2.6.4. Расчет и выбор теплообменника-конденсатора

Исходные данные: назначение аппарата – конденсатор; целевым теплоносителем (1) являются пары углеводородов, обеспечивающим (2) –этан; расход углеводородов G₁=3000 кг/ч; начальная их температура t_1,н=-22 °C, конечная t_1,к=-28 °C; давление углеводородов на входе Р_1,н=2,5 МПа; охлаждающая среда – этан с давлением на входе Р_2,н=1,8 МПа, температурой на входе t_2,н=-43 °C, на выходе t_2,к=-30 °C; углеводороды поступают в межтрубное пространство, этан – в трубное.

Тепловой расчет

Примем, что движение углеводородов в межтрубном пространстве близко к идеальному вытеснению. тогда можно разбить межтрубное пространство на две зоны – конденсации и охлаждения (рис. 2.8). По всей длине зоны конденсации температура постоянна и равна температуре углеводородов на входе в аппарат, поскольку она близка к температуре конденсации при давлении 2,5 МПа.

Тогда тепловая нагрузка конденсатора

Q=Q₁+Q₂=rG₁+G₁(H_1к-Н_2к),

где Q₁ – теплота, выделяемая при конденсации, Вт; Q₂ – теплота, выделяемая при охлаждении жидкого конденсата, Вт; r=301,46 кДж/кг – теплота конденсации; G₁ – массовый расход углеводородов, кг/с; H_1к=333,99 кДж/кг – энтальпия жидкого конденсата в начале зоны II; H_2к=292,3 кДж/кг – энтальпия конденсата на выходе из аппарата.

Рис. 2.8. Схема распределения температур по длине конденсатора:

I – зона конденсации; II – зона охлаждения

Q=301,46·0,833+0,833(333,99-292,3)=285,83 кВт=285830 Вт,

где Q₁=251,11 кВт=251110 Вт; Q₂=34,73кВт=34730 Вт.

Необходимый массовый расход этана

где с_э=3,3 кДж/(кг·К) [15] – теплоемкость этана при средней температуре.

Тепловой баланс зоны I

Q₁=c_эG₂(t_2к-τ).

Отсюда °С.

Среднелогарифмический температурный напор:

в зоне I аппарата

°С; °С;

°С;

в зоне II

°С; °С;

°С.

Принимаем ориентировочно коэффициент теплопередачи для обоих зон равным 100 Вт/(м²·К) [3] и определяем ориентировочную поверхность теплообмена:

для зоны I

для зоны II

общую

.

По полученному ориентировочному значению F=215 м² выбираем вертикальный конденсатор (для уменьшения гидравлического сопротивления в трубах) со следующими техническими характеристиками (табл. 2.9 [3]): диаметр кожуха 1000 мм, площадь поверхности теплообмена 235 м², длина труб 4 м, одноходовой, диаметр труб 25 мм, площадь проходного сечения: по трубам 0,278 м², по межтрубному пространству 0,143 м².

Проведем уточненные расчеты.

Последовательно определим:

– коэффициент теплоотдачи со стороны углеводородов для зоны I по формуле из [3] (стр. 53), если теплофизические свойства конденсата при t= -22 °С и Р=2,5 МПа: ρ=418 кг/м³; λ=0,112Вт/(м·К); μ=68·10^-6 Па·с,

где число труб в конденсаторе

Тогда

– коэффициент теплоотдачи со стороны этана для зоны I, если теплофизические свойства этана при t_ср=(-41,5-30)/2=-35,75 °С, Р=1,8 МПа: ρ=580 кг/м³ (найдено путем экстраполяции); с_р=3,26 кДж/(кг·К); λ=0,133Вт/(м·К); μ=48,14·10^-6 Па·с, для чего рассчитываем:

– критерий Прандтля

– объемный расход этана

– скорость движения этана в трубах

– критерий Рейнольдса

т.е. Re>10⁴, следовательно, режим движения развитый турбулентный и для расчета числа Нуссельта используем уравнение

Тогда

– коэффициент теплоотдачи в зоне I

где δ_ст=0,002 м – толщина стенки трубы; R₃=2·0,000091 м²·К/Вт – термическое сопротивление слоев загрязнений с обеих сторон стенки для паров органических жидкостей [3] (табл. 2.2); λ_ст=46,52 Вт/(м²·К) (табл. 2.1) – теплопроводность стали. Тогда

Найдем коэффициент теплопередачи для зоны II, если для средней температуры -25 °С и при Р=2,5 МПа для конденсата ρ=435 кг/м³; с_р=3,3 кДж/(кг·К); λ=0,113Вт/(м·К); μ=75·10^-6 Па·с, для чего рассчитываем:

– скорость конденсата в межтрубном пространстве

– критерий Рейнольдса

т.е. Re>1000, и можно воспользоваться для расчета Нуссельта уравнением

если принять поскольку температуры стенки и конденсата близки, то

при

Тогда

коэффициент теплоотдачи для зоны II, если теплофизические свойства при t_ср=(-43-41,5)/2= =-42,25 °С и при Р=1,8 МПа: ρ=630 кг/м³ (найдено путем экстраполяции); ν=0,09·10^-6 м²/с; μ=56,7·10^-6 Па·с; Тогда

так как 2300<Re<10⁴, то режим движения переходный и формула для числа Нуссельта [13] (стр. 52)

Nu=0,008·Re^0,9·Pr^0,43;

где число Прандтля Тогда

Nu=0,008·9635^0,9·1,33^0,43=34,8.

следовательно

– коэффициент теплопередачи зоны II

Найдем необходимую площадь теплообмена:

– зона I

– зоны II

– общую

F=F₁+F₂=92,4+29,5=121,9 м².

Ориентировочно выбранный конденсатор оказался с несколько завышенной площадью теплообмена F=235 м². Примем конденсатор такой же конструкции, но с длиной труб 3 м [3] (табл. 2.9). В этом случае площадь поверхности теплообмена составит 176 м². Запас площади теплопередачи выбранного теплообменника составит

Поскольку геометрические размеры окончательно выбранного конденсатора, входящие в расчетные формулы, те же, что у ранее выбранного конденсатора, не требуется производить дополнительных уточненных расчетов.

Таким образом, выбранный кожухотрубчатый конденсатор по поверхности теплообмена удовлетворяет условиям работы. Поскольку разность средних температур незначительна

Δt=t_ср2-t_ср1=-36,5-(-25)=-11,5 °С,

то выбираем конденсатор с неподвижными трубными решетками (типа Н) и не производим расчета температурных деформаций.

Давление в межтрубном пространстве 2,5 МПа, что позволяет выбрать Н с условным давлением в кожухе 2,5 МПа. Рассчитаем допускаемое давление в трубах при выбранных геометрических размерах и материале [8]:

что значительно больше рабочего давления.