IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Одной из наиболее распространенных групп процессов в химической технологии являются теплообменные процессы, в результате которых происходит перенос тепла от более нагретого тела (среды) к менее нагретому телу (среде) из-за разности температур между ними. Теплообменные процессы проводятся путем подвода или отвода тепла, а применяются для охлаждения или нагревания и для конденсации или испарения. Подвод и отвод тепла проводятся за счет специальных сред, называемых теплоносителями, разделяемых на греющие агенты и хладагенты. Эти процессы проводятся в аппаратах, называемых теплообменниками, которые в зависимости от назначения делятся на холодильники, нагреватели, конденсаторы и испарители.

В данной работе рассматривается теплообменник-конденсатор, применяемый в качестве дефлегматора в составе ректификационной установки. В этом аппарате происходит поверхностная конденсация, при которой конденсация паров происходит на внутренней или внешней поверхности холодной стенки, разделяющей теплоносители.

На рис.1 представлена технологическая схема конденсации паровой смеси.

Рис. 1. Технологическая схема установки: D1 – дистиллят; D2 – пары дистиллята ; F1 – флегма; В4 – вода для охлаждения; В5 – вода на охлаждение. Остальные пояснения в тексте.

Пары дистиллята из ректификационной установки поступают в теплообменник-дефлегматор (Д), в котором конденсируются, а конденсат подается в распределитель (Р). Часть конденсата возвращается в колонну в качестве флегмы, а основная часть уже как дистиллят направляется в холодильник для дальнейшего охлаждения, а затем попадает в сборную емкость (Е2). Охлаждение в дефлегматоре и холодильнике происходит за счет воды, которая подается из специальной емкости (Е1) при помощи центробежного насоса (Н1). После прохождения теплообменников вода отводится на охлаждение и вновь поступает в емкость Е1. Расход паров, конденсата и воды устанавливается регулировочными вентилями (ВР) и может быть прекращено при помощи запорных вентилей (ВЗ).

Цель данной работы заключается в расчете и выборе рассматриваемого дефлегматора. Расчет будем проводить на основании следующих данных:

Расход паров G₁= 6,4 т/ч или 1,778 кг/с;

Массовая концентрация легколетучего компонента в паре: = 89 %;

Начальная температура охлаждающей воды: t_2н = 15 ^оС.

Конечная температура охлаждающей воды: t_2к = 29 ^оС.

Свойства конденсируемой паровой смеси и конденсата

1. Переводим массовую концентрацию легколетучего компонента в паре в мольную:

,

где М_А, М_В - молярные массы хлороформа и бензола соответственно.

М_А = 119,38 г/моль;

М_В = 78,11 г/моль.

2. Определим температуру конденсации смеси при Х₀ = 0,842:

^оС,

где t₁, t₂ - температуры конденсации смеси при содержании легколетучего компонента, равного Х₁ и Х₂ соответственно [2].

t₁ = 71,9 ^оС при Х₁ = 80 мол. %;

t₂ = 68,9 ^оС при Х₂ = 90 мол. %.

^оС.

3. Определяем теплоту парообразования смеси при t_{конд.см.} = 70,64 ^оС.

- для хлороформа:

где r₁, r₂ - теплота конденсации хлороформа при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

r₁ = 247,6 кДж/кг при t₁ = 60 ^оС;

r₂ = 231,3 кДж/кг при t₂ = 100 ^оС;

кДж/кг;

- для бензола:

,

где r₁, r₂ - теплота конденсации бензола при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

r₁ = 408,5 кДж/кг при t₁ = 60 ^оС;

r₂ = 379,2 кДж/кг при t₂ = 100 ^оС;

кДж/кг;

Тогда:

r_{конд.см.} = Х₀ ∙ r_А + (1 - Х₀) ∙ r_В = 0,842 ∙ 243,264 + (1 - 0,842) ∙ 400,706 =

= 268,14 кДж/кг.

4. Определяем теплопроводность конденсата при t_{конд.см.} = 70,64 ^оС.

- для хлороформа:

,

где λ₁, λ₂ - теплопроводность хлороформа при температуре t₁ и t₂ соответственно [3].

λ₁ = 0,142 Вт/(м∙^оС) при t₁ = 0 ^оС;

λ₂ = 0,0919 Вт/(м∙^оС) при t₂ = 100 ^оС;

Вт/(м∙^оС);

- для бензола:

,

где λ₁, λ₂ - теплопроводность бензола при температуре t₁ и t₂ соответственно [3].

λ₁ = 0,138 Вт/(м∙^оС) при t₁ = 60 ^оС;

λ₂ = 0,134 Вт/(м∙^оС) при t₂ = 80 ^оС.

Вт/(м∙^оС);

Тогда:

λ_{конд.см.} = Х₀ ∙ λ_А + (1 - Х₀) ∙ λ_Б = 0,842 ∙ 0,107 + (1 – 0,842) ∙ 0,136 = 0,111 Вт/(м∙^оС)

5. Определяем плотность конденсата при t_{конд.см.} = 70,64 ^оС.

- для хлороформа:

,

где ρ₁, ρ₂ - плотность хлороформа при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

ρ₁ = 1411 кг/м³ при t₁ = 60 ^оС;

ρ₂ = 1380 кг/м³ при t₂ = 80 ^оС.

кг/м³;

- для бензола:

,

где ρ₁, ρ₂ - плотность бензола при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

ρ₁ = 836 кг/м³ при t₁ = 60 ^оС;

ρ₂ = 815 кг/м³ при t₂ = 80 ^оС.

кг/м³;

Тогда:

кг/м³.

6. Определяем вязкость конденсата при t_{конд.см.} = 70,64 ^оС.

-для хлороформа:

,

где μ₁, μ₂ - вязкость хлороформа при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

μ₁ = 0,39∙10^-3 Па∙с при t₁ = 60 ^оС;

μ₂ = 0,33∙10^-3 Па∙с при t₂ = 80 ^оС.

Па∙с;

- для бензола:

где μ₁, μ₂ - вязкость бензола при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

μ₁ = 0,39∙10^-3 Па∙с при t₁ = 60 ^оС;

μ₂ = 0,316∙10^-3 Па∙с при t₂ = 80 ^оС.

Па∙с,

Тогда:

lg(μ_{конд.см.}) = Х₀ ∙ lg(μ_хлф) + (1 - Х₀) ∙ lg(μ_бенз)

lg(μ_{конд.см.}) = 0,842 ∙ lg(0,358 ∙10^-3) + (1 - 0,842)∙ lg(0,351 ∙10^-3)

μ_{конд.см.} =0,356 ∙10^-3Па∙с.

Свойства охлаждающей воды при средней температуре

1. Определяем среднюю температуру воды:

^оС

2. Определяем плотность воды при t_2ср = 22 ^оС:

,

где ρ₁, ρ₂ - плотность воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

ρ₁ = 998 кг/м³ при t₁ = 20 ^оС;

ρ₂ = 992 кг/м³ при t₂ = 40 ^оС.

кг/м³

3. Определяем теплопроводность воды при t_2ср = 22 ^оС:

,

где λ₁, λ₂ - теплопроводность воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

λ₁ = 0,593 Вт/(м∙^оС) при t₁ = 20 ^оС;

λ₂ = 0,611 Вт/(м∙^оС) при t₂ = 30 ^оС.

Вт/(м∙^оС),

4. Определяем вязкость воды при t_2ср = 22 ^оС:

,

где μ₁, μ₂ - вязкость воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

μ₁ = 1,0∙10^-3 Па∙с при t₁ = 20 ^оС;

μ₂ = 0,801∙10^-3 Па∙с при t₂ = 30 ^оС.

∙10^-3Па∙с

5. Определяем теплоемкость воды при t_2ср = 22 ^оС:

,

где с₁, с₂ - теплоемкость воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

с₁ = 4190 Дж/(кг∙ ^оС) при t₁ = 20 ^оС;

с₂ = 4180 Дж/(кг∙ ^оС) при t₂ = 30 ^оС;

Дж/(кг∙^оС),

Основные размеры теплообменника

1. Рассчитываем тепловую нагрузку аппарата:

Q = r_{конд.см} ·G₁,

где G₁ – расход паров, кг/с; r_{конд.см} – теплота конденсации парогазовой смеси при t_{конд.см.} = 70,64 ^оС, Дж/кг.

Q = 268140 · 1,778 = 476752,92 Вт

2. Определяем расход воды:

где с_воды – теплоемкость воды при t_2ср = 22 ^оС, Дж/(кг·^оС).

кг/с,

3. Определяем среднюю разность температур:

Δt_ср = 48,443 ^оС

4. Примем ориентировочное значение критерия Рейнольдса Re = 10000, что соответствует турбулентному режиму течения жидкости в трубах. Определяем скорость движения жидкости в трубах теплообменника:

,

где μ_воды – вязкость воды при 22 ^оС, Па∙с; ρ_воды - плотность воды при 22 ^оС, кг/м³; d_вн – внутренний диаметр труб, м.

Выбираем трубы наружным диаметром d_нар = 25 мм = 0,025 м и толщиной стенки δ = 2 мм = 0,002 м. Тогда:

d_вн = d_нар – 2 ∙ δ_ст = 0,025 - 2∙0,002 = 0,021 м;

м/с.

5. Определяем объемный расход воды для одной трубы:

V₁ = ω ∙ f,

где f – площадь сечения трубки, равная:

м².

Тогда:

V₁ = 0,458 ∙ 0,346 ∙ 10^-3 = 0,158∙ 10^-3 м³/с.

6. Определяем объемный расход воды для всех труб:

м³/с

7. Определяем общее число труб:

8. Определяем ориентировочное значение поверхности теплопередачи:

,

где К_ор - ориентировочное значение коэффициента теплопередачи от конденсирующегося пара органической жидкости к воде для вынужденного движения, принимаем равным 550 [1].

м².

9. По справочным данным [2] определяем основные параметры аппарата:

Диаметр кожуха D = 325 мм;

соотношение числа труб к числу ходов n/z = 62;

число ходов z = 1;

число трубок n = 62;

поверхность теплообмена F = 19,5м²;

длина трубок L = 4 м.

10. Определяем действительное значение критерия Рейнольдса:

11. Определяем коэффициент теплоотдачи от пара к воде, пренебрегая поправкой (Pr/Pr_ст)^0,25:

,

где Pr - критерий Прандтля, определяемый как:

Тогда

Вт/(м²∙^оС)

12. Определяем коэффициент теплопередачи от пара, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб:

,

где ε - поправочный коэффициент для горизонтальных труб, равный 0,7 для n 100 [2].

Вт/(м²∙^оС)

13. Находим сумму термических сопротивлений стенок трубок и загрязнений со стороны воды и пара:

,

где λ_ст - теплопроводность стенок трубок из нержавеющей стали, равная 17,5 Вт/(м²∙^оС) [2]; r_{загр.пар.}, r_{загр.вод.} - среднее значение тепловой проводимости загрязнений стенок со стороны паров конденсата и охлаждающей воды соответственно.

Принимаем следующие значения [2]:

Вт/(м²∙^оС) и Вт/(м²∙^оС)

∙10^-3 Вт/(м²∙^оС)

14. Определяем коэффициент теплопередачи:

Вт/(м²∙^оС)

15. Определяем требуемую площадь поверхности теплопередачи:

м²

Следовательно, выбранный аппарат подходит с запасом:

%

Произведем уточненный расчет площади поверхности теплопередачи.

16. Определяем температуру стенки с обеих сторон.

- со стороны воды:

^оС

- со стороны пара:

^оС

17. Определяем плотность воды при t_{ст.воды} = 35,259 ^оС:

где ρ₁, ρ₂ - плотность воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

ρ₁ = 998 кг/м³ при t₁ = 20 ^оС;

ρ₂ = 992 кг/м³ при t₂ = 40 ^оС.

кг/м³,

18. Определяем теплопроводность воды при t_{ст.воды} = 35,259 ^оС:

где λ₁, λ₂ - теплопроводность воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

λ₁ = 0,618 Вт/(м∙^оС) при t₁ = 30 ^оС;

λ₂ = 0,634 Вт/(м∙^оС) при t₂ = 40 ^оС.

Вт/(м∙^оС),

19. Определяем вязкость воды при t_{ст.воды} = 35,259 ^оС:

где μ₁, μ₂ - вязкость воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

μ₁ = 0,804∙10^-3 Па∙с при t₁ = 30 ^оС;

μ₂ = 0,657∙10^-3 Па∙с при t₂ = 40 ^оС.

Па∙с.

20. Определяем теплоемкость воды при t_{ст.воды} = 35,259 ^оС:

где с₁, с₂ - теплоемкость воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

с₁ = 4180 Дж/(кг∙ ^оС) при t₁ = 30 ^оС;

с₂ = 4180 Дж/(кг∙ ^оС) при t₂ = 40 ^оС;

Дж/(кг∙^оС),

21. Определяем критерий Прандтля при t_{ст.воды} = 35,259 ^оС:

22. Определяем коэффициент теплоотдачи от пара к воде с учетом поправки (Pr/Pr_ст)^0,25:

α₂ = 2336,883 Вт/(м²∙^оС).

23. Определяем теплопроводность конденсата при t_{ст.пара} = 90,987 ^оС.

- для хлороформа:

где λ₁, λ₂ - теплопроводность хлороформа при температуре t₁ и t₂ соответственно [3].

λ₁ = 0,142 Вт/(м∙^оС) при t₁ = 0 ^оС;

λ₂ = 0,0919 Вт/(м∙^оС) при t₂ = 100 ^оС.

Вт/(м∙^оС),

- для бензола:

где λ₁, λ₂ - теплопроводность бензола при температуре t₁ и t₂ соответственно [3].

λ₁ = 0,134 Вт/(м∙^оС) при t₁ = 80 ^оС;

λ₂ = 0,126 Вт/(м∙^оС) при t₂ = 100 ^оС.

Вт/(м∙^оС),

Тогда:

λ'_{конд.см.} = Х_0хлф ∙ + Х_0бенз∙ = 0,842∙0,0964 + (1-0,842)∙0,130

λ'_{конд.см.} = 0,102 Вт/(м∙^оС).

24. Определяем плотность конденсата при t_{ст.пара} = 90,987 ^оС.

- для хлороформа:

где ρ₁, ρ₂ - плотность хлороформа при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

ρ₁ = 1380 кг/м³ при t₁ = 80 ^оС;

ρ₂ = 1326 кг/м³ при t₂ = 100 ^оС.

кг/м³,

- для бензола:

где ρ₁, ρ₂ - плотность бензола при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

ρ₁ = 815 кг/м³ при t₁ = 80 ^оС;

ρ₂ = 793 кг/м³ при t₂ = 100 ^оС.

кг/м³,

Тогда:

кг/м³.

25. Определяем вязкость конденсата при t_{ст.пара} = 90,987 ^оС.

- для хлороформа:

где μ₁, μ₂ - вязкость хлороформа при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

μ₁ = 0,330∙10^-3 Па∙с при t₁ = 80 ^оС;

μ₂ = 0,290∙10^-3 Па∙с при t₂ = 100 ^оС.

Па∙с;

- для бензола:

где μ₁, μ₂ - вязкость бензола при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

μ₁ = 0,316∙10^-3 Па∙с при t₁ = 80 ^оС;

μ₂ = 0,261∙10^-3 Па∙с при t₂ = 100 ^оС.

Па∙с,

Тогда:

lg(μ'_{конд.см.}) = Х_0хлф ∙ lg(μ^’_хлф) + Х_0бенз∙ lg(μ^’_бенз)

lg(μ'_{конд.см.}) = 0,842 ∙ lg(0,308∙10^-3) + 0,158∙ lg(0,286 ∙10^-3)

μ'_{конд.см.} =0,304 ∙10^-3Па∙с.

26. Определяем поправочный коэффициент:

27. Определяем коэффициент теплопередачи от пара, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб:

α₁ = 1451,509

28. Определяем коэффициент теплопередачи:

Вт/(м²∙^оС)

29. Определяем требуемую площадь поверхности теплопередачи:

м²

Определяем запас площади поверхности теплопередачи:

%

30. В соответствии со справочными данными выбираем диаметр условного прохода штуцеров для трубного пространства. При диаметре кожуха D = 325 мм и при числе ходов по трубам z=1: d_шт.вх.=150мм [1].

Диаметр условного прохода штуцеров для межтрубного пространства d_шт.вых.=100 мм [1].

При длине труб L=4 м число сегментных перегородок n_пер = 10 [1], а расстояние между перегородками s = 180 мм [2].

Гидравлическое сопротивление теплообменника

1. Определяем скорость воды в трубках:

м/с

2. Определяем относительную шероховатость трубок:

,

где Δ - относительная шероховатость трубок, принимаем равной 0,2 мм = 0,0002 м [1];

.

3. Определяем коэффициент трения в трубках:

4. Определяем скорость воды в штуцерах:

м/с

5. Находим гидравлическое сопротивление аппарата:

ΔР_а =1151,930 Па

В результате проведенных расчетов были определены физико-химические свойства конденсируемой паровой смеси хлороформ–бензол и конденсата при температуре конденсации смеси t_{конд.см.} = 70,64 ^оС и физико-химические свойства охлаждающей воды при средней температуре t_2ср = 22 ^оС.

Была рассчитана требуемая поверхность теплопередачи F_тр = 16,357 м² и соотношения числа трубок к числу ходов n/z = 62 для аппарата с производительностью 1,778 кг/с. В соответствии с этими данными был выбран теплообменник со следующими основными характеристиками: диаметр кожуха D = 325 мм; число ходов z = 1; число трубок n = 62; поверхность теплообмена F = 19,5 м²; наружный диаметр трубок d_нар = 25 мм; толщина стенок трубок δ_ст = 2 мм. Также было рассчитано гидравлическое сопротивление аппарата ΔР_а = 1048,631 Па.

Список литературы

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Дытнерского Ю.И., М.: Химия. – 1991.- 496 с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, С – Пт.: Химия. – 1987. – 576 с.

3. Варгафтик Н.Б. Справочник по тепло – физическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука. – 1972. 720с.

4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия. – 1973. 754 с.

Код для цитирования: Скопировать