IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Дефлегматор представляет собой теплообменник, применяемый для охлаждения паров дистиллята, образующихся при простой перегонке или ректификации, с целью их частичной или полной конденсации. При простой перегонке пары дистиллята конденсируются частично и направляются обратно в перегонный куб, а при ректификации происходит полная конденсация паров, а образующийся конденсат частично направляется обратно в ректификационную колонну на орошение, а другая его часть является дистиллятом.

В данной работе рассматривается процесс конденсации паров дистиллята, отводимых из ректификационной колонны. В ходе работы был проведен расчет основных параметров и характеристик работы дефлегматора, а также выбраны его основные размеры.

На рис.1 представлена технологическая схема конденсации паровой смеси.

Рис. 1. Технологическая схема установки: D1 – дистиллят; D2 – пары дистиллята; F1 – флегма; В4 – вода для охлаждения; В5 – вода на охлаждение. Остальные пояснения в тексте.

Пары дистиллята из ректификационной установки поступают в теплообменник-дефлегматор (Д), в котором конденсируются, а конденсат подается в распределитель (Р). Часть конденсата возвращается в колонну в качестве флегмы, а основная часть уже как дистиллят направляется в холодильник для дальнейшего охлаждения, а затем попадает в сборную емкость (Е2). Охлаждение в дефлегматоре и холодильнике происходит за счет воды, которая подается из специальной емкости (Е1) при помощи центробежного насоса (Н1). После прохождения теплообменников вода отводится на охлаждение и вновь поступает в емкость Е1. Расход паров, конденсата и воды устанавливается регулировочными вентилями (ВР) и может быть прекращено при помощи запорных вентилей (ВЗ).

Расчет будем проводить на основании следующих данных:

Расход паров G₁= 6,6 т/ч или 1,833 кг/с;

Массовая концентрация легколетучего компонента в паре: = 94,5 %;

Начальная температура охлаждающей воды: t_2н = 16 ^оС.

Конечная температура охлаждающей воды: t_2к = 34 ^оС.

Свойства конденсируемой паровой смеси и конденсата

1. Переводим массовую концентрацию легколетучего компонента в паре в мольную:

,

где М_А, М_В - молярные массы бензола и толуола соответственно; - массовая концентрация легколетучего компонента в паре.

2. Определим температуру конденсации смеси при Х₀ = 0,953:

,

где t₁, t₂ - температуры конденсации смеси при содержании легколетучего компонента, равного Х₁ и Х₂ соответственно [2].

^оС

3. Определяем теплоту парообразования смеси при t_{конд.см.} = 81,062 ^оС.

- для бензола:

где r₁, r₂ - теплота конденсации бензола при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

кДж/кг,

- для толуола:

,

где r₁, r₂ - теплота конденсации толуола при температуре t₁ и t₂ соответственно [3].

кДж/кг

Тогда:

r_{конд.см.} = Х₀ ∙ r_А + (1 - Х₀) ∙ r_В = 0,953 ∙ 393,072 + (1 - 0,953) ∙ 378,216

r_{конд.см.} = 392,374 кДж/кг.

5. Определяем теплопроводность конденсата при t_{конд.см.} = 81,062 ^оС.

- для бензола:

,

где λ₁, λ₂ - теплопроводность бензола при температуре t₁ и t₂ соответственно [3].

Вт/(м²∙^оС)

- для толуола:

,

где λ₁, λ₂ - теплопроводность толуола при температуре t₁ и t₂ соответственно [3].

Вт/(м²∙^оС),

Тогда:

λ_{конд.см.} = Х₀ ∙ λ_А + (1 - Х₀) ∙ λ_Б = 0,953 ∙ 0,134 + (1 – 0,953) ∙ 0,122 = 0,133 Вт/(м²∙^оС)

6. Определяем плотность конденсата при t_{конд.см.} = 81,062 ^оС.

- для бензола:

,

где ρ₁, ρ₂ - плотность бензола при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

кг/м³

- для толуола:

,

где ρ₁, ρ₂ - плотность толуола при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

кг/м³,

Тогда:

кг/м³.

7. Определяем вязкость конденсата при t_{конд.см.} = 81,062 ^оС.

- для бензола:

,

где μ₁, μ₂ - вязкость бензола при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

Па∙с,

- для толуола:

где μ₁, μ₂ - вязкость толуола при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

Па∙с,

Тогда:

lg(μ_{конд.см.}) = Х₀ ∙ lg(μ_бенз) + (1 - Х₀) ∙ lg(μ_тол)

lg(μ_{конд.см.}) = 0,953 ∙ lg(0,313 ∙10^-3) + (1 - 0,953)∙ lg(0,316 ∙10^-3)

μ_{конд.см.} =0,313 ∙10^-3Па∙с.

Свойства охлаждающей воды при средней температуре

1. Определяем среднюю температуру воды:

Принимаем температуру воды на выходе из конденсатора равную t_2k=34 ^оС. При средней температуре воды:

^оС

вода имеет следующие физико-химические характеристики:

2. Определяем плотность воды при t_2ср = 25 ^оС:

,

где ρ₁, ρ₂ - плотность воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

кг/м³

3. Определяем теплопроводность воды при t_2ср = 25 ^оС:

,

где λ₁, λ₂ - теплопроводность воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

Вт/(м²∙^оС),

4. Определяем вязкость воды при t_2ср = 25 ^оС:

,

где μ₁, μ₂ - вязкость воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

∙10^-3Па∙с

5. Определяем теплоемкость воды при t_2ср = 25 ^оС:

,

где с₁, с₂ - теплоемкость воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

Дж/(кг∙^оС),

Основные размеры теплообменника

1. Рассчитываем тепловую нагрузку аппарата:

Q = r_{конд.см} ·G₁,

где G₁ – расход паров, кг/с; r_{конд.см} – теплота конденсации парогазовой смеси при t_{конд.см.} = 81,062 ^оС, кДж/кг.

Q = 392374 · 1,833 = 719221,5 Вт

2. Определяем расход воды:

кг/с,

где с_воды – теплоемкость воды при t_2с = 25 ^оС, кДж/(кг·^оС).

3. Определяем среднюю разность температур:

Δt_ср = 55,577 ^оС

4. Примем ориентировочное значение критерия Рейнольдса Re_ор = 10000, что соответствует турбулентному режиму течения жидкости в трубах. Определяем ориентировочную скорость движения жидкости в трубках теплообменника:

,

где μ_воды – вязкость воды при 25 ^оС, Па∙с; ρ_воды - плотность воды при 25 ^оС, кг/м³; d_вн – внутренний диаметр труб, м.

Выбираем стальные трубки наружным диаметром d_нар = 25 мм и толщиной стенки δ = 2 мм. Тогда:

d_вн = d_нар – 2 ∙ δ = 25 – 2 ∙ 2 = 21 мм или 0,021 м

м/с

5. Определяем объемный расход воды для одной трубки:

V₁ = ω_ор ∙ f,

где f – площадь сечения трубки, равная:

м²

Тогда:

V₁ = 0,43 ∙ 0,346 ∙ 10^-3 = 0,149∙ 10^-3 м³/с

6. Определяем объемный расход воды для всех трубок:

м³/с

7. Определяем общее ориентировочное число трубок:

8. Определяем ориентировочное значение поверхности теплопередачи:

,

где К_ор - ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, Вт/(м² ∙ К).

Выбираем коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара органических жидкостей к воде, равный от 300 до 800 [1] табл. 2.1. стр.47.

Принимаем ориентировочное значение К_ор = 500 Вт/(м² ∙ К).

м².

9. По справочным данным табл. 4.12 стр. 215 [2] определяем основные параметры аппарата:

Диаметр кожуха D = 400 мм;

соотношение числа труб к числу ходов n/z = 111;

число ходов z = 1;

число трубок n = 111;

поверхность теплообмена F = 26 м²;

длина трубок L = 3 м.

Проведем уточненный расчет поверхности теплопередачи:

1. Определяем действительное значение критерия Рейнольдса из соотношения:

,

где S_ор – ориентировочная общая площадь сечения трубок, м²; S_дейст – действительная общая площадь сечения трубок, м².

Тогда:

2. Определяем коэффициент теплоотдачи от пара к воде α₂ из следующего уравнения, пренебрегая поправкой (Pr/Pr_ст)^0,25:

,

где Nu – критерий Нуссельта; Pr - критерий Прандтля, определяемый как:

Тогда:

3. Определяем коэффициент теплопередачи от пара, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб:

,

где ε - поправочный коэффициент для горизонтальных труб, равный 0,6 для n ≥ 100 [2].

Вт/(м²∙^оС)

4. Находим сумму термических сопротивлений стенок трубок и загрязнений со стороны воды и пара:

,

где λ_ст - теплопроводность стенок трубок из нержавеющей стали, равная 17,5 Вт/(м²∙^оС) [2]; r_{загр.пар.}, r_{загр.вод.} - среднее значение тепловой проводимости загрязнений стенок со стороны паров конденсата и охлаждающей воды соответственно.

Принимаем следующие значения [2]:

Вт/(м²∙^оС) и Вт/(м²∙^оС)

∙10^-3 Вт/(м²∙^оС)

5. Определяем коэффициент теплопередачи:

К = 511,309 Вт/(м²∙^оС)

6. Определяем требуемую площадь поверхности теплопередачи в первом уточнении:

м²

Следовательно, выбранный аппарат подходит с запасом:

%

Произведем второе уточнение площади поверхности теплопередачи:

1. Из основного уравнения теплопередачи выразим температуру стенки с обеих сторон:

- со стороны воды:

^оС

- со стороны пара:

,

где t_{ср.пара} – средняя температура пара, равная температуре конденсации смеси t_{конд.см.} = 81,062 ^оС.

^оС

2. Определяем плотность воды при t_{ст.воды} = 44,303 ^оС:

,

где ρ₁, ρ₂ - плотность воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

кг/м³

3. Определяем теплопроводность воды при t_{ст.воды} = 44,303 ^оС:

,

где λ₁, λ₂ - теплопроводность воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

Вт/(м²∙^оС),

4. Определяем теплоемкость воды при t_{ст.воды} = 44,303 ^оС:

,

где с₁, с₂ - теплоемкость воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

Дж/(кг∙^оС),

5. Определяем вязкость воды при t_{ст.воды} = 44,303 ^оС:

,

где μ₁, μ₂ - вязкость воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

Па∙с,

6. Определяем критерий Прандтля при t_{ст.воды} = 45,34 ^оС:

7. Определяем коэффициент теплоотдачи от пара к воде с учетом поправки (Pr/Pr_ст)^0,25:

Вт/(м²∙^оС).

8. Определяем теплопроводность конденсата при t_{ст.пара} = 60,275 ^оС.

- для бензола:

,

где λ₁, λ₂ - теплопроводность бензола при температуре t₁ и t₂ соответственно [3].

Вт/(м²∙^оС),

- для толуола:

,

где λ₁, λ₂ - теплопроводность толуола при температуре t₁ и t₂ соответственно [3].

Вт/(м²∙^оС),

Тогда:

λ'_{конд.см.} = Х₀ ∙ λ'_А + (1 - Х₀) ∙ λ'_В = 0,953 ∙ 0,14 + (1 – 0,953) ∙ 0,12

λ'_{конд.см.} = 0,139 Вт/(м²∙^оС).

9. Определяем вязкость конденсата при t_{ст.пара} = 60,275 ^оС.

- для бензола:

,

где μ₁, μ₂ - вязкость бензола при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

Па∙с,

- для толуола:

,

где μ₁, μ₂ - вязкость толуола при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

Па∙с,

Тогда:

lg(μ'_{конд.см.}) = Х₀ ∙ lg(μ'_А) + (1 - Х₀) ∙ lg(μ'_В)

lg(μ'_{конд.см.}) = 0,953 ∙ lg(0,389 ∙10^-3) + (1 - 0,953) ∙ lg(0,38 ∙10^-3)

μ'_{конд.см.} =0,389 ∙10^-3Па∙с.

10. Определяем поправочный коэффициент:

11. При пленочной конденсации насыщенного пара, физические характеристики конденсата, которые необходимы для расчета коэффициента теплоотдачи, определяют при средней температуре пленки конденсата, которая в свою очередь находится так:

t_ср.пл = 0,5 ∙ (t_{конд.см.} + t_{ст.пара}) = 0,5 ∙ (81,062 + 60,275) = 70,669 ^оС

12. Определяем теплопроводность конденсата при t_ср.пл = 70,669 ^оС.

- для бензола: ,

где λ₁, λ₂ - теплопроводность бензола при температуре t₁ и t₂ соответственно [3].

Вт/(м²∙^оС),

- для толуола: ,

где λ₁, λ₂ - теплопроводность толуола при температуре t₁ и t₂ соответственно [3].

Вт/(м²∙^оС),

Тогда: λ''_{конд.см.} = Х₀ ∙ λ''_А + (1 - Х₀) ∙ λ''_В = 0,953 ∙ 0,132 + (1 – 0,953) ∙ 0,127

λ''_{конд.см.} = 0,132 Вт/(м²∙^оС).

13. Определяем плотность конденсата при t_{ст.пара} = 70,669 ^оС.

- для бензола:

,

где ρ₁, ρ₂ - плотность бензола при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

кг/м³,

- для толуола:

,

где ρ₁, ρ₂ – плотность толуола при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

кг/м³

Тогда:

кг/м³.

14. Определяем вязкость конденсата при t_{ст.пара} = 70,669 ^оС.

- для бензола:

,

где μ₁, μ₂ - вязкость бензола при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

Па∙с,

- для толуола:

,

где μ₁, μ₂ - вязкость толуола при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

Па∙с,

Тогда:

lg(μ''_{конд.см.}) = Х₀ ∙ lg(μ''_А) + (1 - Х₀) ∙ lg(μ''_В)

lg(μ''_{конд.см.}) = 0,953 ∙ lg(0,351 ∙10^-3) + (1- 0,953) ∙ lg(0,348 ∙10^-3)

μ'_{конд.см.} =0,351 ∙10^-3Па∙с.

15. Определяем коэффициент теплопередачи от пара, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб:

Вт/(м²∙^оС).

16. Определяем коэффициент теплопередачи:

К = 522,415 Вт/(м²∙^оС)

26. Определяем требуемую площадь поверхности теплопередачи:

м²

Определяем запас площади поверхности теплопередачи:

%

27. В соответствии со справочными данными выбираем диаметр условного прохода штуцеров для трубного пространства. При диаметре кожуха D = 400 мм и при числе ходов по трубам z = 1: d_шт.вх.= 150мм [1].

Диаметр условного прохода штуцеров для межтрубного пространства при тех же параметрах d_шт.вых.= 150 мм [1].

При диаметре кожуха D = 400 мм и длине труб L = 2 м число сегментных перегородок n_пер = 10 [1], а расстояние между перегородками для выбранного теплообменника h = 250 мм [2].

Гидравлическое сопротивление теплообменника

1. Определяем скорость воды в трубках:

м/с

2. Определяем относительную шероховатость трубок:

,

где Δ - относительная шероховатость трубок, принимаем равной 0,2 мм [1];

.

3. Определяем коэффициент трения в трубках:

4. Определяем скорость воды в штуцерах:

м/с

5. Находим гидравлическое сопротивление аппарата:

ΔР_а =704,245 Па

В результате проведенных расчетов были определены физико-химические свойства конденсируемой паровой смеси бензол - толуол и конденсата при температуре конденсации смеси t_{конд.см.} = 81,062 ^оС и физико-химические свойства охлаждающей воды при средней температуре t_2ср = 25 ^оС.

Была рассчитана требуемая поверхность теплопередачи F_тр = 24,771 м² и соотношения числа трубок к числу ходов n/z = 111 для аппарата с производительностью 1,833 кг/с. В соответствии с этими данными был выбран теплообменник со следующими основными характеристиками: диаметр кожуха D = 400 мм; число ходов z = 1; число трубок n = 111; поверхность теплообмена F = 26 м²; наружный диаметр трубок d_нар = 25 мм; толщина стенок трубок δ_ст = 2 мм. Также было рассчитано гидравлическое сопротивление аппарата ΔР_а = 704,245 Па.

Кроме того, был произведен расчет потерянного напора и потерянного давления для всасывающей и нагнетающей линий подачи охлаждающей воды. В соответствии с расчетами общие потери напора составили Δh_{пот.общ.} = 2,632 м, а общие потери давления ΔР_{пот.общ} = 25790,741 Па. На основании этих данных был выбран центробежный насос марки Х90/19 для подачи охлаждающей воды в конденсатор и холодильник.

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 газов и жидкостей. М.: Наука. – 1972. 720с.

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

Код для цитирования: Скопировать