ref-20845 (Расчет конденсатора)

ВВЕДЕНИЕ

В химической промышленности широко распространены тепловые процессы - нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах. Теплообменные аппараты или просто теплообменники используются практически во всех отраслях промышленности. Их основная задача обеспечить температурный режим технологических процессов.

В настоящее время все теплообменные аппараты, используемые в химической промышленности, подразделяются на определённые группы по следующим признакам: по назначению (нагреватели, испарители и кипятильники; холодильники, конденсаторы и т. д.),по режиму работы, по особенностям конструкции и т. д. Холодильники и конденсаторы служат для охлаждения потока или конденсации паров с применением специальных хладоагентов (вода, воздух, пропан, хлористый метил, фреоны и т. д.).

Поверхностные теплообменные аппараты можно разделить на следующие типы по конструктивным признакам:

а) кожухотрубчатые теплообменники (жёсткого типа; с линзовым компенсатором на корпусе; с плавающей головкой; с U-образными трубками);

б) теплообменники типа “труба в трубе”;

в) подогреватели с паровым пространством (рибойлеры);

г)конденсаторы воздушного охлаждения.

Кожухотрубчатые теплообменники в настоящее время наиболее широко распространены, по некоторым данным они составляют до 80% от всей теплообменной аппаратуры. Основной частью такого теплообменника является пучок труб, закреплённых в трубных решётках. Трубки располагаются в трубном пучке в шахматном порядке или по вершинам треугольников. Одна из теплообменивающихся сред движется по трубкам, а другая – внутри корпуса между трубками.

Достоинством кожухотрубчатого теплообменника является возможность получения значительной поверхности теплообмена при сравнительно небольших габаритах и хорошо освоенная; недостатком – более высокий расход материала по сравнению с некоторыми современными типами теплообменных аппаратов (спиральными, пластинчатыми теплообменниками и т. д.). Теплообменники могут быть вертикального горизонтального исполнения. Оба варианта установки одинаково широко распространены и выбираются в основном по соображениям монтажа: вертикальные занимают меньшую площадь в цехе, горизонтальные могут быть размещены в сравнительно невысоком помещении. Материал изготовления теплообменников – углеродистая или нержавеющая сталь.

По оценкам экспертов на изготовление трубчатых теплообменников расходуется около трети всего металла, потребляемого машиностроением. Поэтому разработка методов интенсификации теплообмена способствующих снижению массы теплообменников, экономии материалов, является актуальной проблемой, которой занимаются специалисты многих стран. Одним из наиболее простых и эффективных путей интенсификации теплообмена является изменение формы и режима движения теплоносителя.

Разделяемая смесь (бензол-толуол) обладает токсичными, коррозийными свойствами. Выберем для изготовления аппарата марку стали: обычные М.Ст.2 , М..Ст.3..

1.РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

1.1ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ

Цель: нахождение поверхности теплообмена. По рассчитанной поверхности производится подбор нормализированного варианта теплообменника по каталогам. Величину необходимой поверхности теплообмена определяем на основе уравнения теплопередачи [1]:

Q = KFΔtср. (1)

где Q - тепловая нагрузка аппарата Вт,

K – коэффициент теплопередачи Вт/м²К,

F – поверхность теплообмена м²,

∆tср. – средняя движущая сила процесса теплопередачи К,

В соответствии с приведённым уравнением поверхность теплообмена можно определить следующим образом:

( 2 )

1.1.1. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

Цель: определение тепловой нагрузки аппарата и нахождение неизвестного расхода теплоносителя.

Для нахождения тепловой нагрузки аппарата составим уравнение теплового баланса процесса. Процесс идёт с изменением агрегатного состояния горячего теплоносителя, поэтому уравнение теплового баланса имеет вид:

ŋG^г r = G^х ( I^х_к – I^х_н ) (3)

где ŋ – величина тепловых потерь равная 5%,

G – расход горячего теплоносителя, кг/с,

r– удельная теплота фазового перехода, Дж/кг,

G – расход холодного теплоносителя, кг/с,

I – энтальпия вещества потока, Дж/кг,

Энтальпии веществ найдём по уравнению:

I = Cp t (4 )

где Ср – теплоёмкость теплоносителя

при определяющей температуре, Дж/кг град,

t – температура теплоносителя, град.

Для нахождения температуры, при которой ведётся конденсация воспользуемся t x (y) диаграммой. В основе построения лежат законы Дальтона, Рауля и Рауля – Дальтона. Это рабочая диаграмма зависимости температуры кипения жидкости от состава и температуры конденсации пара в зависимости от его состава. Состав бинарной смеси всегда определяется по низкокипящему компоненту.

tнк = 86° (бензол) [ 1 ]

tвк = 117° (толуол) [ 1 ]

Таблица № 1

Рисунок № 1

Рисунок №2

Температура конденсации равна 89°С

t^г_н 89º t^г_к

t^х_к=45º

t^х_н=15º

Рисунок №3 Температурная диаграмма.

По формуле (4) найдём энтальпии при заданных температурах:

Ср¹⁵= 4173,24 Дж/кг град.. [ 1 ]

Cp⁴⁵=4183,715 Дж/кг град. [ 1 ]

I¹⁵_вода = 4173,24 · 15 = 62598,6 Дж/кг ,

I⁴⁵_вода = 4183,715 · 45 = 188267,1 Дж/кг ,

Для нахождения удельной теплоты фазового перехода воспользуемся формулой:

Rсм = r₁ x₁ + r₂ x₂ (5)

x – массовая доля компонента в смеси кгком./кгсм. ,

Ма · х

х = ──────

Мсм

78 · 0,92

Х = ───────── = 0,78 кмоль ком./кмоль см.,

92

х_бензол = 0,78; х_{толуола} = 1 – 0,78 = 0,22

r _{бензола} = 418203,9 Дж/кг , r_{толуола} =418455,3 Дж/кг [ 1 ]

r_cm = 418203.9 * 0.92 + 418455.3 * 0.08 = 418223.9 Дж/кг

Из формулы (3) найдём расход холодного теплоносителя:

0,95 · 418223,9 · 6500

G^x = ────────────────── = 5,7 кг/с

(188267,1 – 62598,6) · 3600

Зная расход холодного теплоносителя и энтальпии при заданных температурах найдем тепловую нагрузку аппарата по правой части уравнения (3).

Q = G^х ( I^х_к - I^х_н )

Q = 5,7(188267,1-62598,6)=716310,45 Вт

1.1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ПРОЦЕССА

В самом общем случае температуры теплоносителей могут изменяться, а могут оставаться постоянными вдоль поверхности теплопередачи. Часто встречаются такие варианты, когда температура одного теплоносителя не изменяется, в то время как другого - изменяется (увеличивается или уменьшается). В этих случаях для расчета процесса теплопередачи вводят понятие о средней движущей силе процесса теплопередачи.

На практике среднюю движущую силу процесса теплопередачи рассчитывают следующим образом [1]:

∆tб - ∆tм

∆tср = ───────── (6)

ln (∆tб / ∆tм )

где ∆tб = t^г_н – t^х_н =89° – 15° = 74°C

∆tм = t^г_н –t^х_к = 89° – 45° = 44°C

74 - 44

∆tср = ─────────── = 58°C