Ректификационная установка непрерывного действия

        и - высота светлого слоя жидкости, м.

 Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, равно:

                                                          (2.73)

                                                          (2.74)

где и - поверхностное натяжение жидкости при температуре соответственно вверху и внизу колонны, Н/м;

       - эквивалентный диаметр отверстий в тарелке, м.

         Тогда полное сопротивление одной тарелки верхней и нижней частей колонны равно:

         Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Тепловой баланс ректификационной установки.

         Тепловой баланс колонны имеет вид:

                                              (2.1)

где - тепловая нагрузка, соответственно по исходному веществу, по кипятильнику, по дистилляту, по кубовому остатку, по дефлегматору и потери тепла, примем равными 5%.

Из баланса определяем количество тепла, которое необходимо подводить  к кипятильнику.

         Тепловая нагрузка по кубовому остатку, в количестве , рассчитывается по формуле:                       

                                                         (2.2)

где - теплоёмкость кубового остатка, при температуре , [2 рис. XI с. 562], ;

        - температура кубового остатка колонны.

                                                (2.3)

где - массовая доля кубового остатка.

         Тепловая нагрузка по исходному веществу, в количестве кг/с, рассчитывается по формуле:

                                                          (2.4)

где - температуры смеси;

      - теплоёмкость исходной смеси, при средней температуре, [2 рис. XI с. 562], .

                                                (2.5)

где - массовая доля исходной смеси.

Подставим численные значения, получим:

         Тепловая  нагрузка аппарата по дистилляту, в количестве Р=1,153 кг/с, рассчитывается по формуле:

                                                           (2.6)

где - температура дистиллята, взятая из диаграммы t-х,y, ⁰С;

      - теплоёмкость дистиллята, при температуре , [2 рис. XI с. 562], .

                                             (2.7)

где - массовая доля дистиллята.

Подставим численные значения, получим:

Для дефлегматора тепловая нагрузка аппарата составит:

                                                    (2.8)

где - удельная теплота парообразования дистиллята, при , Дж/кг.

                                                 (2.9)

Подставим эти численные значения в уравнение теплового баланса и определим количество тепла, которое необходимо подводить к кипятильнику:

          Для подогрева используют насыщенный водяной пар давлением 0,3 МПа. Темпе- ратура конденсации Характеристики конденсации при этой температуре: Расход греющего пара вычисляется по формуле: 

                                                                  (2.10)

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Подробный расчёт подогревателя исходной смеси.

        3.1 Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменника для подогрева исходной смеси, насыщенным водяным паром. Начальная температура исходной смеси, в количестве G_см=12000 кг/ч (3,333 кг/с), t_1н=20 ⁰С, конечная t_1к=91 ⁰С.

Давление насыщенного водяного пара составляет 3 атм, температура конденсации насыщенного водяного пара составляет 133 ⁰С; удельная теплота парообразования равна

2171000 Дж/кг.

Потери в окружающую среду примем 5%.

 

Определяем тепловую нагрузку аппарата:

                                                       (3.1)

где - теплоёмкость смеси при средней температуре, [2 рис. XI с. 562], Дж/(кг∙К).

Определение расхода горячего теплоносителя:

                                      (3.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определяем полезную разность температур:

Рисунок 5 – Зависимость изменения температуры теплоносителей от поверхности теплообмена.

    

Ориентировочный выбор теплообменника.

Рассчитываем ориентировочную  поверхность теплопередачи S_ор.

                                                                (3.3)

где Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;

      - полезная разность температур, ⁰С;

     - ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, [1 таб. 2.1 с.47], Вт/(м²∙К).

Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи К_ор=240 Вт/(м²∙К).

Если у одного из теплоносителей нет изменения агрегатного состояния, в данном случае у исходной смеси, то необходимо задаться турбулентным режимом движения теп-лоносителя, так как при этом режиме движения жидкости наибольший коэффициент теплоотдачи. Принимаем Re=12000. Стандартные диаметры труб: 20 2. Тогда при Re=12000

                                                       3.4)

Тогда число труб на один ход составит:

                                                     (3.5)

 

3.2 Выбираем теплообменник [1.табл. 2.3 с. 51].

Поверхность теплообмена         S=31 м².

Длина труб                                  L=3,0 м.

Общее число труб                      n=166 шт.

Число ходов                                        z=2

Диаметр труб                         d=20x2 мм.

Диаметр кожуха                      D=400 мм.

         Пересчитываем скорость движения исходной смеси:

                                                  (3.6)

         Пересчитаем критерий Рейнольдса:

                                                  (3.7)

Режим движения исходной жидкости, по трубному пространству, переходный, так как 2320<Re<10000.

 

Рисуем схему теплопередачи  через стенку:

Рассчитываем действительное значение коэффициента теплопередачи:

                                                        (3.8)

где и - коэффициент теплоотдачи соответственно от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю, Вт/(м²∙К);

      - термическое сопротивление стенки.

 

3.3 Задаёмся t_ст1=130 ⁰С. Определяем a_П – коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на пучке вертикальных труб:

                                          (3.9)

Удельное количество тепла передаваемое от пара к стенке:

 

 

Определяем термическое сопротивление стенок с учетом загрязнения:

                                                   (3.10)

где и - термическое сопротивление стенки соответственно со стороны насыщен-ного пара и со стороны смеси, [1 таб. 2.2 с. 48];

        - толщина стенки, мм;

        - коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м∙К).

Находим температуру стенки со стороны  холодного теплоносителя.

                                                          (3.11)

Находим коэффициент теплоотдачи  от стенки к исходной смеси - a_см.

                                                               (3.12)

где - критерий Нуссельта, для переходного режима движения жидкости;

       - коэффициент теплопроводности смеси при средней температуре смеси, [2 рис. X с.561], Вт/(м∙К);

        - эквивалентный диаметр, мм.

Так как режим движения смеси по трубному пространству переходный, следовательно критерий Нуссельта определим из графика зависимости от критерия Рейнольдса в переходной области.

где Pr, Pr_ст – критерий Прандтля соответственно при температуре жидкости и при температу-ре стенки [2 рис.XIII с.564].

Отсюда находим критерий Нуссельта:

где и - критерий Прандтля соответственно при средней температуре смеси и температуре стенки:

Тогда критерий Нуссельта:

Подставляя численные значения, получим:

Рассчитываем удельный тепловой поток  от стенки к холодному теплоносителю:

Условием стационарного теплообмена  является q=const. q₁≠q₂.

Снова задаёмся t_ст1 и повторяем расчёт.

 

3.4 t_ст1=129 ⁰С. Определяем a_П – коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на пучке вертикальных труб:

Удельное количество тепла, передаваемое от пара к стенке:

Находим коэффициент теплоотдачи  от стенки к исходной смеси - a_см.

где - критерий Нуссельта, для переходного режима движения жидкости;

       - коэффициент теплопроводности смеси при средней температуре смеси, Вт/(м∙К);

        - эквивалентный диаметр, мм.

Так как режим движения смеси по трубному пространству переходный, следовательно критерий Нуссельта определим из графика зависимости от критерия Рейнольдса в переходной области.