3. Расчет вспомогательного оборудования

1. Определение поверхности теплопередачи

Поверхность теплопередачи кубового испарителя, дефлегматора, подогревателя исходной смеси, холодильников дистиллята и кубового остатка определяются из основного уравнения теплопередачи:

где – тепловая нагрузка теплообменника (), Вт;– коэффициент теплопередачи, Вт/м²∙гр;– средний температурный напор теплообменника, °С.

Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи приведены в Таблица 3 .6.

Более точные значения коэффициентов теплопередачи рассчитывают по уравнению:

где и– коэффициенты теплоотдачи горячего и холодного теплоносителей, Вт/(м²∙К);– термическое сопротивление стенки, разделяющей теплоносители, (м²∙К)/Вт.

Значения инаходят из соответствующих критериальных уравнений [1,4].

Таблица3.6 Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи, [Вт/(м2∙К)]
Вид теплообмена	Вынужденное движение	Свободное движение
От газа к газу (при Р<10ат)	10÷40	4÷12
От газа к жидкости	10÷60	6÷20
От конденсирующегося пара к газу	10÷60	6÷12
От жидкости к жидкости (вода)	800÷1700	140÷340
От жидкости к жидкости (масло, орг. жидкости)	120÷270	30÷60
От конденсирующегося пара к воде	800÷3500	300÷1200
От конденсирующегося пара к орг. жидкости	120÷340	60÷170
От конденсирующегося пара орг. жидкости к воде	300÷800	230÷460
От конденсирующегося пара к кипящей жидкости		300÷2500

Площадь поверхности теплопередачи теплообменника принимается на 10÷20% больше расчетной величины и по ГОСТ 15122-79 выбирают номинальную поверхность теплообменника.

2. 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 .6 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 большем/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 им2 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 расчетапримем 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 припо 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