Расчет теплообменника для парциальной конденсации многокомпонентной паровой смеси

УДК 66.01.011

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКА ДЛЯ ПАРЦИАЛЬНОЙ КОНДЕНСАЦИИ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ПАРОВОЙ СМЕСИ

© Е.Ю. Филатова, Е.Н. Туголуков, О.В. Ведищева

Filatova E.Y., Tugolukov Li.N., Vedischeva O.V. Calculation of the heat exchanger for partial condensations of multicomponent steam mixtures. The purpose of the investigation is production of calculation methods of heat exchange equipment, based on the solutions of the differential equations system of heat conductivity in partial derivatives for temperature fields modeling during partial condensation of a multicomponent steam mixture.

В настоящее время расчет теилообменного оборудования. используемого для фазовых превращений многокомпонентных паровых смесей, ведется по стандартным методикам, которые могут давать большие погрешности, обусловленные отсутствием учета изменения теплофизических свойств многокомпонентной смеси, коэффициентов теплоотдачи, удельных тепловых потоков, количества образовавшегося конденсата по длине зоны теплообмена.

В связи с этим для реализации современных ресур-со- и 'энергосберегающих технологий разработка новых подходов к расчету теплообменного оборудования, обеспечивающих учет локальных характеристик тепловых процессов, является актуальной.

11елыо данной работы является выработка методики расчета теплообменного оборудования, основанной на использовании решений системы дифференциальных уравнений теплопроводности в частных производных для моделирования температурных полей в процессе парциальной конденсации многокомпонентной паровой смеси.

Предлагается процесс конденсации многокомпонентной паровой смсси описывать с использованием закона нормального распределения П1:

S(t) =

1

a-V2-7T -

J exp

{t-ту

где / - длина зоны теплообмена, м; т - математическое ожидание; су - дисперсия.

Для каждого компонента многокомпонентной смеси строится своя функция распределения • характеризующая количество сконденсированною компонента многокомпонентной смеси при чекущей температуре. Для расчета параметров этих кривых достаточно знать координаты двух точек, лежащих на соответствующей кривой, которые могут определяться экспериментальным путем.

В ходе производства монометиланилина осуществляется процесс парциальной конденсации парогазовой смеси продуктов синтеза при атмосферном давлении, которая включает в себя пары монометиланилина, ани-

лина, метанола, водяные пары и несконденсированные газы. В результате взаимного влияния компонентов процесс конденсации каждого отдельного компонента протекает в определенном диапазоне температур, в котором количество сконденсированною вещества изменяется от 0 до 100 %.

Для построения кривых распределения рассматриваемой многокомпонентной паровой смеси были использованы экспериментальные данные, приведенные в табл.1.

Используя эту информацию, были рассчитаны значения параметров кривых распределения для компонентов паровой смеси (табл. 2).

Графики по каждому компоненту паровой смеси приведены на рис. 1. Здесь кривые т\, /и2, тЗ. т4 описывают соответственно изменение доли конденсата монометиланилина, анилина, метанола и воды в зависимости от температуры многокомпонентной смеси.

Таблица 1

Состав конденсата многокомпонентной смеси

Наименование компонента Доля жидкого компонента, кг/кг смеси

i = 100 °С / = 40 °С

Монометилапилин 0,575 0,985

Анилин 0,488 0,966

Метанол 0,009 0,44

Вода 0,02 0,265

Таблица 2

Параметры кривых распределения для компонентов паровой смеси

Наименование компонента а т

Монометил анилин 30,29 144.27

Анилин 32,34 150.97

Метанол 27,09 214.09

Вода 42,08 236.43

Исходные данные для расчета приведены в табл. 3.

Таблица 3

Исходные данные для расчета конденсатора

ПЛ2ДЗ,14

Температура, [град]

Рис. 1. Семейство кривых распределения для компонентов многокомпонентной паровой смеси

Предложенный способ описания процесса парциальной конденсации многокомпонентных паровых смесей был положен в основу алгоритма расчета теплообменных аппаратов, в которых осуществляется фазовый переход.

Суть расчета состоит в последовательном переборе локальных обласгей, на которые условно разбивается теплообменный аппарат по длине зоны теплообмена [2]. До момента начала конденсации рассчитывается процесс охлаждения перегретой паровой смеси. Далее определяется момент начала конденсации легколетучего компонента многокомпонентной паровой смеси и для каждой последующей локальной области рассчитывается количество каждого из компонентов, совершивших фазовый переход, а также температурное поле текущей локальной области.

Специфика предложенного алгоритма состоит в том. что для каждой локальной области итеративным путем определяется такая конечная температура смеси, при которой теплота, выделяющаяся при конденсации паров, охлаждении жидких и парообразных компонентов соответствует тепловому потоку, передаваемому к хладагенту при текущих условиях теплообмена.

Особенностью предложенного алгоритма расчета конденсаторов многокомпонентных паровых смесей является своевременный учет появления слоя конденсата на внутренней поверхности трубного пучка. Последнее явление, как правило, ведет к значительному снижению коэффициентов теплоотдачи, а следовательно, к увеличению требуемой поверхности теплообмена.

Таким образом, использование предложенного алгоритма позволяет более точно рассчитать конструктивные параметры конденсаторов многокомпонентных паровых смесей по сравнению со стандартной (классической) методикой.

На основе вышеописанного алгоритма разработана расчетная программа, которая прошла тестирование на примере одноходового кожухотрубчатого теплообменника, применяемого на ОАО «Пигмент» для конденсации многокомпонентной паровой смеси, состоящий из метанола, анилина, монометиланилина и воды.

Был проведен ряд сравнительных расчетов процесса парциальной конденсации многокомпонентных паровых смесей при различной организации процесса.

Наименование параметра Единицы измерения I вариант II вариант III вариант

Массовая доля анилина кг/кг смеси 0.023

Массовая доля ММА кг/кг смеси 0,619

Массовая доля метанола кг/кг смеси 0,174

Массовая доля воды кг/кг смеси 0,132

Первая ступень конденсации

Диаметр кожуха м 0,406 0,406 0,406

Длина труб м 3 3 3

Число труб ед. 110 110 110

Массовый расход паров кг/с 0,24 0,24 0,24

Массовый расход охлаж- дающей воды кг/с 2.15 0,26 0.26

Начальная температура паров °с 240 240 240

Начальная температура охлаждающей воды °с 20 20 20

Вторая ступень конденсации

Диаметр кожуха м — 0.406 0,307

Длина труб м — 3 2

Число труб сд. — 110 61

Массовый расход паров кг/с 0,24 0,24

Массовый расход охлаж- дающей воды кг/с 1.1 1,2

Начальная температура паров °с 100 100

11ачальная температура охлаждающей воды °с 20 20

В результате работы программа формирует таблицы, в которых показано изменение температуры смеси и охлаждающей воды, а также общего и покомпонентного количества конденсата вдоль длины аппарата.

Используя эти данные, построены стационарные температурные поля теплоносителей (рис. 2). а также кривые, описывающие изменение общего и покомпонентного количества конденсата вдоль длины аппарата (рис. 3).

На рис. 2 представлено изменение температуры теплоносителей по длине конденсатора. Отсюда видно, что На длине 0,25 м происходит ОХЛаЖДСНИС м ногоком-понентной смеси от начальной температуры (240 °С) до температуры начала конденсации смеси, а вдоль остальной длины аппарата происходит взаимное фазовое превращение компонентов многокомпонентной паровой смеси, причем изменение количества образующегося конденсата каждого компонента по длине теплообменника зависит от текущей температуры парожидкостной смеси.

Анализ графиков температурных полей показал, что процесс полной конденсации осуществлять в одном аппарате длиной 3 м нецелесообразно, т. к. для этого требуется большой расход охлаждающей воды (2,15 кг/с), что объясняется наличием незначительной движущей силы на длине аппарата более двух метров.

Рассмотрим другой способ организации процесса парциальной конденсации многокомпонентной паровой смеси. Предположим, что процесс происходит в двух одинаковых теплообменных аппаратах, работающих последовательно. Причем в первом аппарате температура паровой смеси изменяется от 240 до 100 °С. а во втором - от 100 до 40 °С. На каждой ступени конденсации в качестве охлаждающего агента используется вода комнатной температуры (20 °С). Исходные данные для расчета приведены в табл. 3 (вариант II).

---------

Рис. 2. Стационарные температурные поля теплоносителей в конденсаторе многокомпонентной паровой смеси: — темпе-

ратура многокомпонентной паровой смеси, °С; п> - температура охлаждающей воды в межтрубном пространстве, °С

------- дт

_ . _ . — дптГВ ---------- ду

---------- дэ

Рис. 3. Изменение общею и покомпонентного количества конденсата вдоль длины аппарата: gs - общее количество конденсата, кг/с; ga - количество сконденсированного анилина, кг/с; рпта - количество сконденсированного мономегила-нилина, кг/с; %т — количество сконденсированного метанола, кг/с; ¿т - количество сконденсированных водяных паров, кг/с

#

Рис. 4. Стационарные температурные поля теплоносителей при двухступенчатой конденсации многокомпонентной паровой смеси в двух одинаковых аппаратах, работающих последовательно: (.ч — температура многокомпонентной паровой смеси, °С; ¿V - температура охлаждающей воды в межтрубном пространстве, °С

Температурные поля теплоносителей при двухступенчатой конденсации многокомпонентной паровой смеси представлены на рис. 4.

Анализ результатов расчета позволяет сделать следующие. выводы. Рели процесс конденсации многокомпонентной паровой смсси осуществлять в две ступени в одинаковых теплообменниках, то за счет увеличения движущей силы на входе во второй аппарат воз-

можно снизить расход охлаждающей воды. При такой организации процесса на первой ступени требуется расход охлаждающей воды 0,26 кг/с. па второй -1,1 кг/с. Следовательно, общий расход охлаждающей воды сокращается более чем в 1.5 раза (с 2,15 до 1,36 кг/с) по сравнению с одноступенчатой конденсацией.

Далее рассмотрим случай двухступенчатой конденсации многокомпонентной паровой смеси в двух неодинаковых аппаратах. Исходные данные для расчета приведены в табл. 3 (вариант III).

Температурные поля теплоносителей при двухступенчатой конденсации многокомпонентной паровой смеси в двух неодинаковых аппаратах представлены на рис. 5.

Анализ результатов расчета позволяет сделать следующие выводы. При незначительном увеличении расхода охлаждающей воды на второй ступени конденсации многокомпонентной паровой смсси можно использовать аппарат с меньшей площадью поверхности теплообмена, что позволит снизить капитальные затраты. При такой организации процесса на первой ступени требуется расход охлаждающей воды 0,26 кг/с, на второй - 1.2 кг/с. В этом случае, общий расход охлаждающей воды увеличиться с 1,36 кг/с до 1,46 кг/с по сравнению с процессом конденсации, осуществляемым в двух одинаковых аппаратах.

Таким образом, в результате проведения ряда сравнительных расчетов и их анализа можно сформулировать следующие выводы. Наиболее рациональным является организация процесса парциальной конденсации многокомпонентной паровой смеси в двух последовательно работающих теплообменниках, причем вторую ступень конденсации целесообразно осуществлять в аппарате с меньшей площадью поверхности теплообмена.

Рис. 5. Стационарные температурные поля теплоносителей при двухступенчатой конденсации многокомпонентной паровой смеси в двух неодинаковых аппаратах: /5 - температура многокомпонентной паровой смеси, °С; п> - температура охлаждающей воды в межтрубном пространстве, °С

ЛИТЕРАТУРА

1, Вептумь Теория вероятностей; учеб. для вуюи М.: Высш. итк., \998. 57Ь с.

2, Туолуков ЕЛ. Математическое моделирование технологического оборудования многоассортиментных химических производств: монография М.: Машиностроение, 2004 100 с.

Поступила в редакцию 20 июля 2006 г.