Расчет поверхности теплопередачи дефлегматора

 

Используем аппараты теплообменные кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками (ТН) и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе (ТК). В дефлегматор воду следует подавать в трубное пространство для удобства очистки отложений, а в межтрубное пространство – конденсирующийся пар, выходящий из колонны.

Рассчитываем среднюю разность температур , °С.

Температурная схема процесса

 

где – температура пара на выходе из колонны, = 82°С определяется по рис. 2.3 по кривой конденсации для мольной доли низкокипящего компонента в паре ;

и – начальная и конечная температура воды, принимаем = 20°С, = 40°С;

и – большая и меньшая разности температур на концах теплообменника.

Если то

Если то

Тогда

°С.

Определяем среднюю температуру воды , °С.

Расход пара, выходящего из ректификационной колонны кг/с.

кг/с

Находим максимальную площадь поверхности теплообмена м².

Для этого по таблица 3.1 выбираем минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося пара органической жидкости к воде Вт/(м²∙К).

где – количество тепла, отнимаемое водой в дефлегматоре (см. ), Вт.

Принимаем, что конденсация пара, выходящего из колонны, будет происходить в межтрубном пространстве, а в трубном пространстве будет проходить охлаждающая вода. (Вода – теплоноситель, который может образовывать отложения на поверхности теплообмена; вода при нагреве не изменяет агрегатного состояния, поэтому теплоотдачу от стенки к воде желательно проводить при турбулентном её движении; при конденсации пара высокий коэффициент теплоотдачи будет достигнут и в межтрубном пространстве)

Принимаем турбулентное течение воды в трубном пространстве,.

Для обеспечения турбулентного течения воды при скорость в трубах должна быть больше м/с:

где – динамический коэффициент вязкости воды при °С, Па∙с; мПа∙с = 0,8∙10^-3Па∙с (Таблица П 8); =0,025-20,002=0,021– внутренний диаметр труб, м; по ГОСТ 15122-79 трубы 25×2мм; – плотность воды, кг/м³; кг/м³ при °С (Таблица П 4).

м/с

Рассчитаем число труб , обеспечивающих объемный расход нагреваемой воды при :

где – расход воды в дефлегматоре, кг/с.

 

Условию 138 и м2 удовлетворяют два теплообменника (Таблица П 17):

а) двухходовый диаметром 600мм с числом труб на один ход трубного пространства (общее число труб 240);

б) четырехходовый диаметром 800мм с числом труб на один ход трубного пространства (общее число труб 404).

Выбираем двухходовый аппарат, как более простой.

Уточняем значение критерия.

Находим критерий Прандтля, , для воды при :

где – средняя удельная теплоемкость воды, Дж/(кг∙К), при ; Дж/(кг∙К); – коэффициент теплопроводности воды, Вт/(м∙К), при ; Вт/(м∙К).

Определяем коэффициент теплоотдачи для нагреваемой воды , из приведенного ниже критериального уравнения, которое применяется для случая теплоотдачи внутри труб в условиях установившегося турбулентного режима движения теплоносителя (для ):

где – отношение, учитывающее влияние на теплоотдачу направления теплового потока и величины температурного перепада; это отношение обычно находится в пределах 1-1,1; – критерий Прандтля вычисленный для слоя жидкости в непосредственной близости к поверхности теплообмена. Поскольку температура стенки на этом этапе расчета не известна, то невозможно определить свойства жидкости и рассчитать . Поэтому для расчета примем это соотношение равным 1,05 (с последующей проверкой).

Откуда

Вт/(м²∙К)

 

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи , Вт/(м2∙К), при конденсации пара, выходящего из колонны на пучке вертикальных труб (общее число труб 240):

где – коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м∙К); – плотность конденсата, кг/м³; – коэффициент динамической вязкости конденсата, Па∙с; – наружный диаметр труб, на которых происходит конденсация =0,025 м.

Значения , , берем при по приложениям Таблица П 15, Таблица П 13, Таблица П 8.

Вт/(м∙К); кг/м³; Па∙с.

Вт/(м²∙К)

Принимаем тепловую проводимость со стороны конденсирующегося пара Вт/(м2∙К), со стороны воды Вт/(м2∙К) (таблица п 20). Коэффициент теплопроводности материала труб выполненных из черной стали (Ст3) Вт/(м∙К) Таблица П 21.

Тогда тепловая проводимость стенки (с учетом загрязнений):

где – толщина стенки труб дефлегматора, м;

Вт/(м²∙К)

Определяем коэффициент теплопередачи , Вт/(м2∙К):

Вт/(м²∙К)

Проверяем принятое значение :

Рассчитываем плотность теплового потока , Вт/м2:

Вт/м²

Определяем разность между температурой поверхности стенки трубы и средней температурой воды :

°С

Тогда средняя температура внутренней поверхности стенки трубы , °С:

°С

Вычисляем критерий Прандтля:

где – средняя удельная теплоемкость воды, Дж/(кг∙К); – коэффициент динамической вязкости воды, Па∙с; – коэффициент теплопроводности воды, Вт/(м∙К).

Находим значения этих величин при °С [1].

Дж/(кг∙К); Па∙с; Вт/(м∙К);

Таким образом расчетное значение отношения критериев составит:

 

Определяем относительное расхождение между принятым ранее отношением =1,05 и рассчитанным =1,06:

– допустимое относительное расхождение (может быть принято равным 0,05).

Таким образом имеющееся относительное расхождение составляет 1% и может быть допущено, перерасчет коэффициента теплоотдачи со стороны воды производить не требуется.

Вычисляем расчетную площадь поверхности теплообмена , м2:

м²

Выбираем по ГОСТ 15122-79 дефлегматор двухходовый диаметром 600мм, поверхностью теплообмена 75 м², длиной труб 4 м. Запас поверхности теплообмена составляет