САМАРСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Кафедра хімічної технології та промислової екології
Контрольна робота № 2
з розрахунку нормалізованого конденсатора
Виконала
студентка III-ЗФ-240403 гр. № 19
Е.А. Рябініна
м. Самара 2010
Пункт 1
Визначимо мольну частку кожного компонента в складі конденсирующегося пари. Для цього зробимо перерахунок з масових відсотків в молярний частки за формулою:
,
де - Відповідно масові відсотки бензолу і толуолу у складі конденсирующегося пара,
- Молярний частки цих компонентів, М 1-мольна маса бензолу, М 2 - мольна маса толуолу.
Мольна маса другого компонента:
.
Якщо розрахунок виконано вірно, то сума мольних часток повинна дорівнювати 1.
Перевіряємо:
.
Молярний частки компонентів визначені правильно.
Пункт 2
Визначення температури початку конденсації пари.
Так як конденсується не чистий компонент, а суміш парів двох компонентів, то така пара почне конденсуватися при одній температурі (ми її позначаємо ), А закінчить при більш низькій (цю кінцеву температуру ми позначаємо
).
Для знаходження температури початку конденсації пари заданого складу при заданому тиску використовується рівняння ізотерми парової фази:
де Р-тиск, при якому проводиться процес конденсації; Р 1 - тиск пари чистого бензолу, Р 2 - тиск пари чистого толуолу, у 1 - мольна частка бензолу, у 2 - мольна частка толуолу. необхідні для розрахунку тиску парів чистих компонентів Р 1 і Р 2 можна розрахувати за рівнянням Антуана
де А, В і С - коефіцієнти рівняння Антуана. Для бензолу і толуолу значення цих коефіцієнтів рівні:
Компонент | А | У | З |
Бензол | 15,9008 | 2788,51 | -52,36 |
Толуол | 16,0137 | 3096,52 | -53,67 |
Необхідно відзначити, що в результаті розрахунку по рівнянню Антуана тиск буде мати розмірність мм рт.ст.
Розрахунок температури початку конденсації пара виконуємо методом послідовного наближення.
1. Здається перший передбачуваним значенням температури 109 про С.
2. Для цієї температури по рівнянню Антуана знаходимо тиску парів чистих бензолу Р 1 і толуолу Р 2.
Виконавши аналогічний розрахунок для толуолу, отримаємо:
Перевіримо отримане значення суми рівняння ізотерми парової фази. Якщо б ми «вгадали» значення температури початку конденсації пара, то сума вийшла б рівної 1. Але ми звичайно ж «не вгадали» цю температуру. Тому значення суми буде або більше (якщо ми задалися занадто низькою температурою), або менше 1 (якщо взято занадто велике значення температури).
Всі тиску, що входять в рівняння ізотерми парової фази, повинні бути виражені в одних одиницях. система СІ вимагає використання тільки паскалів. Але в цьому випадку нам доведеться постійно переводити мм рт.ст. в Паскал. Простіше один раз перевести загальний тиск Р в мм рт.ст. шляхом ділення заданого значення на 133,3 (Р = 170000/133, 3 = 1275мм рт.ст.). Тоді отримаємо
.
Як бачимо, значення суми виявилося більше 1.
Задаємося другим значенням температури початку конденсації пара 113 про З і повторюємо розрахунок.
.
Тепер значення суми вийшло менше одиниці, що добре - ми тепер приблизно знаємо, між якими значеннями лежить шукана температура початку конденсації пари.
Для знаходження шуканої температури початку конденсації використовуємо метод подібності трикутників АВС і ADF.
З цього подібності випливає, що . Якщо тепер знайти невідомий нам відрізок DF і додати його значення до температури, для якої вийшло більше значення суми, то в результаті отримаємо:
.
Тоді температура, при якій сума лівій частині рівняння ізотерми парової фази буде дорівнює одиниці, складе
,
де t 1Н t НК - початкова температура пари на вході в конденсатор (температура початку конденсації пари).
Пункт 3
Визначення температури кінця конденсації пари. Це та температура, при якій пара більше немає. Замість нього з'явилася рідка фаза. Тому розрахунок шуканої температури t 1 K тепер будемо вести по рівнянню ізотерми рідкої фази.
де х 1 - мольна частка першого компонента (в нашому випадку це бензол) у складі утворився конденсату, х 2 - мольна частка другого компонента (в нашому випадку це толуол). Зрозуміло, що у 1 = х 1, а у 2 = х 2. Тобто чисельні значення концентрацій залишилися колишніми, змінилося тільки позначення.
Знаходження шуканої температури t 1 K проводимо точно також, як і t 1Н.
1. Здається перший передбачуваним значенням температури 95 о С.
2. Для цієї температури по рівнянню Антуана знаходимо тиску парів чистих бензолу Р 1 і толуолаР 2.
Виконавши аналогічний розрахунок для толуолу, отримаємо:
Знаходимо значення суми:
.
Значення суми вийшло більше 1. Це означає, що температура взята занадто високою. Знизимо температуру до 85 о С і повторимо розрахунок:
Виконавши аналогічний розрахунок для толуолу, отримаємо:
Знаходимо значення суми:
.
Використовуючи вже знайомий нам прийом, з подібності трикутників АВС і ADF, знайдемо катет DF:
Тоді значення шуканої температури кінця конденсації пари дорівнюватиме:
.
Отже, що надходить в апарат пара почне конденсуватися при температурі , А закінчить при
.
Для подальших розрахунків нам буде потрібно середня температура конденсату в апараті. Знайдемо її як середнє арифметичне:
Пункт 4
Визначення теплового навантаження конденсатора Q. У цьому розділі нам потрібно визначити кількість теплоти, яка передає конденсується пар воді. Для цього потрібно скласти тепловий баланс, який для розглянутого випадку виглядає так:
де G 1 - секундний витрата пари; r 1 - питома теплота пароутворення (вона ж теплота конденсації); G 2 - витрата охолоджуючої води; з 2 - питома теплоємність води; t 2 H t 2 K - початкова і кінцева температура води.
Питому теплоту конденсації пара знайдемо за правилом адитивності за формулою:
.
Тут r бен і r тов - питомі теплоти пароутворення бензолу і толуолу при середній температурі конденсації t 1ср = 100 о С, а - Масові частки першого і другого (в нашому випадку бензолу і толуолу) компонентів у складі конденсирующегося пари.
Знаходимо питомі теплоти пароутворення бензолу і толуолу при температурі 100 о С.
.
Теплота конденсації суміші складе:
.
Тоді теплове навантаження на конденсатор буде дорівнює:
де 3600-число секунд у годині.
Пункт 5
Розрахунок витрат води G 2, необхідного для проведення процесу конденсації. З наведеного у п.4 рівняння теплового балансу визначимо G 2:
де - Питома теплоємність води при її середній температурі 30 о С, t 2 H = 20 о С - початкова температура води на вході в конденсатор,
t 2К = 40 о С - кінцева температура води на виході з конденсатора (згідно практичним рекомендаціям воду не можна нагрівати вище 45 о С, щоб уникнути випадання солей жорсткості в апараті).
Для подальших розрахунків нам знадобитися об'ємна витрата води V 2, який можна знайти з відомого співвідношення:
,
Тут - Щільність води при 30 о С.
Пункт 6
Визначення середнього температурного напору (середньої різниці температур) . Всі теплообмінні процеси з точки зору зміна температури потоків можна розділити на дві групи:
1. Процеси, в яких істотно змінюються температури обох теплоносіїв. Для розрахунку середньої різниці температур в цьому випадку необхідно враховувати взаємний напрям руху потоків.
2. Процеси, в яких температура хоча б одного потоку залишається постійною або змінюється незначно. для таких процесів взаємне напрямок руху не впливає на величину . Сюди відносяться конденсації і кипіння.
У розглянутому прикладі температура конденсирующегося пара змінюється з 111 до 92 о С.
Для прямотока:
У цьому випадку середня різниця температур буде дорівнює:
,
де Δ t б і Δ t м - велика і менша різниці температур на кінцях апарату.
У разі організації протитоку в конденсаторі:
Отже, ми переконалися, що для конденсаторів середня різниця температур не залежить від способу організації теплообміну. Для подальших розрахунків будемо вважати
Пункт 7
Прийняття коефіцієнта теплопередачі К прин. і наближена оцінка необхідної поверхні теплопередачі F прибл. Узагальнення досвіду експлуатації великого числа конденсаторів показує, що коефіцієнт теплопередачі в них зазвичай лежить в межах . Приймемо коефіцієнт теплопередачі для нашого випадку
. Тоді приблизна необхідна поверхня теплопередачі буде дорівнює:
Пункт 8
Вибір стандартного конденсатора і його ескіз. Скориставшись додатком 4, приймаємо до установки двоходовий конденсатор з наступними характеристиками:
Діаметр кожуха (внутрішній) D
800 мм
Діаметр труб трубного пучка
25 × 2 мм
Число ходів по трубному простору z
2
Довжина труб трубного пучка L
3 м
Площа поверхні теплопередачі F
104 м 2
Загальна кількість труб n
442 шт
Маса апарату
3450 кг
Пункт 9
Розрахунок теплофізичних властивостей конденсату (рідини, яка утворилася після конденсації пари).
Для подальших розрахунків нам необхідно знайти щільність конденсату r 1, динамічний коефіцієнт в'язкості (частіше цю величину називають просто в'язкістю) m 1 і коефіцієнт теплопровідності l 1. Для чистих компонентів (бензолу і толуолу) знайдемо ці властивості у додатку 5, при температурі 100 о С.
Таблиця теплофізичних властивостей бензолу і толуолу.
Компонент | Щільність, кг / м 3 r | В'язкість, мПа × з m | Теплопровідність, Вт / м × К, l |
Бензол | 793 | 0,261 | 0,126 |
Толуол | 788 | 0,271 | 0,119 |
Щільність суміші бензолу і толуолу r 1 заданого складу при температурі 100 о С визначимо за формулою:
кг / м 3
де і
- Масові частки бензолу та толуолу в складі дистиляту.
Коефіцієнт динамічної в'язкості суміші m 1 розрахуємо за формулою:
m 1 = 10 (х1, lg m б + х2, lg m т) = 10 (0,55 × lg 0.261 +0.45 × lg 0.271) = 0.269 мПа × с = 0,000269 Па × с,
де х 1 і х 2 - молярний частки бензолу та толуолу в конденсаті.
Коефіцієнт теплопровідності суміші знайдемо з рівняння:
l 1 = 0,55 × 0,126 +0,45 × 0,119 = 0,123 Вт / (м × К)
Пункт 10
Знаходження за емпіричними формулами коефіцієнта тепловіддачі від конденсирующегося пара до стінок труб трубного пучка для вертикального a верт і горизонтального a гориз розташування апарату.
Коефіцієнт тепловіддачі від конденсирующегося пара до пучка горизонтальних труб знайдемо за формулою:
a 1 гориз = 2,02 ε × l 1 × = = 1109
,
де ε - коефіцієнт, що залежить від числа вертикальних рядів труб горизонтального пучка, приймаємо його рівним 0,6; G 1 - масова витрата пари, кг / год.
Для пучка вертикальних труб коефіцієнт тепловіддачі обчислимо за формулою:
a 1верт = 3,78 × l 1 × = = 689
.
Пункт 11
Розрахунок швидкості руху води w 2 в трубах трубного пучка.
Швидкість води в трубах трубного пучка визначимо з рівняння:
G 2 = V 2 r 2 = S труб w 2 r 2,
де G 2 - секундний масова витрата води, потрібний для конденсації пари;
r 2 = 996 кг / м 3 - щільність води при її середній температурі; S труб - площа перерізу трубного простору обраного до установки конденсатора
S труб = = 0,077 м 2,
де z - число ходів по трубному простору, для обраного апарату z = 2, d вн - внутрішній діаметр трубного пучка,
d вн = d -2 δ = 25-2 ∙ 2 = 21мм = 0,021 м.
З урахуванням цього швидкість води в трубах пучка буде дорівнює
w 2 = = 0,45 м / с.
Пункт 12
Знаходження критерію Рейнольдса Re 2 для води.
На ефективність тепловіддачі від стінки труби до води дуже великий вплив робить турбулентність потоку, яку можна оцінити за значенням критерію Рейнольдса. Його чисельне значення знайдемо за формулою:
Re 2 = = 12868,
де r 2 = 994 кг / м 3 - щільність води, а m 2 = 0,00073 Па × с - в'язкість при 30 ˚ С.
Пункт 13
Розрахунок критерію Нуссельта для води Nu 2 і визначення коефіцієнта тепловіддачі a 2 від труб трубного пучка до води.
Значення критерію Нуссельта для турбулентного руху всередині труб визначимо за рівнянням:
де Pr 2 = 4,88 - критерій Прандтля для води при 30 о С. Тоді значення коефіцієнта тепловіддачі від стінки до води буде мати значення:
де = Коефіцієнт теплопровідності води.
Пункт 14
Визначення коефіцієнта теплопередачі К о для вертикального і горизонтального апаратів.
Розрахунок коефіцієнтів теплопередачі виконаємо по формулі.
де δ ст = 0,002 м - товщина стінки труби; l ст = 46,5 Вт / м × К - коефіцієнт теплопровідності сталі (для легованої сталі l ст = 17,5 Вт / м × К). Ми приймаємо до установки апарат зі звичайної сталі, тому що легована сталь у багато разів дорожче.
Для вертикального конденсатора коефіцієнт теплопередачі має значення:
.
Для горизонтального конденсатора:
.
З порівняння отриманих результатів уже видно, що горизонтальна установка конденсатора забезпечує більше значення коефіцієнта теплопередачі. Але при цьому треба мати на увазі, що горизонтально встановлений апарат займає значно більше місця в порівнянні з вертикальним.
Пункт 15
Прийняття на основі досвіду експлуатації теплообмінників термічного опору забруднень з боку пара r 1 і з боку води r 2.
У процесі експлуатації теплообмінника з обох сторін стінки труби будуть з'являтися забруднення, які поступово погіршать роботу апарату. Особливо це стосується оборотної води, яка в заводських умовах насичена киснем, має підвищену концентрацію солей жорсткості, містить біокомпоненти.
На основі досвіду експлуатації теплообмінного обладнання приймемо величину термічного опору з боку органічної рідини , А з боку води
.
Пункт 16
Знаходження розрахункового коефіцієнта теплопередачі К р з урахуванням забруднень для вертикального і горизонтального апаратів.
При наявності забруднень коефіцієнт теплопередачі помітно знизиться. Знайдемо його величину за формулою:
Для вертикального конденсатора отримаємо значення:
При горизонтальній установці:
Таким чином, зменшення ефективності передачі теплоти при появі забруднень складе для вертикального конденсатора 29%, а для горизонтального 37%. Звідси можна зробити висновок, що після певного часу перевага горизонтального конденсатора практично зникне, і він по ефективності наблизиться до вертикального.
Пункт 17
Розрахунок необхідної поверхні теплопередачі F факт і визначення запасу площі поверхні теплопередачі Δ (%) для вертикального і горизонтального конденсаторів.
Необхідну поверхню теплопередачі для вертикального і горизонтального конденсаторів визначимо за формулою:
.
Якщо апарат встановити вертикально, то необхідна поверхня теплопередачі:
Так як ми вибрали до установки конденсатор з площею теплопередачі 104 м 2, а при вертикальній установці такого апарату потрібна площа 111 м 2, отже, установка апарату вертикально неприпустима (буде відсутнє запас площі теплопередачі).
Якщо ж обраний апарат встановити горизонтально, то необхідна поверхня буде дорівнює:
Запас площі теплопередачі в цьому випадку складе:
Такий запас укладається в норми технологічного проектування.
Висновок
Прийнятий до установки конденсатор може бути встановлений тільки горизонтально. У цьому випадку запас поверхні теплопередачі складе 15%. Вертикальна установка недоцільна через відсутність запасу по поверхні теплопередачі.
Пункт 18
Розрахунок діаметрів штуцерів входу пари, виходу конденсату, входу і виходу води.
У вибраному до установки конденсаторі чотири штуцера.
Діаметри штуцерів залежать від об'ємної витрати потоку V і швидкості цього потоку w. Діаметри штуцерів А, Б, В і Г знайдемо з рівняння витрати, яке для труби має вигляд:
звідки
Допустимі швидкості потоку в трубі приймаються на основі практичних рекомендацій. Для трубопроводів, по яких рідина перекачується насосом (напірні трубопроводи), допустима швидкість лежить у межах 0,5 ÷ 2,5 м / с. У нашому апараті це штуцера А і Б для входу та виходу води. Приймаються швидкість в них 1,5 м / с.
Для трубопроводів, по яких рухається пар, рекомендована швидкість 15 ÷ 40 м / с. У нашому конденсаторі це штуцер В. приймемо швидкість пари в ньому 20 м / с.
При русі рідини самопливом (самопливні трубопроводи) рекомендуються швидкості в діапазоні 0,1 ÷ 0,5 м / с. Це штуцер Г для виведення конденсату. приймемо швидкість рідини в ньому 0,2 м / с.
ГОСТ встановлює такі діаметри штуцерів: 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100; 125, 150, 200, 250, 300; 350; 400 і 500 мм.
Для визначення об'ємної витрати надходить на конденсацію пари необхідно знати його щільність при заданому тиску 170000 МПа і температурі входу (температура початку конденсації, що дорівнює 111 про С. Розрахунок щільності виконується за формулою:
де М см - молярна маса суміші, Р-робочий тиск, Р о - нормальний тиск, Т-робоча температура, Т о - нормальна температура.
Мольну масу суміші визначимо за правилом адитивності:
де М бенз і М тов - молярний маси бензолу і толуолу, у 1 і у 2 - молярний частки бензолу та толуолу в складі надходить на конденсацію пари.
З урахуванням цього щільність заходить в апарат пара буде дорівнює:
Тоді об'ємна витрата пара складе:
Об'ємна витрата конденсату визначимо за формулою:
,
де щільність конденсату при його середній температурі.
Тепер можна приступити до розрахунку штуцерів.
Штуцера А і Б для введення і виведення води (за її об'ємній витраті 0,034 м 3 / с):
За ГОСТом приймаємо штуцер з умовним діаметром 200 мм.
Штуцер В для введення конденсирующегося пара:
За ГОСТом приймаємо штуцер з умовним діаметром 200 мм. Швидкість пари при цьому трохи збільшиться, залишаючись в рекомендованому діапазоні 15 ÷ 40 м / с.
Штуцер Г для виведення конденсату:
За ГОСТом приймаємо штуцер з умовним діаметром 250 мм.
Список використовуваної літератури:
1. Павлов К.Ф., Романків П.Г., Носков А.А. Приклади і задачі за курсом процесів і апаратів хімічної технології: Навчальний посібник для вузів. - 12-е вид., Стереотипне. Перепеч. з вид. 1987 р. - М.: ТОВ ТІД «Альянс», 2005. - 575 с.
2. Основні процеси та апарати хімічної технології: Посібник з проектірованію. / Под ред. Ю.І. Дитнерского. 2-ге вид,. Перероб. і доп. М.: Хімія, 1991. 496с.
3. Ізмайлов В.Д., Філіппов В.В. Довідковий посібник для розрахунків по процесах та апаратів хімічної технології. Самара, СамГТУ, 2006, 44с.
4. Касаткін А.Г. Основні процеси та апарати хімічної технології: Підручник для вузів. Тринадцятий вид., Стереотипне. Передрук з дев'ятого видання 1973 р. - М.: ТОВ ВД «Альянс», 2006. - 753 с.