Полный расчет ректификационной колонны
м
м
0.03<Sтр<0.07
Исходя из сделанных расчетов выбираем: стандартный четырехходовой дефлегматор 20x2 с внутренним диаметром кожуха D=1000 мм, числом труб n=1072, длиной труб l=4м, проходным сечением одного хода Sт=5.1.10-2м, числом рядов труб nр=34 и стандартный шестиходовой дефлегматор 25x2 с внутренним диаметром кожуха D=1200 мм, числом труб n=958, длиной труб l=4м, проходным сечением одного хода Sт=5.2.10-2м, числом рядов труб nр=32.
2.4.4 Холодильник дистиллята
Исходные
данные:
кг/с,
tD=56
ْC,
tвкон=25
ْC,
tвнач=15
ْC,
t1кон=25
ْC.
Определим среднюю температуру:
Δt1=tD-tвкон=31 ْC
Δt2=t1кон-tвнач=10 ْC
δt1=tD-t1кон=31 ْC
δt2=tвкон-tвнач=10ْC
ْC
ْC
так как δt1>δt2, то
ْC
Определим теплофизические свойства воды при tсрв=20 ْC:
с=4190Дж/кгК
μ=1.005 мПа.с
t1ср=tвср+ Δtср=20+15.03=35.03 ْC
Определим теплоемкость дистиллята при t1ср:
Вт
кг/с
Пусть Кор=300Вт/(м2.К), тогда
м2
м
м
0.0034<Sтр<0.0068
Определим вязкость смеси при t1ср=35.03 ْC
мПа.с
мПа.с
мПа.с
м
м
0.013<Sмтр<0.039
Исходя из сделанных расчетов можем выбрать стандартный четырехходовой холодильник c 25x2 внутренним диаметром кожуха D=600 мм, числом труб n=206, длиной труб l=2м,с расстоянием между перегородками в межтрубном пространстве h=300мм, проходным сечением одного хода Sт=1.8.10-2м и числом рядов труб nр=14.
2.4.5 Холодильник кубового остатка.
Исходные
данные:
кг/с,
tw=56
ْC,
tвкон=25
ْC,
tвнач=15
ْC,
t1кон=25
ْC.
Определим среднюю температуру:
Δt1=tw-tвкон=71-25=46 ْC
Δt2=t1кон-tвнач=25-15=10 ْC
δt1=tw-t1кон=71-25=46 ْC
δt2=tвкон-tвнач=25-15=10ْC
ْC
ْC
так как δt1>δt2, то
ْC
Определим теплофизические свойства воды при tсрв=20 ْC:
с=4190Дж/кгК
μ=1.005 мПа.с
t1ср=tвср+ Δtср=20+19.24=39.24 ْC
Определим теплоемкость дистиллята при t1ср:
Вт
кг/с
Пусть Кор=300Вт/(м2.К), тогда
м2
м
м
0.003<Sтр<0.006
Определим вязкость смеси при t1ср=39.24 ْC
мПа.с
мПа.с
мПа.с
м
м
0.0073< Sмтр<0.022
Исходя из сделанных расчетов можем выбрать стандартный двухходовой холодильник 20x2 c внутренним диаметром кожуха D=400 мм, числом труб n=166, длиной труб l=3м, с расстоянием между перегородками в межтрубном пространстве h=250мм, проходным сечением одного хода Sт=1.7.10-2м и числом рядов труб nр=14.
2.5 Подробный расчет дефлегматора
В данном разделе подробно рассчитаем один из теплообменников – дефлегматор, выбранный в ориентировочном расчете.
Дефлегматор-аппарат, предназначенный для конденсации паров и подачи флегмы в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве, которого обычно конденсируется пары, а в трубах движется охлаждающий агент – вода.
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
Расчет коэффициентов теплоотдачи.
Исходные
данные:
,
tD=56
ْC,
t2ср=29.32
ْC,
,
дефлегматор
с внутренним
диаметром
кожуха D=1000
мм, числом труб
n=1072, длиной
труб l=4м,
проходным
сечением одного
хода Sт=5.1.10-2м
и числом рядов
труб nр=34,
в среднем по
31-32 трубе в ряду.
1. Задаемся
температурой
стенки
ْC
Тогда
Δt=tD-tст1=56-45=11 ْC
tпл=(tкон+tст1)/2=(56+45)/2=50.5 ْC
Далее необходимо определить поверхностные плотности теплового потока и сопоставить их, если разница между ними будет меньше 5 %, то можно считать, что процесс установившийся и температура стенки подобранна правильно.
,
где
-
коэффициенты
теплоотдачи
от стенки 1 и
2;
,
где
=0,55-
множитель,
учитывающий
влияние числа
труб по вертикали;
теплопроводность
смеси, Вт/(м.К);
-плотность
смеси, кг/м3;
теплота
конденсации,
Дж/кг;
-
скорость свободного
падения, м/с;
-вязкость
смеси, мПа.с;
-
наружный диаметр
труб, м.
Коэффициент
может быть
существенным
для вязких
конденсатов,
а для воды в
первом приближении
его не учитывают.
Определим теплопроводность, плотность, вязкость при определяющей температуре t=50.5 ْC и теплоту конденсации при температуре конденсации:
кДж/кг
где
- теплоты испарения
ацетона и
четыреххлористого
углерода,
.
,
где исходные данные: A1 =72.18; t 1кр=235.1; A2=25.64; t2кр=283.4
;
.
мПа.с
мПа.с
кг/м3
кг/м3
кг/м3
Вт/мК
Вт/мК
Тогда
Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:
Примем что
Определим температуру второй стенки по формуле:
Определим коэффициент теплопроводности для воды при t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:
Аналогично определим коэффициент теплопроводности для воды при t=34.23 ْC:
Определим вязкость жидкости для воды при t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:
Па
Аналогично определим вязкость воды при t=34.23 ْC:
Па
Определим теплоемкость воды t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:
Аналогично определим теплоемкость воды при t=34.23 ْC:
Определим критерий Рейнольдса по формуле:
,
где
-
вязкость смеси,
Па.с;
G- расход воды, кг/с;
z- число ходов, z=4;
d- внутренний диаметр труб, м;
Nтр- количество труб.
Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах tср=29.32ْС, tст=34.23ْС:
,
где с- теплоемкость воды, Дж/кгК;
теплопроводность
воды, Вт/(м.К);
-вязкость
воды, мПа.с.
Определим критерий Нуссельта по формуле:
Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи второй стенки по формуле:
Тогда
Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:
Сопоставим q1 и q2, т разность выразим в процентах:
Выбранная температура стенки наугад не подходит.
2. Выбираем
новую температуру
стенки tст1=44ْС
и проводим
расчеты аналогично
расчетам при
температуре
стенки
ْC
Тогда
Δt=tD-tст1=56-44=12 ْC
tпл=(tкон+tст1)/2=(56+44)/2=50 ْC
Необходимо определить поверхностные плотности теплового потока и сопоставить их, если разница между ними будет меньше 5 %, то можно считать, что процесс установившийся и температура стенки подобранна правильно.
,
где
-
коэффициенты
теплоотдачи
от стенки 1 и
2;
,
где
=0,55-
множитель,
учитывающий
влияние числа
труб по вертикали;
теплопроводность
смеси, Вт/(м.К);
-плотность
смеси, кг/м3;
теплота
конденсации,
Дж/кг;
-
скорость свободного
падения, м/с;
-вязкость
смеси, мПа.с;
-
наружный диаметр
труб, м.
Коэффициент
может быть
существенным
для вязких
конденсатов,
а для воды его
не учитывают.
Определим теплопроводность, плотность, вязкость при определяющей температуре t=50 ْC и теплоту конденсации при температуре конденсации:
кДж/кг
где
- теплоты испарения
ацетона и
четыреххлористого
углерода,.
,
где исходные данные: A1 =72.18; t 1кр=235.1; A2=25.64; t2кр=283.4
;
.
мПа.с
мПа.с
кг/м3
кг/м3
кг/м3
Вт/мК
Вт/мК
Тогда
Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:
Примем, что
Определим температуру второй стенки по формуле:
Определим коэффициент теплопроводности для воды при t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:
Аналогично определим коэффициент теплопроводности для воды при t=32.5 ْC:
Определим вязкость жидкости для воды при t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:
Па
Аналогично определим вязкость воды при t=32.5 ْC:
Па
Определим теплоемкость воды t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:
Аналогично определим теплоемкость воды при t=32.5 ْC:
Определим критерий Рейнольдса по формуле:
,
где
-
вязкость смеси,
Па.с;
G- расход воды, кг/с;
z- число ходов, z=4;
d- внутренний диаметр труб, м;
Nтр- количество труб.
Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах tср=29.32ْС, tст=32.5ْС:
,
где с- теплоемкость воды, Дж/кгК;
теплопроводность
воды, Вт/(м.К);
-вязкость
воды, мПа.с.
Определим критерий Нуссельта по формуле:
Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи второй стенки по формуле:
Тогда
Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:
Сопоставим q1 и q2, т разность выразим в процентах:
Выбранная температура стенки наугад не подходит.
3. Используя графический метод, определяем температуру стенки в третьем приближение-
ْC
(графическое
решение приведено
в приложение
5).
Проводим расчеты аналогичные расчетам, выполненным в