XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Ректификация относится к массообменным процессам, применяемым для разделения жидких однородных систем, состоящих из двух и более компонентов. Разделение при помощи ректификации основано на разности температур кипения компонентов, из-за которой из верхней части ректификационной колонны отводится пар, содержащий в основном легколетучий компонент (компоненты), а из нижней части ректификационной колонны отводится жидкость, содержащая в основном высококипящий компонент (компоненты). Для конденсации паров, отводимых из верхней части ректификационной колонны, применяют теплообменные аппараты, называемые дефлегматоры. По своей сути они представляют собой конденсаторы, в которых пар охлаждается в результате теплообмена с охлаждающей водой.

В данной работе в качестве дефлегматора рассматривается кожухотрубчатый теплообменник-конденсатор, входящий в состав ректификационной установки, схема которой представлена на рис. 1.

Рис. 1. Технологическая схема установки: КР – колонна ректификационная; Д – дефлегматор; Р – распределитель; Х – холодильник; Н1-Н2 – насосы; Е1-Е2 – сборные емкости; ВЗ1-ВЗ9 – запорные вентили; ВР1-ВР4 – регулировочные вентили; D1 – дистиллят; D2 – пары дистиллята; F1 – флегма;

В4 – вода для охлаждения; В5 – вода на охлаждение.

В соответствии с данной схемой конденсат дистиллята, образующийся в дефлегматоре в результате теплообмена между парами дистиллята и охлаждающей водой, поступает самотеком в распределитель, из которого часть конденсатора возвращается в колонну в виде флегмы, а основная часть отводится через холодильник, где охлаждается до заданной температуры в результате водяного охлаждения, в сборник дистиллята. В свою очередь по мере накопления и необходимости дистиллят отводится из сборника при помощи насоса.

Цель данной работы заключается в расчете и выборе рассматриваемого дефлегматора. Расчет будем проводить на основании следующих данных:

Расход паров G₁= 4,6 т/ч или 1,28 кг/с;

Массовая концентрация легколетучего компонента в паре: = 92,8 %;

Начальная температура охлаждающей воды: t_2н = 10 ^оС.

Конечная температура охлаждающей воды: t_2к = 35 ^оС.

Свойства конденсируемой паровой смеси и конденсата

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

где - молярная масса метанола, равная 32 г/моль;

- молярная масса воды, равная 18 г/моль;

- массовая концентрация легколетучего компонента.

2. Тогда мольная доля воды: = 1 - 0,879 = 0,121

3. Определим температуру конденсации смеси при Хо_ме = 0,879:

где t₁, t₂ - температуры конденсации смеси при содержании легколетучего компонента, равного х₁ и х₂ соответственно [2].

4. Определяем теплоту конденсации смеси при = 66,315^оС.

- для метанола:

кДж/кг,

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

- для воды:

кДж/кг,

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

Тогда:

r_{конд.см.} = Хо_эт ∙ r_эт + Хо_в∙ r_в = 0,879∙1095,165 + 0,121∙2343,118

r_{конд.см.} = 1246,167 кДж/кг.

5. Определяем теплопроводность конденсата при = ^оС.

- для метанола:

Вт/(м²∙^оС),

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

- для воды:

Вт/(м²∙^оС),

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

Тогда:

λ_{конд.см.} = Хо_ме ∙ λ_ме + Хо_в ∙ λ_в = 0,879∙0,206 + 0,121∙0,659

λ_{конд.см.} = 0,262 Вт/(м²∙^оС)

6. Определяем плотность конденсата при = ^оС.

- для метанола:

кг/м³,

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

- для воды:

кг/м³,

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

Тогда:

кг/м³.

7. Определяем вязкость конденсата при t_{конд.см.} = 66,315 ^оС.

- для метанола:

μ_ме = 0,332 ∙10^-3Па∙с,

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

- для воды:

μ_воды = 0,434 ∙10^-3Па∙с,

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

Тогда:

lg(μ_{конд.см.}) = Хо_ме∙ lg(μ_ме) + Хо_воды ∙ lg(μ_воды)

lg(μ_{конд.см.}) = 0,879∙ lg(0,332 ∙10^-3) + 0,121 ∙ lg(0,434 ∙10^-3)

μ_{конд.см.} =0,343 ∙10^-3Па∙с.

Свойства охлаждающей воды при средней температуре

1. Определяем среднюю температуру воды:

^оС

2. Определяем плотность воды при t_2ср = 22,5 ^оС:

кг/м³,

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

3. Определяем теплопроводность воды при t_2ср = 22,5 ^оС:

Вт/(м²∙^оС),

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

4. Определяем вязкость воды при t_2ср = 22,5 ^оС:

∙10^-3Па∙с,

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

5. Определяем теплоемкость воды при t_2ср = 22,5 ^оС:

Дж/(кг∙^оС),

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

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.} = 66,315 ^оС, кДж/кг.

Q = 1246167·1,278 = 1592601 Вт

2. Определяем расход воды:

кг/с,

где с_воды – теплоемкость воды при t_2ср = 22,5 ^оС, кДж/(кг·^оС).

3. Определяем среднюю разность температур:

^оС

4. Определяем ориентировочное значение поверхности теплопередачи:

,

где К_ор - ориентировочное значение коэффициента теплопередачи от конденсирующегося пара смеси к воде для вынужденного движения, принимаем равным 800 [1].

м².

5. Определим соотношение числа трубок к числу ходов трубного пространства:

,

где n - общее число трубок; z - общее число ходов; Re - критерий Рейнольдса, принимаем равным 10000; d_внут - внутренний диаметр трубок, м.

Принимаем, что наружный диаметр трубок d_нар = 25 мм, а толщина стенок трубок δ = 2 мм [1], тогда d_внут = d_нар - 2∙δ = 0,025 - 2∙0,002 = 0,021 м.

6. По справочным данным [2] определяем основные параметры аппарата:

Диаметр кожуха D = 600 мм;

соотношение числа труб к числу ходов n/z = 120;

число ходов z = 2;

число трубок n = 240;

поверхность теплообмена F = 157 м²;

длина трубок L = 3 м.

7. Определяем действительное значение критерия Рейнольдса:

8. Определяем коэффициент теплоотдачи от пара к воде, пренебрегая поправкой (Pr/Pr_ст)^0,25:

,

где Pr - критерий Прандтля, определяемый как:

Тогда

Вт/(м²∙^оС)

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

,

где ε - поправочный коэффициент для горизонтальных труб.

Вт/(м²∙^оС)

10. 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)

11. Определяем коэффициент теплопередачи:

Вт/(м²∙^оС)

12. Определяем требуемую площадь поверхности теплопередачи:

м²

Следовательно, выбранный аппарат подходит с запасом:

%

Произведем уточненный расчет площади поверхности теплопередачи.

13. Определяем температуру стенки с обеих сторон.

- со стороны воды:

^оС

- со стороны пара:

^оС

14. Определяем плотность воды при t_{ст.воды} = 37,495 ^оС:

кг/м³,

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

15. Определяем теплопроводность воды при t_{ст.воды} = 37,495 ^оС:

Вт/(м²∙^оС),

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

16. Определяем вязкость воды при t_{ст.воды} = 37,495 ^оС:

;

μ_воды = 0,694∙10^-3Па∙с,

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

17. Определяем теплоемкость воды при t_{ст.воды} = 37,495 ^оС:

Дж/(кг∙^оС),

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

18. Определяем критерий Прандтля при t_{ст.воды} = 37,495 ^оС:

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

α₂ = 2205,524 Вт/(м²∙^оС).

20. Определяем теплопроводность конденсата при t_{ст.пара} = 78,494 ^оС.

- для метанола:

Вт/(м²∙^оС),

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

- для воды:

Вт/(м²∙^оС),

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

Тогда:

λ'_{конд.см.} = Хо_ме ∙ λ₁ + Хо_воды∙ λ₂ = 0,879∙0,205 + 0,121∙0,674

λ'_{конд.см.} = 0,262 Вт/(м²∙^оС).

21. Определяем плотность конденсата при t_{ст.пара} = 78,494 ^оС.

- для метанола:

кг/м³,

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

- для воды:

кг/м³,

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

Тогда:

кг/м³.

22. Определяем вязкость конденсата при t_{ст.пара} = 78,494 ^оС.

- для метанола:

μ_эт = 0,295 ∙10^-3Па∙с,

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

- для воды:

μ_тол = 0,363 ∙10^-3Па∙с,

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

Тогда:

lg(μ'_{конд.см.}) = Хо_ме ∙ lg(μ_ме) + Хо_воды∙ lg(μ_воды)

lg(μ'_{конд.см.}) = 0,879 ∙ lg(0,295 ∙10^-3) + 0,121∙ lg(0,363 ∙10^-3)

μ'_{конд.см.} =0,303 ∙10^-3Па∙с.

23. Определяем поправочный коэффициент:

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

α₁ = 305,447 Вт/(м²∙^оС).

25. Определяем коэффициент теплопередачи:

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 = 600 мм и при числе ходов по трубам z=2: d_шт.вх.=200мм [1].

Диаметр условного прохода штуцеров для межтрубного пространства d_шт.вых.=200 мм [1].

При длине труб L=3 м число сегментных перегородок n_пер = 8 [1], а расстояние между перегородками s = 300 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 =9331,03 Па

В результате проведенных расчетов были определены физико-химические свойства конденсируемой паровой смеси метанол-вода и конденсата при температуре конденсации смеси t_{конд.см.} = 66,315 ^оС и физико-химические свойства охлаждающей воды при средней температуре t_2ср = 22,5 ^оС.

Была рассчитана требуемая поверхность теплопередачи F_тр = 149,761 м² и соотношения числа трубок к числу ходов n/z = 120 для аппарата с производительностью 1,28 кг/с. В соответствии с этими данными был выбран теплообменник со следующими основными характеристиками: диаметр кожуха D = 600 мм; число ходов z = 2; число трубок n = 240; поверхность теплообмена F = 157 м²; наружный диаметр трубок d_нар = 25 мм; толщина стенок трубок δ_ст = 2 мм. Также было рассчитано гидравлическое сопротивление аппарата ΔР_а = 9331,03 Па.

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