1. Тепловая схема и основные параметры.

Принимаем индекс «1» для горячего теплоносителя (насыщенного водяного пара), индекс «2» для холодного теплоносителя (уксусной кислоты).

Температура конденсации пара при р = 6 атм. равна 158,1 °С.

Тепловая схема процесса:

158,1 158,1

10 70

∆t_м=88,1° С ∆t_б=148,1° С

Средняя разность температур при противотоке теплоносителей:

∆t_ср=(∆t_б - ∆t_м)/[2,3·lg(∆t_б /∆t_м)]=(148,1-88,1)/[2,3·lg(148,1/88,1)]=115,5 °С.

Средняя температура кислоты:

t₂=t₁-∆t_ср =158, 1-115, 5=42,6 °С.

Массовый расход кислоты:

G₂=30000/3600=8, 33 кг/с;

Объемный расход кислоты:

V₂=G₂ /ρ₂=8, 33/1040=0, 0080 м³/с,

где ρ₂=1040 кг/м³ –плотность кислоты при t =42,6 ^о С . (табл.IV, стр.512 ).

Расход теплоты на нагрев кислоты:

Q= G₂·С₂ ·(t_2к –t_2н)=8, 33·2095·(70-10) = 1047081 Вт,

где С­₂=0,5·4,19·10³ = 2095 Дж/кг·К - средняя удельная теплоемкость ук сусной кислоты при t=42,6 С (рис.XI, стр. 562)

Расход водяного пара без учета потерь:

G₁=Q/r₁=1047081/2095·10³=0, 4998=0, 5 кг/с,

где r₁=2095·10³ Дж/кг – удельная теплота конденсации водяного пара при р=6 атм. (табл.LVII, стр. 549).

Объемный расход водяного пара:

V₁=G₁ /ρ₁=0,5/3,104=0,161 м³/с,

где ρ₁ =3,104 кг/ м³ - плотность водяного пара при р=6 атм. (табл.LVII, стр. 549).

Для расчета выбираем кожухотрубчатый теплообменник (ГОСТ 15120-79) с трубами 25х2 мм и теплообменник типа «труба в трубе» (ГОСТ 9930-78), изготовленный из труб 89х4 мм (наружная труба) и 57х3,5 мм (внутренняя труба).

2.Расчет кожухотрубчатого теплообменника.

Для обеспечения интенсивного теплообмена принимаем критерий Рейнольдса Re₂>10000.

Минимальная скорость движения кислоты:

w₂=Re₂μ₂ /(d₂·ρ₂)=10000·1,3·10^-3/(0,021·1040)=0,59 м/с,

где ₂=1,3·10^-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости кислоты при t=42,6C (табл. IX, стр. 517).

Выбираем одноходовый теплообменник внутренним диаметром 325 мм с числом труб n=62 и их длиной 2м и диаметром 25×2 мм по ГОСТ 15120-79.

Скорость движения кислоты и критерий Рейнольдса для такого теплообменника составляют:

w₂=V₂ /(0,785·d₂²·n)=0,0080/(0,785·0,021²·62)=0,37 м/с;

Re₂=w₂·d₂·ρ₂/μ₂=0, 37·0,021·1040/1, 3·10^-3=6216.

Критерий Прандтля для кислоты:

Pr₂=С₂ ·μ ₂ /λ ₂ =2095·1, 3·10^-3/0, 18=15, 13,

где λ₂=0,155·1,163=0, 18 Вт/м·К – коэффициент теплопроводности кислоты при t=42,6 ^оC (рис. Х, стр.561).

Критерий Нуссельта для кислоты (расчетная формула 4.17, стр.152):

Nu₂=0,021·Re₂^0,8·Pr₂^0,43·( Pr₂ / Pr_ст.2 )^0,25 · _l = 0,021 ·6216^0,8 ·15,13^0,43 =73,17

(отношение ( Pr₂ / Pr_ст.2 )^0,25 и коэффициент _l приняты равными 1).

Коэффициент теплоотдачи для кислоты:

α₂^`=Nu₂·λ₂ /d₂=73,17·0,18/0,021=627,17 Вт/м² ·К.

Коэффициент теплоотдачи для водяного пара (расчетная формула 4.54,стр. 162):

α₁=2,02* * =2,02·0,65·1147·(62·2/0,5)^1/3=9461,9 Вт/м²·К,

где =0,65 (при n_p=9 – число рядов труб по вертикали) для шахматного расположения труб;

=1147 – значение функции для водяного пара при температуре конденсации пара.

Термическое сопротивление стенки и загрязнений:

1/Σr_ст=1/r_загр.1+1/r_загр.2+d_ст./λ_ст.=1/5800+1/5800+0,002/46,5=2578,39 м²·К/Вт,

где 1/r_загр.1 = 5800 Вт/м²· К- тепловая проводимость загрязнений со стороны пара;

1/r_загр.2 = 5800 Вт/м²· К – тепловая проводимость загрязнений со стороны кислоты;

λ _ст =46,5 Вт/м·К- коэффициент теплопроводности стали.

Коэффициент теплопередачи:

К`=1/(1/ α₁+ Σr_ст+1/ α₂)=1/(1/9461,9+1/2578,9+1/627,1)=478,8 Вт/м²·К.

Поверхностная плотность теплового потока:

q`=K`·∆t_ср=478, 8·115,5=55301,4 Вт/м².

Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

F_p^`=Q/q=1047081/55301, 4=18, 93 м²;

Выбираем одноходовый теплообменник внутренним диаметром 325мм с числом труб n=62 и их длиной 4м и диаметром 25×2 мм, поверхность теплообмена F=19,5 м² и сечением трубного пространства S₁=2,9·10^-2 м² по ГОСТ 15120-79.

С учетом длины труб L=4м пересчитаем значения коэффициента теплоотдачи для пара, коэффициента теплопередачи, поверхностной плотности теплового потока и расчетной поверхности.

α₁=2,02* * =2,02·0,65·1147·(62·4/0,5)^1/3=11921,3 Вт/м²· К;

К=1/(1/ α₁+ Σr_ст+1/ α₂)=1/(1/11921,3 +1/2578,39+1/627,17)= 484 Вт/м²· К;

q=K·∆t_ср=484·115, 5=55902 Вт/м²;

F_p=Q/q=1047081/55902=18,73 м².

Число аппаратов:

N= F_p / F= 19,5/18,73=1,05

Принимаем N=1 шт.

Запас поверхности теплообмена:

·100%=(19,5-18,73)/18,73·100%=4,11 %.

Масса аппарата М=820 кг.

Металлоемкость ~ 54,7 кг\м² поверхности теплообмена.

Цена аппарата 900 руб.