7. Тепловой баланс колонны

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению:

,

где -удельная теплота конденсации дистиллята.

,

где и -удельные теплоты конденсации метанола и воды при температуре 69ºС, которая соответствует концентрации .

По таблице [стр.524, 2] определяем удельные теплоты конденсации метанола и воды при температуре 69ºС:

Дж/кг;

Дж/кг.

Дж/кг.

Тогда

Вт.

Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению:

,

где , , - удельные теплоемкости дистиллята, кубового остатка, исходной смеси при , , :

,

где , -теплоемкости ацетона и этилового спирта при температуре 56.7ºС:

;

.

,

где , -теплоемкости ацетона и этилового спирта при температуре 76.4ºС:

;

.

,

где , -теплоемкости ацетона и этилового спирта при температуре 65.1ºС:

;

.

- тепловые потери, примем в размере 4% от полезно затрачиваемой теплоты.

Тогда

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси находим по уравнению:

,

где -удельная теплоемкость исходной смеси при средней температуре:

,

где , -теплоемкости ацетона и этилового спирта при средней температуре 41.6ºС:

;

.

- тепловые потери, примем в размере 5% от полезно затрачиваемой теплоты.

Вт.

,

где - удельная теплоемкость дистиллята при средней температуре:

,

где , -теплоемкости ацетона и этилового спирта при средней температуре 40.85ºС:

;

.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята находим по уравнению:

Вт.

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

,

где -удельная теплоемкость исходной смеси при средней температуре:

,

где , -теплоемкости ацетона и этилового спирта при средней температуре 50.7ºС:

;

.

Вт.

Расход греющего пара, имеющего давление и влажности 5%:

1) в кубе-испарителе

,

где - удельная теплота конденсации греющего пара.

кг/с;

2) в подогревателе исходной смеси

кг/с.

Всего кг/с или 6.37т/ч.

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20ºС:

1) в дефлегматоре

,

где - теплоемкость воды при 20ºС:

- плотность воды при 20ºС:

Тогда

м³/с;

2) в холодильнике дистиллята

,

где - теплоемкость воды при 20ºС:

- плотность воды при 20ºС:

Тогда

м³/с;

3) в водяном холодильнике кубового остатка

,

где - теплоемкость воды при 20ºС:

- плотность воды при 20ºС:

Тогда

м³/с;

Всего м³/с или 145м³/ч.

8. Тепловой расчёт теплообменного оборудования

1. Расчет и подбор дефлегматора

Пары с верха колонны поступают в дефлегматор, где конденсируются. После этого часть конденсата, называемая флегмой, возвращается в колонну, а остальная часть – дистиллят охлаждается и поступает в сборник дистиллята. В качестве конденсатора примем кожухотрубчатый конденсатор.

Рассчитаем горизонтальный кожухотрубчатый теплообменный аппарат для конденсации 5.42т/ч смеси, состоящей из ацетона и этилового спирта.

Жидкий конденсат отводится из дефлегматора при температуре конденсации. Охлаждающая вода, проходящая по трубам нагревается от 20 до 40 ºС .

Примем турбулентное течение воды в трубном пространстве.

Принимаем для межтрубного пространства индекс “1”, для трубного – “2”.

Температура конденсации дистилята

Температурная схема:

56.756.7

4020

Найдем среднюю разность температур:

Если , то

Если , то

Проверим условие: , тогда

.

Средняя температура охлаждающей воды:

.

Тепловая нагрузка:

Вт.

Расход охлаждающей воды:

кг/с;

Ориентировочно определяем величину площади поверхности теплообмена. По таблице 4.6 [стр.175, 2] среднее значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося пара органических веществ к воде (конденсаторы ). При этом

.

При турбулентном течении смеси в трубном пространстве .

Составим схему процесса теплопередачи.

Для обеспечения развитого турбулентного режима течения воды при скорость в трубах должна быть больше :

,

где - динамический коэффициент вязкости воды при 31.27ºС.

- плотность воды при 31.27ºС.

-внутренний диаметр труб

Принимаем трубы теплообменника диаметром

Тогда

.

Число труб мм, обеспечивающих объемный расход смеси при :

Условию и удовлетворяет [стр.508, 2] теплообменник:

Четырехходовый диаметром 1000 мм с числом труб на один ход , (общее число труб 736).

1. Коэффициент теплоотдачи для смеси.

Уточняем значение критерия :

,

где - Число труб мм, обеспечивающих объемный расход смеси при ;

n – число труб, приходящихся на один ход в выбранном теплообменнике

-режим движения турбулентный

Критерий Прандтля для воды при средней температуре 31.27ºС определяем по таблице XXXIX[стр.512, 2]:

Определим параметр Nu по номограмме [стр.536, 2]:

[стр.156, 2]:

Тогда коэффициент теплоотдачи для воды:

.

2. Коэффициент теплоотдачи для конденсации дистиллята.

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для конденсирующейся смеси по уравнению

,

где - коэффициент теплопроводности смеси;

- плотность смеси;

d- наружные диаметр трубок теплообменника;

n- общее количество трубок;

- коэффициент динамической вязкости смеси;

G- массовый расход смеси.

Значения физико-химических констант берем при температуре конденсации 56.7 ºС

Коэффициенты теплопроводности стали [стр.534, 2].

Термическое сопротивление стальной стенки трубы:

Принимаем тепловую проводимость загрязнений: - со стороны смеси,

- со стороны воды [стр.506, 2].

Тогда

Коэффициент теплопередачи K считаем, как для плоской стенки, поскольку отношение больше 0.5:

С запасом 20%:

Такую поверхность имеет четырехходовой теплообменник с диаметром кожуха 1000 мм и длиной труб 4 м.

Основные параметры принятого дефлегматора.

По ГОСТ 15118-79 выбираем четырехходовый теплообменник.

Его параметры:

Наружный диаметр кожуха D, мм – 1000

Поверхность теплообмена ,м² – 226

Длина труб, м – 4.0

Диаметр труб, мм –

Количество труб, шт. – 736

Запас площади поверхности теплообмена:%.