4.1.2. Расчёт конденсатора-дефлегматора
В дефлегматоре ректификационной установки происходит конденсация паров дистиллята ректификационной колонны. Конденсат отводится из дефлегматора без последующего охлаждения. Часть его (флегма) возвращается для орошения верхней части колонны, другая часть – дополнительно охлаждается в холодильнике дистиллята и выводится с установки как готовый продукт.
Охлаждающим
агентом теплообменника является вода,
поступающая в дефлегматор при температуре
.
Для недопущения отложения солей жёсткости
на внутренних стенках трубопроводов,
охлаждающую воду отводят из теплообменника
при температуре, не превышающей
.
Для удобства дальнейших расчётов все характеристики холодного теплоносителя обозначаются индексом «2», характеристики горячего теплоносителя – индексом «1».
Физико-химические свойства теплоносителей, рассчитанные с учётом температуры, давления и(или) долей компонентов в смеси [2;3], представлены ниже:
Горячий теплоноситель: паровая смесь «бензол-уксусная к-та»
Холодный теплоноситель: оборотная вода
Обозначения:
– соответственно
начальная
и
конечная
температуры
теплоносителей;
– плотность
потока
теплоносителя;
– теплота
парообразования
(конденсации)
теплоносителя;
– коэффициент
динамической
вязкости
потока
теплоносителя;
– коэффициент теплопроводности потока теплоносителя;
– теплоёмкость
теплоносителя.
Расход охлаждающей воды определяется из соответствующих уравнений теплового баланса для всего теплообменника в целом, для горячего и холодного теплоносителей.
Уравнение теплового баланса для холодного теплоносителя, не изменяющего своего агрегатного состояния:
где:
–
тепловая
нагрузка,
Вт;
–
начальная
и
конечная
температуры
смеси.
Уравнение теплового баланса для горячего теплоносителя, при конденсации его насыщенных паров без охлаждения конденсата:
При наличии теплоизоляции тепловые потери в аппарате незначительны, поэтому они не учитываются при составлении теплового баланса.
Тепловая нагрузка данного ТО определяется из соотношения:
Определим расход охлаждающей воды из указанных уравнений:
Необходимую поверхность теплообмена определяют из основного уравнения теплопередачи:
где:
– коэффициент теплопередачи;
– средняя разность температур потоков.
Разность температур потоков является движущей сила процесса теплопередачи. В аппаратах с прямо- и противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков определяется как среднелогарифмическая между большей ( ) и меньшей ( ) разностями температур теплоносителей на концах аппарата:
Для определения поверхности теплопередачи и выбора варианта конструкции теплообменного аппарата необходимо определить коэффициент теплопередачи . Его можно рассчитать с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений на пути теплового потока:
где:
– коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей;
– теплопроводность материала стенки;
– толщина стенки;
– термические сопротивления слоёв загрязнений с обеих сторон стенки.
Т.к. зависят от параметров конструкции рассчитываемого теплообменного аппарата, сначала на основании ориентировочной оценки коэффициента теплопередачи ( ) приближённо определяют поверхность теплообмена ( ) и выбирают конкретный вариант конструкции, а затем проводят уточнённый расчёт .
По
таблице 2.1 [1, с.47] для
теплопередачи от конденсирующегося
пара органических жидкостей к воде
при вынужденном течении теплоносителей
ориентировочное значение
принимается равным:
.
Тогда, по формуле 4.1 ориентировочное значение поверхности теплообмена составляет:
Учитывая значения по ГОСТ 15118-79, 15120-79, 15122-79 [1, табл. 2.3] для уточнённого расчёта выбирается нормализованный кожухотрубный теплообменник со следующими характеристиками:
Диаметр кожуха |
|
Диметр труб |
|
Число ходов по трубам |
|
Общее число труб |
|
Длина труб |
|
Поверхность теплообмена |
|
В общем случае коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя определяется по уравнению:
(4.3)
где: – критерий Нуссельта; – коэффициент теплопроводности, .
В общем виде критериальная зависимость для определения коэффициентов теплоотдачи имеет вид:
где: – критерий Рейнольдса, – критерий Прандтля.
(4.4)
где: – скорость потока.
(4.5)
Паровая смесь движется по межтрубному пространству кожухотрубного теплообменника с сегментными перегородками.
При конденсации пара на наружной поверхности пучка горизонтально расположенных труб коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле [1]:
(4.6)
где:
– плотность плёнки конденсата;
– наружный диаметр теплообменных труб;
– общее число труб;
– массовый
поток
теплоносителя
(
для дистиллята).
Охлаждающая
вода движется
по трубам кожухотрубного теплообменника.
В качестве
определяющего геометрического размера
принимается внутренний диаметр
теплообменных труб (
),
а скорость потока определяется для
площади сечения потока одного хода по
трубам (
).
Скорость потока:
Критерий Рейнольдса по ф. 4.4:
Поправочный коэффициент учитывает влияние на коэффициент теплоотдачи отношения длины трубы к её диаметру . По таблице 4.3 [2, с.153]:
Критерий Прандтля по ф. 4.5:
При нагревании капельных жидкостей допустимо считать, что:
Коэффициент теплоотдачи со стороны исходной смеси по ф. 4.3:
Определение теплопроводности материала стенки
Выбираем теплообменник изготовленный из нержавеющей стали, т.к. рабочая среда агрессивная.
Для стенок из стали:
Коэффициент теплопроводности
Толщина стенок
Термическое сопротивление стенок теплообменника равно:
Определение коэффициента теплопередачи и поверхности теплообмена
Коэффициент теплопередачи находится с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений на пути теплового потока (ф. 4.2):
Из основного уравнения теплопередачи (ф. 4.1) находим уточнённую поверхность теплообмена:
Определим запас поверхности теплообмена (относительно значения для нормализованного аппарата):
Запас поверхности удовлетворяет требованию технического задания ( ). Конструкция данного теплообменного аппарата принимается.