VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Перенос энергии в виде тепла, происходящий между телами, имеющими разную температуру, называется теплообменом [4]. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур между более нагретым и менее и нагретым телами, при наличии которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого - возрастает.

Теплопередача - наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов - нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания — и имеют большое значение для проведения многих массообменных процессов, а также реакционных процессов химической технологии, протекающих с подводом или отводом тепла.

В химической промышленности широко распространены тепловые процессы нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах (теплообменниках).

Теплообменникаминазывают аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда, и отдающие тепло, принято называть нагревающими агентами, а теплоносители с более низкой температурой, чем среда, от которой они воспринимают тепло, - охлаждающими агентами.

В качестве охлаждающих агентов для охлаждения до обыкновенных температур (10-30 °С) применяют в основном воду и воздух.

Конденсация пара может быть осуществлена путем охлаждения пара или путем охлаждения и сжатия одновременно. По способу охлаждения различаю конденсаторы смешения и поверхностные конденсаторы.

В конденсаторах смешения пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой и получаемый конденсат смешивается с последней, конденсацию в таких аппаратах обычно проводят в тех случаях, когда конденсируемые пары не представляют ценности. При этом для улучшения теплообмена между водой и паром поверхность соприкосновения между ними увеличивают путем распределения воды в паровом пространстве в виде капель, струек и т.д.

В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующего пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на внешних или внутренних поверхностях груб, омываемых с другой стороны водой или воздухом. Таким образом, получаемый конденсат и охлаждающий агент отводят из конденсатора раздельно, и конденсат, если он представляет ценность, может быть использован.

Так поверхностные конденсаторы зачастую применяют в тех случаях, когда сжижение и охлаждение конечного продукта, получаемого, например, в виде перегретого пара, является завершающей операцией производственного процесса.

Вместе с тем поверхностные конденсаторы более металлоемки, чем конденсаторы смешения, а, следовательно, более дороги и требуют больших расходов охлаждающего агента. Последнее объясняется тем, что стенка, разделяющая участвующие в теплообмене среды, оказывает добавочное термическое сопротивление. Это вызывает необходимость повышения средней разности температур.

В качестве поверхностных конденсаторов наиболее часто применяют трубчатые и оросительные холодильники-конденсаторы

Расчет дефлегматора мы ведем в следующей последовательности:

1. Определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), т.е. количества тепла Q, которое должно быть передано за определенное время (в непрерывно действующих аппаратах за 1 сек или за 1 час, в периодически действующих - за одну операцию) от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем доставления и решения тепловых балансов.

2. Определение поверхности теплообмена Fаппарата, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. Величина поверхности теплообмена определяется скоростью теплопередачи, зависящей от механизма передачи тепла теплопроводностью, конвекцией, излучением и их сочетанием друг с другом. Поверхность теплообмена находят из основного уравнения теплопередачи.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА.

На рис.1, представлена технологическая схема конденсации паровой смеси. Паровая смесь из ректификационной колонны подается в конденсатор-дефлегматор (Д), где происходит ее конденсация. Из конденсатора дистиллят подается в распределитель (Р), откуда одна часть конденсата направляется обратно в колонну, а другая направляется в холодильник (X)для дальнейшего охлаждения. Охлажденный дистиллят из холодильника подается в емкость готового продукта (Е). Для конденсации паро-газовой смеси и охлаждения конденсата используется холодная вода, подаваемая с помощью центробежного насоса. Вода из конденсатора и холодильника направляется на охлаждение и затем повторно используется.

Рис.1 Технологическая схема

2. РАСЧЕТ.

2.1. Исходные данные.

Расход паров (G_конд.) 9,0 т/ч или 2,5 кг/с;

Охлаждаемая смесь паров: бензол – толуол;

Массовая концентрация легколетучего компонента в паре: 98,2%;

Начальная температура охлаждающей воды: 21 .

2.2.1. Свойства конденсируемой паровой смеси и конденсата.

Температура конденсации [1, 3]:

Теплота конденсации паровой смеси [3] для расчетной температуры представлены в табл. 1

Таблица 1

Теплота конденсации паровой смеси.

Вещество	Тконд.,	кДж/кг
Бензол Результат	77 87 80,65	399,7 393,3 397,42
Толуол Результат	80 90 80,65	382,2 376,7 381,89

Теплопроводность конденсата [3] представлена в табл. 2

Таблица 2

Теплопроводность конденсата

Вещество	Тконд.,	Вт/(м К)
Бензол Результат	80 90 80,65	0,1285 0,1250 0,1283
Толуол Результат	80 100 80,65	0,120 0,116 0,120

Плотность конденсата [2] представлена в табл. 3

Таблица 3

Плотность конденсата

Вещество	Тконд.,	кг/м3
Бензол Результат	80 100 80,65	815 793 814,395
Толуол Результат	80 100 80,65	808 788 807,66

Вязкость конденсата [2] представлена в табл.4

Таблица 4

Вязкость конденсата

Вещество	Тконд.,
Бензол Результат	80 100 80,65	0,316 0,261 0,31448
Толуол Результат	80 100 80,65	0,319 0,271 0,31768

2.2.2. Физико – химические свойства охлаждающей воды при средней температуре

Принимаем температуру воды на выходе из конденсатора равную 39 . Тогда:

Таблица 5

Физико – химические свойства воды при 30 :

Параметр	Величина параметра
Теплопроводность,	0,618
Плотность,	996
Вязкость,	0,804
Теплоемкость,	4,18

2.3. Расчет и выбор конденсатора

1. Тепловая нагрузка аппарата [1]:

2. Расход воды [1]:

где - теплоемкость воды,

3.Средняя разность температур рассчитывается согласно схеме [2.1]:

80,65	80,65
21	39

4. Выбор и выбор аппарата, расчет коэффициента теплопередачи:

В соответствии с табл. 2.1 [1.стр. 47 ] примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи . Ориентировочное значение поверхности равно [1]:

Задаваясь числом определим соотношение n/z для конденсатора из труб с наружным диаметром с толщиной стенок . [1]:

где n – общее число труб;

- число ходов по трубному пространству;

- внутренний диаметр труб, м;

- вязкость воды, .

В соответствии с табл. 2.9 [1, стр. 57] примем аппарат со следующими параметрами:

- Диаметр кожуха 600 мм;

- Число ходов 4;

-Общее число труб 206;

- Поверхность теплообмена 49;

- Длина труб 3м.

Проверяем число равно:

Определяем коэффициент теплопередачи к воде из следующего уравнения:

[1],

где - критерий Нуссельта;

- критерий Прандля;

- критерий Прандля рассчитанный при температуре стенки;

где - теплопроводность воды,

Тогда, пренебрегая поправкой :

Коэффициент теплопередачи от пара, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб, определяем по уравнению [1]:

Сумма теоретических сопротивлений стенки труб и загрязнений со стороны воды и пара вычисляется согласно уравнению [1]:

где - теплопроводность стенки трубы;

и среднее значение тепловой проводимости загрязнений стенок, соответственно со стороны паров конденсата и охлаждающей воды.

Принимаем следующее значение теплопроводностей [2]:

-

-

Тогда:

Коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле [1]:

Требуемая поверхность теплопередачи:

Произведем уточненный расчет коэффициента теплопередачи к воде и пару, принимая во внимание поправку и .

Температуру стенки трубы с обеих сторон вычислим по формуле [1]:

Физико – химические свойства воды на стенке при [2] представлены в табл. 6

Таблица 6

Физико – химические свойства воды на стенке при

Параметр	Величина параметра
Теплопроводность,	0,631
Плотность,	992
Вязкость,	0,6814
Теплоемкость,	4,18

где - соответственно, теплоемкость воды, вязкость воды и теплопроводность воды, при температуре стенки трубы.

Теплопроводность конденсата для расчетной температуры [3] представлены в табл. 7

Таблица 7

Теплопроводность конденсата для расчетной температуры

Вещество
Бензол Результат	50 60 54,26	0,1375 0,1345 0,1362
Толуол Результат	50 60 54,26	0,127 0,125 0,1262

Вязкость конденсата для расчетной температуры [3]

представлена в табл. 8

Таблица 8

Вязкость конденсата для расчетной температуры

Вещество
Бензол Результат	50 60 54,26	0,432 0,391 0,4142
Толуол Результат	50 60 54,26	0,42 0,381 0,4035

Принимая в расчет полученные данные рассчитаем уточненные коэффициент теплопередачи и требуемую площадь поверхности теплопередачи:

Вывод: Принятый нами теплообменник подходит с запасом.

2.4. Расчет гидравлического сопротивления конденсатора

Расчет гидравлического сопротивления конденсатора в трубном пространстве производится по формуле [1]:

где - коэффициент трения в трубах;

L- длина трубы;

и - скорость воды в трубах конденсатора и штуцерах, соответственно.

Скорость воды в трубах [1] равна:

где - относительная шероховатость труб;

- высота выступов шероховатостей (= 0,2мм).

Скорость воды в штуцерах [1] равна:

Принимаем - диаметр штуцеров для подачи воды [1, стр. 55] из таблицы штуцеров для нормализованных теплообменников для нашего дефлегматора = 150мм (0,15м)

Тогда гидравлическое сопротивление дефлегматора составит:

2.5. Расчет и выбор насоса

1.1.Исходные данные для всасывающей линии:

1. Температура перекачиваемой воды: 21

2. Расход воды (увеличиваем в трое): 39,591кг/с

3. Длина трубопровода на линии всасывания (l): 30м

4. Вход в трубу (принимаем с острыми краями): 1

5. Вентиль прямоточный:1

6. Колесо с углом : 2

1.2. Расчет всасывающей линии

Рассчитаем объемный расход охлаждающей воды, беря из таблицы плотность воды при 21 равную 997,7 [2]:

Выбираем трубу для всасывающей линии со следующими параметрами [1]: наружный диаметр , толщина стенки .

Фактическая скорость воды в трубе:

Принимая, что коррозия трубопровода незначительна, произведем определение потерь на трение и местные сопротивления.

Примем абсолютную шероховатость [2] () равной 0,2 мм, тогда относительная шероховатость составит:

Беря из таблицы вязкость воды при 21 равную 0,98 получаем :

т.е. режим турбулентный.

В турбулентном режиме различают три зоны, для которых коэффициент трения () рассчитывают по разным формулам [1]:

- зону гладкого трения

- зону смешанного трения

- зону автомодельной по отношению к Re

Т.к. 10/e = 6250, 560/e = 350000, то . Следовательно в трубопроводе имеет место смешанное трение и расчет коэффициента трения следует проводить по формуле [1]:

Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений [1]:

1.Вход в трубу (принимаем с острыми краями):

2. Вентиль прямоточный:

3. Колесо с углом :

Потерянный напор во всасывающей линии находим по формуле: [1]

Исходные данные для нагнетательной линии

1. Температура перекачиваемой воды: 21

2. Длина трубопровода на линии нагнетания:50м

3. Выход из трубы:3

4. Вентиль прямоточный: 2

5. Колесо с углом : 8

6. Тройник (поток выходит из магистрали):1

7. Тройник (поток входит в магистраль): 1

8. Внезапное сужение (выходные отверстия конденсатора): 3

9. Внезапное расширение (входные отверстия конденсатора): 3

10. Собственное гидравлическое сопротивление конденсатора: 3

11. Геометрическая высота подъема воды: 20м

Расчет нагнетающей линии

Трубу для нагнетающей линии берем такую же, как для всасывающей линии:

наружный диаметр , толщина стенки .

Принимая, что коррозия трубопровода незначительна, произведем определение потерь на трение и местные сопротивления.

Примем абсолютную шероховатость [2] () равной 0,2 мм, тогда относительная шероховатость составит:

т.е. режим турбулентный.

Т.к. 10/e = 6250, 560/e = 350000, то . Следовательно в трубопроводе имеет место смешанное трение и расчет коэффициента трения следует проводить по формуле [1]:

Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений [1]:

1.Выход из трубы:

2. Вентиль прямоточный:

3. Колесо с углом :

4. Тройник (поток выходит из магистрали):

5. Тройник (поток входит в магистраль):

6. Внезапное сужение (выходные отверстия конденсатора):

7. Внезапное расширение (входные отверстия конденсатора):

Потерянный напор на нагнетающей линии находим по формуле: [1]

Общие потери напора:

В пересчете на м. вод. ст. общи потери напора

2.4. Выбор насоса

Найдем потерянный напор насоса по формуле [1]:

где - давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость, Па;

- давление в аппарате, в который подается жидкость, Па;

- геометрическая высота подъема жидкости, м. вод. ст. ;

- суммарные потери во всасывающих и нагнетательных линиях, м. вод. ст. ;

Так как = 0, то

Н = 20+13,37 = 33,37 , м. вод. ст.

Полезную мощность насоса определим по формуле [1]:

Мощность, которую должен развивать электродвигатель насоса на выходном валу при установившемся режиме работы, находят по формуле [1]:

где и - коэффициенты полезного действия соответственно насоса и передачи от электродвигателя к насосу.

По приложению 1. табл. 1 [1] устанавливаем, что заданным подачи и напору более всего соответствует насос со следующими характеристиками:

- Марка насоса: Х160/49/2;

- Объемный расход подаваемой жидкости: 0,045;

- Напор насоса: 33 м. вод. ст.;

- К.П.Д. насоса: 0,75;

- Тип электродвигателя: АО2- 81- 2;

- Мощность электродвигателя: 40 кВт;

- К.П.Д. двигателя: 0,89.

Вывод: Выбранный нами электродвигатель подходит с запасом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы рассчитали конденсатор – дефлегматор для конденсации паров бензол – толуол с расходом паров (). Был выбран по расчету дефлегматор, удовлетворяющий заданным параметрам с запасом 42%. Рассчитано гидравлическое сопротивление дефлегматора и трубопровода для подачи воды. Выбран режим подачи воды, и удовлетворяющий расчетам насос с запасом мощности 40%.

Список литературы

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Дытнерского Ю.И., М.: Химия. – 1991.- 496 с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, С – Пт.: Химия. – 1987. – 576 с.

3. Варгафтик Н.Б. Справочник по тепло – физическим свойствам газрв и жидкостей. М.: Наука. – 1972. 720с.

4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия. – 1973. 754 с.

						Лист

Код для цитирования: Скопировать