1.2.2. Расчет конденсатора Задание

Рассчитать и подобрать конденсатор для конденсации паров этилового спирта. Количество пара, поступающего на конденсацию 3500 кг/ч. Температура конденсации спирта t₁ = 78 ^оС. В качестве охлаждающего агента используем воду. Начальная и конечная температуры воды t_2нач = 18^оС, t_2кон = 40^оС.

Принимаем индекс «1» для паров этилового спирта, индекс «2» для воды. Составляем температурную схему процесса.

Температурная схема процесса

78 – 78;

40 – 18;

Δt_м=38; Δt_б =60.

Так как отношение Δt_б/Δt_м = 60/38 = 1,58 меньше 2, среднюю разность температур теплоносителей рассчитываем по формуле

Δt_ср = С.

Средняя температура воды равна

t₂= t₁- t_ср= 78 – 49 = 29 С.

Количество тепла, отнимаемое водой в конденсаторе, рассчитываем по уравнению

Q₁ = G₁∙r₁,

где r₁ – удельная теплота конденсации этилового спирта (таблица А15).

Q₁ = 3500∙850000/3600 = 826390 Вт.

Расход воды определяется по формуле

G₂ = ,

где с₂ – удельная теплоемкость воды при температуре t₂.

G₂ = кг/с.

Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося пара органической жидкости к воде К_мин = 300 Вт/м²∙К По [3, 172]. При этом

F_max = = м².

Для обеспечения турбулентного течения воды при Re > 10000 скорость в трубах должна быть больше ω₂`

ω₂` = ,

где μ₂ = 0,8∙10^-3 Па∙с – динамический коэффициент вязкости воды при 78 С [3, 514]; ρ₂ = 995 кг/см³ – плотность воды при 78 С [3, 512]; d₂ – внутренний диаметр трубы, м.

ω₂` = м/c.

Число труб диаметром 252 мм, обеспечивающих объемный расход воды при Re > 10000

n’ = ,

где V₂ – объемный расход воды, V₂ = G₂/ρ₂ = 8.96/995 = 0.009 м³/с;

n’ = .

Условию n < 67 и F < 56 м² удовлетворяет четырехходовой теплообменник (приложения Б12, Б13) с общим числом труб 210, на один ход 210/4 = 52,5 труб.

Расчет коэффициента теплоотдачи для воды

Уточняем значение критерия Re₂

Re_{2 =} 10000∙(n’/n) = 10000∙(67/52.5) = 12700.

Критерий Прандтля для воды при t₂ = 29 С

Pr₂ = с₂∙μ₂/λ₂ = 4190∙0,8∙10^-3/0,65 = 5,

где λ₂ = 0,65 Вт/м∙К – коэффициент теплопроводности при t₂ = 29 С [3, 651].

Критерий Нуссельта для турбулентного режима рассчитывается по формуле

Nu₂ = 0,021∙Re₂^0,8∙Pr₂ ^0,43∙(Pr₂/Pr_ст.2)^0,25.

Отношение (Pr₂/Pr_ст.2)^0.25 для нагревающейся жидкости принимаем равным 1 [3, 152].

Таким образом,

Nu₂ = 0,021∙12700^0,8∙5^0,43∙1 = 81,4.

Коэффициент теплоотдачи ₂ равен

α₂ = Nu₂∙λ₂/d₂ = 81.4∙0.65/0.021 = 2520 Вт/м²∙К.

Коэффициент теплоотдачи ₁ при конденсации паров этилового спирта на пучке горизонтальных труб рассчитывается по формуле

α₁ = ,

где ₁ – теплопроводность жидкого этилового спирта при t₁ = 78 C

[3, 561]; ρ₁ – плотность жидкого этилового спирта [3, 512]; r₁ – удельная теплота конденсации паров этилового спирта (приложение А14); μ₁ – динамический коэффициент вязкости этилового спирта при t₁ = 78 C; t₁ = t₁ – t_ст1, принимаем равной 2 C; d₁ – наружный диаметр трубы; ε – коэффициент, зависящий от расположения труб в пучке и числа рядов по вертикали [3, 162]; ε_t = 1.

α₁ = Вт/м²∙К.

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны воды 1/r_загр.1≈ 2900 Вт/м²∙К, со стороны паров этилового спирта 1/r_загр.2≈ 5800 Вт/м²∙К (приложение Б15). Коэффициент теплопроводности стали λ_ст = 46.5 Вт/м∙К [3, 529]. Тогда

Вт/м²∙К.

Коэффициент теплопередачи равен

=Вт/м²∙К.

Расчетная площадь поверхности теплообмена равна

F_р = =м².

Устанавливаем четырехходовый кожухотрубчатый теплообменник с поверхностью 32 м². Запас площади поверхности теплообмена равен ((32-24)/24)100 = 33%. Диаметр кожуха 600 мм, число труб на один ход трубного пространства n = 52,5, длина трубы l = 2 м (приложение Б12). Ввиду того, что общая разность температур Δt_ср= 49 К близка к допускаемой разности

(t_k – t)_макс = 40 К [3, 534], принимаем теплообменник типа ТН.