2. Расчёт вспомогательного оборудования
Конструкционный материал выбираем, исходя из соображений коррозионной стойкости материала. Скорость коррозии не должна превышать 0,2 мм. в год. Вода и ацетон не являются токсичными веществами, следовательно, они не нанесут ущерб стандартной стали Ст3
Скорость коррозии < 0,1год
Выбираем сталь Ст3.
Состав стали: С – не более 0,22%; Fe – 97%
Коэффициент теплопроводности для этой стали равен 46,5 Вт/м·К.
2.1. Расчёт теплообменников
2.1.1. Расчёт подогревателя исходной смеси Исходная смесь поступает в подогреватель с температурой 20 °С и
выходит при температуре питания – 98,3°С.
|
Горячий теплоноситель: |
|
|
Холодный теплоноситель: |
||
|
|
|
|
|
||
|
Водяной пар |
|
|
Смесь «ацетон-вода» |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P = 3 ат м |
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
Хнк = 0,535 кг смеси |
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Хнк = 0,263 кмоль смеси |
t1 = 132,9 |
|
t2н = 20 , |
||||
ρ |
= 932,25 |
кг |
м3 |
t |
к = 63 |
|
к |
/ |
|
2 |
|
= 870,77 кг/м3 |
|
r |
= 2171 кДж/кг |
ρ |
|
|||
1 |
|
|
|
2 |
|
|
μ1 = 0,208 мПа ∙ с |
μ2 = 0,506 мПа ∙ с |
|||||
λ1 = 0,683 Вт /м ∙ К |
λ2 = 0,504 Вт /м ∙ К |
|||||
cp1 = 4269,3 Дж/кг ∙ К |
cp2 = 3140,37 Дж/кг ∙ К |
|||||
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
F = 7 кг/c, |
||
28
Расчет теплоемкости, теплопроводности, теплоты парообразования, поверхностного натяжения, плотности и вязкости исходной смеси проводился при tср = 41,5°С
Температурная схема:
132,9 |
132,9 |
|
63 |
20 |
|
Средняя движущая сила теплообмена при противотоке теплоносителей:
∆ tср = |
∆ tб + ∆ tм = 132,9 − 20 − 132,9 + 63 |
= 89,7 |
|||
|
2 |
ln |
132,9 |
− 20 |
|
|
132,9 |
− 63 |
|
||
Тепловая нагрузка ТО:
Q = F¯ ∙ c2 ∙ (t2к − t2н) = 7 ∙ 3140,37 ∙ (63 − 20) = 945251 Вт
Из таблицы для теплообмена между конденсирующимися парами воды и органическими жидкостями (подогреватели) Кор = 230 Вт /м2 ∙ К.
Аор = |
Q |
= |
945251 |
= 45,82 м2 |
|
∆ tср ∙ Кор |
|
89,7 ∙ 230 |
|
Расход греющего пара
G = Q |
= |
945251 |
= 0,44 |
кг |
|
1 |
r |
|
2171 ∙ 103 |
|
c |
|
1 |
|
|
|
|
Нормализованные кожухотрубчатые теплообменники имеют трубы диаметром 20х2 мм и 25х2 мм. Для обеспечения турбулентного течения смеси критерий Re>10000. Ориентировочное число труб в одном ходе, обеспечивающих объёмный расход смеси при Re = 15000, определим по формуле:
29
|
|
4 · G2 |
|
n′"= π · dвн · Re · 2 |
|
Для труб 25х2 мм |
|
|
n′"= |
4 ∙ 7 |
56 труб |
3,14 · 0,021 · 15000 · 0,506 · 10−3 |
||
По ГОСТ 15119-79 и ГОСТ 15121-79 выбираем кожухотрубчатый подогреватель со следующими характеристиками:
- диаметр кожуха: D = 325 мм
- диаметр труб: d = 25 2 мм
-общее число труб: N = 62
-длина труб: L = 3 м
-число ходов: 1 - поверхность теплообмена: А = 14,5 м2.
Трубное пространство: |
|
|
|
||||
Re2 |
= |
4 · G2 |
· z |
= |
4 · 7 · 1 |
= 13525 |
|
π · dвн · n · 2 |
3,14 · 0,021 · 62 · 0,506 · 10−3 |
||||||
|
|
|
|
||||
Критерий Нуссельта определим по формуле:
Nu = 0,021 · Re0,8 · Pr0,43(PrPrст )0,25
В процессе теплопередачи смесь в трубках нагревается, поэтому при расчете коэффициента теплоотдачи от стенок к воде отношение (Pr/Pr cт) 0,.25 можно не учитывать (Pr> Prcт, Pr/Prcт>1)
Критерий Прандтля для смеси при t 2 = 44,75 С
с |
· |
2 = |
3140,37 · 0,506 · 10−3 |
= 3,15 |
Pr = 2 |
|
|
||
2 |
|
|
0,504 |
|
2 |
|
|
||
Nu = α2 · d
λ2
30
Коэффициент теплоотдачи для исходной смеси:
|
|
α2 = |
Nu2 · 2 |
|
|
|
d |
|
|
α |
= 0,504 |
0,023 · 135350,8 |
· 3,150,43 = 1764 |
Вт |
2 |
0,021 |
|
|
м2 · К |
Сумма термических сопротивлений стенок и их загрязнений:
По таблице принимаем тепловые проводимости загрязнений: Со стороны паров воды:
1 |
= 5800 |
Вт |
r |
|
м2 · К |
1 |
|
|
Со стороны органической жидкости: |
|
|
1 |
= 5800 |
Вт |
r |
|
м2 · К |
2 |
|
|
Коэффициент теплопроводности стали марки Ст3: CТ = 46,5 Вт/м·К
Тогда:
∑rст = r1 + δст + r2 λст
∑rст = |
1 |
+ |
0,002 |
+ |
1 |
= 3,88 · 10−4 |
м2 · К |
5800 |
46,5 |
5800 |
Вт |
Межтрубное пространство:
Определим коэффициент теплоотдачи для конденсирующихся паров воды по формуле для n вертикальных труб:
|
|
|
ρ2 |
· d · n |
|
|
||
α1 = 3,78 · |
1 |
1 |
н |
= |
|
|
||
|
¯ |
|
|
|||||
|
|
|
µ1 · G1 |
|
|
|
||
3,78 · 0,683 |
932,252 |
· 0,025 · 62 |
= 6330 |
Вт |
||||
0,208 · 10−3 · 0,44 |
м2 |
· К |
||||||
|
|
|||||||
31
Определим расчетное значение коэффициента теплопередачи по формуле:
Красчет = |
1 |
|
α1 |
= |
|
|
1 |
|
|
= 899 |
Вт |
α1 |
+ ∑ rст + |
|
1 |
+ 3,88 · 10−4 + |
1 |
|
м2 · К |
||||
1 |
|
|
2 |
6330 |
|
|
|
1764 |
|
|
|
Aрасчет = |
|
|
Q |
|
= |
945251 |
= 11,72 м2 |
|
|||
|
|
Красчет · ∆ tср |
|
899 · 89,7 |
|
|
|
|
|||
Запас площади поверхности теплообмена:
= 14,5 − 11,72 ∙ 100% = 23,7 % 11,72
2.1.2. Расчёт дефлегматора.
Охлаждающим агентом теплообменника является вода, поступающая в дефлегматор при температуре 22 .
Горячий теплоноситель: |
Холодный теплоноситель: |
Паровая смесь «ацетон - вода» |
Вода |
(пары дистиллята) |
|
Х¯нк = 0,992 кг смеси Хнк = 0,975 кмоль смеси
32
t1н = t1к = t1 = 56,3 |
t2н = 22 |
||
ρ |
кг |
м3 |
t к = 32 |
1 = 749,8 |
/ |
|
2 |
μ1 = 0,240 мПа ∙ с |
t2ср = 27 |
||
λ1 = 0,160 Вт /м ∙ К |
ρ = 996,5 кг/м3 |
||
r1 = 516,1 кДж/кг |
2 |
||
μ = 0,8515 мПа ∙ с |
|||
cp1 = 2302,84 Дж/кг ∙ К |
2 |
||
λ2 = 0,6089 Вт /м ∙ К |
|||
|
|
|
cp2 = 4179 Дж/кг ∙ К |
|
|
|
Pr = 5,84 |
|
|
|
|
Уравнение теплового баланса для холодного теплоносителя, не изменяющего своего агрегатного состояния:
Q = G2cp2 
t2к − t2н 
,
Уравнение теплового баланса для горячего теплоносителя, при конденсации его насыщенных паров без охлаждения конденсата:
Q = G1r1
Температурная схема: |
56,3 |
|
56,3 |
|
|
||
|
|
32 |
|
22
Отношение ∆t б /∆tм < 2, значит, среднюю разность температур определим по формуле:
∆ tср = |
∆ tб + ∆ tм = 29 |
|
2 |
Расход тепла, отдаваемый охлаждающей воде в дефлегматоре:
Q = P · r1 = 3,77 · 516,1 · 103 = 1945697 Вт
Расход охлаждающей воды:
G2 |
= |
Q |
|
|
cp2 t2к − t2н |
|
|
||
|
|
|
|
|
G = |
1945697 |
= 46,56 |
кг |
|
2 |
|
4179(32 − 22) |
|
c |
33
Определим ориентировочную величину площади поверхности теплообмена
Q
Аор = Кор · ∆ tср
По таблице ориентировочное значение коэффициента теплопередачи от конденсирующегося пара органической жидкости к воде Кор = 600 Вт/м2·К:
Аор = 1945697 |
= 111,82 м2 |
600 · 29 |
|
Нормализованные кожухотрубчатые теплообменники имеют трубы диаметром 20х2 мм и 25х2 мм. Для обеспечения турбулентного течения воды критерий Re>10000. Ориентировочное число труб в одном ходе, обеспечивающих объёмный расход воды при Re = 15000, определим по формуле:
|
n′"= |
4 · G2 |
|
π · dвн · Re · 2 |
|
Для труб 25х2 мм |
|
|
|
4 · 46,56 |
|
n′"= |
3,14 · 0,021 · 15000 · 0,8515 · 10−3 222 труб |
|
Учитывая значения Аор по ГОСТ 15119-79, 15121-79, для уточнённого
расчёта выбирается нормализованный кожухотрубчатый конденсатор со следующими характеристиками:
- диаметр кожуха: D = 800 мм
- диаметр труб: d = 25 2 мм
-общее число труб: N = 443
-длина труб: L = 3 м
-число ходов: 2 - поверхность теплообмена: А = 104 м2.
Трубное пространство:
34
Re = |
4 · G2 · z |
= |
4 · 46,56 · 2 |
= 15009 |
π · dвн · n · 2 |
3,14 · 0,021 · 442 · 0,8515 · 10−3 |
Критерий Нуссельта определим по формуле:
Nu = 0,023 · Re0,8 · Pr0,4(PrPrст )0,25
В процессе теплопередачи охлаждающая вода в трубках нагревается, поэтому при расчете коэффициента теплоотдачи от стенок к воде отношение
(Pr/Prcт) 0,.25 можно не учитывать (Pr> Prcт, Pr/Prcт>1)
α2 · d
Nu2 = λ2
Коэффициент теплоотдачи для охлаждающей воды:
α = Nu · 2 |
= 0,6089 · 0,023 · 150090,8 · 5,840,4 = 2963 |
Вт |
|
2 |
d |
0,021 |
м2 · К |
|
|||
Сумма термических сопротивлений стенок и их загрязнений:
По таблице принимаем тепловые проводимости загрязнений: Со стороны воды:
1 |
= 5800 |
Вт |
r |
|
м2 · К |
2 |
|
|
Со стороны пара органической жидкости:
1 |
= 11600 |
Вт |
r |
|
м2 · К |
1 |
|
|
Коэффициент теплопроводности стали марки Ст3: CТ = 46,5 Вт/м·К
Тогда,
∑rст = r1 + δст + r2 λст
∑rст = |
1 |
+ |
0,002 |
+ |
1 |
= 0,0003 |
м2 · К |
11600 |
46,5 |
5800 |
Вт |
35
Межтрубное пространство:
Определим коэффициент теплоотдачи для конденсирующегося пара дистиллята по формуле для n горизонтальных труб длиной L:
ρ2 · L · n α1 = 2,02 · · 1 1 ¯
µ1 · G1
Приближенно принимается, что при n>100 = 0,6
Тогда,
α = 2,02 · 0,6 · 0,16 · |
749,82 · 3 · 442 |
= 1817,96 Вт |
1 |
0,24 · 10−3 · 3,77 |
м2 · К |
|
Определим расчетное значение коэффициента теплопередачи по формуле:
Красчет = |
1 |
|
α1 |
= |
|
1 |
|
= 842 |
Вт |
α1 |
+ ∑ rст + |
|
1 |
+ 0,0003 + |
1 |
|
м2 · К |
||
1 |
|
|
2 |
2963 |
|
1817,96 |
|
|
|
Арасчет = |
|
|
Q |
|
= 1945697 |
= 79,68 м2 |
|
||
|
|
Красчет · ∆ tср |
842 · 29 |
|
|
|
|||
Запас площади поверхности теплообмена
104 − 79,68 ∙ 100% = 30,5 %
79,68
36