Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

3.5 Тепловой расчет колонны

Количество тепла Q_к, которое нужно подавать в кипятильник кубового остатка, определяем из уравнения теплового баланса колонны с дефлегматором (без учета тепловых потерь):

(3.37)

где: c_D,c_W,c_F – теплоемкости дистиллята, кубового остатка, исходной смеси соответственно,Дж/(кг*К); температура дистиллята, ºС; температура кубового остатка, ºС;температура питания, ºС.

55 ºС, 64,3 ºС,58,9 ºС.

Средняя удельная теплоемкость смеси по уравнению:

(3.38)

–массовая доля НК в смеси, кг НК/кг смеси;

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

(3.39)

где:средняя удельная теплота конденсации, Дж/кг

(3.40)

где: удельная теплота конденсации ацетона, приt=55 ºС, Дж/кг;удельная теплота конденсации метанола ,t=55 ºС, Дж/кг.

524 Дж/кг; 118,5 Дж/кг

кВт

Расход тепла на подогрев исходной смеси в теплообменнике перед ректификационной колонной, при ее начальной температуре 40 ºС:

(3.41)

где: c_F =2634,95 Дж/(кг*К) при средней температуре (58,9+40)/2=49,45 ºС

кВт

Расход греющего пара:

(3.42)

где: 1,05 и 0,95 – коэффициенты учитывающие влажность пара и тепловые потери соответственно;

=2141 кДж/кг теплота конденсации греющего пара при давлении Р_ГП=0,4 Мпа

=5,29 кг/с

Расход воды в дефлегматоре при нагревании ее на 20 ºС:

(3.43)

где: с_В=4190 Дж/(кг*К);

=114,8 кг/с

Расход воды в холодильнике дистиллята при нагревании ее на 20 ºС:

где: с_D=2313 Дж/(кг*К) – теплоемкость дистиллята при средней температуре (55+35)/2=45 ºС.

=1,45 кг/с

Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании ее на 20 ºС:

где: с_W=2634,9 Дж/(кг*К) – теплоемкость дистиллята при средней температуре (64,3+35)/2=49,7 ºС.

=7,06 кг/с

Общий расход воды:

G_B=114,8+1,45+7,06=123,31 кг/с

4 Подбор вспомогательного оборудования

4.1 Подбор испарителя для кубовой смеси

Подогрев осуществляется паром(Р_ГП=0,4 М Па, t_ГП=142,9 ºС)

142,9° С_____________142,9 °С

64,3 °С______________64,3 °С

Рисунок 4.1 Схема движения теплоносителей

Определение средней разности температур:

Δt_ср=142,9-64,3=78,6 ºС

Тепловая нагрузка:Q_К=9742,06 кВт.

Примем К_ор=600 Вт/м², тогда ориентировочная поверхность теплообмена по формуле () будет равна:

F_ор=9742060/(78,6*600)=206,6 м²

Выбираем испаритель, у которого диаметр кожуха D=1000 мм; поверхность теплообмена – 214 м²; число ходов – 2; число труб – 1138; диаметр труб – 20х2 мм; длина труб – 3 м. Запас:

Δ=(214-206,6)*100/206,6=3,58%

4.2 Подробный расчет теплообменника для нагрева исходной смеси

4.2.1 Подбор теплообменника

Подберем теплообменник, в котором смесь, подаваемая на ректификацию, подогревается от t_{н 1} = 40 ºС до температурыt_к1 = 58,9 ºС. В качестве греющего агента используется водяной пар(Р_ГП = 0,4 МПа,t_ГП = 142,9 ºС).

Определим среднюю температуру первого теплоносителя (исходной смеси)среднеарифметически:

t_ср1 = (40+58,9)/2=49,45 °С

Свойства первого теплоносителя (исходной смеси) при этой температуре:

µ₁= 0,3466 мПа; ρ₁=748,05 кг/м³.

Тепловая нагрузка: Q_П = 512,95 Вт.

40° С_____________58,9 °С

142,9 °С______________142,9 °С

Δt_б=102,9 °С Δt_м=84°С

Рисунок 3.4– Схема движения теплоносителей

Определение средней разности температур:

Δt_ср=(102,9+84)/2=93,45 °С

Примем К_ор=600 Вт/(м^2*К), тогда ориентировочная поверхность теплообмена по формуле будет равна:

F_ор=512945/(800*93,45)=6,86 м²

Выбираем теплообменник-подогреватель с кожухом D=273 мм; поверхностью теплообмена – 7,5 м²; числом ходов – 1; числом труб – 61; диаметром труб – 20х2 мм; длиной труб – 2 м. Запас:

Δ=(7,5-6,86)*100/6,86=9,3 %

4.2.2 Расчет гидравлического сопротивления теплообменника

Скорость жидкости в трубах:

W_тр=G_F/(S_тр*ρ₁)

где: S_тр– площадь сечения одного хода по трубам, м².S_тр=0,012 м²

W_тр=10,3/(0,012*748,05)=1,15 м/с

Коэффициент трения рассчитывают по формуле:

λ=0,25(lg(е/3,7+(6,81/Rе_тр)^0,9))^-2

где: е=Δ/d– относительная шероховатость труб;Δ – высота выступов шероховатостей (примем 0,2 мм).

Rе_тр=W_тр*d_вн* ρ₁/µ₁

Rе_тр=1,15*0,016*748,05/0,3466*10^-3=39711

λ=0,25(lg(0,2*10^-3/0,016*3,7)+(6,81/39711)^0,9))^-2=0,089

Диаметр штуцеров в распределительной камере d_{тр ш}=0,1 м, скорость в штуцерах :

W_{тр ш}=4*G_F/(π* d_{тр ш}²_*ρ),

W_{тр ш}=4*10,3/(3,14*0,1²*748,05)=1,75 м/с.

Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:

ΔР_тр=λ*L*z*ρ_тр*W²_тр/2*d_в+(2,5*(z-1)+2*z)*ρ_тр*W²_тр/2+3* ρ_тр*W²_{тр ш}/2,

где: L – длина труб, м; z – число ходов.

ΔР_тр=5900 Па