8.1.3. Пример расчета кипятильника

Подобрать кожухотрубчатый теплообменник для испарения 50000 кг/ч смеси с массовой долей хлороформа 2 % и дихлорэтана  98 % при атмосферном давлении. Греющая среда – насыщенный водяной пар с давлением 600 к Па. Потери теплоты в окружающую среду примем в размере 5 % от полезной теплоты.

8.1.3.1. Схема аппарата представлена на рис. 8.11.

Рис. 8.11. Схема кожухотрубчатого испарителя

Смесь хлороформ – дихлорэтан будет двигаться по трубному пространству теплообменного аппарата снизу вверх, а греющий пар по межтрубному пространству. Насыщенный водяной пар подается в теплообменный аппарат сверху, в процессе теплопередачи конденсируется и снизу теплообменника отводится конденсат.

8.1.3.2. Средняя движущая сила процесса. Смесь хлороформ – дихлорэтан будет испаряться при 82,5 ºС. Насыщенный водяной пар с давлением 600 кПа будет иметь температуру 158,1 ºС и при этой температуре будет происходить его конденсация.

S (l)

158,1 ºС

t, ºС

Рис. 8.12. График изменения температур теплоносителей в испарителе

ºС.

8.1.3.3. Тепловая нагрузка и расход греющего пара. Составим уравнение теплового баланса. Часть тепла от пара переходит через стенку кожуха в окружающую среду.

.

Тепловая нагрузка в теплообменном аппарате:

.

.

.

Удельная теплота испарения смеси органических веществ определяется по формуле:

,

где – массовая доля хлороформа в смеси,

– удельная теплота испарения хлороформа и дихлорэтана при температуре испарения, Дж/кг.

Удельная теплота испарения хлороформа при 82,5 °С составит Дж/кг, удельная теплота испарения дихлорэтана при 82,5 °С составит Дж/кг [16].

Дж/кг.

Определим тепловую нагрузку теплообменного аппарата:

Вт.

Удельная теплота конденсации пара с давлением 600 кПа составляет 2095 кДж/кг [14].

Определим расход греющего пара:

кг/с.

8.1.3.4. Ориентировочная поверхность теплопередачи. Зададимся ориентировочным значением коэффициента теплопередачи от конденсирующегося водяного пара к кипящей органической жидкости = 2500 Вт/(м²·К).

Тогда ориентировочная поверхность теплопередачи составит:

м².

8.1.3.5. Подбор кожухотрубчатого теплообменного аппарата. Подбор теплообменного аппарата производится по ориентировочной поверхности теплопередачи.

Выберем одноходовой теплообменный аппарат типа ТК (так как разность температур между теплоносителями превышает 30 ºС) имеющий следующие параметры [25]:

Диаметр кожуха 0,4 м;

Число труб 111 шт.;

Поверхность теплообмена 26 м²;

Длина труб 3 м;

Число труб по вертикали 11 шт.

8.1.3.5. Схема теплопередачи через стенку представлена на рис. 8.13.

Рис. 8.13. Схема теплопередачи через стенки труб испарителя

8.1.3.6. Расчёт коэффициента теплоотдачи со стороны пара. Коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на наружной поверхности пучка вертикальных труб высотой Н, рассчитывается по следующей формуле:

,

где – поправочная функция, учитывающая физические свойства конденсирующейся среды, для конденсирующегося водяного пара функция равна 1;

– коэффициент теплопроводности конденсата при температуре конденсации, 0,683 Вт/(м·К) [14];

– плотность конденсата при температуре конденсации, 935 кг/м³ [14];

– удельная теплота конденсации пара, 2095000 Дж/кг [14];

– ускорение свободного падения, 9,81 м/с² [14];

– динамический коэффициент вязкости конденсата при температуре конденсации, 212·10^{- 6} Па·с [14];

– разность между температурой конденсации пара и температурой стенки со стороны пара, , ºС;

– наружный диаметр труб, м.

Для дальнейшего расчета зададимся температурой стенки со стороны пара равной  ºС, тогда коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенки составит:

Вт/(м²·К).

8.1.3.7. Удельный тепловой поток со стороны пара:

Вт/м².

8.1.3.8. Температура стенки со стороны потока. Термические сопротивления загрязнений со стороны водяного пара, (м²·К)/Вт [14].

_{Термические сопротивления загрязнений со стороны потока органической жидкости, (м}²_·К)/Вт [14].

_(м²_·К)/Вт.

ºС.

8.1.3.9. Расчёт коэффициента теплоотдачи от стенки к потоку. В пределах пузырькового режима кипения жидкостей в усло­виях свободного или вынужденного движения в трубах коэффициент теплоотдачи рассчитывается по следующей формуле:

,

где – коэффициент теплопроводности смеси при температуре кипения потока, Вт/(м ·К);

– динамический коэффициент вязкости смеси при температуре кипения потока, Па·с;

– поверхностное натяжение смеси при температуре кипения потока, Н/м;

– темпера­туры кипения, К;

– движущая сила процесса теплоотдачи, К.

Численное значение безразмерной функции определяется формулой:

где – плотность пара смеси хлороформ-дихлорэтан при температуре кипения смеси, кг/м³;

– плотность смеси хлороформ-дихлорэтан при температуре кипения смеси, кг/м³.

Плотность жидкой смеси при температуре кипения 82,5 °С определяется по формуле:

где – плотность хлороформа и дихлорэтана при температуре кипения, кг/м³.

Плотность хлороформа при 82,5 °С составит кг/м³, плотность дихлорэтана при 82,5 °С составит кг/м³ [16].

кг/м³.

Плотность паровой смеси при температуре кипения 82,5 °С определяется по формуле:

где – плотность паров хлороформа и дихлорэтана при температуре кипения, кг/м³.

Плотность пара при атмосферном давлении можно определить по формуле:

,

где – молекулярная масса пара, кг/кмоль;

– температура равная 273 К;

– температура пара, К;

22,4 – молярный объем, занимаемый газом при нормальных условиях, м³/кмоль.

Тогда плотности паров хлороформа и дихлорэтана будут равны:

кг/м³.

кг/м³.

Плотность паровой смеси при температуре кипения будет равна:

кг/м³.

Тогда:

Коэффициент теплопроводности смеси при температуре кипения потока определяется по формуле:

,

где – массовая доля хлороформа в смеси,

– коэффициент теплопроводности хлороформа и дихлорэтана при температуре кипения потока, Вт/(м · К).

Коэффициент теплопроводности хлороформа при 82,5 °С составит Вт/(м·К), коэффициент теплопроводности дихлорэтана при 82,5 °С составит Вт/(м·К) [14].

Вт/(м·К).

Вязкость смеси при температуре кипения смеси 82,5 °С определяется по формуле:

,

где – молярная доля хлороформа в смеси,

– динамический коэффициент вязкости хлороформа и дихлорэтана при температуре кипения смеси, Па·с.

Динамический коэффициент вязкости хлороформа при 82,5 °С составит Па·с, динамический коэффициент вязкости дихлорэтана при 82,5 °С составит Па·с. Молекулярная масса хлороформа кг/кмоль, молекулярная масса дихлорэтана кг/кмоль [14].

;

Па·с.

Поверхностное натяжение смеси при температуре кипения потока определяется по следующей формуле:

,

где – массовая доля хлороформа в смеси,

– поверхностное натяжение хлороформа и дихлорэтана при температуре кипения потока, Н/м.

Поверхностное натяжение хлороформа при 82,5 °С составит Н/м, поверхностное натяжение дихлорэтана при 82,5 °С составит Н/м [14].

Н/м.

Тогда коэффициент теплопроводности со стороны смеси составит:

Вт/(м²·К).

8.1.3.10. Удельный тепловой поток со смеси:

Вт/м².

, значит, температура стенки принята неверно. Необходимо задаться новой температурой стенки со стороны пара и повторить расчет заново по пп. 8.1.3.6-8.1.3.10.

8.1.3.6´ Расчёт коэффициента теплоотдачи со стороны пара. Для дальнейшего расчета зададимся температурой стенки со стороны пара равно  ºС, тогда коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенки составит:

Вт/(м²·К).

8.1.3.7´ Удельный тепловой поток со стороны пара:

Вт/м².

8.1.3.8´ Температура стенки со стороны потока:

ºС.

8.1.3.9´ Расчёт коэффициента теплоотдачи от стенки к потоку:

Вт/(м²·К).

8.1.3.10´ Удельный тепловой поток со смеси:

Вт/м².

, значит, температура стенки принята неверно. Чтобы определить истинную температуру стенки со стороны конденсирующегося пара построим графическую зависимость удельного теплового потока от принятой температуры стенки, т.е.: и .

t_ст1 →

Рис. 8.14. График зависимости удельного теплового потока в испарителе

от температуры стенки со стороны конденсирующегося пара

По графику (рис. 8.14) определим истинную температуру стенки со стороны пара и соответствующий удельный тепловой поток:

ºС.

Вт/м².

По найденному значению можно определить расчетное значение коэффициента теплопередачи и расчетную площадь поверхности теплопередачи:

Вт/(м²·К).

м².

, значит, выбранный теплообменный аппарат не подходит. Поэтому необходимо выбрать теплообменный аппарат больший по площади.

Выберем одноходовой теплообменный аппарат типа ТК имеющий следующие параметры [25]:

Диаметр кожуха 0,68 м;

Число труб 257 шт.;

Поверхность теплообмена 61 м²;

Длина труб 3 м;

Число труб по вертикали 17 шт.

При этом у нас не изменится тип теплообменного аппарата и сохранится та же длина труб, что позволит не производить пересчет всех параметров теплопередачи. Необходимо лишь определить запас площади поверхности теплопередачи во вновь выбранном теплообменном аппарате:

%.

Выбранный теплообменный аппарат подходит с запасом по площади поверхности теплопередачи 30,9 %