Расчёт конденсатора-дефлегматора

В дефлегматоре ректификационной установки происходит конденсация паров дистиллята ректификационной колонны. Конденсат отводится из дефлегматора без последующего охлаждения. Часть его (флегма) возвращается для орошения верхней части колонны, другая часть – дополнительно охлаждается в холодильнике дистиллята и выводится с установки как готовый продукт.

Охлаждающим агентом теплообменника является вода, поступающая в дефлегматор при температуре . Для недопущения отложения солей жёсткости на внутренних стенках трубопроводов, охлаждающую воду отводят из теплообменника при температуре, не превышающей .

Для удобства дальнейших расчётов все характеристики холодного теплоносителя обозначаются индексом «2», характеристики горячего теплоносителя – индексом «1».

Физико-химические свойства теплоносителей, рассчитанные с учётом температуры, давления и(или) долей компонентов в смеси [2;3], представлены ниже:

Горячий теплоноситель: паровая смесь «бензол-уксусная к-та»

Холодный теплоноситель: оборотная вода

Обозначения:

– соответственно начальная и конечная температуры теплоносителей;

– плотность потока теплоносителя;

– теплота парообразования (конденсации) теплоносителя;

– коэффициент динамической вязкости потока теплоносителя;

– коэффициент теплопроводности потока теплоносителя;

– теплоёмкость теплоносителя.

 

Расход охлаждающей воды определяется из соответствующих уравнений теплового баланса для всего теплообменника в целом, для горячего и холодного теплоносителей.

Уравнение теплового баланса для холодного теплоносителя, не изменяющего своего агрегатного состояния:

где: – тепловая нагрузка, Вт; – начальная и конечная температуры смеси.

Уравнение теплового баланса для горячего теплоносителя, при конденсации его насыщенных паров без охлаждения конденсата:

При наличии теплоизоляции тепловые потери в аппарате незначительны, поэтому они не учитываются при составлении теплового баланса.

 

Тепловая нагрузка данного ТО определяется из соотношения:

Определим расход охлаждающей воды из указанных уравнений:

Необходимую поверхность теплообмена определяют из основного уравнения теплопередачи:

где:

– коэффициент теплопередачи;

– средняя разность температур потоков.

 

Разность температур потоков является движущей сила процесса теплопередачи. В аппаратах с прямо- и противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков определяется как среднелогарифмическая между большей () и меньшей () разностями температур теплоносителей на концах аппарата:

 

Для определения поверхности теплопередачи и выбора варианта конструкции теплообменного аппарата необходимо определить коэффициент теплопередачи . Его можно рассчитать с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений на пути теплового потока:

 

где:

– коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей;

– теплопроводность материала стенки;

– толщина стенки;

– термические сопротивления слоёв загрязнений с обеих сторон стенки.

 

Т.к. зависят от параметров конструкции рассчитываемого теплообменного аппарата, сначала на основании ориентировочной оценки коэффициента теплопередачи () приближённо определяют поверхность теплообмена () и выбирают конкретный вариант конструкции, а затем проводят уточнённый расчёт .

По таблице 2.1 [1, с.47] для теплопередачи от конденсирующегося пара органических жидкостей к воде при вынужденном течении теплоносителей ориентировочное значение принимается равным: .

Тогда, по формуле 4.1 ориентировочное значение поверхности теплообмена составляет:

Учитывая значения по ГОСТ 15118-79, 15120-79, 15122-79 [1, табл. 2.3] для уточнённого расчёта выбирается нормализованный кожухотрубный теплообменник со следующими характеристиками:

Диаметр кожуха
Диметр труб
Число ходов по трубам
Общее число труб
Длина труб
Поверхность теплообмена

В общем случае коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя определяется по уравнению:

(4.3)

где: – критерий Нуссельта; – коэффициент теплопроводности, .

 

В общем виде критериальная зависимость для определения коэффициентов теплоотдачи имеет вид:

где: – критерий Рейнольдса, – критерий Прандтля.

(4.4)

где: – скорость потока.

(4.5)

Паровая смесь движется по межтрубному пространству кожухотрубного теплообменника с сегментными перегородками.

При конденсации пара на наружной поверхности пучка горизонтально расположенных труб коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле [1]:

(4.6)

где:

– плотность плёнки конденсата;

– наружный диаметр теплообменных труб;

– общее число труб;

– массовый поток теплоносителя ( для дистиллята).

Охлаждающая вода движется по трубам кожухотрубного теплообменника. В качестве определяющего геометрического размера принимается внутренний диаметр теплообменных труб (), а скорость потока определяется для площади сечения потока одного хода по трубам ().

Скорость потока:

Критерий Рейнольдса по ф. 4.4:

Поправочный коэффициент учитывает влияние на коэффициент теплоотдачи отношения длины трубы к её диаметру . По таблице 4.3 [2, с.153]:

Критерий Прандтля по ф. 4.5:

При нагревании капельных жидкостей допустимо считать, что:

Коэффициент теплоотдачи со стороны исходной смеси по ф. 4.3:

Определение теплопроводности материала стенки

Выбираем теплообменник изготовленный из нержавеющей стали, т.к. рабочая среда агрессивная.

Для стенок из стали:

Коэффициент теплопроводности

Толщина стенок

Термическое сопротивление стенок теплообменника равно:

Определение коэффициента теплопередачи и поверхности теплообмена

Коэффициент теплопередачи находится с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений на пути теплового потока (ф. 4.2):

Из основного уравнения теплопередачи (ф. 4.1) находим уточнённую поверхность теплообмена:

Определим запас поверхности теплообмена (относительно значения для нормализованного аппарата):

Запас поверхности удовлетворяет требованию технического задания ( ). Конструкция данного теплообменного аппарата принимается.

Расчёт кипятильника

В кипятильнике (ребойлере) ректификационной установки происходит испарение кубового остатка ректификационной колонны. Образующаяся паровая смесь возвращается в нижнюю часть колонны, обеспечивая встречный паровой поток для стекающей сверху колонны жидкости.

Испарение кубового остатка происходит за счёт конденсации насыщенного водяного пара в межтрубном пространстве кипятильника.

В дальнейших расчётах все характеристики холодного теплоносителя обозначаются индексом «2», характеристики горячего теплоносителя – индексом «1».

Физико-химические свойства теплоносителей, рассчитанные с учётом температуры, давления и(или) долей компонентов в смеси [2;3], представлены ниже:

Горячий теплоноситель:	Холодный теплоноситель:
Насыщенный водяной пар	Смесь «бензол-уксусная к-та» куба

Обозначения:

– соответственно начальная и конечная температуры теплоносителей;

– плотность потока теплоносителя;

– теплота парообразования (конденсации) теплоносителя;

– коэффициент динамической вязкости потока теплоносителя;

– коэффициент теплопроводности потока теплоносителя;

– теплоёмкость теплоносителя.

Расход греющего пара определяется из соответствующих уравнений теплового баланса для всего теплообменника в целом, для горячего и холодного теплоносителей (см. разд. 4.1.1).

Тепловая нагрузка данного ТО определяется из соотношения:

где:

где: – энтальпия смеси при соответствующих температуре и составе.

= 83,8 ºС

= 101 ºС

=117 ºС

По таблице 2.1 [1, с.47] для теплопередачи от конденсирующегося водяного пара к кипящей жидкости ориентировочное значение принимается равным: .

Средняя движущая сила теплообмена при противотоке теплоносителей:

Тогда, по формуле 4.1 ориентировочное значение поверхности теплообмена составляет:

По ГОСТ 15119-79 и ГОСТ 15121-79 выбираем одноходовой кожухотрубный испаритель со следующими характеристиками:

- диаметр кожуха: D = 1200 мм

- диаметр труб: d = 25 2 мм

- общее число труб: N = 1083

- длина труб: H = 4,0 м

-число ходов: 1

- поверхность теплообмена: F = 340 м².

Для горячего теплоносителя:

Коэффициент теплопередачи от пара, конденсирующегося на наружной поверхности:

Коэффициент теплопередачи к кипящей в трубах жидкости:

,

Из основного уравнения теплопередачи и уравнения для коэффициента теплопередачи следует уравнение:

Ориентировочное значение удельной тепловой нагрузки рассчитаем по формуле:

 

Коэффициент А определим по формуле:

Коэффициент В вычислим по формуле:

Сумма термических сопротивлений стенок и их загрязнений

 

Уравнение относительно неизвестного удельного теплового потока:

Примем значение . Тогда получим значение :

Значение рассчитаем по формуле:

Тогда поверхность теплообмена вычислим по формуле:

Решение итерационного уравнения на компьютере дало следующий результат:

Запас поверхности удовлетворяет требованию технического задания ( ). Конструкция данного теплообменного аппарата принимается.