4.4 Гидравлическое сопротивление тарелок колонны

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определяют по уравнению:

19019\* MERGEFORMAT (.)

где гидравлическое сопротивление тарелки, Па.

Полное гидравлическое сопротивление тарелки колонны по [1] уравнение (5.56):

20020\* MERGEFORMAT (.)

где гидравлическое сопротивление сухой тарелки, Па;

гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке, Па

гидравлическое сопротивление, обусловленное поверхностным натяжением, Па.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки по [1] уравнение (5.57):

21021\* MERGEFORMAT (.)

где коэффициент сопротивления;

ρ_y – средняя плотность пара в колонне, кг/м³;

Коэффициент сопротивления сухой колпачковой тарелки принимаем равным ξ=4,5 [1] с.210.

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке по [1] уравнение (5.58):

22022\* MERGEFORMAT (.)

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения по [1] уравнение (5.59):

23023\* MERGEFORMAT (.)

_{где d0=0,015 м – эффективный диаметр прорезей колпачка.}

Полное сопротивление одной тарелки по формуле (4.34):

Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны по уравнению (4.33):

4.5 Расчет диаметров штуцеров

Для расчетов диаметров штуцеров и труб служит следующее уравнение [3] с.16:

24024\* MERGEFORMAT (.)

где V ‒ объемный расход среды в штуцере, м³/с;

_р ‒ рекомендуемая скорость перемещения среды в штуцере, м/с.

Определяем диаметр основных технических штуцеров для подвода и отвода жидкой смеси (рекомендуемая скорость движения жидкости – 2 м/с) [1] с.16:.

Примем штуцер с D_y= 300 мм с наружным диаметром 325 мм [8].

Определяем диаметр основных технических штуцеров для подвода и отвода газовой смеси (рекомендуемая скорость движения газа – 20 м/с):

Примем штуцер с D_у= 125 мм наружным диаметром 133 мм [8].

5 Подбор вспомогательного оборудования

5.1 Подбор холодильника газовой смеси

5.1.1 Определение температурных условий процесса. Согласно заданию на проектирование газовая смесь поступает с начальной температурой t_н1=60°C, а температура, при которой протекает процесс абсорбции равна t=18°С. Следовательно газовою смесь необходимо охладить до температуры процесса. Для этого используем кожухотрубчатый теплообменник. Газовою смесь пустим по трубному пространству теплообменника, хладагент – по межтрубному, т.к. газовая смесь более корозионноактивна (содержит бром), а трубное пространство более доступно для чистки.

В качестве хладагента используем захоложенную воду. Начальная температура захоложенной воды 5°С [2] с.5. Примем, что захоложенная вода при проведении процесса нагревается от t_н2=5°С до t_к2=15°С. Температурная схема процесса приведена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Температурная схема процесса

Из рисунка 5.1 видно, что большая движущая сила процесса тепло передачи равна Δt_б=45 К, меньшая – Δt_м=13 К. Отношение Δt_б/ Δt_м больше 2, поэтому средняя движущая сила процесса рассчитывается по [2] формула (5):

25025\* MERGEFORMAT (.)

Средняя температура охлаждающей воды:

Средняя температура поглотителя:

5.1.2 Расчет тепловой нагрузки. Т.к. при протекании процесса теплообмена агрегатное состояние теплоносителей не изменяется, тепловую нагрузку рассчитаем по [2] формула (1):

26026\* MERGEFORMAT (.)

где G₁ – расход теплоносителя, кг/с;

с₁ – теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг∙К);

t_н – начальная температура теплоносителя, К;

t_к - конечная температура теплоносителя, К.

Расход охлаждаемой газовой смеси G₁=G·M_y=0,059·35,249=2,068 кг/с. Т.к. газовая смесь в основном состоит из воздуха, примем, что она обладает такими же физическими свойствами, как и чистый воздух. Теплоемкость газовой смеси при средней температуре 35,771°С равна c₁=1000 Дж/(кг∙К) [3]. Начальная температура газовой смеси t_н1=60°C, конечная – t_н2=18°C. Подставив численные значения в 026, получим:

5.1.3 Расчет расхода охлаждающей воды. Расход охлаждающей воды определим из уравнения теплового баланса. Пренебрегая потерями тепла, получим:

27027\* MERGEFORMAT (.)

Отсюда

28028\* MERGEFORMAT (.)

где с₂ – теплоемкость охлаждающей воды, Дж/(кг∙К).

Теплоемкость захоложенной воды при ее средней температуре 10°С равна с₂=4190 Дж/(кг∙К) [3]. Расход захоложенной воды равен:

5.1.4 Ориентировочный выбор теплообменника. Для того, чтобы выбрать теплообменник, определим ориентировочную поверхность теплообмена. Для этого воспользуемся [2] формула (6):

29029\* MERGEFORMAT (.)

где К_п – приблизительное значение коэффициента теплопередачи, Вт/(м²∙К).

Примем ориентировочное значение критерия Рейнольдса для потока в трубном пространстве теплообменника равным Re_1ор=15000. Данное значение Re_1ор соответствует развитому турбулентному течению в трубах теплообменника, что будет обеспечивать эффективное протекание процесса теплопередачи. Число труб на один ход при выполнении данного условия равно:

30030\* MERGEFORMAT (.)

где d_в – внутренний диаметр труб, мм;

μ₁ – вязкость среды в трубном пространстве, Па∙с.

Примем, что трубы в теплообменнике имеют диаметр 20×2 мм, т.е. d_в=16 мм=0,016 м. Вязкость газовой смеси при средней температуре t_ср1=35,771°С равна μ₁=0,018∙10^-3 Па∙с [3] с. 547. Подставив численные значения в 030, получим:

Таким образом, необходимо принять теплообменник с числом труб на один ход не более n_x=609.

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи от жидкости к газу при вынужденном движении теплоносителей можно принять равным К_п=10 Вт/(м²∙К) [3].

С учетом рассчитаного значения F_п и n_x по [1] таблицам 2.3, 2.6 и 2.7 подберем нормализованный кожухотрубчатый теплообменник с параметрами, представленными в таблице 5.1

Таблица 5.1 – Параметры теплообменника по ГОСТ 15118

Параметр	Значение
Поверхность теплообмена F, м2	397
Диаметр кожуха D, м	1200
Диаметр труб d, мм	20×2
Число ходов z	4
Общее число труб n	1580
Длина труб L, м	4,0
Площадь сечения потока в вырезе перегородок Sмтр, м2	0,145
Площадь одного хода по трубам Sтр, м2	0,079
Число сегментных перегородок x	6
Диаметр условного прохода штуцеров
для трубного пространства dтр.ш., мм	250
для межтрубного пространства dмтр.ш., мм	350

Поверхность теплообмена ориентировочно выбранного теплообменника равна F=397 м². Запас поверхности теплообмена составляет

Запас теплообмена лежит в промежутке от 5% до 25%, значит теплообменник принятый при ориентировочном расчете выбран верно. Параметры выбранного теплообменника представлены в таблице 5.1.

5.1.7 Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника. Гидравлическое сопротивление трубного пространства теплообменника определим по [1] формула (2.35):

31031\* MERGEFORMAT (.)

где λ – коэффициент трения;

z – число ходов;

ρ₁ – плотность перекачиваемой среды в трубах, кг/м³;

ω₁ – скорость движения среды в трубах, м/с;

ω_ш1 – скорость движения среды в штуцерах на входе и выходе, м/с.

Газовая смесь при своей средней температуре t_ср1=35,771°С и рабочем давлении P=0,7 МПа согласно данным приведенным в [3] будет обладать следующими параметрами: плотность ρ₁=7,993 кг/м³; вязкость μ₁=0,018∙10^-3 Па∙с; теплоемкость с₁=1000 Дж/(кг∙К); теплопроводность λ₁=0,0279 Вт/(м∙К).

Скорость газа в трубах будет равна:

32032\* MERGEFORMAT (.)

Критерий Рейнольдса рассчитаем по [3] формула (4.13):

33033\* MERGEFORMAT (.)

Определим коэффициент трения λ. Примем, что коррозия трубопровода незначительна. Тогда абсолютная шероховатость труб равна Δ=0,1 мм [1] с.14. Относительная шероховатость труб по [1] с.14:

34034\* MERGEFORMAT (.)

Далее получим:

1/е=160; 10/е=1600; 560/е=89600;

Критерий Рейнольдса для потока в трубном пространстве равен Re₁=5,818∙10⁴, это значение больше 10/e и меньше 560/е. Таким образом, в трубопроводе имеет место смешанный режим трения, и расчёт коэффициента трения λ следует проводить по [1] формула (1.8):

35035\* MERGEFORMAT (.)

Скорость среды в штуцерах на входе и выходе:

36036\* MERGEFORMAT (.)

где G – массовый расход среды, проходящей через штуцер, кг/с.

Отсюда

Подставим полученные значения в 031: