自制簡易換熱器換熱面積的計(jì)算——化工原理

1、簡易換熱器換熱面積的計(jì)算問題的提出:工藝流程圖循環(huán)冷卻水二甲苯攜水蒸汽逆流套管式換熱器冷凝器為柱形，總體積為5升，總長4 0 0 mm，內(nèi)置直徑為1 4mm的細(xì)直管。物料為二甲苯攜水蒸汽進(jìn)管層（14 0 21 0攝氏度），冷卻循環(huán)水（25攝氏度）進(jìn)殼層，最終收得2.7公斤的水，采用1.2公斤的二甲苯參與反應(yīng)，大概持續(xù)時(shí)間為9個(gè)小 時(shí)。設(shè)備材質(zhì)為3 0 4,無污垢層。套管冷凝器：內(nèi)管直徑為14mm（最好有壁厚，沒有也影響不大 ）外管直徑 125mm 管長 400mm套管環(huán)隙走循環(huán)水，水溫：25度管內(nèi)走二甲苯和水混合蒸汽：140-230度；蒸汽量為：2.7Kg水+1.2公斤二甲苯（69個(gè)小時(shí)）首先

2、我想知道目前這個(gè)冷凝器設(shè)計(jì)的換熱面積夠不夠？ 新冷凝器如何設(shè)計(jì)才合適?已知條件：1、 二甲苯蒸氣流量：1.2Kg/(6*3600)s;潛熱為360kj/kg;水蒸氣流量為：2.7 Kg/(6*3600)s;(甲苯水蒸氣流經(jīng)時(shí)間為 6h)2、 進(jìn)口溫度230E，出口蒸汽為100C(假設(shè)水蒸汽已經(jīng)完全冷卻為液態(tài)水);3、冷卻水進(jìn)口溫度為25C,水的比熱為4.18KJ/kg C ；4、 二甲苯水蒸汽冷凝給熱系數(shù)為10000w/ m2C;5、冷卻水殼層流速為1m/s，對流傳熱系數(shù)為1000w/m2C ;6、 查表得1atm,230C水蒸氣焓值為，2934.05KJ/Kg , 100 C水蒸氣焓值為26

3、46KJ/Kg , 100C 水的汽化潛熱為 2257.6KJ/Kg；解：求傳熱面積 A剖析冷凝過程：在230 C-140 C,二甲苯為氣相，冷凝傳熱系數(shù) 50w/ m 2C , 此 過 程 傳 熱 為 兩 個(gè) 狀 態(tài) 下 蒸 汽 的 焓 值 之 差 。 潛 熱 為 360kj/kg，Qi= Cm t,其中C為二甲苯比熱容。同樣水蒸氣過程：在230 C -100 C,水為氣相，冷凝傳熱系數(shù)100w/ n?C ，此 過程傳熱為兩個(gè)狀態(tài)下蒸汽的焓值之差。 潛熱為2257.6KJ/Kg100C氣體-100 C 液體此過程傳熱為汽化潛熱， 潛熱為 2257.6KJ/Kg。蒸汽釋放的熱量Q=Q甲苯+Q水

4、蒸氣Q二甲苯=Q二甲苯1+ Q二甲苯2+ Q二甲苯3Q二甲苯 2= H Wr=1.2Kg/(6*3600)s*260KJ/Kg=0.0144 KJ/s (具體焓值需要查詢化工數(shù)據(jù)手冊， 260KJ/Kg 為假設(shè)值);Q二甲苯 2=1 .2Kg/(6*3600)s*360KJ/Kg=0.02KJ/s;Q二甲苯3= Cm t=2.3* 1.2Kg/(6*3600)s*40=0.0005KJ/s(C值為二甲苯的比熱容，假設(shè)為 2.3KJ/kg C ) ;水蒸氣焓值變化：H= (HV2 HV1)2934.05 2646288.05KJ / KgQ水蒸氣 1=2.7Kg/ (6*3600)s*228.0

5、5KJ/Kg=0.029KJ/s( 汽-汽變化)100C水的汽化潛熱為 2257.6KJ/KgQ水蒸氣 2=2.7Kg/ (6*3600)s*2257.6KJ/Kg=0.2822KJ/s( 汽-液變化)Q=Q甲苯+Q 水蒸氣=0.0144+0.02+0.0005+0.029+0.2822=0.3461KJ/s由上式可知，熱量基本由水蒸氣提供，二甲苯只占很少一部分。為簡化問題，假設(shè) ：管層全部為氣體，給熱系數(shù)為10000w/ n2 C ；相態(tài)轉(zhuǎn)變溫度為140*1.2/3.9+100*2.7/3.9=112 C；由熱量衡算求冷卻水出口溫度 t2Q=W hr=WCCpc(t 2-t 0=0.461

6、X 103=W(X 4.18 X 103(t 2-20)假設(shè)1:冷卻水在殼層的流速為1m/s，冷卻水流量 Wc=S*v*p截面積 S=V/L-3.14/4*(0.014)A2=0.005m3/0.4m-3.14/4*(0.014)A2=0.0127m v=1m/s,p=1000Kg/m3wc=0.0127*1*1000=12.7Kg/s解得t2=20 C,基本不變。假設(shè) 2:冷卻水在殼層的流速為 0.1m/s ，冷卻水流量 Wc=S*v*p截面積 S=V/L-3.14/4*(0.014)A2=0.005m3/0.4m-3.14/4*(0.014)A2=0.0127m v=0.1m/s,p=10

7、00Kg/m3wc=0.0127*0.1*1000=1.27Kg/st2=20 C ,基本不變；T=112 C T=100C20C 20 Ctm=(92+80)/2=86 C假設(shè)冷卻水進(jìn)入管內(nèi)管內(nèi)作湍流流動(dòng)， 內(nèi)管管壁厚 1mm, 管壁熱阻和污垢熱阻忽 略不計(jì).1/K=1/ a o+(1/ a i )(d o/d i )=1/1000+(1/10000)(14/12)K=895.52(w/m2C )A=Q/(Kt m)=346.1/(895.52*86)=0.0045m 2實(shí)際換熱面積 A=3.14*0.014*0.4= 0.0176 m2所需面積人實(shí)際面積A ,換熱面積能滿足要求。出口均為液

8、體。若出口水可以為蒸汽狀態(tài)：則：Q=C二 甲苯+Q水 蒸氣=0.0144+0.02+0.0005+0.029=0.0639KJ/sA=Q/(KAt =63.9/(895.52*86)=8.3*10-4m?若出口可以為水蒸氣和甲苯液體，則換熱器也能滿足要求。由計(jì)算可知，在殼層冷卻水流量大于 0. 1 m /s ，冷介質(zhì)的溫度和流量已不是 主要控制因素。以上給熱系數(shù)和換熱過程存在大量假設(shè)，嚴(yán)格計(jì)算結(jié)果可能和假設(shè)條件下 的計(jì)算結(jié)果有些不同，但差別不會很大， 在滿足殼層冷卻水流量大于 0.1m/s 的 前提下，基本滿足換熱要求， 即使不滿足，不會差別很大，出口會有部分水蒸氣， 甲苯基本為液態(tài)。因此新的冷凝器可以考慮