

Где - ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, полученное практически для различных случаев теплообмена [3], Вт(м²×К);

(м²).

Теплообменники с близкой  поверхностью теплопередачи имеют  диаметр кожуха D=159…273 мм. Для выбора теплообменника примем ориентировочное значение критерия Рейнольдса , что соответствует ламинарному режиму течения в трубах. Такой режим возможен в теплообменниках, у которых число труб, приходящихся на один ход, равно

, (7.5)

где - внутренний диаметр труб теплообменника, - вязкость теплоносителя (0,000598 кПа×с, [3, c. 514], n – число труб, z – число ходов;

для 20х2:

;

для 25х2:

Целесообразно провести уточненный расчет следующих вариантов:

1. D = 159, 20х2, z = 1, n/z = 19/1 = 19;

2. D = 159, 25x2, z = 1, n/z = 13/1 = 13;

3. D = 273, 25x2, z = 1, n/z = 37/1 = 37.

Проведем уточненный расчет поверхности теплопередачи.

Вариант 1.

D = 159, 20х2, z = 1, n/z = 19/1 = 19.

Определяем критерий Рейнольдса и Прандтля:

; (7.6)

;

; (7.8)

.

Коэффициент теплоотдачи  к жидкости, движущейся по трубам ламинарно:

(7.9)

,  (7.9)

где - вязкость воды при температуре стенки ( примем равной 55°С)

 Вт/(м²×К).

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между  перегородками  м² ([4], с.52), тогда

В соответствии с формулой нахождения коэффициента теплоотдачи  к жидкости, движущейся в межтрубном пространстве [4]:

 Вт(м²×К)

В соответствии с таблицей 2.2 [4] примем термические сопротивления одинаковыми, равными м²×К/Вт. Коррозионная активность воды диктует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной Вт/(м²×К). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:

; (7.10)

(м²×К/Вт).

Коэффициент теплопередачи  равен:

; (7.11)

 (Вт/м²×К).

Требуемая поверхность  теплообмена составит

 (м²)

Из таблицы 2.3 [4] следует, что из выбранного ряда не подходит ни один теплообменник.

 

Вариант 2.

D = 159, 25x2, z = 1, n/z = 13/1 = 13.

;

.

 Вт/(м²×К).

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками м² ([4], с.52), тогда

 Вт/(м²×К).

 Вт(м²×К)

 

В соответствии с таблицей 2.2 [4] примем термические сопротивления одинаковыми, равными м²×К/Вт. Коррозионная активность воды диктует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной Вт/(м²×К).

(м²×К/Вт).

Коэффициент теплопередачи равен:

(Вт/м²×К).

Требуемая поверхность  теплообмена составит

 (м²)

Из таблицы 2.3 [4] следует, что из выбранного ряда не подходит ни один теплообменник.

 

Вариант 3.

3. D = 273, 25x2, z = 1, n/z = 37/1 = 37.

;

.

 Вт/(м²×К).

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между  перегородками  м² ([4], с.52), тогда

 Вт/(м²×К).

 Вт(м²×К)

В соответствии с таблицей 2.2 [4] примем термические сопротивления одинаковыми, равными м²×К/Вт. Коррозионная активность воды диктует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной Вт/(м²×К).

(м²×К/Вт).

Коэффициент теплопередачи  равен:

(Вт/м²×К).

Требуемая поверхность  теплообмена составит

 (м²)

Из таблицы 2.3 [4] следует, что из выбранного ряда подходит теплообменник с трубами длинной 3 м и номинальной поверхностью 9 м², при этом запас будет равен:

Масса теплообменника – 649 кг.

 

Рассмотрим дополнительный вариант 4.

D = 325, 25х2, z = 2, n/z = 56/2 = 26

;

.

 Вт/(м²×К).

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между  перегородками  м² ([4], с.52), тогда

 Вт/(м²×К).

 Вт(м²×К)

В соответствии с таблицей 2.2 [4] примем термические сопротивления одинаковыми, равными м²×К/Вт. Коррозионная активность воды диктует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной Вт/(м²×К).

(м²×К/Вт).

Коэффициент теплопередачи  равен:

(Вт/м²×К).

Требуемая поверхность  теплообмена составит

 (м²)

Из таблицы 2.3 [4] следует, что из выбранного ряда подходит теплообменник с трубами длинной 2 м и номинальной поверхностью 9 м², при этом запас будет равен:

Масса теплообменника кг.

Масса этого теплообменника на 99 кг меньше массы теплообменника в варианте 3 при меньшей длине трубы, имея при этом немного меньший запас поверхности.

 

 

7.3 Гидравлический расчет холодильника абсорбента

 

В гидравлическом расчете  кожухотрубчатого теплообменника определяем гидравлическое сопротивление его трубного и межтрубного пространства; определяем диаметры штуцеров и рассчитываем в них скорости потоков. Для расчета выбираем два конкурентоспособных варианта теплообменника – варианты №3 и 4.

 

Вариант 3.

Гидравлическое сопротивление  в трубном пространстве ∆p_тр рассчитываем по формуле:

_{,  (7.12)}

где    - коэффициент трения; z - число ходов; - длина труб, м; - эквивалентный диаметр, м; - скорость потока теплоносителя, м/с; - плотность теплоносителя; - коэффициент местного сопротивления.

 

В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее три поворота на  180°, четыре входа в трубы и четыре выхода из них.

 - входная и выходная камеры;

-   поворот между ходами;

- вход в трубы и выход  из них.

Таким образом,  формула  приобретает вид:

 

  (7.13)                         

Скорость течения жидкости в трубах рассчитываем по формуле:

 

 (7.14) 

(м/с).

Коэффициент трения при изотермическом ламинарном режиме течения в трубах рассчитывается по формуле:

;  (7.15)

Диаметр штуцеров в распределительной  камере м [4]. Рассчитаем скорость в штуцерах:

м/с.

Гидравлическое сопротивление  в трубном пространстве равно:

 Па.

В межтрубном пространстве сопротивление рассчитываем по формуле:

;  (7.16)

где - скорость потока в межтрубном пространстве, м/с; 

- скорость потока в штуцерах межтрубного пространства, м/с;