Расчет конденсатора

ВВЕДЕНИЕ

В химической промышленности широко распространены тепловые процессы - нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах. Теплообменные аппараты или просто теплообменники используются практически во всех отраслях промышленности. Их основная задача обеспечить температурный режим технологических процессов.

В настоящее время все теплообменные аппараты, используемые в химической промышленности, подразделяются на определённые группы по следующим признакам: по назначению (нагреватели, испарители и кипятильники; холодильники, конденсаторы и т. д.),по режиму работы, по особенностям конструкции и т. д. Холодильники и конденсаторы служат для охлаждения потока или конденсации паров с применением специальных хладоагентов (вода, воздух, пропан, хлористый метил, фреоны и т. д.).

Поверхностные теплообменные аппараты можно разделить на следующие типы по конструктивным признакам:

а) кожухотрубчатые теплообменники (жёсткого типа; с линзовым компенсатором на корпусе; с плавающей головкой; с U-образными трубками);

б) теплообменники типа “труба в трубе”;

в) подогреватели с паровым пространством (рибойлеры);

г)конденсаторы воздушного охлаждения.

Кожухотрубчатые теплообменники в настоящее время наиболее широко распространены, по некоторым данным они составляют до 80% от всей теплообменной аппаратуры. Основной частью такого теплообменника является пучок труб, закреплённых в трубных решётках. Трубки располагаются в трубном пучке в шахматном порядке или по вершинам треугольников. Одна из теплообменивающихся сред движется по трубкам, а другая – внутри корпуса между трубками.

Достоинством кожухотрубчатого теплообменника является возможность получения значительной поверхности теплообмена при сравнительно небольших габаритах и хорошо освоенная; недостатком – более высокий расход материала по сравнению с некоторыми современными типами теплообменных аппаратов (спиральными, пластинчатыми теплообменниками и т. д.). Теплообменники могут быть вертикального горизонтального исполнения. Оба варианта установки одинаково широко распространены и выбираются в основном по соображениям монтажа: вертикальные занимают меньшую площадь в цехе, горизонтальные могут быть размещены в сравнительно невысоком помещении. Материал изготовления теплообменников – углеродистая или нержавеющая сталь.

По оценкам экспертов на изготовление трубчатых теплообменников расходуется около трети всего металла, потребляемого машиностроением. Поэтому разработка методов интенсификации теплообмена способствующих снижению массы теплообменников, экономии материалов, является актуальной проблемой, которой занимаются специалисты многих стран. Одним из наиболее простых и эффективных путей интенсификации теплообмена является изменение формы и режима движения теплоносителя.

Разделяемая смесь (бензол-толуол) обладает токсичными, коррозийными свойствами. Выберем для изготовления аппарата марку стали: обычные М.Ст.2 , М..Ст.3..

1.РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

1.1ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ

Цель: нахождение поверхности теплообмена. По рассчитанной поверхности производится подбор нормализированного варианта теплообменника по каталогам. Величину необходимой поверхности теплообмена определяем на основе уравнения теплопередачи [1]:

Q = KFΔtср. (1)

где Q - тепловая нагрузка аппарата Вт,

K – коэффициент теплопередачи Вт/м²К,

F – поверхность теплообмена м²,

∆tср. – средняя движущая сила процесса теплопередачи К,

В соответствии с приведённым уравнением поверхность теплообмена можно определить следующим образом:

( 2 )

1.1.1. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

Цель: определение тепловой нагрузки аппарата и нахождение неизвестного расхода теплоносителя.

Для нахождения тепловой нагрузки аппарата составим уравнение теплового баланса процесса. Процесс идёт с изменением агрегатного состояния горячего теплоносителя, поэтому уравнение теплового баланса имеет вид:

ŋG^г r = G^х ( I^х _к – I^х _н ) (3)

где ŋ – величина тепловых потерь равная 5%,

G– расход горячего теплоносителя, кг/с,

r– удельная теплота фазового перехода, Дж/кг,

G – расход холодного теплоносителя, кг/с,

I – энтальпия вещества потока, Дж/кг,

Энтальпии веществ найдём по уравнению:

I = Cpt (4 )

где Ср – теплоёмкость теплоносителя

при определяющей температуре, Дж/кг град,

t – температура теплоносителя, град.

Для нахождения температуры, при которой ведётся конденсация воспользуемся tx (y) диаграммой. В основе построения лежат законы Дальтона, Рауля и Рауля – Дальтона. Это рабочая диаграмма зависимости температуры кипения жидкости от состава и температуры конденсации пара в зависимости от его состава. Состав бинарной смеси всегда определяется по низкокипящему компоненту.

tнк = 86° (бензол) [ 1 ]

tвк = 117° (толуол) [ 1 ]

Таблица № 1

Рисунок №2

Температура конденсации равна 89°С

t^г _н 89º t^г _к

t^х _к =45º

t^х _н =15º

Рисунок №3 Температурная диаграмма.

По формуле (4) найдём энтальпии при заданных температурах:

Ср¹⁵ = 4173,24 Дж/кг град.. [ 1 ]

Cp⁴⁵ =4183,715 Дж/кг град. [ 1 ]

I¹⁵ _вода = 4173,24 · 15 = 62598,6 Дж/кг ,

I⁴⁵ _вода = 4183,715 · 45 = 188267,1 Дж/кг ,

Для нахождения удельной теплоты фазового перехода воспользуемся формулой:

Rсм = r₁ x₁ + r₂ x₂ (5)

x – массовая доля компонента в смеси кгком./кгсм. ,

Ма · х

х = ──────

Мсм

78 · 0,92

Х = ───────── = 0,78 кмоль ком./кмоль см.,

92

х_бензол = 0,78; х_{толуола} = 1 – 0,78 = 0,22

r_{бензола} = 418203,9 Дж/кг , r_{толуола} =418455,3 Дж/кг [ 1 ]

r_cm = 418203.9 * 0.92 + 418455.3 * 0.08 = 418223.9 Дж/кг

Из формулы (3) найдём расход холодного теплоносителя:

0,95 · 418223,9 · 6500

G^x = ────────────────── = 5,7 кг/с

(188267,1 – 62598,6) · 3600

Зная расход холодного теплоносителя и энтальпии при заданных температурах найдем тепловую нагрузку аппарата по правой части уравнения (3).

Q= G^х ( I^х _к - I^х _н )

Q= 5,7(188267,1-62598,6)=716310,45 Вт

1.1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ПРОЦЕССА

В самом общем случае температуры теплоносителей могут изменяться, а могут оставаться постоянными вдоль поверхности теплопередачи. Часто встречаются такие варианты, когда температура одного теплоносителя не изменяется, в то время как другого - изменяется (увеличивается или уменьшается). В этих случаях для расчета процесса теплопередачи вводят понятие о средней движущей силе процесса теплопередачи.

На практике среднюю движущую силу процесса теплопередачи рассчитывают следующим образом [1]:

∆tб - ∆tм

∆tср = ───────── (6)

ln (∆tб / ∆tм )

где ∆tб = t^г _н – t^х _н =89° – 15° = 74°C

∆tм = t^г _н –t^х _к = 89° – 45° = 44°C

74 - 44

∆tср = ─────────── = 58°C

ln (74 / 44)

1.1.3.ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНИХ ТЕМПЕРАТУР ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

Процесс конденсации насыщенного водяного пара ведётся при постоянной температуре. Эта температура и будет средней температурой горячего теплоносителя. Среднюю температуру холодного теплоносителя вычислим по формуле:

t^х _ср = t^г _ср - ∆t_ср = 89° - 58° =31°С

1.1.4. НАХОЖДЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Вначале на первом этапе принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор. и рассчитываем ориентировочное значение теплопередающей поверхности Fор. По уравнению (2) . После этого по ориентировочному значению теплопередающей поверхности подбираем по табличным данным нормализированный вариант конструкции теплообменного аппарата, а затем проводим уточнённый расчёт коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи и требуемой поверхности ( Fрасч. ).

Примем Кор. =300 Вт/м²град. [ 2 ]

По уравнению (2 ) рассчитаем ориентировочную поверхность теплообмена:

716310,45

Fор. = ──────── = 41 м²

300 · 58

Рассчитав Fор. Подбираем по каталогам нормализированные варианты теплообменных аппаратов.

Для каждого из аппаратов рассчитываем критерий Рейнольдса [1]:

Re = ω· dэ · ρ / μ (7)

где ω – линейная скорость потока м/с ,

Dэ – диаметр эквивалентный м ,

ρ – плотность вещества кг/м³ ,

μ – вязкость вещества Па/с

Скорость рассчитываем по формуле:

ω = М / ρ·S (8)

где М – массовый расход теплоносителя кг/с ,

ρ – плотность вещества кг/м³ ,

S – площадь сечения одного хода по трубам м² ,

Таблица 2 Параметры кожухотрубчатых теплообменников и холодильников в соответствии с ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79 [ 2 ]

Выбираем теплообменник №4, так как у него значение Рейнольдса наибольшее и равно 3819,38. Режим переходный 2300<Re<10000.

Метод и уравнение для расчёта коэффициентов теплоотдачи определяются, главным образом, характером теплообмена, условиями гидродинамического взаимодействия теплоносителя с поверхностью теплообмена и конструкцией теплообменного аппарата.

Теплоотдача при плёночной конденсации насыщенного пара на наружной поверхности пучка вертикальных труб рассчитывается по уравнению [1]:

_________________

α^г = 3,78 · λ · ³√ ρ² ·N· dн / μ ·G^г (9)

где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²К ,

λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя

при определяющей температуре, Вт/мК ,

μ – вязкость теплоносителя при определяющей температуре Па*с,

ρ – плотность вещества, кг/м³ ,

λ, μ, ρ – для плёнки конденсата,

N – количество трубок в кожухотрубчатом теплообменнике,

dнар. – наружный диаметр трубок в теплообменнике, м,

G^г – расход горячего теплоносителя, кг/с,

λ см = λ2 ( х₂ ) + λ₁ ( 1-х₂ ) – 0,72 ( λ₂ - λ ₁ ) · х₂ ( 1 – х₂ ) (10)

λ⁸⁹ _бензол =0,1283 Вт/м ч град,

λ⁸⁹ _толуол =0,1214 Вт/м ч град , [1]

λсм = 0,1283 · 0,78 + 0,1214 (1- 0,78) – 0,72 (0,1283 – 0,1214) · 0,78 (1 – 0,78) = 0,1259215 Вт/ мК

ρ⁸⁹ _б = 797,4 кг/м³ ; ρ⁸⁹ _{т =} 792 кг/м³ [ 1 ]

1 хб хт

──── = ───── + ───── (11)

ρсм ρб ρ

1 0,78 0,22

──── = ──── + ─────

ρсм 797,4 792

ρсм = 796.812 кг/м³

lgμсм = х₁ lgμ₁ + x₂ lgμ₂ (12)

х₁ , x₂ –мольные доли компонента в смеси кмоль комп. / кмоль см ,

μ⁸⁹ _{бензола} = 0,000294 Па с; μ⁸⁹ _{толуола} = 0,0002998 Па с [ 1 ]

lgμсм = 0.92 · lg0.000294 + 0.08 · lg0.0002998 = 0.275 · 10^-3 Па*с

6500

G^г = ──── = 1,8 кг/с

3600

По формуле ( 9 ) найдём коэффициент теплоотдачи:

_________________________________

α_конд ^верт = 3,78 · 0,1259 · ³√ (796)² · 316 · 0,020 /0,2750 ·10^-3 · 1,80

α_конд ^верт = 954,54 Вт/м²

Для нахождения коэффициента теплоотдачи холодного теплоносителя воспользуемся формулой:

Nu· λ

α^х = ─────── (13)

d_э

где Nu – критерий Нуссельта,

λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя при определяющей температуре Вт/ мК ,

d_э - внутренний диаметр трубок в теплообменнике м,

Переходное течение жидкости в прямых трубах и каналах рассчитывается по формуле [1]:

Nu = 0.008 Re^0.9 · Pr^0.43 (14)

Cp·μ

Pr = ────── (15)

λ

Cp³¹ _вода = 4183,5 Дж/кг град , [1]

μ³¹ _вода =0,840·10^-3 Па*с, [1]

λ³¹ _вода = 0.61813 Вт/ мК, [1]

4183,5·0,840·10^-3

Pr = ───────────── = 5.6851

0.61813

Nu = 0.008 (3819.38)^0.9 · (5.6851)^0.43 = 28.27

По формуле (13) найдём коэффициент теплоотдачи :

28,27 · 0,633

α^х = ───────── = 1118,43 Вт/м²К

0,0016

Коэффициент теплопередачи рассчитывается с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений с учётом наличия загрязнений по обе стороне теплопередающей стенки [1]:

1 1 δ_ст 1

─── = ──── + ─── + r_зг + r_зх + ──── (16)

Кα^г λ_ст α^х

δ_ст = 0,002 м [2]

λ_ст = 17.5 Вт/мК [1]

r_зг = 1900 Вт/м²К [2]

r_зх = 5800 Вт/м²К [2]

1 1 0,002 1 1 1

─── = ─── + ───── + ───+ ─── + ───── = 0,00275341 Вт/м²град

К 954,54 17,5 5800 1900 1118,43

Красч. = 363 Вт/м²град

По формуле (2) найдём расчётную поверхность:

716310,45

Fрасч. = ──────── = 34 м²

363 · 58

Далее проводим сопоставление выбранного варианта нормализированного теплообменника с расчётным по величине коэффициента запаса В:

Fст. – Fрасч.

В = ──────── · 100 % (17)

Fст

41 - 34

В = ──────· 100 % = 17 %

41

Допускается, как правило, превышение стандартной поверхности нормализованного теплообменника над расчётной не более чем 20 %.

1.2. РАСЧЁТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Целью расчёта тепловой изоляции является определение необходимой толщины слоя теплоизоляционного материала, покрывающего наружную поверхность теплообменника с целью снижения тепловых потерь и обеспечения требований безопасности и охраны труда при обслуживании теплоиспользующих установок. Температура поверхности слоя изоляции не должна превышать 45°С.

Расчёт толщины теплоизоляционного слоя материала проводят по упрощённой схеме, используя следующие уравнения [1]:

Qп = αн · F(tиз. – tокр. ) (17)

λиз.

Qиз =.──── · F( tст. – tиз. ) (18)

δиз.

Так как Qп = Qиз , то из этого следует :

λиз. ( tст. – tиз. )

δиз. = ───────── (19)

αн (tиз. – tокр. )

где α – коэффициент теплоотдачи в окружающую среду, Вт/м²К,

δиз. – толщина материала изоляции, мм,

λиз. – коэффициент теплопроводности материала изоляции, Вт/мК,

tст., tокр. , tиз. – соответственно температуры наружной стенки аппарата, окружающей среды, наружной поверхности теплоизоляционного материала °С,

Коэффициент теплоотдачи, который определяет суммарную скорость переноса теплоты конвекций и тепловым излучением для аппаратов, находящихся в закрытых помещениях, при температуре до 150°С можно рассчитать по приближённому уравнению:

αн = 9,74 + 0,07∆t (20)

Выбираем теплоизоляционный материал – стеклянная вата.

Задаём температуры:

Tст = 89°С

Tокр = 25°С

tиз. = 40°С

λиз. = 0,05 Вт/мК [1]

Рассчитываем значение коэффициента теплоотдачи :

∆t = tиз - tокр. = 40° - 25° = 15°С

αн = 9,74 + 0,07 * 15°С = 10,79

По уравнению (19) найдём толщину материала изоляции:

0,045 (89 – 40)

δиз. = ───────── = 13,3 мм

10,79 ( 40-25 )

1.3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Основной целью гидравлического расчёта теплообменных аппаратов является определение затрат энергии на перемещении жидкости через теплообменник и подбор насоса или вентилятора.

В общем случае мощность N [кВт],потребляемая двигателем насоса рассчитывается по уравнению [1]:

V· ∆Рп

N = ───────── (21)

1000 ŋн ŋ пер. ŋдв.

где V – объёмная производительность, м³/с,

∆Рп - потеря давления при течении теплоносителя, Па,

ŋн ,ŋпер., ŋдв. – соответственно коэффициенты полезного действия собственно насоса, передаточного механизма и двигателя

V = ω· S =0.2010 · 0.009 = 0.001809 м³/с

ω = 0,2010 (таблица 1,2)

S = 0,009 (таблица 1,2)

1.3.1. РАССЧИТЫВАЕМ ПОЛНОЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПОТОКА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Уравнение для расчёта гидравлического сопротивления трубного пространства кожухотрубчатого теплообменника:

LZωтр.² ρρωтрю² ρωшт.²

∆Рп .тр. = λ ──── · ──── + [2.5(Z – 1) +2Z] · ──── + 3─────+ ρgh (22)

dэ 2 2 2

где λ – коэффициент трения

L– длина труб, м,

Z– число ходов

dэ – диаметр эквивалентный, м,

ωтр – скорость теплоносителя, м/с,

ρ – плотность вещества, кг/м³,

h – высота подъёма, м,

g = 9,8 м/с² - ускорение свободного падения

Коэффициент трения рассчитываем по формуле:

10 560

─── < Re < ──── зона смешенного трения (23)

е e

е = ∆/ dэ = 0,06/16 = 0,00375

∆ = 0,06 мм [2]

dэ = 16 мм (таблица 1,2)

2666,66 < 3819,382 < 149333,33

λ = 0,11( е + 68 / 3819,382 )^0,25 = 0,04214

Рассчитываем по формуле

М

ωшт = ──── (24)

ρ S

d = 150 мм [2]

πd² 3.14*(0.15)²

S = ──── = ──────= 0.01766

4 4

ρ³¹ _вода = 997,6 кг/м³

5,7

ωшт = ─────────── = 0,01836 м/с

997,6 * 0,01766

По формуле (3,2) найдём:

2 · 4 (0,2010)² · 997,6

∆Рп .тр. = 0,04214 · ─── · ────────── + [2,5(4-1) + 2 · 4]

0,016 2

(0,2010)² · 997,6 997,6 · (0,01836)²

* -──────────+ 3 ───────────+ 997,6 · 9,8 · 2 ·3 = 59396,3424 Па

2 2

∆Р 59396.3424

Нп = ─── = ───────── = 6.06 [ м ст. жидкости]

ρg 997.6 * 9.81

По формуле (21) найдём:

ŋн. =0,40 [2]

ŋпер. = 1 [2]

ŋдв. = 1 [2]

0,001809 · 59396,3424

N = ────────────── = 0,268619 кВт

1000 · 0,40 · 1 · 1

Подбираем центробежный насос.

2. КОНСТРУКТИВНО-МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ

В задачу конструктивно-механического расчёта входит определение необходимых геометрических размеров отдельных деталей и узлов , которые определяют конструкцию теплообменного аппарата, его механическую прочность и геометрические размеры.

2.1. РАСЧЁТ И ПОДБОР ШТУЦЕРОВ

Диаметр условного прохода (внутренний диаметр) штуцеров для подвода и отвода теплоносителей рассчитывается на основе уравнения массового расхода:

πd²вн.шт.

G = ρωшт. ───── (25)

4

откуда

___________

dвн.шт. = √ 4G / πρωшт.

.

ωшт. – скорость течения теплоносителя в штуцере м/с,

1. Для насыщенного пара.

Мсм. = Мб. · Хб. + Мт· (1 – Хт.) (27)

Мсм. = 78 · 0,92 + 93 · 0,08 = 79,2

Мсм. 273 Р

ρпара = ──── · ──── (28)

22,4 Т Р0

79,2 273 · 1,2

ρпара = ──── · ──────────── = 3,0723

22,4 (88 + 273) · 1,034

Предельно допустимая скорость насыщенного пара - (15-25 м/с) – 20 м/с

По уравнению (26) найдём:

__________________________

dвн.шт. = √ 4·6500/3,14 · 20·3,0723·3600 =93,4 мм

2. Для конденсата.

Предельно допустимая скорость конденсата – (0,1 – 0,5) – 0,1 м/с

По уравнению (4,2) найдём:

___________________________

dвн..шт. = √­­ 4·6500/3,14·3600 · 0,1 · 796,812 = 169 мм

3. Для холодного теплоносителя.

dвн..шт = 150 [мм]

Рабочее давление 0,12МПа.

Конструкцию фланцевого соединения принимают в зависимости от рабочих параметров аппарата: плоские приварные фланцы при Р≤2.5МПа , t≤300°C. Во фланцевых


29-04-2015, 04:13