125458 (Ректификация), страница 5

. .

(61) .

Определяем теплофизические свойства смеси:

.

Тогда:

.

.

Теперь необходимо слегка понизить температуру , например до . Тогда получим:

,

.

Теперь определим коэффициент теплопередачи:

Определим расчетную площадь поверхности теплопередачи:

С запасом 10% .

А) Принимаем к установке аппараты длиной 2 м. Площадь поверхности теплообмена одного аппарата равна 2.5 м². Необходимое число аппаратов:

Примем N = 4. Запас поверхности составляет при этом:

%.

Масса одного аппарата диаметром 159 мм с трубами длиной 2 м равна M₁ = 217кг, масса элементного теплообменника из N аппаратов:

.

Б) Принимаем к установке аппараты длиной 3 м. Площадь поверхности теплообмена одного аппарата равна 3.5 м². Необходимое число аппаратов:

Примем N = 3. Запас поверхности составляет при этом:

%.

Масса одного аппарата диаметром 159 мм с трубами длиной 3 м равна M₁ = 263кг, масса элементного теплообменника из N аппаратов:

.

Вариант 2: Кожухотрубчатый теплообменник диаметром 159 мм с трубами 25*2 мм (ГОСТ 15120-79):

Расчеты проводим по иной схеме.

Скорости и критерии Рейнольдса теплоносителей:

.

Теплоотдача подчиняется тем же уравнениям, что и ранее, (58) и (59).

Критерии Прандтля при средней температуре для жидкостей те же самые, что и раньше: и

Теперь примем сомножитель равным единице для обоих потоков, что допускается в нашем случае.

Тогда коэффициенты теплоотдачи от воды к стенке и от стенки к смеси найдем из формул (58), (59) и (55):

Смесь:

.

Вода:

.

Коэффициент теплопередачи:

.

Ввиду того, что тепловой поток постоянен, найдем:

где сумма равна

Проверим:

.

Отсюда температуры стенок:

.

Введем поправку в коэффициент теплоотдачи, определив :

Смесь:

По формуле (60) определим , учитывая, что вязкость, теплоемкость и теплопроводность берутся при температуре стенки .

Их можно найти по формулам: (17, 18а, б), (49,50а, б) и (51,52а, б):

.

Вода:

Найдем по формуле (60), а входящие в него параметры, для воды при температуре стенки , найдем из экспериментальных данных с помощью интерполяции:

.

Коэффициенты теплоотдачи равны:

.

Исправленные значения:

.

Дальнейшее уточнение коэффициентов теплоотдачи и других величин не требуется, так как расхождение между ними не превышает 2%.

Теперь определим расчетную площадь поверхности теплопередачи:

С запасом 10% .

А) Принимаем к установке аппараты длиной 2 м. Площадь поверхности теплообмена одного аппарата равна 2 м². Необходимое число аппаратов:

Примем N = 5. Запас поверхности составляет при этом:

%.

Масса одного аппарата диаметром 159 мм с трубами длиной 2 м равна M₁ = 211кг, масса элементного теплообменника из N аппаратов:

.

Б) Принимаем к установке аппараты длиной 3 м. Площадь поверхности теплообмена одного аппарата равна 3 м².

Необходимое число аппаратов:

Примем N = 4. Запас поверхности составляет при этом:

%.

Масса одного аппарата диаметром 159 мм с трубами длиной 3 м равна M₁ = 255кг, масса элементного теплообменника из N аппаратов: .

Вариант 3: Кожухотрубчатый теплообменник диаметром 325 мм с трубами 25*2 мм двухходовой (ГОСТ 15120-79):

Число труб одного хода n1 = 28 шт, общее - n = 56 шт. Сечение одного хода трубного пространства .

Так как теплообменник двухходовой то необходимо заново вычислить среднюю разность температур, для смешанного тока., пользуясь соотношениями:

(62)

где ; - изменение температуры горячего теплоносителя; - изменение температуры холодного теплоносителя.

Тогда:

⁰C

Тогда средняя температура смеси равна:

.

Далее, зная среднюю температуру смеси, найдем ее параметры при данной температуре:

Плотность:

По формуле (13) и зависимостям плотности компонентов данной смеси от температуры (14а, б) вычислим:

ацетон: кг/м³

метанол: кг/м³

кг/м³.

Вязкость:

Динамический коэффициент вязкости определяем по аддитивной формуле (17) и зависимостям вязкости компонентов смеси от температуры (18а, б):

ацетон:

метанол:

.

Теплоемкость:

Теплоемкость смеси найдем по аддитивной формуле (49) и зависимостям (50а, б):

.

Теплопроводность:

Теплопроводность найдем по аддитивной формуле (51) и зависимостям (52а, б):

.

Теперь рассчитываем теплообменный аппарат таким же образом, что и раньше:

Из уравнения теплового баланса (53) найдем массовый расход греющей воды:

, .

Скорости и критерии Рейнольдса теплоносителей:

Теплоотдача для обоих потоков описывается теми же уравнениями:

Смесь: при развитом турбулентном течении в трубах

Вода: при поперечном омывании потоком трубного пучка

где _l = 1; = 0.6 - коэффициент, учитывающий угол атаки теплоносителя в межтрубном пространстве; Pr - критерий Прандтля при средней температуре жидкости, Pr_w - то же, но при температуре стенки со стороны теплоносителя. Найдем критерии Прандтля при средней температуре для жидкостей:

,

Также примем сомножитель равным единице для обоих потоков.

Тогда коэффициенты теплоотдачи от воды к стенке и от стенки к смеси найдем из формул (58,59) и (55):

Смесь:

. Вода:

,

Тогда коэффициент теплопередачи:

Далее найдем значения температур стенок со стороны каждого теплоносителя, исходя из того, что поверхностная плотность теплового потока одинакова на всем пути передачи теплоты:

Найдем:

,

.

Проверим:

.

Отсюда температуры стенок:

.

Введем поправку в коэффициент теплоотдачи, определив :

Смесь:

По формуле (60) определим , учитывая, что вязкость, теплоемкость и теплопроводность берутся при температуре стенки . Их можно найти по формулам: (17, 18а, б), (49,50а, б) и (51,52а, б):

.

Вода:

Найдем по формуле (60), а входящие в него параметры, для воды при температуре стенки , найдем из экспериментальных данных с помощью интерполяции:

Коэффициенты теплоотдачи равны:

Исправленные значения:

.

Дальнейшее уточнение коэффициентов теплоотдачи и других величин не требуется, так как расхождение между ними не превышает 2%.

Теперь определим расчетную площадь поверхности теплопередачи:

С запасом 10% .

А) Принимаем к установке аппараты длиной 3 м. Площадь поверхности теплообмена одного аппарата равна 13 м². Необходимое число аппаратов:

Примем N = 2. Запас поверхности составляет при этом:

%.

Масса одного аппарата диаметром 325 мм с трубами длиной 3 м равна M₁ = 645кг, масса элементного теплообменника из N аппаратов:

.

Б) Принимаем к установке аппараты длиной 4 м. Площадь поверхности теплообмена одного аппарата равна 17.5 м².

Необходимое число аппаратов:

Примем N = 1. Запас поверхности составляет при этом:

%.

Масса одного аппарата диаметром 325 мм с трубами длиной 4 м равна M₁ = 780кг.

1.2.2 Расчет конденсатора-дефлегматора

В данной установке конденсат охлаждают воздухом с начальной температурой 10 ⁰С. Количество теплоты, которое отдает конденсирующийся пар, было рассчитано в главе 1.1.5 и составляет . Допускаем, что полученный конденсат не охлаждается в конденсаторе.

Для начала зададим конечную температуру воздуха, например

0C.

ё t, 0С

дистиллят

55.361

50

воздух 10

F, м2

Вычислим среднюю разность температур по формуле (62) для перекрестного хода:

, где .

Тогда средняя температура воздуха:

Теплоемкость и плотность воздуха найдем из справочных данных:

, .

Далее, пользуясь уравнением теплового баланса, найдем массовый расход воздуха:

,

Объемный расход воздуха:

.

Так как подробный расчет не требуется, то по справочным данным принимаем коэффициент теплопередачи , и находим расчетное значение теплообменной поверхности по формуле:

.

С запасом 10% это будет: .

Выбираем конденсатор диаметром 1400 мм с трубами 20*2мм длиной 6м, двухходовой. Тогда необходимое количество аппаратов находится как:

Берем N = 4, тогда запас поверхности равен:

%

1.2.3 Расчет куба-испарителя.

В кубе - испарителе происходит кипение смеси состава и соответствующее его испарение. Подогрев происходит горячей водой. Количество теплоты, необходимое для процесса кипения и испарения было найдено в главе 1.1.5, и составляет Q_K = 2.38 МВт.

Зная температуру кубового остатка и греющей воды найдем среднюю разность температур при противотоке:

.

Тогда средняя температура греющей воды:

.

Теплоемкость воды при данной температуре определим по справочным данным:

.

Используя уравнение теплового баланса найдем массовый расход греющей воды:

, .

Так как подробный расчет не требуется, то по справочным данным принимаем коэффициент теплопередачи , и находим расчетное значение теплообменной поверхности по формуле:

.