XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Дефлегматорами называют теплообменники, предназначенные для полной или частичной конденсации паров, отводимых от масообменных аппаратов по разделению двух- и многокомпонентных жидких систем методами перегонки и ректификации. В случае частичной конденсации, образующийся конденсат поступает обратно в массообменный аппарат, а, в случае полной конденсации, образующийся конденсат поступает в распределитель, из которого одна его часть направляется в массообменный аппарат для орошения, а другая часть – в сборник дистиллята. В обоих случаях применение дефлегматоров позволяет повысить концентрацию легколетучего компонента в дистилляте.

В данной работе рассматривается дефлегматор, представляющий собой кожухотрубчатый теплообменник и входящий в состав ректификационной установки. В соответствии с представленной схемой (см. рис. 1) пары дистиллята из ректификационной колонны (КР) попадают в дефлегматор (Д), где в результате теплообмена с охлаждающей водой происходит их конденсация. Конденсат поступает в распределитель (Р), откуда, как упоминалось выше, одна его часть направляется обратно в колонну (КР), а вторая часть поступает в начале в кожухотрубчатый теплообменник-холодильник (Х), в котором происходит охлаждение дистиллята в результате теплообмена с охлаждающей водой. Охлажденный дистиллят собирается в специальной емкости (Е2), откуда по мере накопления отводится на дальнейшее использование с помощью насоса (Н2). Охлаждающая вода в дефлегматор (Д) и холодильник (Х) подается из емкости Е1 с помощью насоса (Н1). В эту же емкость (Е1) вода поступает после прохождения дефлегматора и холодильника, а также охлаждения.

Рис. 1. Технологическая схема установки:

D1 – дистиллят; D2 – пары дистиллята; В4 – вода для охлаждения;

В5 – вода на охлаждение. Остальные пояснения в тексте.

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

Расход паров G₁= 8,4 т/ч или 2,333 кг/с;

Массовая концентрация легколетучего компонента в паре: = 97,2 %;

Начальная температура охлаждающей воды: t_2н = 17 ^оС.

Конечная температура охлаждающей воды: t_2к = 27 ^оС.

Свойства конденсируемой паровой смеси и конденсата

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

где М_А, М_В - молярные массы хлороформа и бензола соответственно.

М_А = 119,38 г/моль;

М_В = 78,11 г/моль.

2. Определим температуру конденсации смеси при Х₀ = 0,842:

^оС,

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

t₁ = 71,9 ^оС при Х₁ = 80 мол. %;

t₂ = 68,9 ^оС при Х₂ = 90 мол. %.

^оС.

3. Определяем теплоту парообразования смеси при t_{конд.см.} = 70,64 ^оС.

- для хлороформа:

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

r₁ = 247,6 кДж/кг при t₁ = 60 ^оС;

r₂ = 231,3 кДж/кг при t₂ = 100 ^оС;

кДж/кг;

- для бензола:

,

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

r₁ = 408,5 кДж/кг при t₁ = 60 ^оС;

r₂ = 379,2 кДж/кг при t₂ = 100 ^оС;

кДж/кг;

Тогда:

r_{конд.см.} = Х₀ ∙ r_А + (1 - Х₀) ∙ r_В = 0,842 ∙ 243,264 + (1 - 0,842) ∙ 400,706 =

= 268,14 кДж/кг.

4. Определяем теплопроводность конденсата при t_{конд.см.} = 70,64 ^оС.

- для хлороформа:

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

λ₁ = 0,142 Вт/(м∙^оС) при t₁ = 0 ^оС;

λ₂ = 0,0919 Вт/(м∙^оС) при t₂ = 100 ^оС;

Вт/(м∙^оС);

- для бензола:

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

λ₁ = 0,138 Вт/(м∙^оС) при t₁ = 60 ^оС;

λ₂ = 0,134 Вт/(м∙^оС) при t₂ = 80 ^оС.

Вт/(м∙^оС);

Тогда:

λ_{конд.см.} = Х₀ ∙ λ_А + (1 - Х₀) ∙ λ_Б = 0,842 ∙ 0,107 + (1 – 0,842) ∙ 0,136 = 0,111 Вт/(м∙^оС)

5. Определяем плотность конденсата при t_{конд.см.} = 70,64 ^оС.

- для хлороформа:

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

ρ₁ = 1411 кг/м³ при t₁ = 60 ^оС;

ρ₂ = 1380 кг/м³ при t₂ = 80 ^оС.

кг/м³;

- для бензола:

,

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

ρ₁ = 836 кг/м³ при t₁ = 60 ^оС;

ρ₂ = 815 кг/м³ при t₂ = 80 ^оС.

кг/м³;

Тогда:

кг/м³.

6. Определяем вязкость конденсата при t_{конд.см.} = 70,64 ^оС.

-для хлороформа:

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

μ₁ = 0,39∙10^-3 Па∙с при t₁ = 60 ^оС;

μ₂ = 0,33∙10^-3 Па∙с при t₂ = 80 ^оС.

Па∙с;

- для бензола:

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

μ₁ = 0,39∙10^-3 Па∙с при t₁ = 60 ^оС;

μ₂ = 0,316∙10^-3 Па∙с при t₂ = 80 ^оС.

Па∙с,

Тогда:

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

lg(μ_{конд.см.}) = 0,842 ∙ lg(0,358 ∙10^-3) + (1 - 0,842)∙ lg(0,351 ∙10^-3)

μ_{конд.см.} =0,356 ∙10^-3Па∙с.

Свойства охлаждающей воды при средней температуре

1. Определяем среднюю температуру воды:

^оС

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

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

ρ₁ = 998 кг/м³ при t₁ = 20 ^оС;

ρ₂ = 992 кг/м³ при t₂ = 40 ^оС.

кг/м³

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

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

λ₁ = 0,593 Вт/(м∙^оС) при t₁ = 20 ^оС;

λ₂ = 0,611 Вт/(м∙^оС) при t₂ = 30 ^оС.

Вт/(м∙^оС),

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

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

μ₁ = 1,0∙10^-3 Па∙с при t₁ = 20 ^оС;

μ₂ = 0,801∙10^-3 Па∙с при t₂ = 30 ^оС.

∙10^-3Па∙с

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

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

с₁ = 4190 Дж/(кг∙ ^оС) при t₁ = 20 ^оС;

с₂ = 4180 Дж/(кг∙ ^оС) при t₂ = 30 ^оС;

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.} = 70,64 ^оС, Дж/кг.

Q = 268140 · 1,778 = 476752,92 Вт

2. Определяем расход воды:

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

кг/с,

3. Определяем среднюю разность температур:

Δt_ср = 48,443 ^оС

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

где μ_воды – вязкость воды при 22 ^оС, Па∙с; ρ_воды - плотность воды при 22 ^оС, кг/м³; d_вн – внутренний диаметр труб, м.

Выбираем трубы наружным диаметром d_нар = 25 мм = 0,025 м и толщиной стенки δ = 2 мм = 0,002 м. Тогда:

d_вн = d_нар – 2 ∙ δ_ст = 0,025 - 2∙0,002 = 0,021 м;

м/с.

5. Определяем объемный расход воды для одной трубы:

V₁ = ω ∙ f,

где f – площадь сечения трубки, равная:

м².

Тогда:

V₁ = 0,458 ∙ 0,346 ∙ 10^-3 = 0,158∙ 10^-3 м³/с.

6. Определяем объемный расход воды для всех труб:

м³/с

7. Определяем общее число труб:

8. Определяем ориентировочное значение поверхности теплопередачи:

где К_ор - ориентировочное значение коэффициента теплопередачи от конденсирующегося пара органической жидкости к воде для вынужденного движения, принимаем равным 550 [1].

м².

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

Диаметр кожуха D = 325 мм;

соотношение числа труб к числу ходов n/z = 62;

число ходов z = 1;

число трубок n = 62;

поверхность теплообмена F = 19,5м²;

длина трубок L = 4 м.

10. Определяем действительное значение критерия Рейнольдса:

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

где Pr - критерий Прандтля, определяемый как:

Тогда

Вт/(м²∙^оС)

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

где ε - поправочный коэффициент для горизонтальных труб, равный 0,7 для n 100 [2].

Вт/(м²∙^оС)

13. 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)

14. Определяем коэффициент теплопередачи:

Вт/(м²∙^оС)

15. Определяем требуемую площадь поверхности теплопередачи:

м²

Следовательно, выбранный аппарат подходит с запасом:

%

Произведем уточненный расчет площади поверхности теплопередачи.

16. Определяем температуру стенки с обеих сторон.

- со стороны воды:

^оС

- со стороны пара:

^оС

17. Определяем плотность воды при t_{ст.воды} = 35,259 ^оС:

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

ρ₁ = 998 кг/м³ при t₁ = 20 ^оС;

ρ₂ = 992 кг/м³ при t₂ = 40 ^оС.

кг/м³,

18. Определяем теплопроводность воды при t_{ст.воды} = 35,259 ^оС:

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

λ₁ = 0,618 Вт/(м∙^оС) при t₁ = 30 ^оС;

λ₂ = 0,634 Вт/(м∙^оС) при t₂ = 40 ^оС.

Вт/(м∙^оС),

19. Определяем вязкость воды при t_{ст.воды} = 35,259 ^оС:

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

μ₁ = 0,804∙10^-3 Па∙с при t₁ = 30 ^оС;

μ₂ = 0,657∙10^-3 Па∙с при t₂ = 40 ^оС.

Па∙с.

20. Определяем теплоемкость воды при t_{ст.воды} = 35,259 ^оС:

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

с₁ = 4180 Дж/(кг∙ ^оС) при t₁ = 30 ^оС;

с₂ = 4180 Дж/(кг∙ ^оС) при t₂ = 40 ^оС;

Дж/(кг∙^оС),

21. Определяем критерий Прандтля при t_{ст.воды} = 35,259 ^оС:

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

α₂ = 2336,883 Вт/(м²∙^оС).

23. Определяем теплопроводность конденсата при t_{ст.пара} = 90,987 ^оС.

- для хлороформа:

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

λ₁ = 0,142 Вт/(м∙^оС) при t₁ = 0 ^оС;

λ₂ = 0,0919 Вт/(м∙^оС) при t₂ = 100 ^оС.

Вт/(м∙^оС),

- для бензола:

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

λ₁ = 0,134 Вт/(м∙^оС) при t₁ = 80 ^оС;

λ₂ = 0,126 Вт/(м∙^оС) при t₂ = 100 ^оС.

Вт/(м∙^оС),

Тогда:

λ'_{конд.см.} = Х_0хлф ∙ + Х_0бенз∙ = 0,842∙0,0964 + (1-0,842)∙0,130

λ'_{конд.см.} = 0,102 Вт/(м∙^оС).

24. Определяем плотность конденсата при t_{ст.пара} = 90,987 ^оС.

- для хлороформа:

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

ρ₁ = 1380 кг/м³ при t₁ = 80 ^оС;

ρ₂ = 1326 кг/м³ при t₂ = 100 ^оС.

кг/м³,

- для бензола:

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

ρ₁ = 815 кг/м³ при t₁ = 80 ^оС;

ρ₂ = 793 кг/м³ при t₂ = 100 ^оС.

кг/м³,

Тогда:

кг/м³.

25. Определяем вязкость конденсата при t_{ст.пара} = 90,987 ^оС.

- для хлороформа:

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

μ₁ = 0,330∙10^-3 Па∙с при t₁ = 80 ^оС;

μ₂ = 0,290∙10^-3 Па∙с при t₂ = 100 ^оС.

Па∙с;

- для бензола:

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

μ₁ = 0,316∙10^-3 Па∙с при t₁ = 80 ^оС;

μ₂ = 0,261∙10^-3 Па∙с при t₂ = 100 ^оС.

Па∙с,

Тогда:

lg(μ'_{конд.см.}) = Х_0хлф ∙ lg(μ^’_хлф) + Х_0бенз∙ lg(μ^’_бенз)

lg(μ'_{конд.см.}) = 0,842 ∙ lg(0,308∙10^-3) + 0,158∙ lg(0,286 ∙10^-3)

μ'_{конд.см.} =0,304 ∙10^-3Па∙с.

26. Определяем поправочный коэффициент:

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

α₁ = 1451,509

28. Определяем коэффициент теплопередачи:

Вт/(м²∙^оС)

29. Определяем требуемую площадь поверхности теплопередачи:

м²

Определяем запас площади поверхности теплопередачи:

%

30. В соответствии со справочными данными выбираем диаметр условного прохода штуцеров для трубного пространства. При диаметре кожуха D = 325 мм и при числе ходов по трубам z=1: d_шт.вх.=150мм [1].

Диаметр условного прохода штуцеров для межтрубного пространства d_шт.вых.=100 мм [1].

При длине труб L=4 м число сегментных перегородок n_пер = 10 [1], а расстояние между перегородками s = 180 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 = 0,0002 м [1];

3. Определяем коэффициент трения в трубках:

4. Определяем скорость воды в штуцерах:

м/с

5. Находим гидравлическое сопротивление аппарата:

ΔР_а =1151,930 Па

В результате проведенных расчетов были определены физико-химические свойства конденсируемой паровой смеси хлороформ–бензол и конденсата при температуре конденсации смеси t_{конд.см.} = 70,64 ^оС и физико-химические свойства охлаждающей воды при средней температуре t_2ср = 22 ^оС.

Была рассчитана требуемая поверхность теплопередачи F_тр = 16,357 м² и соотношения числа трубок к числу ходов n/z = 62 для аппарата с производительностью 1,778 кг/с. В соответствии с этими данными был выбран теплообменник со следующими основными характеристиками: диаметр кожуха D = 325 мм; число ходов z = 1; число трубок n = 62; поверхность теплообмена F = 19,5 м²; наружный диаметр трубок d_нар = 25 мм; толщина стенок трубок δ_ст = 2 мм. Также было рассчитано гидравлическое сопротивление аппарата ΔР_а = 1048,631 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