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