Подробный расчет холодильника кубового остатка.

В качестве хладагента используем воду среднего качества со средним значением тепловой проводимости загрязнений стенок,1-,𝑟-загр..=2700 Вт/(,м-2.·К), а тепловая проводимость загрязнений стенок органическими жидкостями .

В качестве материала труб выберем сталь с коэффициентом теплопроводности .

Тогда термическое сопротивление загрязнений труб

,--,𝑟-ст.=,𝛿-𝜆..+,𝑟-загр1.+,𝑟-загр2.=,0.002-46.5.+,1-2700.+,1-11600.=4.99∙,10-−4..

Определим параметры смеси при средней температуре ( =35.8ºC):

Теплопроводность смеси:

,𝜆-𝐶П.=0.143−0.000139∙35.8=0.138,Вт-м.∙К;

;

,𝜆-1.=,𝜆-𝐶П.,∙,𝑥.-𝑊.+,𝜆-𝑇.,∙(1−,𝑥.-𝑊.)−0.72,,𝜆-𝐶П.−,𝜆-Т..,,𝑥.-𝑊.,1−,,𝑥.-𝑊..=0.138∙0.0198+0.133∙,1−0.0198.−0.72,0.138−0.133.0.0198,1−0.0198.=0.133,Вт-м.·К..

Вязкость смеси и теплоемкость были рассчитаны нами ранее в ориентировочном расчете теплообменника:

,𝑐-1.=1.77,кДж-К..

Плотность смеси:

.

Параметры воды определяем при t_ср^в:

Теплопроводность воды:

,𝜆-2.=0.575+,0.599−0.575-10−20.,10−12.5.=0.581,Вт-м.·К

Плотность воды:
,𝜌-2.=1000+,998−1000-10−20.,10−12.5.=999.5,кг-м³..

Вязкость воды и теплоемкость воды также берем из расчетов выше:

,𝜇-2.=1.233∙,10-−6 .Па∙с.

Подробный расчет первого выбранного теплообменника:

Задаемся температурой стенки . Тогда:.

;

где – коэффициенты теплоотдачи от стенки 1 и 2.

Найдем параметры смеси при температуре стенки t_1ст

Теплоемкость:

,𝑐-СП.=2.41+0.014·20=2.69,кДж-кг.·К;

,𝑐-1ст.=0.0198∙2.69+1.69,1−0.0198.=1.71,кДж-кг.∙К.

Вязкость:

Теплопроводность:

,𝜆-Т.=0.141−0.000235·20=0.136 Вт/м·К;

,𝜆-1𝑐𝑛.=,𝜆-𝐶П.,∙,𝑥.-𝑊.+,𝜆-𝑇.,∙(1−,𝑥.-𝑊.)−0.72,,𝜆-𝐶П.−,𝜆-Т..,,𝑥.-𝑊.,1−,,𝑥.-𝑊..=0.14∙0.0198+0.136∙,1−0.0198.−0.72,0.14−0.136.0.0198,1−0.0198.=0.136,Вт-м.·К..

Критерий Прандтля определяется выражением:

,𝑃𝑟-1.=,,𝑐-1.∙,𝜇-1.-,𝜆-1..=,1.77∙10³·0.496·,10-−3.-0.133.=6.62;

,𝑃𝑟-1ст.=,,𝑐-1𝐶𝑇.∙,𝜇-1𝐶𝑇.-,𝜆-1𝐶𝑇..=,1.71∙10³·0.603·,10-−3.-0.136.=7.57.

Определим критерий Рейнольдса по формуле:

,

где - вязкость смеси, Па^.с;

G₁- расход смеси, кг/с;

z- число ходов, z=2;

d₁- внешний диаметр труб, м;

N_тр- количество труб.

,𝑅𝑒-1.=,4∙3∙2-0.603∙,10-−3.∙0.025∙240∙3.14.=3576.

Тогда число Нуссельта будет определяться следующим выражением:

,𝑁𝑢-1.=0.4∙,𝑅𝑒-1-0.6.∙,𝑃𝑟-1-0.36.∙,(,,𝑃𝑟-1.-,𝑃𝑟-1𝑐т..)-0.25.=0.4∙,3576-0.6.∙,6.62-0.36.∙,(,6.62-7.57.)-0.25.=84.9.

Коэффициент теплоотдачи со стороны жидкости определим по уравнению:

,𝛼-1.=,,𝑁𝑢-1.∙,𝜆-1.-,𝑑-1..=,84.9∙0.133-0.025.=450 ,Вт-м²·К..

Тепловой поток первой стенки:

,𝑞-1.=,𝛼-1.,,𝑡-1-.−,𝑡-1ст..=450∙,35.8−20.=7112,Вт-,м-2...

Определим температуру холодной стенки:

,𝑡-2ст.=,𝑡-1ст.−,𝑞-1.∙,--,𝑟-𝐶𝑇.=.20−7112·4.996·,10-−4.=16.5ºС..

Критерий Рейнольдса для воды:

,

где G₂ – расход воды, кг/с;

d₂ – внутренний диаметр трубы, м.

,𝑅𝑒-2.=,4∙7.56∙2-1.233∙,10-−3.∙0.021∙240∙3.14.=3105.

Определим критерий Прандтля для воды при температуре стенки и средней температуре:

,𝑃𝑟-2.=,,𝑐-2.∙,𝜇-2.-,𝜆-2..=,4.19∙10³·1.233·,10-−3.-0.581.=8.87;

Теплопроводность воды при температуре стенки:

,𝜆-2ст.=0.575+,0.599−0.575-10−20.,10−16.5.=0.59,Вт-м.·К

Вязкость воды при температуре стенки:

,𝜇-2ст.=,1310+,1000−1310-10−20.∙,10−16.5..∙,10-−6 .=1.11∙,10-−3 .Па∙с.

,𝑃𝑟-2ст.=,,𝑐-2𝐶𝑇.∙,𝜇-2𝐶𝑇.-,𝜆-2𝐶𝑇..=,4.19∙10³·1.11·,10-−3.-0.59.=7.88.

Критерий Нуссельта для трубного пространства будет иметь следующий вид:

,𝑁𝑢-2.=0.021∙,𝑅𝑒-2-0.8.∙,𝑃𝑟-2-0.43.∙,(,,𝑃𝑟-2.-,𝑃𝑟-2𝑐т..)-0.25.=0.021∙,3105-0.8.∙,8.87-0.43.∙,(,8.87-7.88.)-0.25.=34.4.

Коэффициент теплоотдачи от воды:

,𝛼-2.=,,𝑁𝑢-2.∙,𝜆-2.-,𝑑-2..=,34.4∙0.581-0.021.=951 ,Вт-м²·К..

Тепловой поток холодной стенки:

,𝑞-2.=,𝛼-2.,,𝑡-2ст-.−,𝑡-2..=951∙,16.5−12.5.=3755,Вт-,м-2...

Сопоставим q₁ и q₂:

𝜀=,,𝑞-1.−,𝑞-2.-,𝑞-2..=,7112−3755-3755.=0.894>0.05,

следовательно, выбранная температура стенки не подходит. Проведем повторные расчеты, результаты занесем в таблицу 3:

Таблица 3

Величина
, °С
Re1
Pr1	6.62	6.62	6.62
Pr1ст	7.57	7.5	7.43
Nu1	84.9	85.1	85.2
,		451.2	452.2
,
, °С	16.5	17.7	18.9
Re2
Pr2	8.87	8.87	8.87
Pr2ст	7.88	7.57	7.27
Nu2	34.4	34.7	35.1
,
,
	0.894	0.346	0.007

Коэффициент теплопередачи:

𝐾=,1-,1-,𝛼-1..+,--,𝑟-𝑐𝑚..+,1-,𝛼-2...=,1-,1-452.2.+4.996·,10-−4.+,1-971..=267.3,Вт-,м-2.К..

Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

,𝐹-ор.=,,𝑄-𝑊-′.-К∙,∆𝑡-ср..=,475∙,10-3.-276.3∙23.3.=72.9 ,м-2.,

следовательно, первоначально выбранный теплообменник подходит.

Запас поверхности:

Для сравнения произведем подробный расчет еще одного холодильника со следующими параметрами:

четырехходовой холодильник с диаметром кожуха D = 600 мм, количеством труб n = 206 и площадью F = 97 м².

Поскольку формулы для расчета теплообменника те же, что использовались выше, то сведем полученные значения в таблицу 4:

Таблица 4

Величина
, °С		22.4	22.6
Re1
Pr1	6.62	6.62	6.62
Pr1ст	7.43	7.4	7.39
Nu1	141.6	141.7	141.8
,		751.8	752.2
,
, °С	16.8	17.4	17.7
Re2
Pr2	8.87	8.87	8.87
Pr2ст	7.78	7.65	7.58
Nu2	67.8	68.2	68.3
,
,
	0.278	0.098	0.022

Коэффициент теплопередачи:

𝐾=,1-,1-,𝛼-1..+,--,𝑟-𝑐𝑚..+,1-,𝛼-2...=,1-,1-752.2.+4.996·,10-−4.+,1-1890..=424.1,Вт-,м-2.К..

Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

,𝐹-ор.=,,𝑄-𝑊-′.-К∙,∆𝑡-ср..=,475∙,10-3.-424.1∙23.3.=45.9 ,м-2.,

следовательно, первоначально выбранный теплообменник подходит.

Запас поверхности:

Как видно, для второго холодильника расчетная площадь в 2 раза меньше табличного значении, значит, предпочтительнее использовать первый холодильник.

Выводы

В ходе работы были рассчитаны колонна и 5 теплообменников.

Их характеристики:

Ректификационная колонна

Диаметр - 1800мм

Высота - 13.4 м

Число тарелок – 9 внизу и 12 наверху

Расстояние между тарелками - 0.6 м внизу и 0.45 м наверху

Общее сопротивление колонны - 8.0·,10-3. Па

Куб-испаритель

Характеристика теплообменника:

Диаметр кожуха D = 1000 мм

Общее число труб n = 747 (25^2 мм)

Число ходов

Длина труб l = 3 м

Площадь поверхности теплообмена F = 176 м²

Холодильник кубовой жидкости

Характеристика выбранного теплообменника:

Диаметр кожуха D = 600 мм

Общее число труб n = 340 (25^2 мм)

Число ходов z = 2

Длина труб l = 4 м

Площадь поверхности теплообмена F = 75 м²

Подогреватель

Характеристика выбранного теплообменника:

Диаметр кожуха D = 600 мм

Общее число труб n = 206 (25^2 мм)

Число ходов z = 4

Длина труб l = 4 м

Площадь поверхности теплообмена F = 65 м²

Дефлегматор

Характеристика выбранного теплообменника:

Диаметр кожуха D = 800 мм

Общее число труб n = 442 (25^2 мм)

Число ходов z = 2

Длина труб l = 4 м

Площадь поверхности теплообмена F = 139 м²

Холодильник дистиллята

Характеристика выбранного теплообменника.

Диаметр кожуха D = 800 мм

Общее число труб n = 404 (25^2 мм)

Число ходов z = 4

Длина труб l = 4 м

Площадь поверхности теплообмена F = 127 м²

Список используемой литературы

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учебное пособие. – 11-е изд., стереотипное. – М.: ООО «РусМедиаКонсалт», 2004. – 576 с.

2. Волжинский А.И., Марков А.В. Ректификация: колонные аппараты с ситчатыми тарелками: учебное пособие. – СПб., СПб ГТИ (ТУ), 2006. – 34 с.

3. Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные: метод. указания. – Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1989. – 40 с.