7.3.3 Поверочный расчет теплообменного аппарата

Аппарат воздушного охлаждения (АВО) предназначен для охлаждения 14400 кг/ч нефтепродукта (d₄²⁰ = 0,740) от 120 до 40°С. Начальная температура воздуха (сухого) 25°С, конечная 60°С. Коэффициент теплопередачи 46 Вт/(м·К).

Проведем поверочный расчет аппарата.

Отдаваемое нефтяными парами тепло находим из уравнения:

, (7.26)

где Q – тепло, передаваемое в процессе теплообмена, Вт;

G – расход теплоносителя или хладагента, кг/с;

I^н и I^к – энтальпии теплоносителя или хладагента при начальной и конечной температуре, соответственно, кДж/кг.

кДж/ч = 1996266 Вт

Схема потоков противоточная. Разности температур потоков равны:

∆t_б = 120-60=60°С; ∆t_м = 40-25=15°С.

Средний температурный напор рассчитывается как средне-логарифмическая разность температур по формуле (7.11):

°С

Поверхность теплообмена холодильника по формуле (7.6) составляет:

м².

Принимая длину трубы L=8 м и диаметр трубы D=0,042 м, вычисляем поверхность одной трубы (гладкой):

м²

Число труб:

Расход воздуха (G_в, кг/ч) определяем из теплового баланса аппарата по формуле:

(7.27)

т.е. .

Значения теплоемкостей при температурах t₃ и t₄ находим из справочных данных (таблица 20). Тепловая нагрузка равна 7184160 кДж/ч, следовательно:

= 203517 кг/ч.

Плотность воздуха ρ_в при его начальной температуре 25°С и барометрическом давлении (101,325кПа) равна 1,18 кг/м³.

Объемный расход воздуха в 1 сек:

м³/с.

Зная объем расходуемого воздуха, по каталогу подбираем вентилятор [12].

Таблица 20 - Плотность и теплоемкость воздуха и воды при постоянном давлении

Температура, °С	Плотность воды, кг/м^3	Теплоемкость воздуха, кДж/(кг•К)	Теплоемкость воды, кДж/(кг•К)
0 20 40 60 80 100	1293,0 1204,5 1126,7 1059,5 999,8 945,8	1,005 1,005 1,009 1,009 1,009 1,013	4,2295 4,1868 4,1793 4,1864 4,1973 4,2094

7.4 Расчет конденсации (испарения) [11, 12]

Основной задачей расчета конденсации (испарения) является определение сконденсированного (испаренного) количества вещества.

Расчет конденсации проводится по формуле:

, (7.28)

где Х – мольная доля компонента в конденсате;

Z – мольная доля исходного газа, переходящего в конденсат, т.е. отношение числа молей полученного конденсата, к числу молей исходного газа;

Y* – мольная доля компонента в газе, равновесном с жидкостью;

K – константа фазового равновесия.

В уравнении имеется два неизвестных Х и Z, его решение выполняется методом подбора Z с учетом того, что . Методика вычисления Z с помощью функции «поиск решений» программы MS Excel представлена в приложении 10.

При повышенном давлении и температуре свойства реальных газов отличаются от идеальных. Поэтому при расчете конденсации необходимо заменить упругость паров фугитивностью, которая является функцией от температуры:

, (7.29)

f_ж - фугитивность продукта в жидкой фазе;

f_{г --} фугитивность продукта в газовой фазе.

При отсутствии литературных данных по константам фазового равновесия, выполняется прогнозирование фугитивностей компонентов на основе принципа соответственных состояний [4] и на их основе вычисляется К.

Пример

Рассчитать состав газовой и жидкой фаз при конденсации продуктов гидратации этилена в теплообменнике. Температура на входе в теплообменник 240°С, температура конденсации - 200°С, давление 80 атм. Состав приходящих газов представлен в таблице 21.

Таблица 21 - Состав газа поступающего в теплообменник

Компонент	М	кг/ч	%мас.	кмоль/ч	%мол.
Этан	30	17021,4	7,1	567,4	6,4
Этилен	28	181260,3	76,1	6473,6	72,6
Этанол	46	9550,5	4,0	207,6	2,3
Диэтиловый эфир	74	282,2	0,1	3,8	0,04
Ацетальдегид	44	134,2	0,06	3,1	0,03
Полимеры	85	85,4	0,04	1,0	0,01
Вода	18	29913,2	12,6	1661,8	18,6
Итого		238247,2	100	8918,3	100

Находим приведенные параметры заданных веществ.

Значения приведенных параметров определяется по формулам:

; (7.30)

, (7.31)

где T_r и P_r – приведенная температура и давление, соответственно;

Т и Р – заданные значения температуры, К, и давления, атм, соответственно;

T_с и P_с – критическая температура, К, и критическое давление, атм, для данного соединения.

Результаты расчетов представлены в таблице 22.

Таблица 22 – Значения приведенных температур и давлений веществ

Компонент				,
Этилен	282,4	49,7	0,065	1,7 1,8	1,6
Этан	305,4	48,2	0,098	1,5 1,7	1,7
Этанол	516,2	63	0,635	0,9 1,0	1,3
Диэтиловый эфир	466,7	35,9	0,281	1.1 1.2	2.2
Ацетальдегид	461,0	55,0	0,303	1.1 1.2	1.5
Полимер (С10)	609,3	22,2	0,508	0.8 0.9	3.6

- температуры входа и конденсации, 473 и 513К, соответственно.

Как видим из таблицы, приведенные температуры для этилена, этана, диэтилового эфира и ацетальдегида больше единицы, следовательно, эти вещества останутся в газовом состоянии. Константа фазового равновесия для воды при этих условиях равна 0,159.

Находим константы фазового равновесия веществ на основе их фугитивностей в газовой и жидкой фазах [4]. Результаты расчета приведены в таблице 23.

Таблица 23 - Расчет констант фазового равновесия

Компонент				,	,			К
Вода	647,3	217,6						0,159
Этанол	516,2	63	0,635	0,9 1,0	1,3	22,007	43,876	0,502
Полимер (С10)	609,3	22,2	0,508	0.8 0.9	3.6	4,626	11,832	0,391

В результате расчета путем поиска решения (см. приложение 10) получаем, что мольная доля образующегося конденсата Z = 0,043. Следовательно, всего конденсируется газов 0,043•8918,29 = 381,6 кмоль/ч. При этом состав жидкой фазы следующий: вода – 95,53%; этанол – 4,45%; полимеры – 0,03%.

Полученные результаты сводим в таблицу 24.

Таблица 24 - Материальный баланс конденсации в теплообменнике

Компонент	Жидкая фаза				Газовая фаза
	кг/час	%масс.		% моль.	кг/час	%масс.		% моль
Этан	-	-	-	-	17021,4	7,4	567,4	6,65
Этилен	-	-	-	-	181260,3	78,5	6473,6	75,83
Этанол	780,9	10,6	17,0	4,45	8769,6	3,8	190,6	2,23
Диэтиловый эфир	-	-	-	-	282,2	0,1	3,8	0,04
Ацетальдегид	-	-	-	-	134,2	0,1	3,1	0,04
Полимеры	8,6	0,1	0,1	0,03	76,9	0,03	0,9	0,01
Вода	6561,4	89,3	364,5	95,53	23351,8	10,1	1297,3	15,20
Итого	7350,8	100	381,6	100	230896,4	100	8536,7	100