Тепловой расчет ректификационной колонны

Расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью от конденсирующего пара в кубе-испарителе колонны

 

,

 

где -расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, Вт;

-тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт;

-теплоемкость исходной смеси, дистиллята, кубовой жидкости, соответственно, Дж/кг·К.

Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:

 

,

 

где  - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;

 - массовые доли компонентов.

Температура кипения смеси t_F=76,2^оC, кубового остатка t_W=77^оC и дистиллята t_D=65,5^оC; теплоемкости метанола и этанола при этих температурах определяем по номограмме (ХI, с.562 [1]) (А-метиловый спирт, В- этиловый спирт)

Теплоемкости смесей:

;

;

.

Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара:

 

;

 

,

-удельная теплота конденсации дистиллята, Дж/кг;

 

,

 

где: ,  - удельная теплота конденсации компонентов А и В при температуре t_D=65,5^оC (табл. XLV стр.541 [1]).

.

Тепловые потери колонны в окружающую среду:

 

,

 

где -температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем ;

-температура воздуха в помещении, ;

α-суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(м²К),

;

.

-наружная поверхность изоляции колонны, определяем по формуле:

 

;

.

Потери тепла в окружающую среду:

 

;

 

.

Расход тепла в кубе колонны с учетом тепловых потерь:

Расход греющего пара в кипятильнике (давление р=4кгс/см², влажность 5%):

 

,

 

.

Расход тепла в паровом подогревателе исходной смеси рассчитывается по формуле:

 

,

 

где С₁ – теплоемкость исходной смеси при средней температуре, равной

 

;

,

 

где С_А, С_В – теплоемкости метилового спирта и этилового спирта при температуре  (с.562[1])

;

.

Расход греющего пара в подогревателе исходной смеси:

 

;

 

.

Общий расход пара:

Расход воды в дефлегматоре при нагревании ее на 20⁰С:

 

;

 

.

Расход воды в холодильнике дистиллята при нагревании ее на 20⁰С:

 

;

 

.

Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании ее на 20⁰С:

 

;

 

.

Общий расход воды в ректификационной установке:

 

;

 

.

.

 

Расчет тепловой изоляции колонны

 

В качестве изоляции берем асбест (λ_из=0,151 Вт/м·К). Исходя из упрощенного соотношения (для плоской стенки) имеем:

 

,

 

где -толщина изоляции, м;

-температура внутренней поверхности изоляции, принимаем ее ориентировочно на 10-20⁰С ниже средней температуры в колонне .

Определяем толщину изоляции:

 

;

 

.

Проверяем температуру внутренней поверхности изоляции:

 

;

 

.

расхождение: 61,1-61,3<1 °С.

 

Расчет вспомогательного оборудования

Расчет кипятильника

Температурные условия процесса.

Кубовый остаток кипит при 77⁰С. Согласно заданию, температура конденсации греющего пара равна 100⁰С (р=1,03 кгс/см²).

Следовательно, средняя разность температур:

100-77=23^оС.

Принимаем коэффициент теплопередачи К=300 Вт/(м² К) (с.172[5]).

Тепловая нагрузка .

Площадь поверхности теплообмена

 

;

 

.

С запасом 15-20% принимаем по каталогу (табл.4.12 стр.215 [1]) теплообменник 4-х ходовой с F=464 м².

Характеристика теплообменника:

Диаметр кожуха 1200мм;

Диаметр труб 25 2мм;

Длина труб 6,0м;

Количество труб 986.

 

Расчет дефлегматора

В дефлегматоре конденсируется метиловый спирт с небольшим количеством этилового спирта. Температура конденсации паров дистиллята t_D=65,5^оC.

Температуру воды на входе в теплообменник примем 18⁰С, на выходе 38⁰С.

Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи:

65,5⁰С           65,5⁰С

18 ⁰ С          38⁰ С

Определим среднюю температуру воды

 

 

Расход теплоты

 

 

Где r₁ - удельная теплота конденсации смеси при температуре конденсации t₁=65,5, r₁=1087 кДж/кг.

 

,

 

где: ,  - удельная теплота конденсации компонентов А и В при температуре t_D=65,5^оC (табл. XLV стр.541 [1]).

.

Расход воды

 

 кг/с,

 

Где с₂=4190 Дж/(кг К) – удельная теплоемкость воды при средней температуре t₂=28⁰ С

Объемный расход воды

 

 м³/с,

 

Где ρ₂= 995 кг/м³- плотность воды при t₂=28⁰ С,

G₂ =17,5 кг/с - расход воды.

Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося пара органических жидкостей к воде. К_min=300 Вт/(м²·К) (таблица 4.8 [1]). При этом

 

 м².

 

Для обеспечения турбулентного течения воды при Re>10000 скорость в трубах должна быть больше w¹

 

 м/с,

 

Где μ₂ – динамический коэффициент вязкости воды при средней температуре t₂=28⁰ С, μ₂=0,818*10^-3 Па с;

d₂- внутренний диаметр труб, d₂=0,021 м;

ρ₂= 995 кг/м³- плотность воды при t₂=28⁰ С.

Число труб 25х2 мм, обеспечивающих объемный расход воды при Re=10000

 

.

 

Условию n<30 и F<130 м² удовлетворяет теплообменник шестиходовой диаметром 800 мм с числом труб на один ход трубного пространства n=384/6=64.

Уточняем значение критерия Рейнольдса Re

.

Критерий Прандтля для воды при средней температуре t₁=28 ºС равен

 

,

 

где λ₁=0,605– коэффициент теплопроводности воды при t₁=28 ºС (рисунок Х [1]);

с₁=4190 Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость воды при t₁=28 ºС (рисунок XI [1]); μ₁=0,818·10^-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости воды при t₁=28 ºС (таблица VI [1]).

Рассчитаем критерий Нуссельта для воды

,

 

где ε₁=1.

Отношение (Pr₁/Pr_ст1)^0,25 примем равным 1,1 (с последующей проверкой).

Таким образом, коэффициент теплоотдачи для воды равен

 

 Вт/(м²·К).

 

Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара смеси метанола и этанола на пучке горизонтальных труб

 

 

 Вт/м²К,

где - коэффициент теплопроводности смеси при t₁=66 ºС (рисунок Х [1]); =0,198 Вт/м²К,

динамический коэффициент вязкости смеси при t₁=66 ºС (таблица VI [1]),

Примем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны греющего пара 1/r_загр.2=5800 Вт/(м²·К), со стороны смеси 1/r_загр.1=5800 Вт/(м²·К) (таблица ХХХI [1]). Коэффициент теплопроводности стали λ_ст=46,5 Вт/(м²·К) (таблица ХХVII [1]); δ=0,002 м – толщина стенки.

Находим сумму термических проводимостей стенки и загрязнений

 

 Вт/(м²·К).

 

Коэффициент теплопередачи

 

 Вт/(м²·К).

 

Поверхностная площадь теплового потока

 

 Вт/м²,

 

где Δt_ср=37,5 ºС – средняя разность температур.

Проверяем принятое значение (Pr₁/Pr_ст1)^0,25. Определим

 

 ºС,

ºС.

 

Определим критерий Прандтля при t_ст1=39,98 ºС

 

,

 

где λ₁=0,6– коэффициент теплопроводности воды при t_ст1=39,98ºС (рисунок Х [1]);

с₁=4190Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость воды при t_ст1=39,98ºС (рисунок XI [1]);

μ₁=0,72·10^-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости воды при t_ст1=39,98ºС (таблица [1]).

Следовательно,

 

 

Было принято (Pr₁/Pr_ст1)^0,25 =1,05. Разница

Расчетная площадь поверхности теплообмена

 

 м².

 

Принимаем к установке шестиходовой теплообменник с F=60 м².

Внутренний диаметр кожуха D_н=800 мм;

Общее число труб n=384;

Поверхность теплообмена F=60 м²;

Длина труб L=2 м;

Диаметр трубы d=25х2 мм.

Запас площади поверхности теплообмена