В данной работе рассматривается процесс конденсации паров дистиллята, отводимых из ректификационной колонны. В ходе работы был проведен расчет основных параметров и характеристик работы дефлегматора, а также выбраны его основные размеры.
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).
Расчет будем проводить на основании следующих данных:
Расход паров G1= 6,6 т/ч или 1,833 кг/с;
Массовая концентрация легколетучего компонента в паре: = 94,5 %;
Начальная температура охлаждающей воды: t2н = 16 оС.
Конечная температура охлаждающей воды: t2к = 34 оС.
Свойства конденсируемой паровой смеси и конденсата
1. Переводим массовую концентрацию легколетучего компонента в паре в мольную:
,
где МА, МВ - молярные массы бензола и толуола соответственно; - массовая концентрация легколетучего компонента в паре.
2. Определим температуру конденсации смеси при Х0 = 0,953:
,
где t1, t2 - температуры конденсации смеси при содержании легколетучего компонента, равного Х1 и Х2 соответственно [2].
оС
3. Определяем теплоту парообразования смеси при tконд.см. = 81,062 оС.
- для бензола:
где r1, r2 - теплота конденсации бензола при температуре t1 и t2 соответственно [2].
кДж/кг,
- для толуола:
,
где r1, r2 - теплота конденсации толуола при температуре t1 и t2 соответственно [3].
кДж/кг
Тогда:
rконд.см. = Х0 ∙ rА + (1 - Х0) ∙ rВ = 0,953 ∙ 393,072 + (1 - 0,953) ∙ 378,216
rконд.см. = 392,374 кДж/кг.
5. Определяем теплопроводность конденсата при tконд.см. = 81,062 оС.
- для бензола:
,
где λ1, λ2 - теплопроводность бензола при температуре t1 и t2 соответственно [3].
Вт/(м2∙оС)
- для толуола:
,
где λ1, λ2 - теплопроводность толуола при температуре t1 и t2 соответственно [3].
Вт/(м2∙оС),
Тогда:
λконд.см. = Х0 ∙ λА + (1 - Х0) ∙ λБ = 0,953 ∙ 0,134 + (1 – 0,953) ∙ 0,122 = 0,133 Вт/(м2∙оС)
6. Определяем плотность конденсата при tконд.см. = 81,062 оС.
- для бензола:
,
где ρ1, ρ2 - плотность бензола при температуре t1 и t2 соответственно [2].
кг/м3
- для толуола:
,
где ρ1, ρ2 - плотность толуола при температуре t1 и t2 соответственно [2].
кг/м3,
Тогда:
кг/м3.
7. Определяем вязкость конденсата при tконд.см. = 81,062 оС.
- для бензола:
,
где μ1, μ2 - вязкость бензола при температуре t1 и t2 соответственно [2].
Па∙с,
- для толуола:
где μ1, μ2 - вязкость толуола при температуре t1 и t2 соответственно [2].
Па∙с,
Тогда:
lg(μконд.см.) = Х0 ∙ lg(μбенз) + (1 - Х0) ∙ lg(μтол)
lg(μконд.см.) = 0,953 ∙ lg(0,313 ∙10-3) + (1 - 0,953)∙ lg(0,316 ∙10-3)
μконд.см. =0,313 ∙10-3Па∙с.
Свойства охлаждающей воды при средней температуре
1. Определяем среднюю температуру воды:
Принимаем температуру воды на выходе из конденсатора равную t2k=34 оС. При средней температуре воды:
оС
вода имеет следующие физико-химические характеристики:
2. Определяем плотность воды при t2ср = 25 оС:
,
где ρ1, ρ2 - плотность воды при температуре t1 и t2 соответственно [2].
кг/м3
3. Определяем теплопроводность воды при t2ср = 25 оС:
,
где λ1, λ2 - теплопроводность воды при температуре t1 и t2 соответственно [2].
Вт/(м2∙оС),
4. Определяем вязкость воды при t2ср = 25 оС:
,
где μ1, μ2 - вязкость воды при температуре t1 и t2 соответственно [2].
∙10-3Па∙с
5. Определяем теплоемкость воды при t2ср = 25 оС:
,
где с1, с2 - теплоемкость воды при температуре t1 и t2 соответственно [2].
Дж/(кг∙оС),
Основные размеры теплообменника
1. Рассчитываем тепловую нагрузку аппарата:
Q = rконд.см ·G1,
где G1 – расход паров, кг/с; rконд.см – теплота конденсации парогазовой смеси при tконд.см. = 81,062 оС, кДж/кг.
Q = 392374 · 1,833 = 719221,5 Вт
2. Определяем расход воды:
кг/с,
где своды – теплоемкость воды при t2с = 25 оС, кДж/(кг·оС).
3. Определяем среднюю разность температур:
Δtср = 55,577 оС
4. Примем ориентировочное значение критерия Рейнольдса Reор = 10000, что соответствует турбулентному режиму течения жидкости в трубах. Определяем ориентировочную скорость движения жидкости в трубках теплообменника:
,
где μводы – вязкость воды при 25 оС, Па∙с; ρводы - плотность воды при 25 оС, кг/м3; dвн – внутренний диаметр труб, м.
Выбираем стальные трубки наружным диаметром dнар = 25 мм и толщиной стенки δ = 2 мм. Тогда:
dвн = dнар – 2 ∙ δ = 25 – 2 ∙ 2 = 21 мм или 0,021 м
м/с
5. Определяем объемный расход воды для одной трубки:
V1 = ωор ∙ f,
где f – площадь сечения трубки, равная:
м2
Тогда:
V1 = 0,43 ∙ 0,346 ∙ 10-3 = 0,149∙ 10-3 м3/с
6. Определяем объемный расход воды для всех трубок:
м3/с
7. Определяем общее ориентировочное число трубок:
8. Определяем ориентировочное значение поверхности теплопередачи:
,
где Кор - ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, Вт/(м2 ∙ К).
Выбираем коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара органических жидкостей к воде, равный от 300 до 800 [1] табл. 2.1. стр.47.
Принимаем ориентировочное значение Кор = 500 Вт/(м2 ∙ К).
м2.
9. По справочным данным табл. 4.12 стр. 215 [2] определяем основные параметры аппарата:
Диаметр кожуха D = 400 мм;
соотношение числа труб к числу ходов n/z = 111;
число ходов z = 1;
число трубок n = 111;
поверхность теплообмена F = 26 м2;
длина трубок L = 3 м.
Проведем уточненный расчет поверхности теплопередачи:
1. Определяем действительное значение критерия Рейнольдса из соотношения:
,
где Sор – ориентировочная общая площадь сечения трубок, м2; Sдейст – действительная общая площадь сечения трубок, м2.
Тогда:
2. Определяем коэффициент теплоотдачи от пара к воде α2 из следующего уравнения, пренебрегая поправкой (Pr/Prст)0,25:
,
где Nu – критерий Нуссельта; Pr - критерий Прандтля, определяемый как:
Тогда:
3. Определяем коэффициент теплопередачи от пара, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб:
,
где ε - поправочный коэффициент для горизонтальных труб, равный 0,6 для n ≥ 100 [2].
Вт/(м2∙оС)
4. Находим сумму термических сопротивлений стенок трубок и загрязнений со стороны воды и пара:
,
где λст - теплопроводность стенок трубок из нержавеющей стали, равная 17,5 Вт/(м2∙оС) [2]; rзагр.пар., rзагр.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)
5. Определяем коэффициент теплопередачи:
К = 511,309 Вт/(м2∙оС)
6. Определяем требуемую площадь поверхности теплопередачи в первом уточнении:
м2
Следовательно, выбранный аппарат подходит с запасом:
%
Произведем второе уточнение площади поверхности теплопередачи:
1. Из основного уравнения теплопередачи выразим температуру стенки с обеих сторон:
- со стороны воды:
оС
- со стороны пара:
,
где tср.пара – средняя температура пара, равная температуре конденсации смеси tконд.см. = 81,062 оС.
оС
2. Определяем плотность воды при tст.воды = 44,303 оС:
,
где ρ1, ρ2 - плотность воды при температуре t1 и t2 соответственно [2].
кг/м3
3. Определяем теплопроводность воды при tст.воды = 44,303 оС:
,
где λ1, λ2 - теплопроводность воды при температуре t1 и t2 соответственно [2].
Вт/(м2∙оС),
4. Определяем теплоемкость воды при tст.воды = 44,303 оС:
,
где с1, с2 - теплоемкость воды при температуре t1 и t2 соответственно [2].
Дж/(кг∙оС),
5. Определяем вязкость воды при tст.воды = 44,303 оС:
,
где μ1, μ2 - вязкость воды при температуре t1 и t2 соответственно [2].
Па∙с,
6. Определяем критерий Прандтля при tст.воды = 45,34 оС:
7. Определяем коэффициент теплоотдачи от пара к воде с учетом поправки (Pr/Prст)0,25:
Вт/(м2∙оС).
8. Определяем теплопроводность конденсата при tст.пара = 60,275 оС.
- для бензола:
,
где λ1, λ2 - теплопроводность бензола при температуре t1 и t2 соответственно [3].
Вт/(м2∙оС),
- для толуола:
,
где λ1, λ2 - теплопроводность толуола при температуре t1 и t2 соответственно [3].
Вт/(м2∙оС),
Тогда:
λ'конд.см. = Х0 ∙ λ'А + (1 - Х0) ∙ λ'В = 0,953 ∙ 0,14 + (1 – 0,953) ∙ 0,12
λ'конд.см. = 0,139 Вт/(м2∙оС).
9. Определяем вязкость конденсата при tст.пара = 60,275 оС.
- для бензола:
,
где μ1, μ2 - вязкость бензола при температуре t1 и t2 соответственно [2].
Па∙с,
- для толуола:
,
где μ1, μ2 - вязкость толуола при температуре t1 и t2 соответственно [2].
Па∙с,
Тогда:
lg(μ'конд.см.) = Х0 ∙ lg(μ'А) + (1 - Х0) ∙ lg(μ'В)
lg(μ'конд.см.) = 0,953 ∙ lg(0,389 ∙10-3) + (1 - 0,953) ∙ lg(0,38 ∙10-3)
μ'конд.см. =0,389 ∙10-3Па∙с.
10. Определяем поправочный коэффициент:
11. При пленочной конденсации насыщенного пара, физические характеристики конденсата, которые необходимы для расчета коэффициента теплоотдачи, определяют при средней температуре пленки конденсата, которая в свою очередь находится так:
tср.пл = 0,5 ∙ (tконд.см. + tст.пара) = 0,5 ∙ (81,062 + 60,275) = 70,669 оС
12. Определяем теплопроводность конденсата при tср.пл = 70,669 оС.
- для бензола: ,
где λ1, λ2 - теплопроводность бензола при температуре t1 и t2 соответственно [3].
Вт/(м2∙оС),
- для толуола: ,
где λ1, λ2 - теплопроводность толуола при температуре t1 и t2 соответственно [3].
Вт/(м2∙оС),
Тогда: λ''конд.см. = Х0 ∙ λ''А + (1 - Х0) ∙ λ''В = 0,953 ∙ 0,132 + (1 – 0,953) ∙ 0,127
λ''конд.см. = 0,132 Вт/(м2∙оС).
13. Определяем плотность конденсата при tст.пара = 70,669 оС.
- для бензола:
,
где ρ1, ρ2 - плотность бензола при температуре t1 и t2 соответственно [2].
кг/м3,
- для толуола:
,
где ρ1, ρ2 – плотность толуола при температуре t1 и t2 соответственно [2].
кг/м3
Тогда:
кг/м3.
14. Определяем вязкость конденсата при tст.пара = 70,669 оС.
- для бензола:
,
где μ1, μ2 - вязкость бензола при температуре t1 и t2 соответственно [2].
Па∙с,
- для толуола:
,
где μ1, μ2 - вязкость толуола при температуре t1 и t2 соответственно [2].
Па∙с,
Тогда:
lg(μ''конд.см.) = Х0 ∙ lg(μ''А) + (1 - Х0) ∙ lg(μ''В)
lg(μ''конд.см.) = 0,953 ∙ lg(0,351 ∙10-3) + (1- 0,953) ∙ lg(0,348 ∙10-3)
μ'конд.см. =0,351 ∙10-3Па∙с.
15. Определяем коэффициент теплопередачи от пара, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб:
Вт/(м2∙оС).
16. Определяем коэффициент теплопередачи:
К = 522,415 Вт/(м2∙оС)
26. Определяем требуемую площадь поверхности теплопередачи:
м2
Определяем запас площади поверхности теплопередачи:
%
27. В соответствии со справочными данными выбираем диаметр условного прохода штуцеров для трубного пространства. При диаметре кожуха D = 400 мм и при числе ходов по трубам z = 1: dшт.вх.= 150мм [1].
Диаметр условного прохода штуцеров для межтрубного пространства при тех же параметрах dшт.вых.= 150 мм [1].
При диаметре кожуха D = 400 мм и длине труб L = 2 м число сегментных перегородок nпер = 10 [1], а расстояние между перегородками для выбранного теплообменника h = 250 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 [1];
.
3. Определяем коэффициент трения в трубках:
4. Определяем скорость воды в штуцерах:
м/с
5. Находим гидравлическое сопротивление аппарата:
ΔРа =704,245 Па
В результате проведенных расчетов были определены физико-химические свойства конденсируемой паровой смеси бензол - толуол и конденсата при температуре конденсации смеси tконд.см. = 81,062 оС и физико-химические свойства охлаждающей воды при средней температуре t2ср = 25 оС.
Была рассчитана требуемая поверхность теплопередачи Fтр = 24,771 м2 и соотношения числа трубок к числу ходов n/z = 111 для аппарата с производительностью 1,833 кг/с. В соответствии с этими данными был выбран теплообменник со следующими основными характеристиками: диаметр кожуха D = 400 мм; число ходов z = 1; число трубок n = 111; поверхность теплообмена F = 26 м2; наружный диаметр трубок dнар = 25 мм; толщина стенок трубок δст = 2 мм. Также было рассчитано гидравлическое сопротивление аппарата ΔРа = 704,245 Па.
Кроме того, был произведен расчет потерянного напора и потерянного давления для всасывающей и нагнетающей линий подачи охлаждающей воды. В соответствии с расчетами общие потери напора составили Δhпот.общ. = 2,632 м, а общие потери давления ΔРпот.общ = 25790,741 Па. На основании этих данных был выбран центробежный насос марки Х90/19 для подачи охлаждающей воды в конденсатор и холодильник.
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.