6.2. Методика расчета подогревателя исходной смеси,

подаваемой на ректификацию, у которого одним из

теплоносителей является насыщенный пар

В данной методике дана последовательность расчета пароподогревателя, которая включает предварительный и уточненный тепловой расчет, когда подбирают теплообменник, задаваясь числом Рейнольдса.

6.2.1. Исходя из рекомендаций, изложенных в п. 6.1.1, направить исходную смесь в трубное пространство, а насыщенный водяной пар – в межтрубное пространство.

6.2.2. Выбрать схему движения теплоносителей и изобразить ее на графике. Для этого необходимо предварительно определить начальную и конечную температуры горячего и холодного теплоносителей (t_н.г., t_к.г., t_к.х.). Начальную и конечную температуру пара (t_н.г. и t_к.г.) определяют по заданному давлению пара Р_п [2, c.549].

Конечную температуру холодного теплоносителя принимают равной температуре кипения исходной смеси, которую определяют по диаграмме

t-х,у, по заданному составу смеси – x_F.

Принимают схему движения теплоносителей: противоток, смешанный ток.

6.2.3. Определить среднюю разность температур на концах подогревателя

t_б = t_к.г. – t_н.х, t_м = t_н.г. – t_к.х

При

При

6.2.4. Определить средние температуры теплоносителей

t_ср.х = t_ср.г - t_cр

6.2.5. Определить физические свойства горячего и холодного теплоносителей.

При средней температуре горячего теплоносителя (насыщенного водяного пара) определить

- плотность пара _п, кг/м³;

- теплоту парообразования r, Дж/кг [2, c.548].

При средней температуре холодного теплоносителя определить:

- плотность смеси

где _А, _В – плотности чистых веществ, кг/м³ [2, с.512];

– массовая доля;

- теплоемкость смеси

где c_А , c_В – теплоемкости чистых веществ, Дж/кг·К;

• вязкость смеси

lg_см = x_F ^. lg_A + (1 - x_F ) lg_В

где _А, _В – динамическая вязкость чистых веществ, мПа·с;

x_F - мольная доля;

- теплопроводность смеси

_см = _А + _В – 0,72 (_В - _А)

где _А, _В – теплопроводности чистых веществ, Вт/(м·К).

6.2.6. Определить тепловую нагрузку аппарата, т.е. количество тепла, воспринимаемого холодным теплоносителем (исходной смесью) от насыщенного водяного пара

6.2.7. Определить расход пара с учетом 5%-ной влажности (x_п = 5%) и 5%-ных потерь тепла в окружающую среду

где r – теплота парообразования, Дж/кг.

6.2.8. Вычислить число труб в одном ряду подогревателя, для чего задаться числом Рейнольдса, обеспечивающим развитое турбулентное движение.

Принять Re = 15000 – 30000.

где G_F – массовый расход, кг/с;

_F - вязкость смеси, Па ^. с;

d_в - внутренний диаметр труб.

Принять для расчета подогревателей нормализованный диаметр труб

d = 25 2 мм или d = 38 2 мм

т.е. с наружным диаметром труб 25 (38) мм и толщиной стенки труб 2 мм.

6.2.9. Выписать из каталога – справочника [6, c.51] данные теплообменных аппаратов (F, l, n, z, Д) с принятым наружным диаметром труб d = 25; 38 мм, имеющих число труб в одном ряду, близкое к расчетному,

где F – поверхность теплообмена, м²;

l - длина труб, м;

n - число труб;

z – число ходов;

Д – диаметр кожуха.

Если число труб в одном ряду значительно отличается от расчетного, то нужно, задаваясь числом Re, подобрать необходимое число труб.

6.2.10. Оценить ориентировочную поверхность теплообмена, приняв значение коэффициента теплопередачи в пределах, указанных в [2, c.172], см. также приложение 13,14.

Вычисленная поверхность теплообмена F_p должна быть близкой к поверхности теплообмена F_к , выбранной по каталогу.

Для согласования величин поверхностей F_p и F_к необходимо изменять значение задаваемого коэффициента теплопередачи К.

6.2.11. Уточнить значение числа Рейнольдса для подогревателя, выбранного по каталогу, у которого n_k и F_k близки к расчетным значениям n_р и F_p

или

где Re_з – заданное значение числа Рейнольдса;

n_р, n_к – число труб, рассчитанное и определенное по каталогу соответственно.

6.2.12. Вычислить коэффициент теплоотдачи трубного пространства

Nu₁ = 0,021 ^. Re₁^{0,8 .} Рr₁^0,43

6.2.13. Вычислить коэффициент теплоотдачи межтрубного пространства для вертикальных труб по уравнению

где G_n - расход пара, кг/с;

, ,  - плотность, теплопроводность, вязкость для воды при температуре конденсации пара.

6.2.14. Вычислить термическое сопротивление стальной стенки и загрязнений

где  = 0,002 м – толщина стенки труб;

_ст = - теплопроводность стенки (стали);

1/ r₁, 1/r₂ - тепловая проводимость стенок со стороны органической жидкости и пара, Вт/м·К [2, c.531].

6.2.15. Вычислить коэффициент теплопередачи

6.2.16. Вычислить требуемую поверхность теплообмена

6.2.17. Выполнить уточненный проверочный расчет коэффициента теплопередачи с учетом температур поверхности стенок труб.

В начале уточненного проверочного расчета вычислить температуру стенки со стороны горячего и холодного теплоносителя из уравнения удельной тепловой нагрузки

q = K ^. t_ср = _г^. t_г = _x ^. t_x

где К – вычисленный коэффициент теплопередачи;

_г, _x – коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителя;

t_г = t_s – t_ст.г – разность температур между температурой конденсации насыщенного водяного пара и температурой стенки трубы со стороны пара;

t_х = t_ст.х – t_ср.х – разность температур между температурой стенки со стороны исходной смеси и средней температурой смеси.

Значение t_г и t_x вычисляют по формулам

a q = K ^. t_cp

Вычислив значение t_г и t_x , определяют температуры стенок t_ст.г и t_ст.х по формулам

t_ст.г = t_s - t_г

t_ст.х = t_x + t_ср.х

6.2.18. Вычислить среднюю температуру пленки конденсата по формуле

Определить следующие физические свойства конденсата (воды) при средней температуре пленки конденсата:

_s – плотность, кг/м³;

μ – вязкость, Па·с;

 – теплопроводность, Вт/(м·К).

6.2.19. Вычислить коэффициент теплоотдачи для конденсирующегося пара по уравнению

где t = t_s - t_ст.г

Н – высота (длина) труб;

r - теплота парообразования, Дж/кг.

6.2.20. Определить удельную тепловую нагрузку по горячему теплоносителю

q_г = _г(t_s – t_ст.г)

Уточнить температуры поверхности стенки со стороны исходной смеси по формуле

t_ст.х = t_ст.г – q r_ст

или

t_ст.х = t_x + t_ср.х

6.2.21. Уточнить коэффициент теплоотдачи исходной смеси с учетом множителя

В данном уравнении уточнить только значение величин, входящих в Рr_ст.х при температуре t_ст.х

Вычислить коэффициент теплоотдачи

6.2.22. Проверить удельную тепловую нагрузку

q_см = _см ^. (t_ст.х - t_ср.х)

Если расчет выполнен правильно, то удельные тепловые нагрузки по горячему и холодному теплоносителю буду равны q_г = q_см , если же имеются значительные расхождения в первом и втором знаке вычисленных значений, то для полученного значения удельной тепловой нагрузки q_г определить t_ст.г и t_ст.х и вновь повторить проверочный уточненный тепловой расчет.

6.2.23. Вычислить коэффициент теплоотдачи К = q/t_cр и окончательно уточнить поверхность теплообмена

6.2.24. Определить среднюю температуру стенок труб

Если разность температур между температурой кожуха и средней температурой стенок труб меньше 30, т.е.

t_k - t_cр.ст < 30,

то теплообменник выбирается с неподвижными трубными решетками типа ТН.