KATEDRA TECHNOLOGII i APARATURY

PRZEMYSŁU CHEMICZNEGO i SPOŻYWCZEGO

ATR w BYDGOSZCZY

Projekt nr 2

Wymiennik ciepła do chłodzenia metanolu nitrobenzenu

od temperatury kondensacji do temperatury 30^oC.

Wykonawca:

semestr V, studia zaoczne

kierunek: ochrona środowiska

Bydgoszcz, styczeń 2003r.

1. Oznaczenia

c - naddatek grubości

c₁ - naddatek na minimalne odchylenie blachy

c₂ - naddatek na korozję

C_m - ciepło właściwe medium

C_w - ciepło właściwe wody

D_w - średnica wewnętrzna powłoki walcowej

d_w - średnica wewnętrzna rurek

D_z - średnica zewnętrzna powłoki walcowej

d_z - średnica zewnętrzna rurek

F - powierzchnia wymiany ciepła

g₀ - grubość ścianki

G_m - strumień masowy metylenu

G_w - strumień masowy wody

k - naprężenie dopuszczalne na rozrywanie

K - współczynnik wnikania ciepła

L - długość rurek wymiennika

Nu - liczba Nusselta

p_ow - ciśnienie obliczeniowe (wewnętrzne)

Pr - liczba Prandtla

Q - ilość ciepła wymieniana

Re - graniczna płynność na rozrywanie

Re - liczba Reynoldsa

s - przyrost korozji

t - temperatura

u_m - prędkość przepływu medium

u_w - prędkość przepływu wody

Xe - współczynnik bezpieczeństwa odniesiony do granicznej płynności

z_dop - współczynnik zakładu spawalnego

t_m - średnia różnica temperatur

 - współczynnik wnikania ciepła

 - lepkość

 - współczynnik przewodzenia ciepła

_w - współczynnik wytrzymałości wyoblenia

ρ_m - gęstość medium

ρ_w - gęstość wody

 - czas

2. Obliczenia

1. Założenia

Przyjmuję, że podgrzewanie metanolu będzie się odbywało w płaszczowo-rurkowym wymienniku ciepła wykonanym ze stali węglowej. W rurkach przepływać będzie metanol, a w przestrzeni międzyrurowej woda chłodząca.

2. Temperaturowe warunki procesu

Nitrobenzen: temperatura początkowa t_p = 64,5^oC

temperatura końcowa t_k = 30^oC

Woda: temperatura początkowa t_p =8^oC

temperatura końcowa t_k = 25^oC

3. Bilans cieplny

Dane:

C_wm = 2470J/kg deg

C_w = 4180J/kg deg

t_pm = 64,5^oC

t_km = 30^oC

t_pw = 8^oC

t_kw = 25^oC

G_m = 5,5t/h

4. Ilość rurek

Dane:

ρ_m = 756kg/m³

d_w = 0,012m

Przyjmuję prędkość u = 1m/s

Przyjmuję rurki φ = 16x12mm

Przyjmuję wg Hoblera ilość rurek n = 19

5. Średnica zastępcza przestrzeni międzyrurowej

Dane:

d_z = 16mm

d_w = 12mm

wg Hoblera: d/t = 4

Średnica obejmująca rury zewnętrzne

Przyjmuję 5mm odstępu rur od ściany płaszcza po każdej stronie

6. Prędkość przepływu wody

Dane:

G_w = 1,83kg/s

ρ_w = 998,2kg/m³

D_z = 0,01945m

7. Prędkość rzeczywista przepływu medium

Dane:

G_m = 1,52kg/s

ρ_m = 756kg/m³

fr = 0,000113m²

n = 19

8. Liczby Re, Pr, Nu i α

1. dla wody

Dane:

u_w = 0,28m/s

D_z = 0,01945m

ρ_w = 998,2kg/m³

η_w = 0,001Pa ^. s

λ_w = 0,598W/m deg

b) dla metanolu

Dane:

u_m = 0,93m/s

d_w = 0,012m

ρ_m = 756kg/m³

η_m = 3,5 ^. 10^-4Pa ^. s

C_wm = 2470J/kg^oC

λ_m = 0,205W/m deg

1. Współczynnik przenikania K

Dane:

α_m = 2239W/m² deg

α_w = 9446,55W/m² deg

S = 0,002m

λ_st = 46,5W/m deg

1/α_o = 0,000176m² deg/W

2. Powierzchnia wymiany ciepła

Dane:

t_pm = 64,5^oC

t_km = 30^oC

t_pw = 8^oC

t_kw = 25^oC

Q = 130189W

K = 1329W/m² deg

1. Logarytmiczna różnica temperatur

2. powierzchnia wymiany ciepła

Przyjmuję 25% rezerwę powierzchni wymiany ciepła.

1. Długość rurek

Dane:

F_c = 4,27m²

d_m = 0,014m - średni przekrój rurki

n = 19

2. Dobór materiału

Dobieram stal węglową St3S na płaszcz i rurki wg PN - 60/H - 86020.

3. Ciśnienie obliczeniowe

Dane:

p_h = 1,013⋅10⁵Pa

p_rw = 2,0MPa

4. Grubość ścianki płaszcza

Dane:

Re = 2,3⋅10⁸Pa

Xe = 1,65

α = 0,81/deg

z_dop = 0,8

D_z = 0,115m

p_ow = 21,013 ^. 10⁵Pa

c₁ = 0,0008m

c₂ = 0,001m

c₃ = 0m

s = 0,1mm/rok

 = 10lat

k - naprężenie dopuszczalne

Dla jednostronnego doczołowego złącza z podpawaniem przyjęto:

Zakładam, że
to wówczas a = 1

Rzeczywista grubość blachy:

gdzie: τ - czas użytkowy

s - szybkość korozji

gdzie: c₁ - naddatek grubości ze względu na minusową odchyłkę dla blach

c₂ - naddatek grubości ze względu na korozję

c₃ - naddatek grubości ze względu na dodatkowe naprężenia

Grubość blachy wynosi:

Przyjmuję znormalizowaną grubość ścianki g = 0,005m

5. Grubość ścianki den wyoblonych

Dane:

D_w = 0,114m

p_ow = 21,013⋅10⁵Pa

z = 0,8

k = 1,11⋅10⁸Pa

y_w = 2

c = 0,0018m

g = 0,005m

Przyjmuję znormalizowaną grubość ścianki g_d = 0,005m

6. Średnice króćca dla metanolu

Dane:

G_m = 1,52kg/s

ρ_m = 756kg/m³

u_m = 0,93m/s

Przyjmuję króciec o średnicy d = 0,055m

7. Średnica króćca dla wody

Dane:

G_w = 1,83kg/s

ρ_w = 998,2kg/m³

u_w = 0,28m/s

Przyjmuję króciec o średnicy d = 0,09m

8. Dna sitowe

Dane:

D_o = 0,088m

n = 19

t = 22mm - wg Hoblera

d_w = 0,012m

c = 0,0018m

Przyjmuję grubość dna sitowego g_s = 0,005m

9. Wzmocnienia dla otworów w wymienniku

Dane:

D_w = 0,114m

g = 0,005m

p_ow = 21,013⋅10⁵Pa

k = 1,11⋅10⁸Pa

a = 1

d_w = 0,012m

Największa średnica otworu nie wymagająca wzmocnienia równa się najmniejszej z trzech poniższych wartości:

1. 
   

z_r - współczynnik wytrzymałościowy powłoki osłabionej otworem

2. 
   

3. 
   

Wymiennik nie wymaga wzmocnień

1. Kompensacja cieplna wymiennika

Dane:

n = 19

d_z = 0,016m

d_w = 0,012m

D_w = 0,11mm

g = 0,005m

E = 2⋅10⁶kg/cm²

β = 0,0000121/deg

t_pm = 64,5^oC

t_km = 30^oC

t_pw = 8^oC

t_kw = 25^oC

Przekrój sumaryczny rurek

Przekrój płaszcza

E - moduł Younga przyjętego materiału E = 2⋅10⁶kg/cm²

β - współczynnik wydłużenia termicznego β = 0,0000121/deg

Temperatura średnia płaszcza

Temperatura średnia rurek

Naprężenia w rurkach

Naprężenia w płaszczu

Naprężenie dopuszczalne dla zastosowanego materiału wynosi σ_dop = 1000kG/cm², kompensacja cieplna wymiennika nie jest konieczna.

7