Расчет ректификационной колонны

Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров — диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа и размеров насадок.
При выборе типа насадок для массообменных аппаратов руководствуются рядом соображений. Наиболее правильно выбор оптимального типа и размера насадки может быть осуществлен на основе технико-экономического анализа общих затрат на разделение в конкретном технологическом процессе.
При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объёма аппарата, его стоимость и другие) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способностью насадки работать в среде загрязнённых жидкостей, возможностью защиты от коррозии и т.п.

Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Размеры колонны обусловлены нагрузками на пару и жидкости, типом насадки, физическими свойствами взаимодействующих фаз.

3.1 Расчёт ректификационной колонны

3.1.1 Производительность колонны по дистилляту и кубовому остатку рассчитаем, исходя из уравнений материального баланса:

                                                      ,                                      (3.1.1)

                                           ,                            (3.1.2)

где ,, - производительность колонны соответственно по питанию, дистилляту и кубовому остатку, ;

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

Вискова Н.

3 Инженерная часть

Лит.

Лист

Листов

Провер.

Телеш В.В.

У

13

77

Реценз.

Кафедра ХиХТ

Н.контр.

Телеш В.В.

Утверд.

       , , - массовая доля легколетучего компонента в парах питания, дистиллята и кубового остатка соответственно.

Производительность по кубовому остатку рассчитаем по следующей формуле:

                                                  ,                                   (3.1.3)

Производительность по дистилляту:

                                                            ,                                 (3.1.4)

3.1.2 Нагрузки по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R.

Рабочее флегмовое число определяется по формуле:

                                                           ,                            (3.1.5)

где – минимальное флегмовое число;

       R – рабочее флегмовое число .              

Минимальное флегмовое число определяется по формуле:

                                                   ,                                        (3.1.6)

где  и – мольные доли легколетучего компонента в питании и дистилляте соответственно;                              

      – равновесная мольная доля этанола компонента в парах питания.

Пересчитаем составы фаз из массовых долей в мольные, используя соотношения:

                                                   ,                        (3.1.7)

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

14

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

 где  – мольная доля этанола;

        – соответствующая массовая доля этанола;

       –  мольная масса этанола, равная 46 ;

       –  мольная масса воды, равная 18  .

Для питания мольная доля этанола по формуле (3.1.7):

Для дистиллята мольная доля этанола по формуле (3.1.7):

Для кубового остатка мольная доля этанола по формуле (3.1.7):

          Из графика равновесия системы этанол – вода (приложение А, рисунок А.1) определим равновесную концентрацию этанол  в парах питания при содержании этого компонента в жидкой фазе (в мольных долях) . Получили .

       Рассчитаем минимальное флегмовое число по формуле (3.1.6):

              Рассчитаем  рабочее флегмовое число по формуле (3.1.5):

     Для определения числа ступеней изменения концентрации построим рабочую линию для работы колонны при полученном значении флегмового числа.

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

15

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

      Уравнение рабочей линии верхней (укрепляющей) части колонны:

                                                          .                                (3.1.8)

      Уравнение рабочей линии нижней (исчерпывающей) части колонны:

                                                      ,                            (3.1.9)

где – относительный мольный расход питания.

Относительный мольный расход питания рассчитаем по формуле:

                                                       .                                                                                                                          (3.1.10)

Определим значение  по формуле (3.1.10):

Уравнение рабочей линии при

для верхней части колонны:

для нижней части колонны:

     Построим график полученной зависимости (приложение Б, рисунок Б.1). При данном значении флегмового числа получили пять ступеней изменения концентрации.

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

16

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

3.1.3 Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны рассчитываются по следующим формулам соответственно:

                                                     ,                                                                                                                   (3.1.11)

                                           ,                                                                                                       (3.1.12)

где  и  – массовый расход по жидкости для верхней и нижней части колонны соответственно, ;

       и – мольные массы дистиллята и питания соответственно, ;

       и  – средние мольные массы жидкости в верхней и нижней части колонны соответственно, .

Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней части колонны рассчитываются так:

                                       ,                                                                                                           (3.1.13)

                                      ,                                                                                                           (3.1.14)

где  и – средние мольные доли этанола в верхней и нижней части колонны соответственно.

Средние мольные доли этанола в смеси в верхней и нижней части колонны можно определить по следующим соотношениям:

                                                     ,                                   (3.1.15)

                                                     .                                   (3.1.16)

Рассчитаем значения  и  по формулам (3.1.15-16):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

17

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Подставим полученные значения в формулы (3.1.13-14) и рассчитаем средние мольные массы жидкости в верхней и нижней части колонны:

Мольная масса питания:

                                          ,                        (3.1.17)

Мольная масса дистиллята:

                                          ,                        (3.1.18)

Рассчитаем средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны  по формулам (3.1.11-12):

Средние массовые расходы пара в верхней и нижней части колонны рассчитывают по следующим формулам:

                                               ,                              (3.1.19)

                                               ,                             (3.1.20)

где  и  – средние мольные массы паров в верхней и нижней части колонны соответственно,

Средние мольные массы паров в верхней и нижней части колонны можно вычислить так:

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

18

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

                                       ,                     (3.1.21)

                                      ,                    (3.1.22)

где  и  – средние мольные доли этанола в парах смеси в верхней и нижней части колонны соответственно.

Средние мольные доли этанола в парах смеси в верхней и нижней части колонны определяются так:

                                                     ,                                   (3.1.23)

                                                     ,                                   (3.1.24)                                                                                 

где  и  – мольные составы паров питания дистиллята и кубового остатка соответственно.

Мольные составы паров питания, дистиллята и кубового остатка определим из графика (приложение А, рисунок А.1) при соответствующих составах жидкости. Найдём средние мольные составы паров в верхней и нижней части колонны по формулам (3.1.23):

 Мольные массы паров определим по формулам (3.1.21-22):

Рассчитаем средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны по формулам (3.1.19-20):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

19

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

3.1.4 Выберем насадку из керамических колец Рашига размером  мм. Удельная поверхность насадки а равна 87,5 ; свободный объём  равен 0,785 ; насыпная плотность - 530

Гидродинамический режим работы колонны – плёночный.

3.1.5 Выбор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами. Для ректификационных колонн, работающих в плёночном режиме при атмосферном давлении, рабочую скорость принимают на 20 – 30 % ниже скорости захлёбывания насадочных колонн, определяют из формулы:

                         ,                                                            (3.1.25)

где – предельная фиктивная скорость пара, м/с;

             – средняя плотность жидкости, кг/;

            – средняя плотность газа, кг;

             g – ускорение свободного падения, .

Скорость захлёбывания определим для верха и низа определим отдельно. Найдём плотности жидкости   и пара ,  в верхней и в нижней части колонны при средних температурах верха  и низа , исходя из справочных данных, кг/.

Средние температуры паров и жидкости определим по t – x, y диаграмме (приложение В, рисунок В.1).

              При  температура жидкости в верху  колонны равна  80,2 , при   температура жидкости в низу колонны  равна 86,434 . При  температура паров в верху  колонны равна 80,3 , при  температура паров в низу  колонны равна 92,131 . При   плотность жидкой воды в верху  колонны равна 972колонны равна 982,397и ацетонаьется по формуле:  /1, стр512/, а жидкого этанола  соответственно 735  /1, стр.512/. При   плотность жидкой воды в низу  колонны равна 967,496  /1, стр512/, а жидкого этанола  соответственно 728,888  /1, стр512/.

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

20

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

                     Плотности жидких смесей рассчитываются по формуле:

                                        ,                                                  (3.1.26)

где – плотность жидкой смеси, кг/;

            – средняя массовая доля  этанола;

            – плотность воды, кг/;

            – плотность этанола, кг/.

Пересчитаем средние мольные доли этанола в жидкой фазе в верхней и нижней части колонны в массовые по формуле:

                                          .                        (3.1.27)

Подставляя необходимые данные в формулу (3.1.27), получим

для верхней части колонны:

для нижней части колонны:

Подставляя все необходимые значения в  формулу (3.1.26), получим

для верхней части колонны:

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

21

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

для нижней части колонны:

                                               ,                                                                                                (3.1.28)

где  – плотность паров, кг/;

       – мольная масса паров, г/моль;

        – нормальная температура, равная 273,15 К;

        – температура паров, К.

Подставляя все необходимые значения в формулу (3.28), получим:

для верхней части колонны:

для нижней части колонны:

Вязкость жидких смесей находится из уравнения:

                             ,                                                                              (3.1.29)

где – вязкость жидкой смеси,

      – вязкость жидкого этанола,

      – вязкость жидкой воды, .

При   вязкость жидкой воды в верху  колонны равна 0,357  /1,стр514/, а жидкого этанола  соответственно 0,435  /1,стр516/. При   вязкость жидкой воды в низу  колонны равна 0,334  /1,стр514/, а жидкого этанола  соответственно 0,399  /1,стр516/.  

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

22

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

 Подставляя все необходимые значения в формулу (3.1.29), получим: 

для верхней части колонны:

для нижней части колонны:

Выразим вязкости жидких смесей в верхней и нижней части колонны из полученных соотношений:

Подставив все необходимые данные в формулу (3.1.25), получим

для верхней части колонны:

для нижней части колонны:

Произведя все необходимые преобразования, получим, что скорость паров в верхней части колонны  м/с, а скорость паров в нижней части колонны  м/с.

Примем рабочие скорости паров обоих частей колонны меньше на :

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

23

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Диаметр верхней и нижней частей колонны d, выраженный в метрах, определим из уравнения расхода:

                                              .                                           (3.1.30)

Рассчитаем диаметр верхней части колонны по формуле (3.1.30):

Рассчитаем диаметр нижней части колонны (3.1.30):

Рационально принять стандартный диаметр обечайки d, равный 0,8 метрам, одинаковым для обеих частей колонны.

При выбранном диаметре действительные рабочие скорости паров в колонне равны:

Эти скорости составляют соответственно 57% и 65% от предельных скоростей.

3.1.6 Высоту насадки Н рассчитаем по модифицированному уравнению массопередачи:

                                                                                                                                                                            (3.1.31)

                                                                                                                   (3.1.31)

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

24

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

      где Н – высота слоя насадки, м;

      – общее число единиц переноса по паровой фазе;

      – общая высота единицы переноса, м.

Общее число единиц переноса вычисляют по уравнению:

                                              .                                          (3.1.32)

Определим этот интеграл методом графического интегрирования.

Данные для построения функции  и её графического интегрирования определим по  диаграмме и занесём в таблицу 2.

Построим график зависимости  (приложение Г, рисунок Г.1). Искомый интеграл равен площади фигуры, ограниченной кривой , ординатами  и , осью абсцисс.

Таблица 2

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

25

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

В результате графического интегрирования получили:

общее число единиц переноса в верхней части колонны:

общее число единиц переноса в нижней части колонны:

Общую высоту единиц переноса определим по уравнению аддитивность:

                                          ,                                                                                                                  (3.1.33)

где  и  – частные высоты единиц переноса соответственно в жидкой и паровой фазе, м;

       m – средний коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колонны;

              – отношение мольных нагрузок по пару и жидкости для соответствующей части колонны.

Отношение мольных нагрузок по пару и жидкости определяется по следующим уравнениям:

для верхней части колонны:

                                                  ,                                                                                                                            (3.1.34)

для нижней части колонны:

                                                  .                                                                                                                            (3.1.35)

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

26

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Для определения  и  воспользуемся зависимостью, которая  рекомендуется для колонн диаметром более 800 мм.

Высота единицы переноса в жидкой фазе:

                                   ,                                                                                                                (3.1.36)

где Ф и с – коэффициенты, определяемые по графической зависимости от  и от L;

      – критерий Прандтля для жидкости;

      Z – высота слоя насадки, которую примем равной 3 метрам.  

Высоты единицы переноса в паровой фазе:

                              ,            (3.1.37)

где  – коэффициенты, определяемые по графической зависимости от L;

       – массовая плотность орошения, ;

       d – диаметр колонны, м;

             ,, – некоторые коэффициенты.

части колонны ; ; . Для нижней части колонны ; Ф=0,09; .

Критерий Прандтля для жидкой смеси определим по следующей формуле:

                                               ,                                                                                                                        (3.1.38)

где – вязкость жидкости соответствующей части колонны, ;

      – плотность жидкости соответствующей части колонны, ;

      – коэффициент диффузии в жидкой фазе соответствующей части колонны, .

Критерий Прандтля для пара определим по формуле:

                                                              ,                                                                                                                            (3.1.39)

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

27

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

      где – вязкость паров соответствующей части колонны, ;

            – плотность паров соответствующей части колонны, ;

      – коэффициент диффузии в паровой фазе соответствующей части колонны, .

Массовая плотность орошения определяется по формуле:

                                                             ,                                                                                                                           (3.1.40)

где – массовая плотность орошения для соответствующей части колонны, ;

       L – массовый расход по жидкости для соответствующей части колонны, кг/с;

       d – диаметр колонны, м.

Коэффициенты , ,  рассчитываются по следующим формулам:

                                                                  ,                                                                                                                                (3.1.41)

                                                             ,                                                                                                                            (3.1.42)

                                                          ,                                                                                                                        (3.1.43)

где – поверхностное натяжение жидкой смеси соответствующей части колонны, Н/м.

Определим вязкость паров  для верхней и нижней частей колонны по формуле:

                                                ,                                                                                                              (3.1.44)

где  и – вязкости чистых паров соответственно этанола и воды при температурах верха или низа колонны,

              При температуре 80,3 (соответствует температуре паров в верхней части колонны ) вязкость паров этанола  ; а вязкость водяных паров при той же температуре  . При температуре 92,131  (соответствует температуре паров в нижней части колонны ) вязкость паров этанола

     ; а вязкость водяных паров при той же температуре  

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

28

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Подставляя все необходимые данные в уравнение (3.1.44), определим вязкости жидких смесей в обеих частях колонны.

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Коэффициенты диффузии жидкости при некоторой температуре определяются по формуле:

                                                     ,                                                                                                                (3.1.45)

где  – коэффициент диффузии жидкости при 20 , ;

        b – температурный коэффициент, ;

        t – температура, при которой определяется коэффициент диффузии,

Коэффициент диффузии при 20 определим по приближённой формуле:

                                                 ,                                                                                                             (3.1.46)

где А и В – коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя;

      и  – мольные объёмы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения,   

;

      – вязкость жидкой смеси при 20,

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

29

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Вязкости жидких смесей с составами, соответствующими составам жидких смесей в верхней и нижней части колонны найдём из формулы (3.1.27). Для этанола вязкость при 20,  /1,стр516/, а для воды   /1,стр514/.

Рассчитаем вязкость жидкой смеси в верхней части колонны при 20 по формуле (3.1.29):

Рассчитаем вязкость жидкой смеси в нижней части колонны при 20  по формуле (3.1.29):

Значения коэффициента  А=1,24 (для этанола) /1,стр289/; В = 2 (для  воды) /1,стр289/. Мольный объём этанола   /1,стр288/; мольный объём воды   /1,стр288/.

Подставив необходимые значения в формулу (3.1.46) получим

для верхней части колонны:

для нижней  части колонны:

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

30

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Температурный коэффициент определим по формуле:

                                                              ,                                                                                                                            (3.1.47)

где – плотности жидких смесей с составами соответствующими составам жидких смесей в верхней и нижней части колонны при 20 ,

Плотность этанола при 20  равна 789  /1, стр512/; а плотность воды равна 998  /1, стр512/ Определим плотность жидкой смеси в верхней части колонны по формуле (3.1.26):

Определим плотность жидкой смеси в нижней части колонны по формуле (3.1.26):

Определим температурные коэффициенты по формуле (3.1.47):

для верхней части колонны:

для нижней  части колонны:

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

31

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Подставим все необходимые значения в формулу (3.1.45) и получим:

для верхней части колонны:

для нижней  части колонны:

Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению:

                                             ,                                                                                                           (3.1.48)

где T – средняя температура в соответствующей части колонны, К;

      Р – абсолютное давление в колонне, Па.

Для верхней части колонны получим по формуле (3.1.48):

Для нижней части колонны получим по формуле (3.1.48):

Определим поверхностные натяжения жидких смесей в верхней и нижней части колонны по формуле:

                                                    ,                                                                                                                  (3.1.49)

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

32

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

где  и  – поверхностные натяжения этанола и воды соответственно, .

Поверхностное натяжение чистого этанола при  составляет 17,3 Н/м /1, стр526 – 527/ , а чистой воды при той же температуре – 62,6 Н/м /1, стр526 – 527/. Поверхностное натяжение этанола при  составляет 16,5 Н/м /1, стр526 – 527/, а чистой воды при той же температуре – 60,5 Н/м /1, стр526 – 527/.

Подставим необходимые значения в формулу (3.1.49) и получим:

для верхней части колонны:

для нижней  части колонны:

Подставив все необходимые значения в формулы (3.1.36) и (3.1.37), с учётом обозначений получим для верхней части колонны:

Для нижней части колонны по формулам (3.1.36) и (3.1.37):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

33

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Функция для определения значения касательной в выбранной точке для построения кинетической кривой:

                                                                                                                                                                            (3.1.50)

Найдем значение производных для средних мольных составов по формуле:

Определим  коэффициент распределения для верхней и нижней части колонны:

По уравнению (3.1.33) найдём общую высоту единиц переноса для верхней и нижней частей колонны:

Подставим необходимые значения в формулу (3.1.31) и рассчитаем высоту насадки в обеих частях колонны.

Высота верхней части колонны:

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

34

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Высота нижней части колонны по формуле (3.31):

Общая высота насадки в колонне:

С учётом того, что высота слоя насадки 3 метра, общее число секций составляет 7 (4 секции в верхней части, три – в нижней части).

Общую высоту ректификационной колонны определим по уравнению:

                                               ,                                                                                                             (3.1.51)

где Z – высота слоя насадки одной секции, м;

       n – число секций;

      – высота промежутков между секциями, в которых устанавливают распределители     жидкости, м;

       и  – соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой, м.

Для насадочной ректификационной колонны диаметром 1 метр м;  м;  м.

Подставим значения в формулу (3.1.51) и рассчитаем общую высоту колонны:

3.1.7 Гидравлическое сопротивление насадки рассчитаем по уравнению:

                                                           ,                                                                                                                          (3.1.52)

где U – плотность орошения, ;

    – гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па.

Гидравлическое сопротивление сухой насадки:

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

35

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

                                                             ,                                                                                                                           (3.1.53)

где  – коэффициент сопротивление сухой насадки;

      – эквивалентный диаметр насадки, м.

Рассчитаем критерий Рейнольдса для газа в верхней и нижней части колонны соответственно:

                                                           .                                         (3.1.54)

Подставим необходимые данные в формулу (3.1.54):

Следовательно, режим движения – турбулентный. Для турбулентного режима коэффициент сопротивления сухой насадки в виде беспорядочно засыпанных колец  Рашигаопределяется по формуле:

                                                                        .                                       (3.1.55)

Для верхней части колонны по формуле (3.1.55):

              для нижней части колонны:

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

36

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Гидравлическое сопротивление сухой насадки по формуле (3.1.53):

для верхней части колонны:

для нижней части колонны:

Плотность орошения в верхней и нижней части колонны определим по формуле:

                                                           .                                                                                                                       (3.1.56)

Подставим численные значения в формулу (3.1.56) и получим

для верхней части колонны:

для нижней части колонны:

Гидравлическое сопротивление рассчитаем по формуле(3.1.52)

для верхней части колонны:

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

37

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

для нижней части колонны:

Общее гидравлическое сопротивление орошаемой насадки , выраженное в Па:

                                                                   ,                                   (3.1.57)

 3.1.8 Питающая смесь перед подачей в колонну нагревается от 20до температуры кипения насыщенным водяным паром с абсолютным давлением 0,3 МПа. Температура конденсации паров насыщенного водяного пара =132,9 /1,стр549 – 550/. Температуру кипения питания определим по t – x, y диаграмме (рисунок) при . Получили = 83,4.

Температурная схема процесса:

132,9  –––––   132,9

                                                                           20     83,4

Среднюю разность температур определим по следующей формуле:

                                                                   ,                                  (3.1.58)

где – средняя разность температур,;

      и – большая и меньшая разность температур соответственно,.

Подставим данные в формулу (3.1.58) и рассчитаем :

                                                                     (3.1.59)

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

38

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Среднюю температуру питания определим по формуле:

                                                     ,                                    (3.1.60)

где – средняя температура питания,.

Подставим значения в формулу (3.1.60) и рассчитаем :

Расход теплоты в паровом подогревателе питающей смеси:

                                     ,                                                                                                                  (3.1.61)

где– расход теплоты в паровом подогревателе питающей смеси, кВт;

       – удельная теплоёмкость питающей смеси при средней температуре питания, ;

       – температура начала подогрева, равная 20.

Удельные теплоёмкости этанола и воды при температуре 55,959 соответственно    /1, стр562/;   /1, стр562/.

Средние удельные теплоёмкость смеси определим по формуле:

                                         ,                                                                                                                      (3.1.62)

где х – массовая доля этанола;

       и – удельная теплоёмкость этанола и воды соответственно, .

Определим удельную теплоёмкость смеси при средней температуре питания по уравнению (3.1.62):

Определим расход теплоты на подогрев исходной смеси  по формуле (3.1.61):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

39

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Расход греющего пара, идущего на нагрев питающей смеси, рассчитаем по формуле:

                                               ,                                                                                                                            (3.1.63)

где – расход греющего пара, кг/с;

       Q – расход теплоты, Вт;

        – удельная теплота конденсации греющего пара, равная 2,171            /1, стр549 – 550/;

        x – массовая доля сухого воздуха в греющем паре, равная 0,95.

Рассчитаем расход греющего пара в подогревателе питающей смеси по формуле (3.1.63):

Пары дистиллята конденсируются в дефлегматоре – конденсаторе охлаждающей водой. Вода при этом нагревается от 20 до 40. Температура конденсации паров дистиллята определим из t – x, y диаграмме (рисунок) при . Получили.

Температурная схема процесса:

78,8  –––––   78,8

                                                                          20       40_

Определим среднюю разность температур по формуле (3.1.59):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

40

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определим среднюю температуру охлаждающей воды по формуле:

                                                       ,                                     (3.1.64)

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре – конденсаторе, найдём по уравнению:

                                          ,                                                                                                                       (3.1.65)

где – расход теплоты отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре – конденсаторе, кВт;

        – удельная теплота конденсации паров дистиллята,  кДж/кг.

Удельную теплоту конденсации паров смеси  определим по формуле:

                                                 ,                               (3.1.66)

где r – удельная конденсация паров смеси, кДж/кг;

      х – массовая доля этанола в смеси;

      и  – удельные теплоты конденсации этанола и воды соответственно при температуре дефлегматора, кДж/кг.

При температуре  удельная теплота конденсации паров этанола  кДж/кг /1, стр541– 542/, а удельная теплота конденсации паров воды кДж/кг/1, стр541– 542/. Подставим полученные значения в формулу (3.1.66) удельную теплоту конденсации паров дистиллята:

По формуле (3.1.65) рассчитаем расход теплоты в дефлегматоре – конденсаторе :

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

41

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определим расход охлаждающей воды в дефлегматоре – конденсаторе по формуле:

                                              ,                                                                                                                        (3.1.67)

где  – расход охлаждающей воды,

       Q – расход теплоты, Вт;

        – удельная теплоёмкость воды при средней температуре, ;

        – плотность воды при средней температуре, ;

       – степень нагрева охлаждающей воды, равная  20.

Удельная теплоёмкость воды  при температуре   равна 4190  /1,стр562/. Плотность воды  при  равна 994,793 /1, стр512/.

Подставим значения в формулу (3.1.67) и рассчитаем расход охлаждающей воды в дефлегматоре – конденсаторе:

Конденсат паров дистиллята, поступает в водяной холодильник дистиллята. Дистиллят охлаждается от температуры конденсации  до= 25. Вода при этом нагревается от = 20 до = 40. 

Температурная схема процесса при противотоке теплоносителей:

                                                                   78,8    25

                                                                   40       20

Определим среднюю разность температур по формуле (3.1.59):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

42

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определим среднюю температуру охлаждающей воды в холодильнике дистиллята по формуле:

                                                       ,                                     (3.1.68)

где – средняя температура воды в холодильнике дистиллята,.

Средняя температура охлаждающей воды по формуле (3.1.68):

Среднюю температуру дистиллята определим по формуле:

                                                      ,                                    (3.1.69)

где – средняя температура дистиллята, .

Рассчитаем среднюю температуру дистиллята по формуле (3.1.69):

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

                                                    ,                                                                                                        (3.1.70)

     где – расход теплоты в водяном холодильнике дистиллята, кВт.

       – удельная теплоёмкость дистиллята при средней температуре дистиллята, .

соответственно   /1, стр562/;   /1, стр562/.

Определим удельную теплоёмкость  дистиллята при 42,231  по формуле (3.1.62):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

43

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определим тепло, отдаваемое дистиллятом,  по формуле (3.1.70):

Удельная теплоёмкость воды  при температуре равна 4190  /1, стр562/. Плотность воды  при  равна 995 /1, стр512/.

Определим расход охлаждающей воды в холодильнике дистиллята по формуле (3.1.67):

Жидкая смесь, поступающая в куб – испаритель испаряется в нём насыщенным водяным паром,  абсолютное давление которого 0,3 МПа. Расход теплоты, получаемый в кубе – испарителе от греющего пара, найдём по уравнению:

              ,                                                                                           (3.1.71)

где – расход теплоты, получаемой в кубе – испарителе от греющего пара, кВт;

       , , – удельные теплоёмкости, взятые соответственно при температуре дефлегматора (), куба – испарителя ()и питания (), ;

        – тепловые потери, принимаемые в размере 3 % от полезно затраченной теплоты, .

 Температуры куба и питания определим по t – x, y диаграмме (рисунок). Удельные теплоёмкости определим исходя из справочных данных  /1, стр562/:

При                 ;

                            ;

                         .

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

44

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Подставив необходимые значения в формулу (3.1.62), получим:

Определим  по формуле (3.1.71):

Рассчитаем расход пара в кубе – испарителе по формуле (3.1.63):

Кубовый остаток поступает из нижней части колонны в холодильник кубового остатка при температуре кипения   и охлаждается до температуры 25. Охлаждающая вода при этом нагревается от = 20 до = 40.

Температурная схема процесса при противотоке теплоносителей:

                                                                   99       25

                                                                   40        20

Определим среднюю разность температур по формуле (3.1.59):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

45

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определим среднюю температуру охлаждающей воды в холодильнике кубового остатка по формуле:

                                                       ,                                     (3.1.72)

где – средняя температура воды в холодильнике кубового остатка,.

Средняя температура охлаждающей воды по формуле (3.1.58):

.

Среднюю температуру кубового остатка определим по формуле:

                                                         ,                                (3.1.73)

где – средняя температура кубового остатка, .

Рассчитаем среднюю температуру кубового остатка по формуле (3.1.73):

     Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

                                                     ,                                                                                                      (3.1.74)

где – расход теплоты в водяном холодильнике кубового остатка, кВт.

        – теплоёмкость кубового остатка при средней температуре , .

Теплоёмкости этанола и воды при средней температуре кубового остатка, определённые исходя из справочных данных, равны соответственно   /1, стр562/;   /1, стр562/.

Определим удельную теплоёмкость смеси по формуле (3.1.62):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

46

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определим расход теплоты в водяном холодильнике кубового остатка  по формуле (3.1.74):

Удельная теплоёмкость воды  при температуре равна 4190  /1, стр562/. Плотность воды  при  равна 995  /1, стр512/.

Подставим значения в формулу (3.1.66) и рассчитаем расход охлаждающей воды в холодильнике кубового остатка:

Общий расход греющего пара определим как сумму расхода пара в подогревателе исходной смеси и кубе – испарителе , выраженный в кг/с:

                                                ,                              (3.1.75)

Общий расход охлаждающей воды рассчитаем как сумму расхода воды в дефлегматоре – конденсаторе, водяном холодильнике дистиллята и в водяном холодильнике кубового остатка , выраженный в :

                                               ,                              (3.1.76)

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

47

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

3.2 Расчёт и подбор теплообменников

3.2.1 Рассчитаем теплообменный аппарат для подогрева питающей водно –этанольной  смеси перед подачей в колонну до температуры кипения. Нагрев производится греющим паром с абсолютным давлением 0,3 МПа. Расход питающей смеси  кг/с.

Для расчёта выберем кожухотрубчатый теплообменник. Направим подогреваемую смесь в трубное пространство, а греющий пар в межтрубное пространство теплообменника. Примем для межтрубного пространства индекс “1”, а  для трубного – “2”.

Данные для расчёта возьмём из пункта 3.1.8. Средняя температура подогреваемой смеси . Средняя разность температур . Температура конденсации греющего водяного пара . Расход теплоты на нагрев смеси  Вт.

Определим объёмный расход смеси по формуле:

                                                           ,                                          (3.2.1)

где – объёмный расход смеси, ;

      – плотность смеси при средней температуре, .

Плотность смеси определим по формуле (3.1.26). Массовая доля этанола в смеси . Плотность этанола при средней температуре смеси  равна 757,593  /1, стр512/, а плотность воды при той же температуре равна 984,796  /1,стр512/.                    Подставим значения в формулу (3.1.26) и рассчитаем плотность смеси:

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

48

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Рассчитаем объёмный расход смеси по формуле (3.2.1):

Зададимся ориентировочным минимальным  значением коэффициента теплопередачи. В нашем случае содержание органической жидкости в подогреваемой смеси невелико, следовательно, коэффициент теплопередачи можно определить как для воды. Примем коэффициент теплопередачи  равным 800 . 

Определим ориентировочную площадь поверхности теплопередачи по формуле:

                                                     ,                                    (3.2.2)

где  – ориентировочное значение площади поверхности теплопередачи, .

Рассчитаем ориентировочную площадь поверхности теплопередачи по формуле (3.2.2):

Для обеспечения турбулентного режима скорость в трубах должна быть выше скорости , м/с:

                                                     ,                                   (3.2.3.)

где – вязкость потока в трубах при средней температуре, ;

       – диаметр сечения потока (внутренний диаметр труб), м.

Вязкость этанола при средней температуре смеси  равна 0,634  /1,стр 516/, а вязкость воды при той же температуре равна 0,502  /1, стр514/. Мольная доля этанола в смеси . Вязкость смеси определим по формуле (3.1.29):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

49

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Диаметр труб примем  мм. Рассчитаем скорость  по формуле (3.2.3):

Число труб с принятым диаметром, обеспечивающих турбулентный режим при заданном объёмном расходе смеси,  рассчитаем так:

                                                   ,                                 (3.2.4.)

Условию (n/z) < 40,3 и с поверхностью теплообмена близкой к , соответствует двухходовой  z = 2  теплообменник с числом труб n = 56. Уточним значение критерия Рейнольдса Re для смеси:

                                                    ,                                   (3.2.5)

Критерий Прандтля для подогреваемой смеси при средней температуре рассчитаем по формуле:

                                                        ,                                       (3.2.6)

где – теплоёмкость смеси средней температуре, ;

      – теплопроводность смеси средней температуре, . 

Теплоёмкость  этанола при средней температуре смеси  равна 2983,28  /1, стр562/, теплоёмкость воды при той же температуре равна 4190 /1, стр562/.    

Рассчитаем теплоёмкость смеси при средней температуре по формуле (3.1.62):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

50

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определим теплопроводность смеси при средней температуре по формуле:

                                               ,                              (3.2.7)

где  и  – теплоёмкость этанола и воды соответственно, .

Теплопроводность чистых компонентов определим по справочнику. Теплопроводность этанола  при 55,959 равна 0,175  /1, стр561/, теплопроводность воды при 55,959 равна 0,709  /1, стр561/.    

Рассчитаем теплопроводность смеси при средней температуре по формуле(3.2.7):

Рассчитаем критерий Прандтля для смеси при средней температуре по формуле (3.2.6):

Определим критерий Нуссельта для смеси (для теплопередачи при развитом турбулентном течении в прямых трубах) по следующей формуле:

                                  ,                 (3.2.8)

где – критерий Прандтля для смеси при температуре стенки;

       – коэффициент.

Значение коэффициента  находят по табличной зависимости от режима течения и от значения отношения  , где H – высота (в метрах), а d – внутренний диаметр труб (в метрах). Примем  равным 1.

Примем значение отношения  (с последующей проверкой).

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

51

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Рассчитаем критерий Нуссельта для смеси по формуле (3.2.8):

Коэффициент теплоотдачи от стенки 2 к смеси определим по формуле:

                                                       ,                                      (3.2.9)

где – коэффициент теплоотдачи от стенки 2 к смеси, .

Определим коэффициент теплоотдачи от стенки 2 к смеси по формуле (3.2.9):

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке вертикальных труб определим по формуле:

                                                  ,                               (3.2.10)

где– коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенки 1, ;

      – функция для греющего пара, зависящая от температуры конденсации (при  её значение равно 7356);

      – разность между температурой стенки 1 и температурой конденсации, .

Примем значение высоты труб Н равным 3 метра. Значение  примем равным 12. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенки 1 по формуле (3.2.10):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

52

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Рассчитаем коэффициент теплопередачи по формуле:

                                                 ,                              (3.2.11)

где K – коэффициент теплопередачи, ;

      – сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений (со стороны греющего пара и подогреваемой смеси), .

Сумму термических сопротивлений определим по формуле:

                                              ,                           (3.2.12)

где  и  – термические сопротивления со стороны греющего пара и подогреваемой смеси соответственно, ;

       – толщина стенки, равная 0,002 м.

       – теплопроводность стенки, .

Термическое сопротивление со стороны греющего пара  примем равным  /1,стр531/. Термическое сопротивление со стороны подогреваемой смеси  примем равным  /1, стр513/. Теплопроводность стали примем равной 46,5  /1,стр529/.

Определим сумму термических сопротивлений по формуле (3.2.12):

Определим коэффициент теплопередачи по формуле (3.2.11):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

53

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определим поверхностную плотность теплового потока, :

                                                         ,                                      (3.2.13)

Проверим принятое значение , выраженное в ,  по формуле:

                                                           ,                                        (3.2.14)

Расхождение с принятым значением составляет 3  %, что допустимо.

Определим разность между температурой стенки 2 и средней температурой исходной смеси  по формуле, :

                                                           ,                                       (3.2.15)

Определим температуру стенки 2:

                                                      ,                                   (3.2.16)

где  – температура стенки 2, .

Рассчитаем температуру стенки 2 по формуле (3.2.16):

Определим критерий Прандтля для смеси при температуре стенки по формуле:

                                                   ,                               (3.2.17)                                                                                       

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

54

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

где  – теплоёмкость смеси температуре стенки 2, ;

       – вязкость смеси при температуре стенки, ;

       – теплопроводность смеси температуре стенки 2, .

Теплоёмкость этанола при 90,496 равна 3331,05  /1, стр562/, теплоёмкость воды при той же температуре 4399,5  /1,стр 562/.

Рассчитаем теплоёмкость смеси при температуре стенки 2 по формуле (3.1.62):

Теплопроводность этанола при 90,496 равна 0,164  /1, стр561/, а теплопроводность воды при той же температуре равна 0,672  /1, стр561/.   Рассчитаем теплопроводность смеси при температуре стенки по формуле (3.2.7):

Вязкость этанола при 90,496  равна 0,377  /1, стр516/, а вязкость воды при той же температуре равна 0,323  /1,стр514/. Вязкость смеси определим по формуле (3.1.29):

;

  Определим критерий Прандтля для смеси при 90,496 по формуле (3.2.17):

Найдём расчётное значение отношения  и сверим его с принятым:

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

55

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Расхождение составляет около 3,5 %, что допустимо.

Определим расчётную площадь поверхности теплопередачи по формуле:

                                                           ,                                        (3.2.18)

где – расчётная площадь поверхности теплопередачи, .

 Рассчитаем площадь поверхности теплопередачи по формуле (3.2.18):

Кожухотрубчатый теплообменник с диаметром труб  мм,  числом труб n = 56, высотой труб Н = 3 м, диаметром кожуха D = 325 мм имеет площадь поверхности теплообмена F = 13.

Определим тепловой запас этого теплообменника, выраженный в процентах:

                                                   ,                                      (3.2.19)

               Тепловой запас больше 10%, следовательно, принимаем этот теплообменник. Ввиду того что  больше 30  принимаем теплообменный аппарат с линзовыми компенсаторами неодинаковых температурных удлинений кожуха и труб (типа ТК)  /1, стр534/ .

Рассчитаем гидравлическое сопротивление выбранного теплообменника.

Определим скорость жидкости в трубах , выраженную в м/с, по формуле:

                                                          ,                                       (3.2.20)

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

56

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

где – площадь сечения трубного пространства, .

Для выбранного теплообменника площадь трубного сечения равна 0, 01 .Рассчитаем скорость жидкости в трубах по формуле (3.2.20):

Коэффициент трения  для режима течения с критерием Рейнольдса более 2300 определяется по формуле:

                                       ,                     (3.2.21)

где е – относительная шероховатость труб.

Относительная шероховатость труб  вычисляется так:

                                                             ,                                           (3.2.22)

где – абсолютная шероховатость труб, м;

       d – диаметр трубы, м.

Примем абсолютную шероховатость труб равной м. Определим коэффициент трения в трубах подогревателя по формуле (3.2.21):

Скорость жидкости в штуцерах , выраженную в м/с, определим по формуле:

                                                    ,                                  (3.2.23)

где – диаметр штуцеров в распределительной камере, м.

Для двухходового теплообменника с диаметром кожуха равным 325 мм, диаметр штуцеров в распределительной камере равен 0,1 м. Определим скорость жидкости в штуцерах по формуле (3.2.23):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

57

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве ,выраженное в Па, рассчитаем по формуле:

               .                                                                           (3.2.24)

Определим гидравлическое сопротивление в трубном пространстве по формуле (3.2.24):

3.2.2.  Рассчитаем теплообменный аппарат для конденсации паров дистиллята. Охлаждение производится водой. Для расчёта выберем кожухотрубчатый теплообменник. Направим конденсируемые пары в межтрубное пространство, а охлаждающую воду в трубное пространство теплообменника. Примем для трубного пространства индекс “1”, а  для межтрубного – “2”. Необходимые данные для расчёта возьмём из пункта (3.1.8). Температура конденсации паров дистиллята ; средняя температура охлаждающей воды  средняя разность температур ; расход охлаждающей воды   расход теплоты в дефлегматоре – конденсаторе  Вт.

 Зададимся ориентировочным минимальным  значением коэффициента теплопередачи. В нашем случае содержание органической жидкости в подогреваемой смеси невелико, следовательно, коэффициент теплопередачи можно определить как для воды. Примем коэффициент теплопередачи  равным 600 .

Определим максимальную площадь поверхности теплопередачи по формуле (3.2.2):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

58

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

  Вязкость воды  при 30,608равна 0,791  /1, стр514/, плотность воды при той же температуре равна 994,793  /1, стр512/. Диаметр труб примем равным  мм. Определим минимальную скорость потока в трубах, которая обеспечивала бы развитый турбулентный режим  по формуле (3.2.3):

Число труб с принятым диаметром, обеспечивающих турбулентный режим при заданном объёмном расходе охлаждающей воды,  рассчитаем по формуле (3.2.4):

Условию (n/z) < 219,292  и с поверхностью теплообмена близкой к , соответствует  двухходовой z = 2  теплообменник с числом труб n = 240. Уточним значение критерия Рейнольдса Re для охлаждающей воды по формуле (3.2.5):

         Теплопроводность для воды  при 30,608  равна 0,593  /1,стр561/. Теплоёмкость для воды при той же температуре равна 4190  /1, стр562/.

               Определим критерий Прандтля для воды по формуле (3.2.6):

Примем  равным 1. Примем значение отношения . Рассчитаем критерий Нуссельта для воды по формуле (3.2.8):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

59

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определим коэффициент теплоотдачи от стенки 2 к воде по формуле (3.2.9):

Коэффициент теплоотдачи  от конденсирующейся смеси к стенке 1 на пучке горизонтальных  труб определим по формуле:

                                            ,                         (3.2.25)

где  – справочный коэффициент, принимаемый обычно равным 0,7;

      – теплопроводность конденсата при температуре конденсации, ;

      – плотность конденсата при температуре конденсации, ;

       L – длина труб, м;

      – вязкость конденсата при температуре конденсации, ;

      – массовый расход дистиллята, кг/с.

Теплопроводность этанола при 78,8  равна 0,166  /1, стр561/, а теплопроводность воды при той же температуре равна 0,675  /1, стр561/. Определим теплопроводность дистиллята при 78,8  по формуле (3.2.7):

  Плотность этанола при 78,8 равна 736,140  /1, стр512/, а плотность воды при той же температуре равна 982,721  /1, стр512/. Определим плотность дистиллята по формуле (3.1.26):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

60

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Вязкость этанола при 78,8 равна 0,444  /1, стр516/, а вязкость воды при этой же температуре равна 0,364  /1, стр514/. Определим вязкость дистиллята по формуле (3.1.29):

Выберем теплообменник с длиной труб равной 4 метрам. Массовый расход дистиллята определим из формулы:

                                                     .                                  (3.2.26)

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи от конденсирующейся смеси к стенки 1 по формуле (3.2.25):

Термическое сопротивление со стороны конденсирующихся паров  примем равным  /1, стр531/. Термическое сопротивление со стороны охлаждающей воды  примем равным  /1, стр531/. Теплопроводность стали, примем равной 46,5  /1, стр529/.

Определим сумму термических сопротивлений по формуле (3.2.12):

Коэффициент теплопередачи определим по формуле (3.2.11):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

61

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определим поверхностную плотность q теплового потока по формуле (3.2.13):

Определим разность между температурой стенки 2 и средней температурой воды ,по формуле (3.2.15):

Определим температуру стенки 2 по формуле (3.2.16):

Проверим принятое значение отношения , для этого определим критерий Прандтля для воды при температуре стенки 2. Теплопроводность воды при температуре стенки 2 равной 42,234 равна 0,642  /1, стр561/, вязкость воды равна 0,613  /1, стр514/, а теплоёмкость при той же температуре 4190  /1, стр562/. Определим критерий Прандтля для воды при 42,234  по формуле (3.2.17):

Найдём расчётное значение отношения  и сверим его с принятым:

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

62

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Расхождение составляет примерно 3,5  %, что допустимо.

Рассчитаем площадь поверхности теплопередачи по формуле (3.2.18):

Кожухотрубчатый теплообменник с диаметром труб  мм,  числом труб n = 240, длиной труб L = 4 м, диаметром кожуха D = 600 мм имеет площадь поверхности теплообмена F = 75 .

Определим тепловой запас этого теплообменника, выраженный в процентах по формуле (3.2.19):

              Тепловой запас больше 10%, следовательно, принимаем этот теплообменник. Т.к.  больше 40, то выбираем аппарат типа ТН  /1, стр534/.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление выбранного теплообменника.

Определим скорость воды в трубах , выраженную в м/с, по формуле:

                                                           .                              (3.2.27)

Рассчитаем скорость жидкости в трубах по формуле (3.2.27):

Примем абсолютную шероховатость труб равной м. Определим коэффициент трения в трубах подогревателя по формуле (3.2.21):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

63

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Для двухходового теплообменника с диаметром кожуха равным 600 мм, диаметр штуцеров в распределительной камере равен 0,2 м. Определим скорость жидкости в штуцерах по формуле (3.2.23):

Определим гидравлическое сопротивление в трубном пространстве по формуле (3.2.24):

3.2.3 Рассчитаем теплообменный аппарат для охлаждения дистиллята. Охлаждение дистиллята производится водой. Для расчёта выберем кожухотрубчатый теплообменник. Направим охлаждаемую смесь в межтрубное пространство, а охлаждающую воду в трубное пространство теплообменника. Примем для межтрубного пространства индекс “1”, а  для трубного – “2”. Необходимые данные для расчёта возьмём из пункта (3.1.8). Средняя температура дистиллята . Средняя температура охлаждающей воды . Средняя разность температур  . Массовый расход смеси  кг / с. Объёмный расход охлаждающей воды . Расход теплоты  Вт. 

Минимальное ориентировочное значение коэффициента теплопроводности  примем равным 250 , как при охлаждении водой углеводородной жидкости.

Рассчитаем ориентировочную площадь поверхности теплопередачи по формуле (3.2.2):

Близкой площадью поверхности теплопередачи обладает кожухотрубчатый теплообменник с диаметром кожуха D = 600 мм, диаметром труб  мм, числом труб n = 240, числом ходов .

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

64

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определим скорость охлаждающей воды в трубах по формуле:

                                                ,                             (3.2.28)

где – скорость охлаждающей воды в трубах, м / с;

       – внутренний диаметр труб, равный 0,021 м.

Рассчитаем скорость охлаждающей воды по формуле (3.2.28):

Определим критерий Рейнольдса для воды при средней температуре по формуле:

                                                    ,                                 (3.2.29)

где – критерий Рейнольдса;

      – плотность воды при средней температуре, ;

      – вязкость охлаждающей воды при средней температуре, .

Плотность воды при температуре 30 равна 995  /1, стр512/, вязкость воды при той же температуре равна 0,801  /1, стр514/. 

Рассчитаем критерий Рейнольдса для воды по формуле (3.2.29):

Определим скорость смеси в межтрубном пространстве по формуле:

                                                         ,                                      (3.2.30)

где – скорость смеси в трубах, м / с;

       – плотность смеси при средней температуре, ;

      – проходное сечение межтрубного пространства, .

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

65

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Плотность этанола при 46,503  равна 766,154  /1, стр512/, а плотность воды при той же температуре равна 989,077  /1, стр512/. Определим плотность смеси по формуле (3.1.26):

 Для выбранного теплообменника проходное сечение межтрубного пространства равно . Рассчитаем скорость смеси по формуле (3.2.30):

Определим критерий Рейнольдса по формуле:

                                                     ,                                  (3.2.31)

где – критерий Рейнольдса для смеси;

       – наружный диаметр трубы, м;

       – плотность смеси при средней температуре, .

Вязкость этанола при 46,503  равна 0,744  /1, стр516/ , а вязкость воды при той же температуре равна 0,586  /1, стр514/. Определим вязкость смеси по формуле (3.1.29):

Рассчитаем критерий Рейнольдса для смеси по формуле (3.2.31):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

66

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Зададимся значениями температур стенок  и . Так как средняя температура дистиллята  и средняя температура охлаждающей воды , то примем температуру стенки, прилегающей к дистилляту , а температуру стенки, прилегающей к охлаждающей воде .

Критерий Нуссельта для дистиллята определим по формуле для теплоотдачи при поперечном обтекании пучка труб,  и шахматном расположении труб:

                                  ,               (3.2.32)

где – критерий Нуссельта для дистиллята;

       – коэффициент, учитывающий влияние угла атаки, обычно принимаемый равным 0,6;

       – критерий Прандтля для дистиллята при средней температуре;

       – критерий Прандтля для дистиллята при температуре стенки.

Критерий Прандтля для дистиллята при средней температуре рассчитаем по формуле:

                                                         ,                                      (3.2.33)

где – теплоёмкость дистиллята средней температуре, ;

      – теплопроводность дистиллята средней температуре, . 

Теплоёмкость этанола при средней температуре дистиллята 46,503  равна 2856  /1, стр562/, теплоёмкость воды при той же температуре равна 4190  /1 ,стр562/. Рассчитаем теплоёмкость дистиллята по формуле (3.1.61):

Теплопроводность чистых компонентов определим по справочнику. Теплопроводность этанола при 46,503 равна 0,174  /1,стр561/, теплопроводность воды при 46,503 равна 0,644 /1, стр561/.    

Рассчитаем теплопроводность смеси при средней температуре по формуле (3.2.7):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

67

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Рассчитаем теплопроводность смеси при средней температуре по формуле (3.2.7):

Рассчитаем критерий Прандтля для дистиллята при средней температуре по формуле (3.2.33):

Определим критерий Прандтля для дистиллята при температуре стенки по формуле:

                                                     ,                                 (3.2.24)

где  – теплоёмкость дистиллята при температуре стенки 1, ;

       – вязкость дистиллята при температуре стенки 1, ;

       – теплопроводность дистиллята при температуре стенки 1, .

Теплоёмкость этанола при 38 равна 2740  /1, стр562/, теплоёмкость воды при той же температуре 4190  /1, стр562/. Рассчитаем теплоёмкость дистиллята при температуре стенки 1 по формуле (3.1.61):

  Теплопроводность этанола  при 38 равна 0,178  /1, стр561/, а теплопроводность воды при той же температуре равна 0,634  /1, стр561/. Рассчитаем теплопроводность дистиллята при температуре стенки по формуле(3.2.7):

Вязкость этанола при 38 равна 0,725 /1, стр516/, а вязкость воды при той же

температуре равна 0,570  /1, стр514/. Вязкость дистиллята определим по формуле (3.1.29):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

68

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

  Определим критерий Прандтля для дистиллята при 38по формуле (3.2.24):

Рассчитаем критерий Нуссельта для дистиллята по формуле (3.2.32):

Коэффициент теплоотдачи от дистиллята к стенки 1 определим по формуле:

                                                        ,                                    (3.2.35)

где – коэффициент теплоотдачи от стенки 1 к смеси, .

Определим коэффициент теплоотдачи от стенки 1 к смеси по формуле (3.2.35):

Для выбора расчётной формулы для определения критерия Нуссельта охлаждающей воды определим значение произведения  при определяющей температуре – средней температуре пограничного слоя. Среднюю температуру пограничного слоя , выраженную в , найдём по формуле:

                                                      ,                                   (3.2.36)

Определим критерий Прандтля для воды при средней температуре пограничного слоя по формуле:

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

69

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определим критерий Прандтля для воды при средней температуре пограничного слоя по формуле:

                                                    ,                                 (3.2.37)

где  – теплоёмкость воды при средней температуре пограничного слоя, ;

       – вязкость воды при средней температуре пограничного слоя, ;

       – теплопроводность воды при средней температуре пограничного слоя, .

Теплоёмкость воды  при 32,5  равна 4190 /1, стр562/, вязкость воды при той же температуре равна 0,629  /1, стр514/, теплопроводность воды  равна 0,635  /1, стр561/.

  Определим критерий Прандтля для воды при 35 по формуле (3.2.37):

Определим критерий Грасгоффа для воды при средней температуре пограничного слоя по формуле:

                                          ,                       (3.2.38)

где – плотность воды при средней температуре пограничного слоя, ;

      – коэффициент объёмного расширения воды при средней температуре пограничного слоя;

       – разность между температурой стенки 2 и температурой воды, .

Плотность воды при 32,5 равна 994,250  /1, стр512/, коэффициент объёмного расширения воды при 32,5  равен  /1, стр531-532/. Разность между температурой стенки и воды , выраженную в , определим по формуле:

                                                            ;                              (3.2.39)                                         

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

70

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Рассчитаем критерий Грасгоффа для воды при 35  по формуле (3.2.38):

Определим произведение :

Полученное произведение больше , следовательно (так как и критерий Рейнольдса лежит в пределах от 250 до 10000),  для определения критерия Нуссельта для воды воспользуемся следующей формулой:

                                   ,                (3.2.40)

где – критерий Прандтля для воды при температуре средней температуре;

      – вязкость воды при температуре стенки, .

Определим критерий Прандтля для воды при средней температуре по формуле:

                                                        ,                                     (3.2.41)

где  – теплоёмкость воды при средней температуре, ;

       – теплопроводность воды при средней температуре, .

Теплоёмкость воды  при 30  равна 4190 /1, стр562/, теплопроводность воды при той же температуре равна 0,611  /1, стр561/. Вязкость воды  при 35  равна 0,801  /1, стр514/.

  Определим критерий Прандтля для воды при 30 по формуле (3.2.41):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

71

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Рассчитаем критерий Нуссельта для воды по формуле (3.2.40):

Определим коэффициент теплоотдачи от стенки 2 к охлаждающей воде по формуле (3.2.9):

Термическое сопротивление со стороны дистиллята  примем равным  /1, стр531/. Термическое сопротивление со стороны охлаждающей воды  примем равным  /1, стр531/. Теплопроводность стали, примем равной 46,5  /1, стр529/.

Определим сумму термических сопротивлений по формуле (3.2.12):

Коэффициент теплопередачи определим по формуле (3.2.11):

Определим поверхностную плотность q теплового потока по формуле (3.2.13):

Определим разность между температурой стенки 2 и средней температурой воды , по формуле (3.2.19):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

72

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определим температуру стенки 2 по формуле (3.2.16):

Определим разность между температурой стенки 1 и средней температурой дистиллята , выраженную в ,  по формуле:

                                                           ,                                        (3.2.42)

Определим расчётную температуру стенки 1 по формуле:

                                                       ,                                    (3.2.43)

Принятые значения отличаются от расчётных менее на 1 % и 2,15 %, следовательно, можно принять эти температуры. 

Определим требуемую поверхность теплопередачи по формуле (3.2.18):

     Примем теплообменник с высотой труб, равной 6 метрам и площадью поверхности теплопередачи равной 113 .

Определим тепловой запас этого теплообменника по формуле (3.2.19):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

73

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Тепловой запас больше 10%, следовательно, принимаем этот теплообменник. Т.к  меньше 40 , то принимаем теплообменник типа ХН /1, стр534/.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление выбранного теплообменника.

Рассчитаем скорость жидкости в трубах по формуле (3.2.20):

Примем абсолютную шероховатость труб равной м. Определим коэффициент трения в трубах подогревателя по формуле (3.2.11):

Для двухходового теплообменника с диаметром кожуха равным 600 мм, диаметр условного прохода штуцеров в распределительной камере равен 0,2 м. Определим скорость жидкости в штуцерах трубного пространства по формуле (3.2.23):

Определим гидравлическое сопротивление в трубном пространстве по формуле (3.2.24):

Определим гидравлическое сопротивление межтрубного пространства , выраженное в Па, по формуле:

                      ,   (3.2.44)

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

74

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

где m – число рядов труб, омываемых потоком;

       x – число сегментных перегородок,

      – скорость жидкости в штуцерах межтрубного пространства, м/с.

Определим число рядов труб по формуле:

                                                    ,                                 (3.2.45)

Округляя в большую сторону, получим m = 9. Число сегментных перегородок для выбранного теплообменника x = 18. Скорость жидкости в штуцерах межтрубного пространства определим по формуле:

                                            ,                              (3.3.46)

где – диаметр условного прохода для штуцеров межтрубного пространства, м.

Для выбранного теплообменника диаметр условного прохода для штуцеров межтрубного пространства равен 0,2 м. Рассчитаем скорость жидкости в штуцерах межтрубного пространства по формуле (3.2.46):

Рассчитаем гидравлическое сопротивление межтрубного пространства по формуле (3.2.44):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

75

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

3.2.4. Рассчитаем теплообменный аппарат для испарения кубовой жидкость. Испарение происходит греющим паром с абсолютным давлением 0,3 МПа.

Для расчёта выберем кожухотрубчатый теплообменник. Направим кубовую жидкость в трубное пространство, а греющий пар в межтрубное пространство теплообменника. Примем для межтрубного пространства индекс “1”, а  для трубного – “2”.

Данные для расчёта возьмём из пункта 3.1.8. (Тепловой баланс).

Температура кипения кубовой жидкости . Температура конденсации греющего водяного пара . Расход теплоты на испарение смеси  Вт. Расход греющего пара   кг/с.

Определим среднюю разность температур , выраженную в, по формуле:

                                                        ,                                     (3.2.47)

Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи  равным 1400 . Ориентировочное значение площади поверхности теплопередачи рассчитаем по формуле (3.2.2):

Близкой поверхностью обладает кожухотрубчатый теплообменник с диаметром кожуха D =400  мм, диаметром труб  мм, числом ходов z =1, числом труб n =111, высотой труб H =6 м, поверхность теплообмена  .

Определим тепловой поток, решив следующее уравнение:

                                    ,                 (3.2.48)

где А и В – коэффициенты, зависящие от свойств греющего пара и воды;

      q – тепловой поток, .

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

76

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определим коэффициент А по формуле:

                                              ,                           (3.2.49)

где – теплопроводность конденсата греющего пара при температуре конденсации, ;

       – плотность конденсата греющего пара при температуре конденсации, ;

        – теплота конденсации водяного пара, Дж/кг;

       – вязкость конденсата греющего пара при температуре конденсации, .

Теплопроводность воды  при 132,9  равна 0,678  /1, стр561/. Плотность воды при 132,9  равна 927  /1, стр512/. Вязкость воды при132,9  равна 0,150  /1, стр514/. Теплота конденсации паров греющего пара  равна 2171 кДж/кг /1, стр541-542/.   

Рассчитаем коэффициент А по формуле (3.2.49):

Определим коэффициент В по формуле:

                                  ,               (3.2.50)

где – теплопроводность кубовой жидкости при температуре кипения, ;

– поверхностное натяжение кубовой жидкости при температуре кипения, Н/м;

        – плотность кубовой жидкости при температуре кипения, ;

        – теплота парообразования кубовой жидкости, Дж/кг;

– плотность паров кубовой жидкости при атмосферном давлении, ; 

       – теплоёмкость кубовой жидкости при температуре кипения, ;

        – вязкость кубовой жидкости при температуре кипения, .

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

77

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Теплопроводность этанола  при  99  равна 0,163 /1, стр561/, теплопроводность воды при той же температуре равна 0,681  /1,стр561/. Определим теплопроводность смеси по формуле (3.2.7):

Поверхностное натяжение этанола при 99  равно 16,2 мН/м /1, стр526-527/, поверхностное натяжение воды при той же температуре равно 59 мН/м /1, стр526-527/. Определим поверхностное натяжение смеси по формуле (3.1.49):

Плотность этанола  при 99  равна 721  /1, стр512/, плотность воды при той же температуре равна 963  /1, стр512/. Определим плотность смеси по формуле (3.126):

Теплоёмкость этанола при 99  равна 3431  /1, стр562/, теплоёмкость воды при той же температуре равна 4525  /1, стр562/. Определим теплоёмкость смеси по формуле (3.1.61):

Плотность паров смеси при атмосферном давлении рассчитаем по формуле:

                                                     ,                                  (3.2.51)

где М – молярная масса смеси, г/моль;

      – температура кипения смеси, К.

Определим молярную массу смеси по формуле:

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

78

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

,

Определим плотность паров смеси по формуле (3.2.51):

Вязкость этанола при 99  равна 0,327  /1,стр516/, вязкость воды при той же температуре равна 0,287 /1, стр514/. Определим вязкость смеси по формуле (3.1.29):

Рассчитаем коэффициент В по формуле (3.2.50):

Термическое сопротивление со стороны греющего пара  примем равным  /1, стр531/. Термическое сопротивление со стороны смеси  примем равным (как для воды среднего качества при высоких температурах)        /1, стр531/. Теплопроводность стали примем равной 46,5  /1, стр529/.

Определим сумму термических сопротивлений по формуле (3.2.12):

Решим уравнение (3.2.48) относительно q:

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

79

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

               Решением этого уравнения является .

Рассчитаем площадь поверхности теплопередачи по формуле (3.2.18):

Определим тепловой запас этого теплообменника по формуле (3.2.19):

Тепловой запас больше 10%, следовательно, принимаем этот теплообменник. Т.к.  меньше 40, то принимаем теплообменник типа ИК /1, стр534/.

3.2.5 Рассчитаем теплообменный аппарат для теплообмена между кубовым остатком и охлаждающей водой. Для расчёта выберем кожухотрубчатый теплообменник. Направим охлаждаемую смесь в межтрубное пространство, а охлаждающую воду в трубное пространство теплообменника. Примем для межтрубного пространства индекс “1”, а  для трубного – “2”. Необходимые данные для расчёта возьмём из пункта (3.1.8). Средняя температура кубового остатка . Средняя температура охлаждающей воды . Средняя разность температур  . Объёмный расход охлаждающей воды . Объемный расход дистиллята . Расход теплоты  Вт.

Минимальное ориентировочное значение коэффициента теплопроводности  примем равным 250 , как при охлаждении водой углеводородной жидкости.

Рассчитаем ориентировочную площадь поверхности теплопередачи по формуле (3.2.2):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

80

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Вязкость воды  при 30 равна 0,801  /1, стр514/, плотность воды при той же температуре равна 995  /1, стр512/. Диаметр труб примем равным  мм. Определим минимальную скорость потока в трубах  по формуле (3.2.3):

Число труб с принятым диаметром, обеспечивающих турбулентный режим при заданном объёмном расходе охлаждающей воды,  рассчитаем по формуле (3.2.4):

Условию (n/z) < 55,309  и с поверхностью теплообмена близкой к , соответствует  шестиходовой z = 6  теплообменник с числом труб n = 196. Уточним значение критерия Рейнольдса Re для трубного пространства по формуле (3.2.5):

             Теплопроводность для воды  при 30  равна 0,66  /1,стр561/. Теплоёмкость для воды при той же температуре равна 4190  /1, стр562/. Определим критерий Прандтля для воды по формуле (3.2.6):

Определим скорость смеси в межтрубном пространстве по формуле:

                                                         ,                                      (3.2.30)

где – скорость смеси в трубах, м / с;

       – плотность смеси при средней температуре, ;

      – проходное сечение межтрубного пространства, .

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

81

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Плотность этанола при 51,88  равна 761,309  /1, стр512/, а плотность воды при той же температуре равна 986,654  /1, стр512/. Определим плотность смеси по формуле (3.1.26):

 Для выбранного теплообменника проходное сечение межтрубного пространства равно . Рассчитаем скорость смеси по формуле (3.2.30):

Определим критерий Рейнольдса по формуле:

                                                     ,                                 (3.2.31)

где – критерий Рейнольдса для смеси;

       – наружный диаметр трубы, м;

       – плотность смеси при средней температуре, .

Вязкость этанола при 51,88  равна 0,680  /1, стр516/ , а вязкость воды при той же температуре равна 0,534  /1, стр514/. Определим вязкость смеси по формуле (3.1.29):

Рассчитаем критерий Рейнольдса для смеси по формуле (3.2.31):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

82

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Критерий Нуссельта для кубового остатка определим по формуле (3.2.32):

                                  ,                           

где – критерий Нуссельта для кубового остатка;

       – коэффициент, учитывающий влияние угла атаки, обычно принимаемый равным 0,6;

       – критерий Прандтля для кубового остатка при средней температуре;

       – критерий Прандтля для кубового остатка при температуре стенки.

Критерий Прандтля для кубового остатка при средней температуре рассчитаем по формуле(3.2.33):

                                                         ,                                                 

где – теплоёмкость кубового остатка при средней температуре, ;

      – теплопроводность кубового остатка при средней температуре, . 

Теплоёмкость этанола при средней температуре кубового остатка 51,88  равна 2899  /1, стр562/, теплоёмкость воды при той же температуре равна 4190  /1 ,стр562/. Рассчитаем теплоёмкость кубового остатка  по формуле (3.1.61):

Теплопроводность этанола при 51,88 равна 0,176  /1,стр561/, теплопроводность воды при 51,88  равна 0,652 /1, стр561/.    

Рассчитаем теплопроводность смеси при средней температуре по формуле (3.2.7):

Рассчитаем критерий Прандтля для  кубового остатка при средней температуре по формуле (3.2.33):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

83

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Примем значение отношения . Рассчитаем критерий Нуссельта для кубового остатка по формуле (3.2.32):

Коэффициент теплоотдачи от кубового остатка к стенке 1 определим по формуле (3.2.35):

                                                        ,                                                 

где – коэффициент теплоотдачи от стенки 1 к смеси, .

Определим коэффициент теплоотдачи от стенки 1 к смеси:

   Определим критерий Прандтля для воды по формуле (3.2.6):

Примем  равным 1. Примем значение отношения . Рассчитаем критерий Нуссельта для воды по формуле (3.2.8):

Определим коэффициент теплоотдачи от стенки 2 к воде по формуле (3.2.9):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

84

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Термическое сопротивление со стороны конденсирующихся паров  примем равным  /1, стр531/. Термическое сопротивление со стороны охлаждающей воды  примем равным  /1, стр531/. Теплопроводность стали, примем равной 46,5  /1, стр529/.

Определим сумму термических сопротивлений по формуле (3.2.12):

 Коэффициент теплопередачи определим по формуле (3.2.11):

Определим поверхностную плотность q теплового потока по формуле (3.2.13):

Определим разность между температурой стенки 1 и средней температурой воды , по формуле (3.2.15):

Определим температуру стенки 1 по формуле (3.2.16):

Проверим принятое значение отношения .

Теплоёмкость этанола при 40,748 равна 2807  /1, стр562/, теплоёмкость воды при той же температуре 4,190  /1, стр562/. Рассчитаем теплоёмкость кубового остатка при температуре стенки 1 по формуле (3.1.62):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

85

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

  Теплопроводность этанола  при 40,748 равна 0,179  /1, стр561/, а теплопроводность воды при той же температуре равна 0,637  /1, стр561/. Рассчитаем теплопроводность кубового остатка при температуре стенки по формуле(3.2.7):

               Вязкость этанола при 40,748 равна 0,785 /1, стр516/, а вязкость воды при той же температуре равна 0,621  /1, стр514/. Вязкость кубового остатка определим по формуле (3.1.29):

  Определим критерий Прандтля для дистиллята при 40,748по формуле (3.2.24):

Найдём расчётное значение отношения  и сверим его с принятым:

Разница между принятым значением и принятым составляет 0,74 %, что допустимо.

Определим разность между температурой стенки 2 и средней температурой воды , по формуле (3.2.19):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

86

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определим температуру стенки 2 по формуле (3.2.16):

Проверим принятое значение отношения . Для этого определим критерий Прандтля для воды при температуре стенки 2. Теплопроводность воды при температуре стенки 2 равной 33,230 равна 0,642  /1, стр561/, вязкость воды равна 0,723  /1, стр514/, а теплоёмкость при той же температуре 4170  /1, стр562/. Определим критерий Прандтля для воды при 33,230  по формуле (3.2.17):

Найдём расчётное значение отношения  и сверим его с принятым:

Разница между принятым значением и принятым составляет 3,6  %, что допустимо.

Рассчитаем площадь поверхности теплопередачи по формуле (3.2.18):

Кожухотрубчатый теплообменник с диаметром труб  мм,  числом труб n = 196, длиной труб L = 6 м, диаметром кожуха D = 600 мм имеет площадь поверхности теплообмена F = 91 .

Определим тепловой запас этого теплообменника, выраженный в процентах по формуле (3.2.19):

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

87

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Тепловой запас больше 10%, следовательно, принимаем этот теплообменник. Т.к.  меньше 40, то принимаем теплообменник типа ИК /1, стр.534/.

3.3 Оптимальный диаметр трубопровода

Подберем насос для перекачивания органической смеси этанол-вода при температуре 20 °С из емкости через подогреватель в ректификационную колонну. Расход смеси 3,5 кг/с.Геометрическая высота подъема смеси 8,4 м. Длина трубопровода на линии всасывания 3 м, на линии нагнетания 15,4 м.  На линии всасывания расположены два вентиля (примем как прямоточные) и два колена под углом 90°. На линии нагнетания два вентиля (примем как нормальные) и три колена под углом 90°.

Для всасывающей и нагнетательной линии примем одинаковую скорость течения смеси 2 м/с, /1, стр 16/. Тогда диаметр трубопровода будет:

 ,

где   d – диаметр трубопровода, м;

   G – массовый расход смеси, кг/с;

   w – скорость смеси в трубопроводе, м/с;

   r – плотность смеси, кг/м³;

             r = 904,977  кг/м³,  /4, стр 427/.

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

88

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Примем диаметр трубопровода 57 ´ 3,5 мм из углеродистой стали, /1, стр 17/. Следовательно, фактическая скорость в трубах:

Рассчитаем критерий Рейнольдса по формуле:

                                                                          ,                                                                                                                      где   Re – критерий Рейнольдса;

    w – скорость смеси в трубопроводе, м/с;

    d – диаметр трубопровода, м;

    r – плотность смеси, кг/м³;

    m – динамическая вязкость смеси, Па×с;

m = 1,035*10^-3 Па×с, /4, стр 516/.

Следовательно, смесь транспортируется при турбулентном режиме.                                            

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

89

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

3ХБ1.1.10.0000ПЗ

Лист

90

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата