Розрахунок ректифікаційної колони

– кубового залишку

с_w = 3477,7 • 0,016 + 4609 • (1 - 0,016) = 4590,89 Дж/(кг • с);

Теплота пароутворення флегми при t = 78 ? С визначається за формулою:

(5.62)

де - удільна теплота пароутворення етанолу кДж/кг;

- удільна теплота пароутворення води кДж/кг.

Приймаю:

– етанолу - r = 853,5 кДж/кг;

– води - r = 2313,73 кДж/кг [5, табл. ХLV, ст.. 541].

r_ф = 853500 • 0,927 + 2313730 • (1 - 0,927) = 960096,79 Дж/кг.

Ентальпія пари, що виходить з колони визначається за формулою:

(5.63)

і_п = 960096,79 + 3299,17 • 78 = 1217432,05 Дж/кг.

Витрати теплоти в кубі колони з урахуванням теплових витрат визначається за формулою:

Q = G_г.п • (У_г.п. - і_R) = W • (c_w • t_w - c_f • t_f) + P • Rr_ф + Р • (і_п - c_f • t_f) + Q_втр.. (5.64)

Q = 1,33 • (4590,89 • 100 - 4209,94 • 84) + 0,67 • 1,59 • 960096,79 + 0,67 • (1217432,05 - 3299,17 • 84) + 0,03 Q

Q = 1848502.

Витрати гріючої пари у кубі колони визначаються за формулою:

G_г.п. = Q/(І_г.п. • і_к); (5.65)

G_г.п. = 1848502/(2141 • 10³ • 0,927) = 0,93 кг/с.

Приймаю підвищення температури води у холодильнику на 20 ? С, визначаю витрати води у дефлегматорі.

Вони знаходяться за формулою:

G' = P • (R+1) • r_p / (c_в • ?t); (5.66)

G' = 0,67 • (1,59 +1) • 960096,79/(4190 • 20) = 19,89 кг/с.

Витрати охолоджуваної води у холодильнику дистиляту знаходяться за формулою:

G'' = Р • с_р • (t_p1 - t_p2)/(c_в • ?t); (5.67)

G'' = 0,67 • 3299,17 • (78 - 30)/ (4190 • 20) = 1,27 кг/с.

Витрати охолоджуваної води у холодильнику кубового залишку визначається за формулою:

G''' = W • с_w • (t_w1 - t_w2)/(c_в • ?t); (5.68)

G''' = 1,33 • 4590,89 • (100 - 30)/( 4190 • 20) = 5,1 кг/с.

Загальні витрати води дорівнюють

G_в = 19,89 + 1,27 + 5,1 = 26,26 кг/с.

Витрати тепла, яке віддається охолоджуючій воді в дефлегматорі визначається за формулою:

(5.69)

Кількість тепла, яке передається з парою вихідній суміші в паровому підігрівачі:

(5.70)

Q_к = 1239571,37 + (1,33 • 4590,89 • 100) + (0,67 • 3299,17 • 78 ) - 2 • 4209,94 • 84) = 1315304,474 Вт.

Кількість тепла, що надходить в паровий підігрівач з вихідним розчином:

(5.71)

де t_поч = 12⁰С - початкова температура вихідної суміші.

Кількість тепла, що надходить з вихідною сумішшю в паровий підігрівач визначаю за формулою:

(5.72)

де t_кін = 25⁰С - кінцева температура дистиляту.

Кількість тепла, що віддається охолоджуваній воді в дефлегматор:

(5.73)

Кількість тепла, яке передається дистилятом охолоджуючій воді у водяному холодильнику кубового залишку:

(5.74)

Кількість тепла, що передається кубовим залишком воді, що його охолоджує:

(5.75)

Визначаю втрати тепла в навколишнє середовище:

(5.76)

Отримані дані зводжу в таблицю 5.4.

Таблиця 5.4 - Тепловий баланс ректифікаційної колони безперервної дії

Надходження	Витрати
Статті надходження	Вт	%(мас.)	Статті витрат	Вт	%(мас.)
QК Q1	1315304,474 606231,36	68,45 31,55	QД Q2 Q3 Qн.с	1239571,37 117153,53 457941,28 106869,65	64,51 6,1 23,83 5,56
Всього	1921535,83	100	Всього	1921535,83	100

5.4 Розрахунок обічайки

Оскільки оектифікаційна колона працює під підвищеним тиском р = 1,2 МПа, тому вона розраховується на механічну міцність.

Розрахунок на механічну міцність зводиться до розрахунку товщини стінки.

Товщину стінки обичайки розраховують за формулою:

(6.1)

де s - товщина обичайки корпусу, мм;

р - тиск в апараті, МПа;

D - діаметр апарату, мм

ц - коефіцієнт міцності зварного шва;

с - прибавка на корозію, мм.

Допустима напруга для легованої сталі 12х18Н10Т при температурі 70 ?С становить:

[у]₁₀₀ = 221,4 МПа.

Коефіцієнт міцності зварного шва приймаю рівним ц = 1.

Прибавка на корозію с = 2 мм.

У випадку відсутності причин, що можуть виникати підвищення робочого тиску, розрахунковий тиск приймається рівним робочому.

Отже

З конструктивних міркувань приймаю товщину сталі із стандартного ряду 12 мм.

6. РОЗРАХУНОК ДОПОМІЖНОГО ОБЛАДНАННЯ

6.1 Розрахунок та вибір кожухотрубного теплообмінника - холодильника кубового залишку

Необхідно розрахувати та підібрати нормалізований варіант конструкції кожухотрубного теплообмінника для охолодження кубового залишку. Гарячий кубовий залишок у кількості W - 1,33 кг/c охолоджується від температури 81,2 єС до температури 25 єС. Початкова температура холодоагенту 15 єС.

Гарячий кубовий залишок при середній температурі t_сер = 53,1 єС має наступні фізико - хімічні характеристики:

- густина с (С₂Н₅ОН) = 760,21 кг/м³ [3, табл. ІV, ст.512];

- динамічний коефіцієнт в?язкості м (С₂Н₅ОН) = 0,7 • 10^-3 Па • с [3, рис. V];

- коефіцієнт об?ємного розширення в (С₂Н₅ОН) = 1,16 • 10^-3 К^-1 [3, табл. ХХХІІІ, с. 532];

- коефіціент теплопровідності л (С₂Н₅ОН) = 0,15 Вт/м • К [3, рис. Х, с. 561];

- теплоємність С (С₂Н₅ОН) = 2933 Дж/кг • К.

Холодоагент при середній температурі t_сер = 28 єС має наступні фізико - хімічні характеристики:

- густина с (Н₂О) = 995,6 кг/м³ [3, табл. ХХХІХ, ст.537];

- динамічний коефіцієнт в?язкості м (Н₂О) = 889 • 10^-6 Па • с [3, табл. ХХХІХ];

- коефіцієнт об?ємного розширення в (Н₂О) = 0,318 • 10^-3 К^-1 [3, табл. ХХХІІІ, с. 532];

- коефіціент теплопровідності л (Н₂О) = 0,515 Вт/м • К [3, рис. Х, с. 561];

- теплоємність С (Н₂О) = 4609 кДж/кг • К.

Теплове навантаження визначається за формулою:

, (6.1)

де W - витрати кубового залишку, кг/с;

С₁ - теплоємність етанолу, Дж/кг • К;

t₁, t₂ - температура кубового залишку на вході і виході з холодильника, єС.

Вт.

Витрати холодоагенту розраховються за формулою:

звідси

, (6.2)

де С₂ - теплоємність етанолу, Дж/кг • К;

t₁, t₂ - температура води на вході і виході з холодильника, єС.

кг/с.

Схема руху носіїв у теплообміннику:

81,2 25

40 15

Дt_б = 40,2 Дt_м = 10

Дt_б / Дt_м = 40,2/10 = 4,2.

Так як Дt_б / Дt_м > 2, то середня температура розраховується за формулою:

(6.3)

єС.

Орієнтовна поверхня розраховується за формулою:

, (6.4)

де К_ор - орієнтовне значення коефіцієнту теплопередачі, Вт/м² • К.

Приймаю К_ор - для вільного руху 150 Вт/(м² • К) [1, табл. 2.1, с.47].

м².

Далі проводжу уточнений розрахунок наступних варіантів:

1К: D: 800 мм; d_н = 20Ч2 мм; z = 6; n = 618; S_мтр = 7,0•10^-2 м²; S_х = 2,0•10^-2 м²

2К: D = 800 мм; d_н = 20Ч2 мм; z = 6; n = 618; S_мтр = 7,0•10^-2 м²; S_х = 2,0•10^-2 м² [1, табл. 2.3,с.51].

Уточнений розрахунок поверхні теплопередачі

Варіант 1К:

Критерій Рейнольдса розраховується за формулою:

(6.5)

Критерій Прандтля розраховується за формулою:

_, (6.6)

де м - динамічний коефіцієнт в?язкості етанолу, Па • с;

л - коефіцієнт теплопровідності етанолу, Вт/м • К.

При Re ? 10000 розраховується критерій Грасгофа за формулою:

, (6.7)

При 250 ? Re ? 10000 і Gr • Pr ? 8 • 10⁵ 5 критерій Нусельта розраховується за формулою:

(6.8)

Коефіцієнт тепловіддачі розраховується за формулою:

(6.9)

Вт/м² • К

Площа перерізу потоку в міжтрубному просторі між перегородками

S_мтр = 0,48 м².

Теплопровідність нержавіючої сталі [3, с.529] приймаємо л_ст. = 17,5 Вт/м² • К.

Коефіцієнт теплопередачі знаходиться за формулою:

, (6.10)

де д - товщина стінки, мм.

Вт/м² • К.

Площа теплопередачі знаходиться за формулою:

;

м²

Обираю теплообмінник площею 113 м². Запас поверхні при цьому становить:

Розрахунок гідравлічного опору

Швидкість руху теплоносія в трубах розраховується за формулою:



, (6.11)

де - витрати кубового залишку, кг/с;

S - площа перетину одного ходу по трубам, м²;

с - густина кубового залишку, кг/м³.

м/с

Коефіцієнт тертя розраховується за формулою:

, (6.12)

де е = Д/ d - відносна шорохуватість труб;

Д - висота виступів шорохуватостей, Д = 0,2 мм.

Діаметр штуцерів в розподільній камері вибираємо[1, табл. 2.6, с. 55] d_тр = 0,15м; d_мтр = 0,15 м.

Швидкість руху в штуцерах визначається за формулою:

, (6.13)

м/с

Гідравлічний опір в трубному просторі визначається за формулою:



Па

Гідравлічний опір в міжтрубному просторі визначається за формулою:

(6.14)

Коефіцієнт m визначається за формулою:

. (6.15)

Число рядів труб, що омиваються в міжтрубному просторі:

.

Кількість сегментних перегородок х = 4 [2, табл. 2.7, с.56].

Швидкість потоку в штуцерах:

м/с

Швидкість теплоносія в найбільш вузькому перерізі міжтрубного простору:

м/с

Отже, гідравлічний опір в міжтрубному просторі:

Па

Варіант 2К:

Розраховую критерій Рейнольдса:



Критерій Прандтля:

Розраховую критерій Грасгофа:

Розраховую коефіцієнт тепловіддачі:

Вт/м² • К

Площа перерізу потоку в міжтрубному просторі між перегородками

S_мтр = 0,07 м².

Теплопровідність нержавіючої сталі [3, с.529] приймаємо л_ст. = 17,5 Вт/м² • К.

Коефіцієнт теплопередачі можна знайти за формулою:

Вт/м² • К

Розраховую площу теплопередачі:

м²

Вибираю теплообмінник площею 507 м². Запас поверхні при цьому становить:

%

Розрахунок гідравлічного опору

Швидкість руху теплоносія в трубах:

м/с

Коефіцієнт тертя:

Діаметр штуцерів в розподільній камері вибираємо [2, с. 55] d_тр = 0,2 м; d_мтр = 0,2 м.

Швидкість руху в штуцерах:

м/с

Гідравлічний опір в трубному просторі визначається за формулою:

Па

Число рядів труб, що омиваються в міжтрубному просторі:

Кількість сегментних перегородок х = 4 [2, с.56]. Швидкість потоку в штуцерах:

м/с

Швидкість теплоносія в найбільш вузькому перерізі міжтрубного простору:

м/с

Отже, гідравлічний опір в міжтрубному просторі:

Па

На основі вище проведених розрахунків із двох варіантів я обираю нормалізований кожухотрубний теплообмінник - варіант 2К, адже він має найбільш оптимальні параметри для процесу охолодження кубового залишку - запас поверхні теплообміну - 16 % і даний теплообмінник має найменший гідравлічний опір.

Размещено на Allbest.ru