Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ПВХ 2004 Ульянов-1.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
30.01.2026
Размер:
8.3 Mб
Скачать

Адсорбция по физическому механизму поглощения винилхлорда диффу-

зионным переносом в объем полимерной фазы определяет решение внутрен-

ней задачи массопереноса при расчете кинетики процесса. (Этот вопрос под-

робно рассмотрен в гл. 3 при выводе кинетического уравнения скорости пере-

носа массы ВХ в твердой полимерной фазе). При использовании данных теоре-

тического анализа применительно к процессу сорбции ВХ в ПВХ из соотноше-

ний (3.16) – (3.19) получена следующая зависимость скорости изменения кон-

центрации ВХ в полимере:

 

da

= −0,2Ko (a a*) ,

(6.41)

 

dτ

где a – текущее значение содержания ВХ в массе ПВХ; a* = mY

равновесное

значение содержания ВХ в ПВХ, соответствующее концентрации ВХ в газовой смеси Y ( m = a * / Y – коэффициент распределения).

Интегрирование дифференциального уравнения (6.41) в пределах от 0 до

τ приводит к зависимости для расчета продолжительности процесса насыще-

ния массы адсорбента от начального ао

до конечного ак

содержания в нем ВХ:

 

1

 

aк

da

 

τ = −

 

 

 

 

 

 

 

.

(6.42)

0,2K

 

 

 

 

 

 

a a *

 

 

 

о a

 

 

 

 

 

 

 

o

 

 

 

6.4. Примеры расчета оборудования стадии рекуперации

незаполимеризовавшегося ВХ

6.4.1. Расчет конденсатора ВХ

Рассчитать и выбрать типовой кожухотрубчатый конденсатор для конденсации ви-

нилхлорида из парогазовой смеси (ПГС) по следующим исходным данным:

расход абгазов Vо= 1 000 м3/ч (при нормальных условиях);

начальная концентрация ВХ yо = 90 % (об.);

давление общее Pоб = 0,6 МПа;

температура абгазов tо = 500С;

температура охлаждающей воды θо = 5оС;

инертную часть ПГС составляет азот.

208

Р е ш е н и е

Для вычисления материального и теплового балансов конденсатора принимаем мини-

мальную разность температур между рабочей средой и охлаждающей водой

tmin = 5оС, то-

гда конечная температура парогазовой смеси

tк = θо +

tmin = 5 + 5 = 10оС.

 

Давление насыщенного

 

пара

ВХ по уравнению

Антуана (6.2) при температуре

tк = 10оС составит

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lg pк = 9,07073 -

 

 

926,215

 

, pк = 0,245 ×106 Па.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 + 241,603

 

 

 

 

Конечная концентрация ВХ в ПГС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ук =

 

 

pк

=

0,245

= 0,408 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pоб

0,6

 

 

 

 

 

 

 

Плотность ПГС при нормальных условиях (н. у.) на входе

 

 

ρ

о

= ρ

п

у

о

+ ρ

г

(1 − у

о

) = 2,79×0,9+1,25(1–0,9) = 2,64 кг/м3 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где ρп = Мп /22,4 = 62,5/22,4 = 2,79 кг/м3

плотность паров ВХ при н. у.; ρг = 1,25 кг/м3

плотность азота при н. у.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Массовый расход ПГС на входе

 

Gо = Vоρ о =1 000×2,64 = 2 640 кг/ч.

 

Масса ВХ в ПГС на входе

 

 

Gп.о

 

= уоVоρ п = 0,9×1 000×2,79 = 2 510 кг/ч.

Масса инертов (воздуха) в ПГС

 

Gг = Gо Gп.о = 2 640 – 2 510 = 130

кг/ч.

Из очевидного соотношения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ук =

 

Vп.к

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vп.к + Vг

 

 

 

где Vп.к , Vг – соответственно объемы паров ВХ и инертного газа, а также с учетом того, что

Vп.к = Gп.к / ρп и

Vг = Gг / ρг , можно рассчитать массу винилхлорида в ПГС на выходе

из конденсатора:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gп.к = Gг

ρп

 

ук

 

,

 

 

Gп.к

= 130

 

2,79 × 0,408

= 200 кг/ч .

 

rг

1 -

 

 

 

 

 

1,25(1 -

0,408)

 

 

 

 

 

 

 

ук

 

 

 

 

 

 

 

 

Масса сконденсировавшегося ВХ

Gм = Gп.о Gп.к = 2 510 – 200 = 2 310 кг/ч

По уравнению (6.10) находим тепловую нагрузку конденсатора

 

 

 

QF = cп (Gп.оtо Gп.кtк ) + Gгcг (tо tк ) + Gмiп.к =

=

1

[0,86(2 510 × 45 - 200 ×10) + 130 ×1,05(45

-10) + 2 310(310 + 1,31 ×10)] = 235 кВт,

 

3 600

 

 

 

 

где QF

тепловой поток, отводимый через поверхность теплообмена (тепловая нагрузка

конденсатора), Вт;

cп = 0,86 кДж/(кг×К) – удельная теплоемкость парообразного ВХ; c г =

=1,05 кДж/(кг×К) –

удельная теплоемкость азота;

iп.к = rп + сжtк – удельная энтальпия па-

ров ВХ в условиях насыщения ( rп = 310 кДж/кг –

удельная теплота парообразования ВХ при

 

 

 

209

 

температуре насыщения; сж = 1,31 кДж/(кг×К) – удельная теплоемкость жидкого ВХ). Физи-

ко-химические характеристики ВХ приняты по данным, приведенным в п. 1.2.

Учитывая разный характер теплоотдачи при охлаждении ПГС и конденсации ВХ из нее, разделим процесс условно на зоны охлаждения и конденсации. При этом тепловая на-

грузка зоны конденсации

Q

 

= G

 

(r

+ c

 

t

 

) =

2 310

(310 + 1,31 ×10) = 207 кВт ,

к

м

ж

к

 

 

 

п

 

 

3 600

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а тепловая нагрузка зоны охлаждения

Qо = QF Qк = 235 − 207 = 28 кВт.

При составлении температурных схем теплообмена будем руководствоваться допу-

щениями, обоснованными в пп. 6.3.2. Для этого определим граничные температуры ПГС и охлаждающей воды.

Парциальное давление ВХ в исходной ПГС составляет pо = yоPоб = 0,9×0,6 = 0,54 МПа.

Температура насыщенных паров ВХ tно при этом давлении, согласно уравнению

(6.2), составит

lg 0,54 ×10 6 = 9,07073 -

926,215

, откуда tн.о = 35,8

0

С .

tн.о

+ 241,603

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принимаем конечную температуру охлаждающей воды θ

к

= 120С, тогда изменение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

температуры воды в зоне охлаждения Dqо

=

Qо

(qк

- qо ) =

28

(12 - 5) = 0,8оС.

 

 

 

 

 

 

QF

235

 

 

 

 

 

Температурная схема теплообмена и средние разности температур следующие:

Зона охлаждения

 

 

 

 

 

Зона конденсации

tо = 45оС ® tн.о = 35,8оС

θк = 12оС ¬ θ н.о = 11,2оС

__________________________

 

tб = 33оС

 

tм = 24,6оС

tср.о =

 

tб + tм

=

33 + 24,6

= 28,8оС.

2

 

 

2

 

 

tн.о = 35,8оС ® tк = 10оС

 

 

θн.о = 11,2оС ¬ θо = 5 0С

 

____________________________

 

 

tб =24,6оС

 

tм =5оС

 

 

Dtб - Dtм

 

24,6

- 5

 

о

Dtср.к =

 

=

 

 

= 12,3

С.

ln(Dtб / Dtм )

ln(24,6 / 5)

 

 

 

 

Принимаем ориентировочно величину коэффициента теплопередачи в зоне охлажде-

ния Kо = 20 Вт/(м2×К) [3]. Площадь поверхности теплообмена этой зоны

 

Qо

 

28 000

2

Fо =

 

=

 

 

= 48,6 м .

K оDtср.о

20

× 28,8

 

 

 

Для оценки коэффициента теплопередачи в зоне конденсации рассчитаем состав ПГС при средней температуре конденсации

t

н

=

tн.о tк

=

35,8 − 10

= 20,2о С .

ln(tн.о / tк )

ln(35,8 /10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

210

Давление насыщенного пара ВХ при этой температуре

lg pн = 9,07073 −

 

 

926 ,215

 

 

, откуда pн = 0,341×106 Па.

 

20,2 + 241,603

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мольная доля ВХ в ПГС

 

ун =

рн

=

0,341

= 0,569 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р

об

0,6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Относительная массовая доля ВХ в ПГС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M п yн

 

 

62,5 × 0,569

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Υ

 

=

 

=

= 2,85 кг ВХ/кг воздуха .

 

н

M г (1 − ун )

 

29(1 − 0,569 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

Относительная массовая концентрация воздуха в ПГС Υ

г

=

=

= 0,351 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Υн

 

2,85

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Относительное уменьшение коэффициента теплоотдачи,

по данным [3], εг = 0,15.

Ориентировочно можно принять в зоне конденсации величину коэффициента теплопередачи

Kк = 0,15 × 600 = 90 Вт/(м2×К). Площадь поверхности теплообмена в зоне конденсации

F =

Qк

=

207 000

= 187 м2 .

 

 

к

KкDtср.к

90 ×12,3

 

 

 

 

 

Общая площадь поверхности теплообмена F = F

+ F = 48,6 + 187 = 235,6 м2.

 

 

 

 

о

к

Выбираем [6] стандартизованный кожухотрубчатый конденсатор с четырьмя ходами по трубному пространству, с площадью поверхности теплообмена F = 240 м2, диаметром кожуха D = 800 мм, с трубами длиной l = 6 000 мм и диаметром dн ´ d = 20 ´ 2 мм. Пло-

щадь проходного сечения одного хода по трубам Sтр = 3×10−2 м2 .

Для выполнения поверочного расчета выбранного конденсатора определим средние величины параметров и физико-химических характеристик ПГС в соответствии с принятой

температурной схемой теплопередачи.

При средней температуре ПГС в зоне охлаждения

t = (tо + tн.о) / 2 = (45 + 35,8) / 2 = 40,4о С

 

 

 

 

Т

о

P

 

273 × 0,6

 

 

 

3

 

плотность ПГС r = r

 

 

 

 

 

об

 

=

2,64

 

 

 

 

 

 

 

= 13,8 кг/м .

о

ТP

 

 

 

+ 40,4) × 0,1

 

 

 

(273

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Объемный расход ПГС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V = V

 

 

ρо

=

1 000 × 2,64

= 191 м3/ч = 0,0531 м3/с.

 

 

о

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Динамическую вязкость паров ВХ рассчитаем по формуле [3]

 

 

То + С

Т

 

1,5

 

273

+ 343 313

1,5

 

mп = mо

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мкПа×с ,

Т + С

 

 

 

 

 

 

 

9,98

 

 

 

 

 

= 11,5

 

 

 

 

То

 

313

+ 343 273

 

 

где μо = 9,98 мкПа×с – вязкость паров ВХ при 0оС; С = 343 –

 

константа Сатерленда для ВХ.

Инертный газ (азот), согласно расчетам по формуле Сатерленда, имеет вязкость при

40,4оС μг = 19 мкПа×с [5] .

211

Вязкость ПГС μ при рассматриваемых условиях рассчитаем из условия аддитивности

вязкостей компонентов смеси μп и μг [3]:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М

=

уоМп

+

(1 − уо)Мг

,

 

 

 

 

m

mп

 

 

mг

где М – молекулярная

масса

ПГС,

рассчитываемая средневзвешенной величиной

М = Мп уо + Мг(1- уо) = 62,5×0,9 + 28(1- 0,9) = 59 кг/кмоль .

 

59

=

0,9 × 62,5

+

(1 - 0,9)28

; откуда μ = 11,7 мкПа×с .

 

m

11,5

 

 

19

 

 

 

 

Удельная теплоемкость ПГС (также по аддитивности)

с = спМп уо + сгМг (1 - уо ) = 0,86 × 62,5 × 0,9 +1,05 × 28(1 - 0,9) = 0,87 кДж/(кг×К) .

М

59

Коэффициент теплопроводности паров ВХ рассчитаем по формуле Эйкена:

 

 

 

 

 

 

 

 

5R

 

 

 

− 6

 

 

5 ×8 314

 

− 2 Вт/(м×К).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lп = mп сп +

 

= 11,5 ×10

 

860

+

4 ×

 

 

= 1,18 ×10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4M п

 

 

 

 

 

62,5

 

 

 

 

 

 

Коэффициент теплопроводности азота при 40,4оС, рассчитанный по формуле Эйкена,

lг

= 2,7 ×10−2 Вт/(м×К).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент теплопроводности ПГС (по аддитивности)

 

 

 

 

 

l = l

п

у

+ l

г

(1- у ) =1,18×10−2 ×0,9 + 2,7 ×10−2 (1-0,9) =1,33×10−2 Вт/(м×К).

 

 

 

о

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Физико-химические характеристики охлаждающей воды при средней температуре

θ = (θк − θо ) / ln(θк / θо ) = (12 − 5) / ln(12 / 5) = 8 оС

 

 

следующие [3]: плотность

ρ

в

= 1 000 кг/м3 ;

теплоемкость с

в

= 4 200 Дж/(кг×К);

теплопроводность λ

в

= 0,57 Вт/(м×К);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вязкость mв =1,41×10−3 Па×с; критерий Прандтля Pr = 10,4.

Проверяем два варианта исполнения конденсатора: вертикальное и горизонтальное.

Вариант 1. Вертикальное расположение, ПГС подается в межтрубное пространство.

Площадь проходного сечения межтрубного пространства [6] при шаге размещения труб t = 1,3dн :

Sмт = 0,5D2 (1 - dн / t) = 0,5 × 0,82 [1 - 0,02 /(1,3 × 0,02)]= 0,074 м2 .

Скорость ПГС в межтрубном пространстве

 

w

=

 

V

=

0,0531

= 0,72 м/с .

 

 

 

 

 

мт

Sмт

0,074

 

 

 

 

 

 

 

 

Критерий Рейнольдса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

 

 

×

×

 

 

Re =

wмт d н

 

=

0,72 0,02

13,8

= 17 000 > 103 ,

m

 

− 6

 

 

 

11,7 ×10

 

следовательно, коэффициент теплоотдачи рассчитываем по формуле [4]

Nu = C Ren Pr0,36 eϕ ,

212

где C , n – коэффициенты, зависящие от способа размещения труб; εϕ – коэффициент угла

атаки. Для стандартизованных теплообменников при размещении труб по вершинам тре-

угольников С = 0,21;

n = 0,65 ;

 

εϕ = 0,6 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Критерий Прандтля

 

 

Pr =

cm

 

=

870 ×11,7 ×10−6

 

= 0,765,

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

1,33 ×10−2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тогда Nu = 0,21×17 0000,65 ×0,7650,36 × 0,6 = 64,3, коэффициент теплоотдачи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nul

 

 

 

 

 

64,3 ×1,33 ×10− 2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

a

=

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 42,8 Вт/(м

×К).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

dн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,02

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Общий расход охлаждающей воды с учетом 5% тепловых потерь:

 

- массовый

G

в

=

 

 

 

1,05Q F

 

 

 

 

 

=

 

 

 

1,05 × 235

 

 

= 8,39 кг/с ;

 

 

 

 

св (qк

 

- q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- 5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о )

 

 

4,2(12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- объемный V

в

=

Gв

 

=

8,39

 

 

= 8,39 ×10−3 м3/с .

 

 

 

 

 

 

 

 

rв

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

8,39 ×10

−3

 

 

 

Скорость потока воды в трубах

 

 

wтр =

 

 

в

=

 

 

 

 

 

 

= 0,28 м/с .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sтр

 

 

 

3×10− 2

 

 

 

Критерий Рейнольдса в трубах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Re =

wтрdρв

 

 

=

0,28×0,016×1 000

= 3 170 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mв

 

 

 

 

 

 

 

1,41×10−3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Режим течения переходный (2 300 < Re < 104); коэффициент теплоотдачи определим

по графику

[3],

из

 

которого

 

 

следует значение

 

комплекса

Nu /

[Pr0,43 (Pr/ Pr )0,25

]= 8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ст

 

Допуская при небольшом изменении температуры воды Pr ≈ Prст, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nu = 8 Pr0,43 = 8 ×10,40,43 = 21,9 ;

 

 

 

коэффициент теплоотдачи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a 2 =

Nu λ в

 

=

21,9 × 0,57

= 780 Вт/(м2×К).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

0,016

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принимаем материал теплообменника –

сталь 12Х18Н10Т, для которой коэффициент

теплопроводности λст = 16,4 Вт/(м×К).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Термическое сопротивление загрязнений: со стороны ПГС r

= 2,3 ×10−4 м2×К/Вт ; со

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

з1

 

 

стороны воды rз2

= 2 ×10− 4 м2×К/Вт [4]. Полное термическое сопротивление стенки

 

r

 

= r

+

 

d

 

+ r

 

= 2,3 ×10− 4 +

2 ×10−3

+ 2 ×10− 4 = 5,5 ×10− 4 м2×К/Вт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ст

з1

 

lст

 

 

 

 

з2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент теплопередачи в зоне охлаждения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

K о =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 40

Вт/(м ×К).

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ r

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

+ 5,5 ×10− 4 +

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a1

 

 

 

 

 

 

ст

 

 

 

 

 

a2

 

 

 

 

 

42,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

780

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

213

Требуемая площадь поверхности теплообмена в зоне охлаждения

F =

 

 

Qо

 

=

28 000

 

= 24,4 м2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

K оDtср.о

 

 

 

40 × 28,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент теплоотдачи в зоне конденсации паров ВХ рассчитаем по формуле

 

 

 

 

r

ρ 2

λ3 g

0,25

 

 

 

α1

= С

 

 

п ж ж

 

,

(а)

 

 

 

 

 

 

 

 

μ

ж

l

t

кон

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где С

коэффициент, зависящий от расположения теплообменника (для вертикального ис-

полнения С = 1,15 );

 

ρж = 910 кг/м3

 

плотность жидкого ВХ;

λж =0,138 Вт/(м×К) –

тепло-

проводность жидкого ВХ; μж = 0,18 мПа×с –

вязкость жидкого ВХ; l = 6 м – длина труб (как

размер

элемента

поверхности

конденсации

при

 

вертикальном расположении

труб);

tкон = tн tст1

разность температур между температурой насыщения пара tн и темпе-

ратурой стенки со стороны конденсирующегося пара tст1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При средней температуре конденсации tн= 23оС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

×910

2

× 0,138

3

 

 

 

0,25

 

1 810 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

310 ×10

 

 

 

×9,81

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a1 = 1,15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,18 ×10

−3

× 6 × Dtкон

 

 

 

 

Dt

0,25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кон

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разность температур tкон = tн tст1 найдем методом подбора температуры стенки

tст1 . Расчет осуществляем из условия неразрывности теплового потока q :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q = α′

t

кон

=

 

 

tст

= α

2

 

t

2

,

 

(б)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

rст

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

tст = tст

tст

– перепад температур на стенке; tст

температура стенки со сторо-

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

ны охлаждающей воды;

 

 

t2 = tст2 − θ – разность между температурой стенки и средней

температурой охлаждающей воды в зоне конденсации θ = tн

 

tср.к. = 23 −12,3 = 10,7 оС;

α′

коэффициент теплоотдачи при конденсации с учетом присутствия в смеси неконденси-

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рующихся газов:

= e

г

a

1

= 0,15 ×1 810Dt −0,25 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

кон

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение (б) после подстановки известных величин принимает вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q = 270Dtкон0,75 =

 

t

 

 

= 780 Dt2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5,5 ×10 - 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Температуру стенки tст1

подбирают так, чтобы тепловой поток был одинаковым по

всей цепочке теплопереноса. Результаты расчета сводим в табл. 6.1.

 

 

 

214

Таблица 6.1. Расчет удельной тепловой нагрузки в зоне конденсации

tст ,

tкон= 23−tст1

0,75

,

Dt

−4

,

tст

=tст tст,

t2

=tст −10,7,

q2 = 780 t2

q = 270 tкон

=5,5×10 q

1

 

1

 

ст

1

 

2

1

 

2

т/м2

оС

оС

Вт/м2

 

 

оС

 

 

оС

 

оС

12

11

1630

 

 

0,90

 

 

11,10

 

0,4

314

13

10

1518

 

 

0,84

 

 

12,16

 

1,46

1142

13,5

9,5

1416

 

 

0,80

 

 

12,70

 

2,00

1557

13,4

9,6

1472

 

 

0,81

 

 

12,59

 

1,89

1474

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В последней строке q1 q2 . Тепловой поток в зоне конденсации принимаем

q =

q1 + q2

=

1 472 +

1 474

= 1 473 Вт/м2 .

 

 

 

2

2

 

 

Необходимая площадь поверхности теплообмена в зоне конденсации

 

Q

217 ×103

2

F =

к

=

 

=147 м .

 

 

к

q

1473

 

 

 

Суммарная площадь поверхности теплообмена

F = F + F = 24,4 + 147 = 171,4 м2 .

о

к

Принимаем ближайший стандартный типоразмер конденсатора типа 800 ККВ-16-

Б2-0/20-6-4 гр.А ГОСТ 15121-79 [6] с площадью поверхности теплообмена по наружному диаметру труб 240 м2.

Выбранный конденсатор обеспечит теплообмен с запасом

240 − 171,4 ×100 = 40 %.

171,4

Вариант 2.

За основу принимаем конденсатор, рассчитанный по первому варианту, но горизон-

тального исполнения (ККГ).

Условия теплопередачи для зоны охлаждения идентичны условиям по варианту 1, по-

этому K

о

= 40 Вт/(м2×К) и F = 24,4 м2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для зоны конденсации коэффициент теплоотдачи при конденсации ВХ рассчитываем

по формуле (а), но с величиной коэффициента С = 0,72 [4]

и подстановкой размера элемента

поверхности конденсации dн = 0,02 м:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

310 ×10

3

×910

2

× 0,138

3

 

 

 

0,25

 

4 715 .

 

 

 

 

 

 

×9,81

 

=

 

 

a1 = 0,72

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,18 ×10

−3

× 0,02 × Dtкон

 

 

Dt

0,25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кон

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С учетом присутствия в ПГС воздуха

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a¢ = e

a

= 0,15 × 4 715Dt −0,25

= 707Dt

− 0,25 .

 

 

1

г

1

 

 

 

 

 

кон

 

 

 

 

кон

 

 

С учетом натекания конденсата на нижние ряды труб

215

α′′ = εα′

= 0,55α′

,

1

1

1

 

где ε – поправочный множитель, учитывающий влияние числа труб nв по вертикали; при

nв > 20 ε = 0,55 .

 

 

Уравнение теплового потока имеет вид

 

 

q = 390Dtкон0,75 =

 

tст

= 780Dt2 ,

 

×10-4

5,5

 

где α2 = 780 Вт/(м2×К) – коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве, принятый по

варианту 1.

Результаты расчета сводим в табл. 6.2.

Таблица 6.2. Расчет удельной тепловой нагрузки в зоне конденсации

t

ст

,

t

= 23− t

,

q

= 390 t

0,75

,

Dt =5,5×10−4q ,

t

= t

t

,

t

= t −10,7,

q

2

= 780 t

2

,

 

 

кон

 

ст

1

кон

 

ст

1

ст

ст

ст

2

ст

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

Вт/м2

 

 

 

 

2

1

 

 

 

2

 

 

Вт/м2

 

 

 

о

 

 

0

С

 

 

 

 

 

оС

 

о

 

 

 

о

 

 

 

 

 

С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С

 

 

 

С

 

 

 

 

 

 

15

 

 

8,0

 

 

1885

 

 

 

1,02

 

13,98

 

 

3,28

 

 

2558

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

 

 

9,0

 

 

2026

 

 

 

1,11

 

12,89

 

 

2,19

 

 

1704

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14,5

 

8,5

 

 

1941

 

 

 

1,07

 

13,43

 

 

2,73

 

 

2131

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14,3

 

8,7

 

 

1976

 

 

 

1,09

 

13,21

 

 

2,51

 

 

1960

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В последней строке q1 = q2 с погрешностью 0,8 %, тогда тепловой поток в зоне кон-

денсации

q = q1 + q2 = 1 976 + 1 960 = 1 968 Вт/м2 . 2 2

Требуемая площадь поверхности теплообмена в зоне конденсации

F

=

Qк

=

217 ×103

= 110 м2 .

 

 

к

 

q

1 968

 

 

 

 

Общая площадь поверхности конденсатора

 

F = F

+ F

= 24,4 + 110 = 134,4 м2 .

о

 

к

 

 

 

Ближайший стандартный конденсатор с геометрическими характеристиками, соответ-

ствующими принятому типу, имеет площадь поверхности теплообмена 155 м2 при длине труб l = 4 000 мм. Запас по площади теплообменной поверхности

155 − 134,4 ×100 =15,3 %.

134,4

Окончательно выбираем конденсатор по более экономичному второму варианту: 800

КНГ-16-Б2-0/20-4-6 гр.А ГОСТ 15121-79 [6] с площадью поверхности теплообмена по на-

ружному диаметру труб 155 м2.

216

6.4.2. Расчет адсорбера с угольным поглотителем

Рассчитать продолжительность адсорбции винилхлорида из абгазов по следующим

данным:

расход абгазов V = 1 000 м3/ч (при рабочих условиях);

начальная концентрация ВХ Со = 15 г/м3;

конечная концентрация ВХ Ск = 0,4 г/м3;

температура t = 20оС;

давление газов в адсорбере po = 0,1 МПа (абс.);

инертная часть газовой смеси – азот;

адсорбент – активированный уголь АР-3;

процесс проводится в аппарате диаметром D = 1,8 м;

высота слоя угля H = 1 м.

Р е ш е н и е

Коэффициент массоотдачи рассчитаем по уравнению (6.32). В связи с невысокой кон-

центрацией ВХ плотность и вязкость газовой смеси принимаем для азота при t = 20оС:

ρ = 1,16 кг/м3, μ = 18·10–6 Па·с.

Коэффициент диффузии ВХ в воздухе определим по формуле Джиллиленда

 

 

D =

0,0422 T 3 / 2

 

 

 

1

 

+

1

 

 

=

 

 

1 / 3

+ v

1

/ 3

2

 

 

M

 

 

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p(v п

г

 

 

 

)

 

 

 

п

 

 

 

 

г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,0422 × 2933 / 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

1

 

+

1

 

 

= 9,5 ×10 − 6 м2/с,

 

(65,31 / 3 + 31,21 / 3 )2

 

 

65,2

 

28

105

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где v п = 65,3 и v г = 31,2 – расчетные мольные объемы ВХ и воздуха [3] соответственно,

см3/моль; M п = 62,5 и M г = 28 –

мольная масса ВХ и воздуха соответственно, кг/кмоль.

Площадь поперечного сечения слоя адсорбента

 

 

S =

pD2

=

3,14 ×1,82

=

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2,54 м .

4

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Скорость абгазов на свободное сечение аппарата

 

w =

V

=

 

 

1000

 

= 0,11 м/с.

 

3600 × 2,54

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

Размер частиц адсорбента АР-3 d = 2 мм. Критерий Рейнольдса

Re =

wdr

 

=

 

0,11 × 2 ×10

−3 ×1,16

=14,2 .

 

m

 

 

18 ×10−6

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент массоотдачи

Nu д =1,6 Re0,54 =1,6 ×14,20,54 = 6,7 ,

217