3.1.5 Гидравлическое сопротивление тарелок колонны

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определяется по уравнению

, (3.67)

где и - гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны, Па.

Гидравлическое сопротивление тарелки определяется по формуле

, (3.68)

где - гидравлическое сопротивление сухой тарелки, Па;

- гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя, Па;

- гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, Па.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки определяется по формуле

, (3.69)

где - коэффициент сопротивления сухой тарелки.

Для колпачковой тарелки типа ТСК-Р примем коэффициент сопротивления равным 4,5.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки по формуле для верхней части колонны равно:

.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки по формуле для нижней части колонны равно:

.

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке определяется по формуле

. (3.70)

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке для верхней части колонны по формуле (3.70) равно

.

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке для нижней части колонны по формуле (3.70) равно

.

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, определяется по формуле

, (3.71)

где - эквивалентный диаметр отверстий в тарелке, м.

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

.

Гидравлическое сопротивление тарелки верхней части колонны по формуле (3.68) равно

.

Гидравлическое сопротивление тарелки нижней части колонны по формуле (3.68) равно

.

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определяется по формуле (3.67) равно

.

3.2 Расчет теплообменной аппаратуры

3.2.1 Подогреватель исходной смеси

Нагрев производится насыщенным водяным паром при абсолютном давлении 0,45 МПа.

При расчете выбран кожухотрубчатый теплообменник, где греющий пар идет в межтрубное пространство, а исходная смесь в трубное. Для межтрубного пространства принят индекс «1», а для трубного – «2».

Температура конденсации водяного пара t_конд = t₁= 146,232 ^оС. Температура питания определяется по t – x – y диаграмме (приложение Д, рисунок Д.1),равная 97,236 ^оС.

Температурная схема:

–

20 97,745

где и - меньшая и большая разность температур, ^оС.

Средняя разность температур:

(3.78)

После подстановки значений:

Средняя температура питания:

(3.79)

где - средняя температура питающей смеси, ^оС.

Объемный расход питающей смеси:

(3.80)

где - объемный расход питающей смеси, м³/с;

- плотность исходной смеси при средней температуре, кг/м³.

Плотность питающей смеси:

(3.81)

где и - плотности компонентов при средней температуре питания равные 831,9 кг/м³ [1] и 824,9 кг/м³ [1].

После подстановки значения плотность питающей смеси равна:

Объемный расход питающей смеси по формуле (3.80):

Расход теплоты на нагрев питающей смеси с учетом 5% потерь:

(3.82)

где - средняя удельная теплоемкость питающей смеси, Дж/(кг^.К);

и - начальная и конечная температура питания, равные 20 ^оС и 97,745 ^оС.

Средняя удельная теплоемкость питающей смеси:

(3.83)

где и - удельные теплоемкости компонентов смеси равные, 1889 Дж/(кг^.К) [1] и 1789 Дж/(кг^.К) [1].

По формуле (3.82) расход теплоты равен:

Расход греющего пара с учетом массовой доли сухого воздуха в паре:

(3.84)

где - удельная теплота конденсации водяного пара, равная 2142,8^.10³ Дж/кг [1];

- расход греющего пара, кг/с.

После подстановки значений расход греющего пара равен:

Максимальная величина площади поверхности теплообмена определяется из минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося водяного пара к органическим жидкостям Кмин=120 Вт/(м2.К) [1].

Максимальная величина площади теплообмена:

(3.85)

где - максимальная площадь поверхности теплообмена, м².

Для обеспечения турбулентного течения питающей смеси при Re₂>10000 скорость в трубах должна быть больше :

(3.86)

где - динамический коэффициент вязкости питающей смеси, Па^.с;

- внутренний диаметр труб, равный 0,021 м [1].

Динамический коэффициент вязкости питания равен:

(3.87)

где и - динамические коэффициенты вязкости компонентов смеси, равные 0,373^.10^-3 Па^.с [1] и 0,367^.10^-3 Па^.с [1].

По формуле (3.86) скорость равна:

Число труб 25х2 мм, обеспечивающих объемный расход питающей смеси при Re₂>10000:

(3.88)

Основными условиями для выбора теплообменника являются n<n^/ и

F< м².

Данному условию удовлетворяет теплообменник с линзовым компенсатором, диаметром кожуха 400, длиной труб 3 м [2].

Критерий Рейнольдса для трубного пространства:

(3.89)

где - число труб на один ход в выбранном теплообменнике.

Критерий Прандтля при средней температуре питания:

(3.90)

где - коэффициент теплопроводности питающей смеси, Вт/(м^.К).

Коэффициент теплопроводности питающей смеси:

(3.91)

где и - коэффициенты теплопроводности компонентов питающей смеси средней температуре, Вт/(м^.К).

Коэффициенты теплопроводности при средней температуре питающей смеси:

	(3.92)
	(3.93)

После подстановки значений:

Коэффициент теплопроводности питающей смеси по формуле (3.91) равен:

По формуле (3.90) критерий Прандтля равен:

Критерий Нуссельта равен:

(3.94)

Отношение равно 1,07 после чего будет проверено. Значение коэффициента принимается равным 1.

Коэффициент теплоотдачи для питающей смеси:

(3.95)

где - коэффициент теплоотдачи для питающей смеси, Вт/(м^2.К).

Примем разность между температурой стенки и температурой конденсации равной =4,56 ^оС.

Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке:

(3.96)

где - Функция для воды, равная 7442 [1];

- Высота труб, м;

- разность между температурой стенки и температурой конденсации, ^оС;

- коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке труб, Вт/(м^2.К).

После подстановки значений коэффициент теплоотдачи равен:

Тепловая проводимость со стороны греющего пара 1/r_загр.1=5800 Вт/(м^2.К) [1], со стороны питающей смеси 1/r_загр.2=5800 Вт/(м^2.К) [1]. Коэффициент теплопроводности стали =46,5 Вт/(м^2.К) [1].

Сумма термических сопротивлений стенки и стали:

(3.97)

где - толщина стенки трубы, м;

- сумма термических сопротивления со стороны загрязнений стенки и стали, (м^2.К)/Вт.

Коэффициент теплопередачи равен:

(3.98)

где - коэффициент теплопередачи, Вт/(м^2.К).

После подстановки значений в формулу (3.98) коэффициент теплопередачи равен:

Поверхностная плотность теплового потока равна:

(3.99)

где - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м².

После подстановки значений поверхностная плотность равна:

Проверка ранее принятой :

(3.100)

После подстановки значений:

Найденная температура практически равна принятой:

Разность между температурой стенки и средней температурой исходной смеси в ^оС:

(3.101)

Температура стенки в ^оС равна:

(3.102)

Критерий Прандтля для питания при температуре стенки:

(3.103)

где - средняя удельная теплоемкость питающей смеси при температуре стенки, Дж/(кг^.К);

- динамический коэффициент вязкости питающей смеси при температуре стенки, Па^.с;

- коэффициент теплопроводности питающей смеси при температуре стенки, Вт/(м^.К).

Средняя удельная теплоемкость питания при температуре стенки:

(3.104)

где и - удельные теплоемкости компонентов смеси при температуре стенки, равные 2220,7 Дж/(кг^.К) [1] и 1939,97 Дж/(кг^.К) [1].

После подстановки значений в формулу (3.104) теплоёмкость равна:

Динамический коэффициент вязкости при температуре стенки:

(3.105)

где и - динамические коэффициенты вязкости компонентов смеси при температуре стенки, равные 0,184^.10^-3 Па^.с [1] и 0,204^.10^-3 Па^.с [1].

После подстановки значений в формулу (3.105) вязкость равна:

Коэффициент теплопроводности при температуре стенки равен:

(3.106)

Коэффициенты теплопроводности компонентов при температуре стенки равны 0,106 Вт/(м^.К) [1], 0,094 Вт/(м^.К) [1].

Коэффициент теплопроводности после подстановки значений в формулу (3.106) равен:

Критерий Прандтля из формулы (3.103) равен:

Расчетное значение соотношения .

Было принято . Принятое и рассчитанное значения отличаются не более чем на 10 %, расчет принять верным.

Площадь поверхности теплопередачи с запасом 10% равна:

(3.107)

где - расчетная площадь поверхности теплообмена, м².

Площадь поверхности после подстановки значений равна:

Теоритическая площадь поверхности теплообмена:

(3.108)

где - внешний диаметр труб, м;

- площадь поверхности теплообмена, м².

После подстановки значений площадь равна:

Запас площади теплообмена в %:

(3.109)

Тепловой запас почти 21,8 % - принимают теплообменники с линзовым компенсатором типа (ТК).

Принимают один двухходовой теплообменник с линзовым компенсатором с диаметром кожуха 400 мм, числом труб 100, длиной труб L=3 м.