Тепловой баланс колонны

По фазовой диаграмме находим температуру кипения исходной смеси:

t_f=104 ⁰C (x_f=0.52).

Температура кипения дистиллята:

t_d=100.6 ⁰C (x_d=0.9).

Температура кипения остатка:

t_w=115.4 ⁰C (x_w=0.048).

Количество тепла вносимое начальной смесью:

;

.

С_к – удельная теплоёмкость уксусной кислоты, ккал/(кг×⁰С);

С_в – удельная теплоёмкость воды, ккал/(кг×⁰С).

Теплота вносимая флегмой:

;

ккал/с =1729 кДж/с.

Количество тепла вносимое в колонну греющим паром:

;

где i, i_к – энтальпии водяного пара и его конденсата при атмосферном давлении, i=634.8ккал/кг = 2658 кДж/кг, i_к= 89,03 ккал/кг = 372,8 кДж/кг;

D – расход греющего пара.

Тепло уносимое парами, поднимающимися с верхней тарелки в дефлегматор:

;

, кДж/с;

Тепло уносимое кубовыми остатками:

;

, кДж/с;

Тепло затрачивается на подогрев исходной смеси от первоначальной температуры 50 ⁰С до температуры кипения 104 ⁰С.

.

Удельная теплоёмкость исходной смеси С_f¢ берётся по средней температуре:

, ⁰С;

, кДж/с.

Уравнение теплового баланса для колонны:

, кДж/с.

Расход греющего пара с учётом 10% потерь в окружающую среду

, кг/с.

 

Статьи баланса	Обозначение	кДж/ч	%
Приход тепла: Со свежей смесью С флегмой С паром Итого	Q1 Q2 Q3
Расход тепла В дефлегматоре С кубовым остатком В окружающую среду итого	Q4 Q5 Q6

 

 

5. Расчёт дефлегматора колонны

Дефлегматор предназначен для конденсации паров низкокипящего компонента. Конструктивно выполняется в виде вертикальных или горизонтальных кожухотрубных теплообменников. В данном курсовом проекте в ыбираем вертикальный кожухотрубный теплообменник.

Приход тепла с паром:

, кДж/с.

Приход тепла с водой:

, кДж/с.

Расход тепла с дистилянтом:

, кДж/с.

Расход тепла с водой:

, кДж/с.

Расход тепла в окружающую среду:

, кДж/с.

Тепло, отдаваемое воде:

, кДж/с.

 

6. Тепловой и конструкивный расчёт дефлегматора

Температура кипения дистиллята 100,6 ⁰С при атмосферном давлении. Определим среднюю разность температур между конденсирующимся паром смеси и охлаждающей водой. Большая разность температур Dt_б=100,6-5=95,6 ⁰С, а меньшая разность температур Dt_м=100,6-80=20,6 ⁰С. Температурный напор определяем как среднюю логарифмическую разность температур:

, ⁰С.

Средняя температура охлаждающей воды:

, ⁰С.

Первое приближение:

Определим режим движения воды в трубах. Для этого рассчитываем какое количество труб диаметром 32/38 мм потребуется на один ход в трубном пространстве при турбулентном движении воды. Скорости движе ния теплоносителей из опыта эксплуатации принимают для жидкостей от 0,5 до 5 м/с. Принимаю w=5 м/с.

;

;

Тепловая нагрузка конденсатора:

кВт,

кг/с.

Число Нуссельта для охлаждающей воды:

.

Для нагревающихся жидкостей можно принимать =1. При средней температуре охлаждающей воды 51,7 ⁰С, n=0,556×10^-6 м²/с, Pr=3,54.

Найдём коэффициент теплоотдачи при конденсации паров дистиллята, поднимающихся с последней тарелки. При конденсации на горизонтальной трубе:

Вт/(м²×К).

где ⁰C/

Коэффициент теплопередачи:

Вт/(м²×К).

Определяем площадь поверхности теплообмена:

м².

Определяем число труб в теплообменнике:

.

Выбираем стандартный теплообменник с разбивкой труб по шестиугольникам n=91, при числе труб по диагонали n_д=11.

Проверяем скорость движения воды в трубах:

м/с.

 

Второе приближение:

Принимаю w=2,5 м/с, трубы диаметром 32/38 мм, число труб n=91.

Расход охлаждающей воды:

кг/с;

Тепловая нагрузка конденсатора:

кВт.

Температура охлаждающей воды на выходе из теплообменника:

⁰С.

Температура кипения дистиллята 100,6 ⁰С при атмосферном давлении. Определим среднюю разность температур между конденсирующимся паром смеси и охлаждающей водой. Большая разность температур Dt_б=100,6-5=95,6 ⁰С, а меньшая разность температур Dt_м=100,6-11=89,6 ⁰С. Температурный напор определяем как среднюю логарифмическую разность температур:

, ⁰С.

Средняя температура охлаждающей воды:

, ⁰С.

Число Рейнольдса:

.

Число Нуссельта для охлаждающей воды:

.

Вт/(м²×К).

Принимаю =1. При средней температуре охлаждающей воды 8 ⁰С, n=1,306×10^-6 м²/с, Pr=9,52.

Найдём коэффициент теплоотдачи при конденсации паров дистиллята, поднимающихся с последней тарелки. При конденсации на горизонтальной трубе:

Вт/(м²×К).

Уточняем температуру стенки:

;

Коэффициент теплопередачи:

Вт/(м²×К).

Определяем площадь поверхности теплообмена:

м².

Определяем длину труб в теплообменнике:

м.

Выбираем стандартный теплообменник с разбивкой труб по шестиугольникам n=91, при числе труб по диагонали n_д=11.

Находим диаметр корпуса:

мм.

Принимаем одноходовой горизонтальный кожухотрубный теплообменник. Диаметр корпуса D=620 мм, n=91,длина труб ℓ=3,4м.

 

7. Расчёт испарителя колонны

Назначение испарителя – испарить жидкость в куб колонны. Образующийся пар поступает к кипящей тарелке. Испарители выполняются в виде вертикальных кожухотрубных теплообменников.

Из теплового баланса колонны необходимое тепло:

Q=1943.2+1792+4077.8=7813, кДж/с.

С учётом потерь в окружающую среду, тепловая нагрузка испарителя

, кДж/с.

Температура кипения кубового остатка t_w=115,4 ⁰С, температура греющего пара:

, ⁰С.

 

8. Тепловой и конструктвиный расчёт испарителя

Средний температурный напор:

, ⁰С.

Коэффициент теплоотдачи определим графоаналитическим методом. Передача тепла от конденсирующегося пара к стенке:

при р=190 МПа, температура насыщения t_н=118,29 ⁰С.

Dt
q1

Строим график зависимости q₁=f(Dt₁).

Передача тепла через стальную стенку, l_cт=46,5, Вт/(м²·К):

.

 

Строим график зависимости q₂=f(Dt₂):

Dt
q2

Передача тепла через накипь:

Строим график зависимости q₃=f(Dt₃):

Dt
q3

Передача тепла от стенки к кислоте

Скорость примем w=0,6 м/с.

d_вн –внутренний диаметр тру ыб.

.

, Вт/(м²·К).

.

Dt
q4

 

Из графика находим q=191.5×10³ Вт/(м²·К). Поверхность нагрева испарителя:

, м².

По ГОСТ 15118-79 выбираем испаритель типа ИН-600, с поверхностью теплообмена 61 м², длина труб ℓ=3 м, диаметр трубы 25 мм, одноходов ой.

 

9. Расчёт холодильника

Количество передаваемой теплоты

,

теплоёмкость готового продукта

, кДж/(кг×К),

, кДж/с.

Температуру готового продукта принимаем ⁰C.

Теперь находим расход охлаждающей воды:

, кг/с.

Принимаем противоток. Большая разность температур , ⁰С. Меньшая разносит температур 15 ⁰С. Средне логарифмический температурный напор:

, ⁰С.

Средняя температура охлаждающей воды:

, ⁰С.

Средняя температура готового продукта:

, ⁰С.

Находим значения физических свойств теплоносителя при этих температ урах:

l_в=64,9×10^-2, Вт/м²×К; l_d=0,582, Вт/м²·К.

n_в=0,538·10^-6, Па×с; n_d=0.92×10^-6, Па·с.

r_в=1000, кг/м³; r_d=1034, кг/м³.

Pr_в=3.41; Pr_d=6.

с_в=4.19, кДж/(кг×К); с_d=3,7, кДж/(кг×К).

Скорости движения теплоносителей

, м/с.

Число Рейнольдса:

,

где d_экв=D-d=0.1-0.083=0.017, м.

Теплоотдачу в прямых трубах найдём через число Нуссельта:

.

Для нагревающихся жидкостей можно принимать =1.

Число Рейнольдса:

.

Число Нуссельта:

.

Для охлаждающе йся жидкости можно принять среднее значение =0,93.

.

Коэффициент теплоотдачи от смеси к стенке трубы:

, Вт/(м²×с).

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемой воде:

, Вт/(м²×с).

Коэффициент теплопередачи:

, Вт/(м²×К).

Плотность теплового потока:

, Вт/м².

Площадь поверхности нагрева:

, м².

Общая длина внутренней трубы:

м.

Длина одной секции:

м.

Число труб в секции, м.:

.

Принимаем теплообменник типа ТП расчётная поверхность F=71 м², длина трубы ℓ=5 м, n=2.

 

10. Расчёт штуцеров

1. Расчёт штуцеров колонны

Расчёт ведётся по расходу G_d=2 кг/с.

По уравнению неразрывности .

ω=20 м/с – принима ем для пара.

ρ_п=1,99 кг/м²,

м².

;

м.

Принимаем диаметр штуцера 300 мм. Уточним скорость пара:

м/с.

2. Расчёт штуцера для дефлегматора по R×G_d=2×3=6 кг/с, w=2,5 м/с, ρ=1000кг/м³.

м².

м.

Принимаем диаметр штуцера по ГОСТ d_n=65 мм. Уточняем скорость воды:

м/с.

3. Расход свежей смеси G_f=5.83 кг/с, w=1 м/с, ρ=960 кг/м³.

м²,

м.

Принимаем d_г=0,08 м.

4. Выход кубовых остатков в испаритель G_w=3.83 кг/с, w=1 м/с:

м.

Принимаем d_г=0,7 м.

5. Вход пара в дефлегматор t=100.6 ⁰C, w=20 м/с, ρ=0,9 кг/м³:

кг/с,

м²,

м.

11. расчёт изоляции колонны

Коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к окружающему воздуху:

Вт/(м²·К).

t_из – температура на поверхности изоляции, принимаем 40 ⁰С.

Выбираем изоляцию – минеральную вату, коэффициент теплопроводности λ=0,058 Вт/(м²·К).

,

м.

Принимаем маты стандартной толщины δ=50 мм в один слой.