Технологический расчет ректификационной колонны. Расчет кожухотрубчатого испарителя и коденсатора

Согласно ГОСТ 15119-79 эти теплообменники могут быть только вертикальными одноходовыми, с трубками диаметром 25х2 мм. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе. Основные параметры кожухотрубчатых испраителей по ГОСТ 15119-79 приведены в табл. 5.9.

По ГОСТ 14248-79 выпускают испарители с трубными пучками из U - образных труб или с плавающей головкой. В этих аппаратах, всегда расположенных горизонтально, горячий теплоноситель движется по трубам, а рабочая жидкость кипит в межтрубном пространстве. Испарители с паровым пространством применяют при большом давлении в кожухе и в трубах.

В данной курсовой работе неоходимо подобрать по ГОСТ 15119-79 кожухотрубчатый испаритель, чтобы обеспечить процесс ректификации.

12.1 Расчет тепловой нагрузки

В качестве нагреваемого теплоносителя выбирается насыщенный пар с определенным давлением, определяемым по температуре конденсации. Уравнение теплового баланса имеет вид (без учета тепловых потерь):

где - расход греющего пара, кг/с;

- удельная теплота парообразования пара, ;

- расход жидкой смеси или расход образующегося пара, кг/с;

- удельная теплота парообразования жидкой смеси с концентрацией НКК

.,

где , беруться по таблицам в [1] при 99,46 ⁰С.

Температуру насыщенного пара примем равной на 25 ⁰С больше температуры кипения жидкой смеси в кипятильнике:

По температуре насыщения пара находим давление пара и удельную теплоту парообразования: , .

Расход жидкой смеси, поступающей в кипятильник:

Находим расход теплоты на кипятильник:

Расход пара на кипятильник:

рабочий гидравлический ректификационный колонна

12.2 Определение температурного режима и среднелогарифмической разности температур

В трубном пространстве кипит практически вода с температурой 99,46 . Нагрев жидкой смеси происходит засчет теплоты фазового перехода насыщенного пара.

Для случаев, когда температура одной среды постоянная, температурный напор определяется по формуле:

где - перепад температур между средами в том конце, где он больше, ;

- перепад температур на другом конце поверхности, .

Если температуры обоих сред постоянны, то:

.

Представим температурный график на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 Температурный график в кипятильнике

12.3 Приближенная оценка коэффициента теплопередачи и определение ориентировочной поверхности труб кипятильника

Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящей жидкости ориентировочно может быть выбран из интервала 300-2500 , табл. 5.1 [1]. Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи . Поверхность теплообмена определим по формуле

В соответствии с таблицей 5.9 [1] поверхность, близкую к ориентировочной, могут иметь теплообменники с диаметром труб 25х2, с числом ходов 1, с длинной труб 2 и 3 м, числом труб - 257 шт., с поверхностью теплообмена:

при ,

при ;

Необходимо выполнить поверочный расчет двух вариантов.

В начале выполним поверочный расчет испарителя с .

12.4 Уточненный расчет поверхности теплообмена

12.4.1 Поверочный расчет варианта с

Расчет теоретического коэффициента теплопередачи для испарителя, отнесенного к наружной поверхности испарителя, производится по формуле при [1]:

:где - коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к жидкой смеси при кипении внутри труб, ;

- суммарное термическое сопротивление слоев загрязнений и материала стенки,

- коэффициент теплоотдачи при конденсации насыщенного пара в межтрубном пространстве на вертикальных трубах

Коэффициент теплоотдачи при кипении внутри труб может быть найден по формуле [1]:

где - теплопроводность жидкой смеси на линии насыщения;

- плотность жидкой смеси на линии насыщения,

- плотность насыщенного пара, который образуется в при определенном режиме кипения внутри труб, ;

- удельная тепловая нагрузка кипятильника, ;

- сила поверхностного натяжения жидкости на линии насыщения,

- плотность насыщенного пара при атмосферном давлении, ;

все остальные величины, входящие в формулу, берутся для жидкости при температуре насыщения.

В формуле (2.5) все физические характеристики жидкости следует определять при температуре кипения, соответствующей рабочему давлению в колонне. Рабочее давление в колоне равняется 1 атм.. Плотность пара определяется по формуле:

,

где , .

Все остальные физические свойства находим по таблицам в [1]:

,

, ,

, , .

Представим формулу (2.5) в следующем виде , где . Находим коэффициент В:

Следовательно, формула (2.5) примет вид

Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара определяется по формуле Нуссельта с учетом поправки на волновое течение ленки конденсата, предложенной П.Л Капицей [3]:

где , , - физические свойства конденсата, которые берутся при температуре конденсации;

- удельная теплота парообразования водяного пара, .

- перепад температур между паром и загрязненной стенкой, .

- высота труб, м, принимается равной 3 м.

Представим формулу в следующем виде: , , где , - удельный тепловой поток отнесенный к наружной поверхности труб. В расчетах можно принять или [4], так как коэффициент теплопередачи отнесен к наружной поверхности.

Определяем физические свойства конденсатной пленки при температуре конденсата: , , .

Находим коэффициент А:

Формула приобретает вид: .

Согласно уравнению теплопередачи запишем следующее соотношение:

где - тепловой поток отнесенный к наружной поверхности теплообмена.

Подставляя сюда выражения для и , можно получить одно уравнение относительно неизвестного удельного теплового потока [1] и [4]:

Необходимо решить это уравнение каким-либо численным или графическим методом, чтобы найти расчетную удельную тепловую нагрузку. Найдя ее можно, определить расчетную поверхность теплообмена по формуле:

Решим уравнение методом Ньютона или методом касательных.

Разложим искомую функцию в ряд Тейлора вблизи точки и ограничимся первыми двумя членами разложения . Учтя уравнение и обозначив , получаем . При уменьшении секущая будет стремиться совпасть с касательной, поэтому в точке q функция должна пересечь ось абсцисс. Производная определяет тангенс угла наклона касательной, в приближенных расчетах и тангенс угла наклона секущей или хорды. Тогда .

, - производная функции .

Необходимая точность достигается при рациональном выборе начальной точки, через которую проводится касательная, а также числом итераций.

Определим термическое сопротивление слоев .

Толщина труб 2 мм, материал - нержавеющая сталь; . Термическое сопротивление загрязнений на наружной поверхности .

.

Запишем уравнение (2.8) в следующем виде:

Зададимся :.

Находим производную: или

.

.

.

Задаемся новым значением :

Определяем : . Точка пересечения секущей с осью абсцисс:

Задаемся . Находим, следовательно, окончательно принимаем за расчетную нагрузку значение

Определяем коэффициенты теплоотдачи со стороны конденсирующегося пара и кипящей смеси:

Расчетная поверхность теплообмена:

В выбранном теплообменнике запас поверхности:

Наблюдается значительный перерасход материала. Масса теплообменника: 1810 кг.

Определяем коэффициент теплопередачи:

2.4.2 Поверочный расчет варианта с

Требуемая поверхность ближе к номинальной поверхности теплообменника с трубами высотой. Масса данного теплообменника 1350 кг. Целесообразно проверить возможность использования такого теплообменника. Для этого варианта необходимо уточнить значение коэффициента А:

Формула приобретает вид: .

Запишем уравнение (2.8) в следующем виде:

Аналогичным способом теперь необходимо решить данное уравнение и найти расчетную тепловую нагрузку.

Зададимся :.

Находим производную

Зададимся :.

Зададимся :. Следовательно, окончательно принимаем .

Расчетная поверхность теплообмена:

В выбранном теплообменнике запас поверхности:

Определяем коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося паро к загрязненной поверхности труб:

Коэффциент теплоотдачи от внутренней стенки труб к кипящей смеси:

Определяем коэффициент теплопередачи, отнесенный к наружной поверхности:

Коэффициент теплопередачи можно найти также по формуле:

Выбираем окончательно кожухотрубчатый испаритель с наружной поверхность тру, диаметр кожуха 600 мм. По таблице 5.9 [1] необходимо найти параметры кожухотрубчатого испарителя и разработать чертеж согласно ГОСТ 15122-79.

Размещено на Allbest.ru