6.5. Пример расчета конденсатора

Провести тепловой расчет и выбрать по каталогу основные конструктивные размеры теплообменника для конденсации паров низкокипящего компонента, поступающих из ректификационной колоны в конденсатор. Количество дистиллята Р = 11920 кг/ч; V_n = 2,86 м³/с; _п = 3,42 кг/м³.

Действительное флегмовое число R_д = 1,95. Содержание низкокипящего компонента в смеси в мольных долях x_F = 0,46; x_P = 0,985; x_W = 0,025.

Пары органического вещества направляются в межтрубное пространство, а холодный теплоноситель(вода) в трубное пространство. Температура воды на входе t_нх = 12⁰С, а на выходе из аппарата t _кх = 32⁰С.

Решение

6.5.1. По диаграмме t-х,у определяем температуру конденсации паров для y_р = x_р = 0,985, при x_р = y_р = 0,985; t_S = 46,66  47⁰.

6.5.2. Наименьший и наибольший перепад температур на концах теплообменника

47⁰С  47⁰С t_ = 35⁰C

32⁰C  12⁰C t_м = 15⁰C

-----------------

15⁰С 35⁰С

t_/t_м = 35/15 = 2,33 > 2

6.5.3. В этом случае среднюю температуру процесса теплообмена (средний температурный напор) определяем как среднелогарифмическую от t_ и t_м.

6.5.4. Определяем среднюю температуру горячего и холодного теплоносителя

t_ср.г = 47 ⁰ C;

t_ср.х = t_ср.г - t_ср = 47 – 24 = 23 ⁰ С

6.5.5.Определяем физические свойства горячего и холодного теплоносителей. Если содержание низкокипящего компонента в дистилляте у_р > 0,95, а в нашем случае у_р = х_р = 0,985, то физические свойства пленки конденсата определяют как для чистого вещества, если же у_р  0,95, то физические свойства теплоносителя определяют как для смеси. Физические свойства горячего теплоносителя при t_ср.г = 47 ⁰ С:

_cs2 = 1221,5 кг/м³ _cs2 = 0,276 ^. 10^-3 н · с/м²

с_cs2 = 1018 Дж/(кг ^.К) _cs2 = 0,1588 Вт/(м ^. К);

Свойства воды при t_ср.х = 23⁰С;

 = 997,1 кг/м³; с = 4185 Дж/(кг ^.К);

 = 60,26 ^. 10^-2 Вт(/м ^.К);  = 940,3 ^. 10^-6 Па ^. с

6.5.6. Определяем расход пара и тепловую нагрузку

G_n = P (R_д+ 1) = 11920 · (1,95 + 1) = 35164 кг/ч

или

G_n = V_n ^. 3600 ^. _n = 2,86 ^. 3600 ^. 3,42 = 35212 кг/ч

Тепловая нагрузка

,

Дж/кг [2, c.541]

6.5.7. Рассчитываем расход воды

C_в = 4185 Дж /( кг^.К ) при t_ср.х = 23⁰С

6.5.8. Определяем число труб в одном ряду, задаваясь значением Рейнольдса Re > 10000, принимая диаметр труб теплообменника

d_н = 25 мм или d_н = 38 мм

Принимаем число Рейнольдса Re = 20000

n_р = 169 при Re = 15000

6.5.9. Вычисляем ориентировочно поверхность теплообмена, задаваясь коэффициентами теплопередачи К = 300 – 800 Вт/м^{2 .} К

при К₁ = 300

К₂ = 550

К₃ = 800

6.5.10. По каталогу-справочнику выбираем теплообменники с числом труб n_к и поверхностью теплообмена F_k, близкими к расчетным значениям n_р и F_р в зависимости от принятого значения Re и К, при Re₁ = 15000 и n_р = 169.

Выбираем теплообменники:

а) двухходовой с параметрами:

Д = 1000 мм; d_н = 38 мм; n_к = 342/2 = 171 шт;

F = 243 м²;К = 550 Вт/(м^{2 .} К);

б) четырехходовой с параметрами:

Д = 1000 мм; d_н = 25 мм; n_к = 736/4 = 184 шт;

F = 284 м²; К = 550 Вт/(м^{2 .} К);

в) шестиходовой с параметрами:

Д = 1200 мм; d_н = 25 мм; n_к = 1024/6 = 170 шт;

F = 476 м²; К = 300 Вт/(м^{2 .} К);

Для расчета принимаем четырехходовой теплообменник с параметрами:

Д = 1000 мм; d_н = 25 мм; n_к = 736 шт; F = 284 м²;

К = 550 Вт/(м^{2 .} К);

Для выбранного теплообменника уточняем значение Re

или Re_ут = Re₃ ^. (n_р / n_к ) = 15000 (169/184) = 13777

Режим остается турбулентным.

6.5.11. Находим коэффициент теплоотдачи трубного пространства

Критерий Нуссельта при турбулентном режиме движения.

При значении Re₁ = 13744, принимая (Pr₁/ Pr_ст)^0,25 = 1,

вычисляем

для воды при t_ср.х = 23 ⁰ С

Nu₁ = 0,021 ^. Re₁^{0,8 .} Pr₁^0,43 = 0,021 ^. 13744^{0,8 .} 6,53^0,43 = 96,2

6.5.12. Коэффициент теплоотдачи для конденсирующего пара сероуглерода при t_ср.г = 47⁰С

G_n = 35212/3600 = 9,8 кг/с

6.5.13. Термические сопротивления стальной стенки и загрязнений

 = 0,002 м; _ст = 46,5;

6.5.14. Находим коэффициент теплопередачи

6.5.15. Определяем требуемую площадь поверхности конденсатора

С запасом 20% F = 195 ^. 1,2 = 234 м²

6.5.16. Проводим уточненный проверочный тепловой расчет коэффициента теплопередачи с учетом температур поверхности стенки:

а) вначале определяем температуру стенок труб из уравнений удельной тепловой нагрузки

q = K ^. t_cp = ₁ ^. t₁ = ₂ ^. t₂

q = K ^. t_cp = 698 ^. 24 = 16752 Вт/м²

q = ₁ ^. t₁; t₁ =

t_ст1 = t₁ + t_ср.х = 6,0 + 23 = 29,0 ⁰С

q = ₂ ^. t₂; t₂ =

t_ст2 = t_s - t₂ = 47 – 13 = 34 ⁰С;

б) Вычисляем коэффициент теплоотдачи межтрубного пространства для конденсирующего пара сероуглерода

Физические свойства определяем при средней температуре пленки конденсата

t_пл = (t_s + t_ст2)/2 = (47 + 34)/2 = 40,5 = 40 ⁰ С;

 = 0,161 Вт/м²К;  = 1233 кг/м³;  = 0,29 ^. 10^-3 н^.с/м²;

t = t_s - t_ст2 = 47 – 34 = 13⁰С; Н = 4 м;

r = 355,7 ^. 10³ Дж/кг при t = 40⁰;

в) уточняем коэффициент теплоотдачи трубного пространства с учетом поправки (Pr₁/Pr_ст1)^0,25

при t_ст1 = 29,0 ⁰ С:

с_в = 4184 Дж/(кг ^. К); _в = 821 ^. 10^-6 н ^. с/м²;

_в = 61,31 ^. 10^-2 Вт/(м²К )

Nu₁ = 0,021 ^. Re₁^{0,8 .} Pr₁ ^{0,43 .} (Рr₁/ Рr_ст1)^0,25 =

= 0,021 ^. 13744^{0,8 .} 6,53^{0,43 .} (6,53/5,7)^0,25 = 100

г) уточняем коэффициент теплопередачи

д) уточняем температуру стенок труб и сходимость удельных тепловых нагрузок

q = K ^. t_ср = ₁ ^. t₁ = ₂ ^. t₂;

q = K ^. t_ср = 695 ^. 24 = 16680 Вт/м²

q = ₁ ^. t₁; t₁ =

t_ст1 = t₁ + t_ср.х = 5,8 + 23 = 28,8 ⁰ С;

q = ₂ ^. t₂; t₂ =

t_ст2 = t_s - t₂ = 47 – 13,2 = 33,8 ⁰ С;

q_г = ₂ ^. t₂ = 1266 ^. 13,2 = 16711 Вт/м² К

q_х = ₁ ^. t₁ = 2870 ^. 5,8 = 16646 Вт/м²К

Температура стенок и коэффициент теплопередачи практически совпадает с заданными значениями t_ст и К в начале уточненного теплового расчета. Поверхность теплообменника

С запасом 20% F = 1,2 ^. 196 = 235 м².

Окончательно выбираем теплообменник четырехходовой с

F = 226 м:

Д = 1000 мм; d_н = 25 мм; n = 736; L = 3000 мм.

Средняя температура стенок труб

t_ср.тр = (t_ст1 + t_ст2)/2 = (28,8 + 33,8)/2 = 31,3⁰С

Температура стенок кожуха

t_{ст. кож} = t_s = 47 ⁰ С ; t = t_{ст. кож} - t_{ст. тр} = 47 – 31,3 = 15,7

15,7 < 30 ⁰С

Следовательно, конденсатор будет иметь конструкцию с неподвижными трубными решетками.