Расчет конденсатора

Расчет конденсатора

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Самарский государственный технический университет»

Кафедра химической технологии и промышленной экологии

Контрольная работа

по процессам и аппаратам химической технологии

на тему Расчет конденсатора

Выполнил Мефтяхутдинов С.М.

Руководитель Филиппов В.В.

Самара 2014

Задание

Рассчитать и подобрать нормализованный конденсатор для конденсации пара состава:

компонент 1: бензол, ₁ = 50 % масс,

компонент 2: толуол, ₂= 50 % масс,

Поступающий на конденсацию пар имеет давление Р=160000 Па (0,16 МПа).

Массовый расход пара G₁=35000 кг/час.

Температура пара на входе в аппарат равна температуре начала конденсации t_1Н

Температура конденсата на выходе равна температуре конца конденсации t_1К

Охлаждение производится водой с начальной температурой t_2Н= 25 ⁰ С

Температуру воды на выходе из конденсатора t_2К принять и объяснить выбор.

Расчет произвести для вертикального и горизонтального кожухотрубчатых конденсаторов.

Выбрать оптимальный вариант.

Выполнить эскиз принятого к установке конденсатора.

Температуру начала конденсации и температуру конца конденсации рассчитали с помощью программы с сайта преподавателя.

Т_{нач кон} =114 ⁰С

Т_{кон кон}=108 ⁰С

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ КОНДЕНСАТОРА Q

В       этом разделе нам нужно определить количество теплоты, которое передает конденсирующийся пар воде. Для этого нужно составить тепловой баланс, который для рассматриваемого случая выглядит так

= G₁r₁ = G₂c₂ (t_2к - t_2н ),

где G₁ - секундный расход пара; r₁ - удельная теплота парообразования; G₂ - расход охлаждающей воды; c₂ - удельная теплоемкость воды; t_2н и t_2к - начальная и конечная температуры воды.

Удельную теплоту конденсации пара найдем по правилу аддитивности по формуле

r₁=r_бен1+r_тол2

Здесь r_бен и r_тол - удельные теплоты парообразования бензола и толуола при средней температуре конденсации t_1ср =110 ⁰ С , ₁ и₂ - массовые доли первого и второго компонентов в составе конденсирующегося пара.

Находим удельные теплоты парообразования бензола и толуола при температуре 110 ⁰ С как средние арифметические для температур110 ⁰ С и 120 ⁰С

Теплота конденсации смеси составит r₁=371×0,5+363×0,5=366,5

Тогда тепловая нагрузка на конденсатор будет равна

Q=G₁r₁= ×366,5=3563кВт,

где 3600-число секунд в часе.

РАСЧЁТ РАСХОДА ВОДЫ G₂, НЕОБХОДИМОГО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА КОНДЕНСАЦИИ

Из уравнения теплового баланса определим G₂

G₂===43,

где c₂=4,18 - удельная теплоемкость воды при ее средней температуре 35 ⁰С,_2н=25 ⁰С - начальная температура воды на входе в конденсатор_2к=45 ⁰С - конечная температура воды на выходе из конденсатора

Для дальнейших расчетов нам понадобится объёмный расход воды V₂, который можно найти из известного соотношения

V₂===0,43=155,7.

Здесь p₂=994 - плотность воды при 35 ⁰С

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕГО ТЕМПЕРАТУРНОГО НАПОРА (СРЕДНЕЙ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР) Dt_ср

Все теплообменные процессы с точки зрения изменение температуры потоков можно разделить на две группы:

.        Процессы, в которых существенно изменяются температуры обоих теплоносителей. Для расчёта средней разности температур в этом случае необходимо учитывать взаимное направление движения потоков.

.        Процессы, в которых температура хотя бы одного потока остаётся постоянной или меняется незначительно. Для таких процессов взаимное направление движения не оказывает влияния на величину t_ср Сюда относятся процессы конденсации и кипения.

В рассматриваемом примере температура конденсирующегося пара хоть и изменяется от 114 до 108 ˚С, однако такое незначительное изменение не повлияет на величину средней разности температур. В этом легко убедиться, выполнив расчёт Dt_ср для прямотока и противотока

для прямотока

t_1н=114 ⁰С            t_1к=108 ⁰С

t_2н=25 ⁰С             t_2к=45 ⁰С

t_б=114-25=89 ⁰С

t_м=108-45=63 ⁰С

В этом случае средняя разность температур будет равна

t_{ср.прям===}76 ⁰С

где t_б и t_м - большая и меньшая разности температур на концах аппарата.

Для противотока

 t_1н=114⁰С      t_1к=108 ⁰С

t_2н=45 ⁰С      t_2к=25 ⁰С

t_б=114-45=69 ⁰С

t_м=108-25=83 ⁰С

t_{ср.прот===}76 ⁰С

И так, для конденсаторов средняя разность температур не зависит от способа организации теплообмена.

Для дальнейших расчетов будем считать t_ср=76 ⁰С

ПРИНЯТИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ K_прин И ПРИБЛИЖЁННАЯ ОЦЕНКА ТРЕБУЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ F_прибл

Обобщение опыта эксплуатации большого числа конденсаторов показывает, что коэффициент теплопередачи в них обычно лежит в пределах 300 ÷800.примем коэффициент теплопередачи для нашего теплообменника K_прин= 450. Тогда приблизительная требуемая поверхность теплопередачи будет равна

_прибл==≈104м².

ВЫБОР СТАНДАРТНОГО КОНДЕНСАТОРА И ЕГО ЭСКИЗ

Воспользовавшись таблицей принимаем к установке двухходовой конденсатор со следующими характеристиками:

800

мм;

диаметр труб трубного пучка d×δ

25×2 мм;

число ходов по трубному пространству z

2;

длина труб трубного пучка L

3 м;

площадь поверхности теплопередачи F

104

м²;

общее число труб n

442

шт.;

масса аппарата

3450 кг.

Эскиз выбранного аппарата

Этот аппарат можно установить как вертикально, так и горизонтально

РАСЧЁТ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОНДЕНСАТА

конденсатор пар тепловой скорость

Для дальнейших расчётов нам необходимо найти плотность конденсата p₁, динамический коэффициент вязкости (чаще эту величину называют просто вязкостью) μ₁ и коэффициент теплопроводности λ₁. Для чистых компонентов Нам необходимы названные свойства при температуре 110 ⁰С. В таблице есть данные при 100 и 120 ⁰С. Для интересующей нас температуры 110 ⁰С найдём значения свойств как среднее арифметическое между значениями свойств при 100 и 120 ⁰С. Результаты сведём в таблицу

Таблица теплофизических свойств бензола и толуола

Плотность смеси бензола и толуола p₁ заданного состава при температуре 110 ⁰С определим по формуле:

P₁===833 кг/м³

Где и - массовые доли бензола и толуола в составе дистиллята.

Коэффициент динамической вязкости смеси μ₁ рассчитаем по формуле:

μ₁=10^{( х}₁ ^{lg μ}_б^+х₂ ^{lg μ}_т⁾=10^{(0,5× lg 0,24+0,5×0,251)}=0,245 мПа×с=0,000245Па ×с,

где х₁ и х₂ -мольные доли бензола и толуола в конденсате,

Коэффициент теплопроводности смеси найдем по уравнению:

l₁=l_б+х_тl_т=0,5×0,124+0,5×0,117=0,1205 Вт/(м×К)

НАХОЖДЕНИЕ ПО ЭМПИРИЧЕСКИМ ФОРМУЛАМ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ОТ КОНДЕНСИРУЮЩЕГОСЯ ПАРА К СТЕНКАХ ТРУБ ТРУБНОГО ПУЧКА ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО a_{в ерт} И ГОРИЗОНТАЛЬНОГО a_гориз РАСПОЛОЖЕНИЯ АППАРАТА

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к пучку горизонтальных труб найдём по формуле

а_1,гор = 2,02ε × λ₁ × =2,02 × 0,6 × 0,12 ×  =1058

Для пучка вертикальных труб коэффициент теплопередачи вычислим по формуле

а_1,верт=3,78×λ₁ ×=3,78×0,12 ×=706

РАСЧЁТ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ w₂ В ТРУБАХ ТРУБНОГО ПУЧКА

Скорость воды в трубах трубного пучка определим из уравнения

G₂=V₂P₂=S_трубW₂P₂

где G₂ -секундный массовый расход воды, требуемый для конденсации пара ;

Р₂ =994 - плотность воды при её средней температуре; S_труб - площадь сечения трубного пространства выбранного к установке конденсатора

S_труб== ×=0,077 м² ,

где z -число ходов по трубному пространству, для выбранного аппарата Z=2 , d_вн- внутренний диаметр труб трубного пучка

d_вн=d-2δ=25-2 ×2=21 мм=0,021м

с учетом этого скорость воды в трубах пучка будет равна

W₂===0,59 м/c

НАХОЖДЕНИЕ КРИТЕРИЯ РЕЙНОЛЬДСА Re₂ ДЛЯ ВОДЫ

На эффективность теплоотдачи от стенки трубы к воде очень большое влияние оказывает турбулентность потока, которую можно оценить по значению критерия Рейнольдса. Его численное значение найдём по формуле

Re₂===16870

где Р₂=994 кг/м³ -плотность воды , а μ₂=0,00073 Па ×с -вязкость воды при её средней температуре 35⁰С

РАСЧЁТ КРИТЕРИЯ НУССЕЛЬТА ДЛЯ ВОДЫ Nu₂ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ a₂ ОТ ТРУБ ТРУБНОГО ПУЧКА К ВОДЕ

Значение критерия Нуссельта для турбулентного движения внутри труб определим по уравнению

₂ = 0.021Re⁰₂^.8 Pr₂^0.43 = 0,021´16870^0,8 ´ 4,88^0,43 = 100 ,

где Pr₂ = 4.88 - критерий Прандтля для воды при 35 ⁰С одинаков для всех вариантов. Тогда значение коэффициента теплоотдачи от стенки к воде будет иметь значение

а₂===2980,

где λ₂=0,626-коэффициент теплопроводности воды δ

РАСЧЕТ ВЕРТИКАЛЬНОГО И ГОРИЗОНТАЛЬНОГО АППАРАТОВ

Расчёт коэффициентов теплопередачи выполним по формуле

К₀=

где δ_ст- толщина стенки трубы; λ_ст=46,5 -коэффициент теплопроводности стали. В установке аппарат из обычной стали , т.к. легированная сталь на много дороже. Для вертикального конденсатора коэффициент теплопередачи имеет значение

К_0,вер==557

для горизонтального конденсатора

К_0,гор==755

Из сравнения полученных результатов уже видно, что горизонтальная установка конденсатора обеспечивает большее значение коэффициента теплопередачи. Но при этом надо иметь ввиду, что горизонтально установленный аппарат занимает значительно больше места по сравнению с вертикальным.

ПРИНЯТИЕ НА ОСНОВЕ ОПЫТА ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕПЛООБМЕННИКОВ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ СО СТОРОНЫ ПАРА r₁ И СО СТОРОНЫ ВОДЫ r₂

В процессе эксплуатации теплообменника с обеих сторон стенки трубы будут появляться загрязнения, которые постепенно ухудшат работу аппарата. Особенно это касается оборотной воды, которая в заводских условиях насыщена кислородом, имеет повышенную концентрацию солей жёсткости, содержит биокомпоненты. На основе опыта эксплуатации теплообменного оборудования примем величину термического сопротивления со стороны ограниченной жидкости r₁=5800 ,а со стороны воды r₂=1600

НАХОЖДЕНИЕ РАСЧЁТНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ К _р С УЧЁТОМ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО И ГОРИЗОНТАЛЬНОГО АППАРАТОВ

При наличии загрязнений коэффициент теплопередачи заметно снизится. Найдём его величину по формуле

К _р=.

Для вертикального конденсатора получаем значение

К _р,вер==386

При горизонтальной установке теплообменника

К _р,гор==471

Таким образом, уменьшение эффективности передачи теплоты при появлении загрязнений составит для вертикального конденсатора 29 %, а для горизонтального 38 %. Отсюда можно сделать вывод, что по прошествии определённого времени преимущество горизонтального теплообменника практически исчезнет, и он по эффективности приблизится к вертикальному.

РАСЧЁТ ТРЕБУЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ F_факт И ЗАПАСА ПЛОЩАДИ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ D (%) ДЛЯ КОНДЕНСАТОРОВ

Требуемую поверхность теплопередачи для вертикального и горизонтального конденсаторов определим по используемой ранее формуле

F_факт=.

Если аппарат устанавливать вертикально, то требуется поверхность теплопередачи

F_{факт,вер}===84 м²

Мы выбрали к установке теплообменник с площадью теплопередачи 104 м², а при вертикальной установке такого аппарата требуется площадь 84 м². Подсчитаем теперь запас площади теплопередачи. В практике технологических расчётов допустимый запас площади теплопередачи должен находиться в пределах 10-30 %.

Если принять площадь выбранного к установке конденсатора за 100%, то запас по площади теплопередачи при вертикальной установке составит

D_верт=×100 = 23%

Если же выбранный аппарат установить горизонтально, то требуемая поверхность будет равна

F_{факт,гор}===62м²

Запас площади теплопередачи в этом случае составит (если опять принять за 100% площадь выбранного теплообменника)

D_гор=×100 = 44%

Такой запас укладывается в нормы технологического проектирования.

Принятый в установке конденсатор может быть установлен как вертикально, так и горизонтально, так как запас поверхности теплопередачи в вертикальном случае 23 %, а в горизонтальном 44 %

РАСЧЁТ ДИАМЕТРОВ ШТУЦЕРОВ ВХОДА ПАРА, ВЫХОДА КОНДЕНСАТА, ВХОДА И ВЫХОДА ВОДЫ

Диаметр штуцера зависит от объёмного расхода потока V и скорости этого потока w. Диаметров штуцеров А, Б. В и Г найдём из уравнения расхода, которое для трубы имеет вид

V=w_доп,

d_шт=.

Допустимые скорости потока в трубе принимаются на основе практических рекомендаций.

Для трубопроводов, по которым жидкость перекачивается насосом (напорные трубопроводы), допустимая скорость лежит в пределах 0,5 ч 2,5 м/с. В нашем аппарате это штуцера А и Б для входа и выхода воды. Принимаем скорость в них 1,5 м/с.

Для трубопроводов, по которым движется пар, рекомендуется скорость 15 ч 40 м/с. В нашем конденсаторе это штуцер В. Примем скорость пара в нём 20 м/с. При движении жидкости самотёком (самотёчные трубопроводы) рекомендуются скорости в диапазоне 0,1 ч 0,5 м/с. Это штуцер Г для вывода конденсата. Примем скорость жидкости в нём 0,2 м/с.

ГОСТ устанавливает следующие диаметры штуцеров: 20; 25; 32; 40; 50; 65; 80; 100; 125; 150; 200; 250; 300; 350; 400 и 500 мм.

Для определения объёмного расхода поступающего на конденсацию пара необходимо знать его плотность при заданном давлении 140000 МПа и температуре входа равной 112 ⁰С. Расчёт плотности выполняется по формуле

P=××.

где М _см - молярная масса смеси, Р - рабочее давление, Р₀ - нормальное давление, Т - рабочая температура, Т₀ - нормальная температура.

Мольную массу смеси определим по правилу аддитивности

М_см=М_бензУ₁+М_толУ₂=78×0,5+92×0,5=85,

где М_бенз и М _тол - мольные массы бензола и толуола, у₁ и у₂ - мольные доли бензола и толуола в составе поступающего на конденсацию пара

С учётом этого плотность заходящего в аппарат пара будет равна

Тогда объёмный расход пара составит

V_n===2,29

Объёмный расход конденсата определим по формуле

V_1,конд===0,012

где P₁=833- плотность конденсата при его средней температуре

Теперь можно приступать к расчету диаметра штуцеров.

Штуцера А и Б для ввода и вывода воды (при её объёмном расходе 0,043 м³/c.)

d_А,Б==0,191мм

По ГОСТу принимаем штуцер с условным диаметром 200 мм.

Штуцер В для ввода конденсирующегося пара

d_В==381мм

По ГОСТу принимаем штуцер с условным диаметром 400 мм. Скорость пара при этом незначительно увеличится, оставаясь в рекомендованном диапазоне 15 ч 40 м/с.

Штуцер Г для вывода конденсата

d_Г==276мм

По ГОСТу принимаем штуцер с условным диаметром 300 мм.