Проектирование ректификационной установки для разделения бинарной смеси ацетон-вода, производительностью по исходной смеси 12 т/ч

Δt_м=t_кон-t_внач=30-20=10 ^°C

Δt_б=t_W –t_вкон=99.01-30=69.01 ^°C

  ^°C

Где

Тогда средняя температура  теплоносителя в теплообменнике:

t_{ср.воды}=(t_вкон+t_внач)/2=(20+30)/2=25 ^°C

t_{ср. куб.}= t_{ср.воды} + Δt_ср=25+25.16=50.16^°C

Определим теплоемкость дистиллята при t_{ср. куб}:

 

Вт

Пусть К_ор=1700 Вт/(м^2.К), тогда

м²

Ориентировочный расход охлаждающей  воды в теплообменнике:

По ориентировочной поверхности  теплообмена мы можем выбрать стандартный двухходовой холодильник с диаметром труб 20^x2 c внутренним диаметром кожуха D=400 мм, числом труб n=166, длиной труб l=2м, поверхностью теплообмена F = 21м², проходным сечением одного хода S_т=1.7^.10^-2м².

8.5 Воздушный конденсатор дистиллята (для сравнения).

Примем, что воздух нагревается  от t_в.нач = 20°С до t_в.кон = 30°С. Дистиллят конденсируется при t_D=58,8 °C,

Определим среднюю температуру в теплообменнике:

Δt_м = t_кон-t_внач=58.8 - 30=28.8 ^°C

Δt_б = t_D –t_вкон=58.8 - 20=38.8^°C

  ^°C

Тогда средняя температура  теплоносителя в теплообменнике:

t_{ср.дист} = 55.8 ^°C

t_ср. = t_{ср.возд} - Δt_ср=55.8 – 33.3=25.47^°C

Определим теплоемкость воздуха при t_ср=25.47^°C

с=1.01 кДж/кг*К

Пусть К_ор=60 Вт/(м^2.К), тогда

м²

Ориентировочный расход воздуха  в теплообменнике:

Сравнивая ориентировочные  поверхности теплообмена воздушного и водяного конденсаторов, можно  сделать вывод, что водяной конденсатор  эффективнее, т.к при одинаковой разности температур теплоносителей поверхность  теплообмена водяного конденсатора значительно меньше.  

 

9. Подробный расчет конденсатора дистиллята (водяной).

Исходные данные: В конденсаторе пары дистиллята конденсируется при  температуре  t_D=58,8 ^°C , охлаждающая вода нагревается от t_внач=20 ^°C до t_вкон=30 ^°C _, кг/с,

Определим среднюю температуру  в теплообменнике:

Δt_м=t_D-t_внач=58.8-30=28.8^°C

Δt_б=t_D –t_вкон=58,8-20=38,8 ^°C

Тогда средняя температура  теплоносителя в теплообменнике:

t_{ср.дист} = 58.8 ^°C

t_ср.= t_{ср.дист} - Δt_ср=58.8-33.33=25.47^°C

Пусть К_ор=500 Вт/(м^2.К), тогда

 м²

Определим теплоемкость воды при t_ср=25.47^°C

    С=4190Дж/кгК

Ориентировочный расход охлаждающей  воды в теплообменнике:

По ориентировочной поверхности  теплообмена мы можем выбрать стандартный четырехходовый конденсатор с диаметром труб 20^x2, с внутренним диаметром кожуха D=400мм, числом труб n=334, с поверхностью теплообмена F=63 м² и длиной труб l=3м, площадью проходного сечения одного хода : трубного пространства S_т=1.6*10^-2м².

В трубное пространство подаем охлаждающую воду, в межтрубное дистиллят.

Проверяем выбранный теплообменник  по соответствию режиму течения в  трубном пространстве:

м²

Re>10000, значит данный теплообменник удовлетворяет условию турбулентного режима течения теплоносителя.

Определяем коэффициент  теплоотдачи от воды к дистилляту.

Определим параметры воды при средней температуре t_{ср воды}=25°С 9находим интерполяцией табличных данных):

Примем, что стенка со стороны  воды горячая, т.к. идет процесс конденсации  паров дистиллята и нагревание воды. Значит справедливо соотношение:

где Pr_ср – критерий Прандтля при средней температуре теплоносителя,   Pr_ст – критерий Прандтля при температуре стенки.

Тогда 

Определим критерий Нуссельта  по формуле:

Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи  со стороны воды:

Определяем коэффициент  теплоотдачи от дистиллята к воде.

Определим параметры дистиллята при температуре дистиллята t_D=58.8°С:

Удельную теплопроводность смеси находим по формуле

Плотности смеси находим  по формуле:

 кг/м³

Определим вязкость смеси  жидкости в колонне по формуле:

,

где вязкости ацетона, воды соответственно.

Найдем удельную теплоту конденсации  паров дистиллята по аддитивной формуле:

Коэффициент теплоотдачи  рассчитывается по формуле:

где L – высота (длина) труб, м

Пусть °С, тогда

В качестве хладагента используем воду среднего качества со средним  значением тепловой проводимости загрязнений  стенок , а тепловая проводимость загрязнений стенок органическими парами .

Толщину слоя загрязнения  примем равной 2мм. В качестве материала  труб выберем нержавеющую сталь  с коэффициентом теплопроводности .

Тогда термическое сопротивление  загрязнений труб

 

Определим коэффициент теплоотдачи  по формуле:

Зная коэффициент теплоотдачи, определим поверхность теплообмена  по формуле:

Выбранный теплообменник  подходит с запасом:

Общий расход греющего пара по установке:

Общий расход охлаждающей воды по установке:

Выводы

В ходе работы были рассчитаны колонна и 5 теплообменников.

1.Ректификационная  колонна

Диаметр-1000мм

Высота-6.5м

Число тарелок-11

Расстояние между тарелками-0.4м 

Общее сопротивление  колонны-2380.95Па

2.Куб-испаритель

Диаметр кожуха D=400мм

Общее число труб n=111 (25×2 мм)

Число ходов z=1

Длина труб L=5м

Площадь поверхности теплообмена F=40м²

3.Холодильник кубового остатка

Диаметр кожуха D=400мм

Общее число труб n=166 (20×2 мм)

Число ходов z=2

Длина труб L=2м

Площадь поверхности теплообмена F=21м²

4.Подогреватель исходной смеси

Диаметр кожуховой трубы D=89x5мм

Диаметр теплообменной трубы d=57x5мм

_{Длина теплообменной трубы - 6м}

_{Площадь теплообмена по одной  трубе – 1.06м²}

_{Число труб -7}

_{Площадь теплообмена-7.42м²}

5.Конденсатор  дистиллята

Диаметр кожуха D=400мм

Общее число труб n=166 (20×2 мм)

Число ходов z=2

Длина труб L=4м

Площадь поверхности теплообмена F=42м²

6.Холодильник дистиллята

Диаметр кожуховой трубы D=89x5мм

Диаметр теплообменной трубы d=57x5мм

_{Длина теплообменной трубы - 6м}

_{Площадь теплообмена по одной  трубе – 1.06м²}

_{Число труб -5}

_{Площадь теплообмена-5.3м²}

Общий расход греющего пара по установке:

Общий расход охлаждающей  воды по установке:

 

 

 

 

Список использованной литературы

1.   Павлов К.Ф., Романков  П.Т., Носков А.А. “Примеры и  задачи по курсу процессов  и аппаратов химической технологии. -М.: ООО "РусМедиаКонсалт",2004.-576 с

2.  “Основные процессы  и аппараты химической технологии”.  Пособие по проектированию под  ред. Ю.И. Дытнерского. – М.: Химия,1987.

3.   Волжинский А.  И., Константинов В.А. Ректификация: колонные аппараты с решётчатыми  тарелками: Метод. указания. –  СПБ., СПбГТИ (ТУ), 2002. -20 с

4.   Волжинский А.  И., Константинов В.А. Ректификация. Справочные данные по равновесию  пар - жидкость: Метод. указания. –  СПБ., СПбГТИ (ТУ), 2002. -20 с

      5.   Марков  А.В., Нестеров А.В., Марцулевич Н.А.  Конструкция и основные размеры  кожухотрубчатых теплообменных  аппаратов: Метод. указания. –  СПб., СПбГУЭФ, 1999. – 66с.

      6. Волжинский  А. И., Флисюк О. М. Определение  средних физических величин потоков  пара и жидкости: Метод. указания. – СПБ., СПбГТИ (ТУ), 2002. -8 с