Расчет конденсатора-холодильника в производстве бензола

где ri – удельная теплота конденсации i-того компонента пара, кДж/кг или Дж/кг.

yi – массовая доля i-того компонента в паре;

p – число компонентов в паре.

Удельная теплота конденсации компонентов пара при температуре tп=82,93˚С:

r1=393 кДж/кг; r2=378 кДж/кг;

rсм=393·0,985+0,015·378=392,75 (кДж/кг).

Тогда тепловая нагрузка аппарата Q

                                            Q=Gп·rсм+Gп·c_см+(tw-tвыхода)                         (8)

Где Gп – массовый расход пара, кг/с;

rсм – удельная теплота конденсации пара, кДж/кг или Дж/кг.

Q=2,78·392,75+2,78·2034,5·(80,06-40)=1357,4 кВт.

Расход воды Gв, необходимый для конденсации пара:

Gв=Q/св·(tвыхода-tвхода);

Gв=1357,4/4,18·(40-25)=21,6 кг/с.

                                                    Qб,т=Gп·rсм;                                                (9)

                                               Qв=Gв·св·(tвыход-tх).                                      (10)

Приравнивая уравнения (9) и (10), получаем tx:

tх=40-2,78·392,75/21,6·4,18=27,9˚С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение средней  разности температур между теплоносителями. Расчет площади поверхности

 

 

 

Рис. 4.1. Схема движения теплоносителей.

 

Разделяем схему на две  зоны. I зона – зона конденсации паровой фазы, II зона – зона охлаждения образовавшегося конденсата пара.

Расчет площади  поверхности для I зоны

∆tб=80-27,9=52,1˚С;

∆tм=86-40=46˚С;

∆tср=(52,1+46)/2=49,05˚С.

∆t`=(86+80)/2=83˚С,

∆t=∆t`-∆tср;

∆t=83-49,05=33,95˚С.

Ориентировочно принимаем  коэффициент теплопередачи равным Kор=345 Вт/(м²·К).

Ориентировочная площадь  поверхности теплопередачи FорI, необходимая для конденсации пара: 
                                                    Fор=Q/(Кор·∆t);                                                 (11) 
                                         FорI=1092·10³/(345·33,95)=93,23м²

Расчет площади  поверхности для II зоны

∆tб=80-27,9=52,1˚С;

∆tм=40-25=15˚С;

∆tср=(52,1-15)/[ln(52,1/15)] =29,92˚С.

∆t`=(27,9+25)/2=26,45˚С,

∆t=∆t`+∆tср;

∆t=29,92+26,45=56,37˚С.

Ориентировочно принимаем коэффициент теплопередачи равным Kор=240 Вт/(м²·К).

Ориентировочная площадь  поверхности теплопередачи FорI, необходимая для конденсации пара рассчитывается по формуле (11)     

                                       FорII =1092·10³/(240·56,37)=16,74м²

Общая ориентировочная  площадь поверхности теплопередачи Fобщ:

                                               Fобщ= FорI+ FорII                                           (12)

Fобщ=93,23+16,74=109,97 м².

 

Таблица 4.1

Свойства теплоносителя и хладоагента

 

Свойство	Размерность	Теплоноситель	Хладоагент
tср	˚С	t1ср=83˚С	t2ср=33,95˚С
ρ	кг/м3	809,98	995
с	Дж/(кг·К)	2,0345	4180
μ	Па·с	0,30547·10-3	0,785·10-3
λ	Вт/(м·К)	0,1299	62·10-2
r	кДж/кг	392,75	-

 

 

 

Выбор теплообменника

В кожухотрубчатых аппаратах конденсирующийся пар проходит по межтрубному пространству, в котором обычно имеются поперечные перегородки. Охлаждающая вода или другой хладагент движется по трубам. Одноходовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными или горизонтальными. Вертикальные аппараты более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. Горизонтальные теплообменники обычно применяют многоходовыми и они работают при больших скоростях теплоносителей, чем вертикальные, чтобы свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и плотностей, а также устранить образование застойных зон.

По данным справочных таблиц выбираем конденсатор вариант 1, вариант 2 и вариант 3. Геометрические характеристики аппаратов занесены в табл. 11. Ориентировочная масса аппаратов М, представленная в табл. 11, взята из [8, с. 56].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 4.2

Конструктивные  характеристики кожухотрубчатых

Теплообменников

 

Характеристики	Вариант 1	Вариант 2
1. Диаметр кожуха D, мм	800	600
2. Диаметр труб d, мм	25х2	25х2
3. Число ходов z	6	2
4. Площадь сечения  одного  хода по трубам f, м2	0,022	0,042
5. Длина труб L, м	4,0	6,0
6. Площадь поверхности  теплопередачи F, м2	121	113
7. Число труб n	384	240
8. Ориентировочная масса  аппарата М, кг	3950	3130

 

 

Скорость-воды в трубах теплообменников:

                                                W=Gв(ρв·fтр),                                            (12)  

где Gв – расход воды, необходимый для конденсации пара, кг/с;

       ρв – плотность воды при температуре 27,9˚С;

       fтр – площадь сечения одного хода по трубам, м2.      

для варианта 1                           W1=21,6(990·0,022)=0,99м/с;

для варианта 2                           W2=21,6(990·0,042)=0,52м/с.

 

Расчет варианта 1

Коэффициент теплоотдачи от пара к трубам α1 при пленочной конденсации пара и ламинарном отекании пленки конденсата для вертикального аппарата рассчитывается по уравнению (13), а для горизонтального - по уравнению (14) [8, с. 53]:

 

где dн - наружный диаметр труб;

n - число труб;

ε - коэффициент, зависящий от числа  труб;

при n ≤ 100, ε = 0,7; при n > 100, ε = 0,6.

Теплофизические характеристики конденсата λ, ρ, μ рассчитываются при средней температуре конденсации пара tп=83°С.

Плотность пленки конденсата р определяется из соотношения

                                                                                      (15)

где ρi - плотность компонентов конденсата при tп=83°С [2,с.512];

ρ1 = 810 кг/м³, ρ2 =804 кг/м³

1/р = 0,99/810 + 0,01/804 = 0,0012346 м³/кг,

откуда ρ = 1 / 0,0012346 =809,98 кг/м³.

Вязкость пленки конденсата μ рассчитывается по формуле

                                       (16)

где μi - вязкость компонентов конденсата [2, е. 556 или 4];

хi - мольные доли компонентов в конденсате; в случае полной конденсации пара хi = уi.

 

Вязкость компонентов конденсата:

μ1 = 0,305·10^-3 Па·с, μ 2 = 0,308·10^-3 Па·с,

lgμ =0,99·lg0,305·10^-3+0,01·lg0,308·10^-3 =-3,6638,

откуда μ= 0,30547·10^-3 Па·с.

Коэффициент теплопроводности пленки конденсата λ рассчитывают приближенно по формулам (17) и (18) и в дальнейших расчетах используют меньшее значение λ . [10].

                                              (17)

                                              (18)

где λi- коэффициенты теплопроводности компонентов конденсата [2, с. 561].

λ1 =0,13 Вт/(м·К);

λ2=0,1225 Вт/(м·К);

λ`=0,99·0,13+0,01·0,1225=0,1299 Вт/(м·К);

λ``=0,985·0,13+0,015·0,1225=0,1298 Вт/(м·К);

Принимаем λ=λ``=0,1298 Вт/(м·К).

Коэффициент теплоотдачи  от пара к трубам для вертикального  аппарата   α'1 верт в соответствии с уравнением (13):

α'1, верт =3,78·0,1299· =959,7 Вт/(м²·К);

Для горизонтального-аппарата коэффициент  теплоотдачи от пара к трубам α '1 гор в соответствии с уравнением (14)

α'1, гор =2,02·0,6·0,1299· =1912 Вт/(м²·К);

Величина критерия Рейнольдса для  воды:

Rе=w·dвн·ρв/μв,                                               (19)

где dвн - внутренний диаметр труб, м.

Rе=0,99·0,021·970/0,34·10^-3=59312,6>10⁴=>

=> турбулентное течение.

Коэффициент теплоотдачи  от труб к воде α2 при устойчивом турбулентном течении (Rе > 10000 ) рассчитывается из соотношения (20) [8, с. 49]:

            (20)

где dэкв - эквивалентный диаметр канала; при движении по трубам (dэкв равен внутреннему диаметру трубы dвн.

Из уравнения (20) величина α2

                (21)

В уравнениях (20) и (21) физические величины, входящие в критерии Рейнольдся и Прандтля, берутся при средней температуре жидкости tср = 27,9˚С. Физические величины, входящие в критерий Ргст, берутся при температуре стенки со стороны жидкости tст2.

Температура tст2 еще неизвестна, поэтому в первом приближении принимаем отношение (Рг/Ргст)^0,25=1,0. Величину этого отношения уточним последующим расчетом.

Из табл. 10 значение Рг = 5,5.

Величина α2

α2=0,023·(0,618/0,021)·59312^0,8·5,5^0,4 = 8813,7 Вт/(м²·К)

Принимаем термическое сопротивление  со стороны конденсирующегося пара органических веществ r1=1/11600=0,00009 (м²·К)/Вт, а со стороны воды г2=1/1860=0,00054 (м²·К)/Вт [8, с. 48].

Для легированной стали коэффициент  теплопроводности λст =17,5 Вт/(м·К) [2, с.529]. Тогда термическое сопротивление  стенки

rст=δст/λст=2·10^-3/17,5=0,000114 (м²·К)/Вт

(δст – толщина стенки  труб теплообменника).

Сумма термических сопротивлении  г;..

                                       (22)

Коэффициенты теплопередачи  для вертикального К'верт и горизонтального  К'гор аппаратов:

К'верт= .                                         (23)

 

К'верт=

=735,3 Вт/(м²·К).

 

К'гор= .                                         (24)

К'верт=

=339,6 Вт/(м²·К).

 

Расчетная площадь поверхности  теплопередачи для вертикального F'расч, верт и горизонтального F'расч, гор аппарата:        

F'расч,верт=Q/(К'верт·∆tср);

F'расч,верт=1092·10³/(735,3·33,95)=43,74 м²;

F'расч,гор=Q/(К'гор·∆tср);

F'расч,гор=1092·10³/(339,6·33,95)=94,71 м².

Для вертикального аппарата запас площади поверхности теплопередачи ∆'верт значительно меньше номинального нормализованного аппарата Fнорм=121м², поэтому следует отказаться от варианта установки вертикального аппарата.

Для горизонтального аппарата запас площади поверхности теплопередачи ∆'гор определяется по уравнению:

                              (25)

Такой запас площади  поверхности теплопередачи является допустимым. Рассчитываем температуру  стенок со стороны пара t`ст1 и воды t`cт2 для горизонтального аппарата из соотношения (26) для поверхностной плотности теплового потока

q=Q/F=K`гор·∆tср= α`1гор(tп-tст1=α2(tст2-tср),                       (26)

откуда:

t'ст1=tп - K'гор·∆tср/α'1,гор;

t'ст1=83-339,6·33,95/1912=77°С;

t'ст2=tср - K'гор·∆tср/α2;

t'ст2=27,9+339,6·33,95/8813,7=29,2°С.

Разность температур ∆t между паром и стенкой

∆t=tп- t'ст1=83-77=6°С<40°С

Значение ∆t не превышает 40°С, поэтому уточнять температуру пленки конденсата t'пл и рассчитывать коэффициент теплоотдачи от пара к стенке при новом значений температуры пленки конденсата не требуется.

t'пл=0,5(83+77)=80°С.

Проверим ранее принятое допущение (Рr/Рrст)^0,25=1,0. Критерий Прандтля при температуре стенки tст. Величина (Рr/Рrст)^0,25=1,03 близка к единице, поэтому в расчет коэффициента теплоотдачи от стенок труб к воде α2 корректировок вносить не требуется.

Для проверки правильности выполненных расчетов из соотношения (26) найдем поверхностную плотность тепловых потоков со стороны-  пара

q`=α1,гор·(tп-tст1), со стороны воды q``=α2·(tст2-tср) и передаваемую от пара к воде q```=Kгор·∆tср.

 

q`=1912·(83-77)=11472 Вт/м²;

q``=8813,7·(29,2-27,9)=11457,81 Вт/м²;

q```=339,6·33,95=11529 Вт/м².

Расхождение величин q` и q`` со значением q```:

,                                          (27)

                                             (28)