Тепловые расчеты

Расчет дефлегматора

В качестве охлаждающего агента будет использоваться вода, начальная температура воды на входе в дефлегматор – 20°С, конечная температура воды на выходе из дефлегматора – 32°С.

Физико-химические характеристики воды при средней температуре 26°С:

r₂–плотность воды – 996 кг/м³

с₂–теплоемкость воды – 4,19 кДж/кг/К

m₂–вязкость воды – 0,874×10^-3 Па×с

l₂–коэффициент теплопроводности – 0,64 Вт/м/К

Физико-химические характеристики пара и конденсата при температуре 66,3⁰С.

r₁–плотность конденсата – 755,9 кг/м³

m₁–вязкость конденсата – 0,33610^-3 Па·с

l₁–коэффициент теплопроводности конденсата – 0,195 Вт/(м·К)

r₁–теплота конденсации: r₁=0,93×1096,7+0,07×2344,7=1184,1 кДж/кг

Тепловая нагрузка дефлегматора:

G₁=P×(R+1)=0,393×(1,155+1)=0,847 кг/с

Q=r₁×G₁=1184,1×0,847=1002,9 кВт

Расход воды считаем по формуле:

кг/с

Средняя разность температур:

^оС

Ориентировочно принимаем значение коэффициента теплопередачи К=800 Вт/(м·К). Тогда ориентировочное значение поверхности теплопередачи:

м²

Площадь поверхности, наиболее близкую к ориентировочной, имеет стандартный аппарат с параметрами: D=600 мм; l=2 м, d=25x2мм, z=4, n=206 и F=32,0 м²

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб:

Для расчета коэффициента теплоотдачи от стенок к воде нужно определить режим движения жидкости в трубках:

Скорость движения воды в трубках:

м/с

Значение критерия Рейнольдса:

Значение критерия Прандтля:

В процессе теплопередачи охлаждающая вода в трубках нагревается, поэтому при расчете коэффициента теплоотдачи от стенок к воде отношение (Pr/Pr_cт) ^0,.62 можно не учитывать, тогда поверхность теплопередачи будет рассчитана с некоторым запасом.

Вт/м²/К

Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений со стороны воды и пара равна:

Коэффициент теплопередачи:

Требуемая поверхность теплопередачи:

Подбираем другой теплообменник: D=600 мм; l=3 м, d=25x2мм, z=4, n=206 и F=49,0 м². Тогда:

Требуемая поверхность теплопередачи:

Таким образом, выбранный теплообменник обеспечивает необходимую поверхность теплопередачи с запасом 30%.

Расчет холодильника дистиллята

В холодильник из дефлегматора подается поток дистиллята с температурой 66,3°С, который охлаждается до 30°С.

Характеристики потока дистиллята для средней температуры 48,2°С таковы:

P–массовый расход дистиллята: 0,393 кг/с

r₁–плотность дистиллята: 773,8 кг/м³

m₁–вязкость дистиллята: 0,415×10^-3 Па·с

l₁–коэффициент теплопроводности дистиллята: 0,230 Вт/(м·К)

c₁–теплоемкость дистиллята: 2,694 кДж/(кг·К)

Охлаждение проводится водой с начальной температурой 20°С и конечной температурой 32°С.

Характеристики охлаждающей воды для средней температуры 26 °С:

r₂–плотность воды: 996 кг/м³

m₂–вязкость воды: 0,874×10^-3 Па·с

l₂–коэффициент теплопроводности воды: 0,64 Вт/(м·К)

с₂–теплоемкость воды: 4,19 кДж/(кг·К)

Среднелогарифмическая разность температур составит:

°С

Для учета отличия средней разности температур в двухходовом теплообмен-нике от среднелогарифмической рассчитаем поправку, учитывающую сложный ток теплоносителей:

Таким образом, с учетом поправки, средняя разность температур в двухходовом теплообменнике составит:

⁰С

Тепловая нагрузка холодильника составит:

Расход охлаждающей воды:

Принимаем значение коэффициента теплопередачи К_ОР=250 Вт/м·К. В таком случае ориентировочное значение поверхности будет:

м²

Площадь поверхности, близкую к ориентировочной (с запасом) имеет стандартный аппарат с параметрами: D=400 мм, d=25x2мм, z=2, n=100, l=2м и F=16,0 м².

Скорость движения охлаждающей воды в трубках:

Значение критерия Рейнольдса:

Значение критерия Прандтля:

В процессе теплопередачи охлаждающая вода в трубках нагревается, поэтому при расчете коэффициента теплоотдачи от стенок к воде отношение (Pr/Pr_cт)^0,.62 можно не учитывать, тогда поверхность теплопередачи будет рассчитана с некоторым запасом.

Коэффициент теплоотдачи от стенок к воде:

Скорость движения дистиллята в межтрубном пространстве:

Значение критерия Рейнольдса в межтрубном пространстве:

Значение критерия Прандтля в межтрубном пространстве:

В процессе теплопередачи органическая смесь в межтрубном пространстве охлаждается, поэтому при расчете коэффициента теплоотдачи от стенок к воде нужно учитывать отношение (Pr/Pr_cт)^0,62, в случае, если пренебречь отношением (Pr/Pr_cт)^0,62 поверхность теплопередачи будет рассчитана с некоторой ошибкой.

Коэффициент теплоотдачи от стенок к воде:

Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений со стороны воды и дистиллята:

Коэффициент теплопередачи:

Требуемая поверхность теплопередачи:

Подбираем другой теплообменник: D=400 мм, d=25x2мм, z=2, n=100, l=6м и F=47,0 м². Расчёт для него аналогичен, т.к. различна только длина труб.

Таким образом, выбранный теплообменник обеспечивает необходимую поверхность теплопередачи (с запасом 38%).

Расчет кипятильника

Для обогрева кипятильника будем использовать насыщенный водяной пар, имеющий следующие физико-химические характеристики:

t₁–температура конденсации: 119,6°С

r₁–плотность конденсата: 958 кг/м³

m₁–вязкость конденсата: 0,258×10^-3 Па·с

l₁–коэффициент теплопроводности конденсата: 0,675 Вт/(м·К)

r₁–удельная теплота конденсации: 2208 кДж/кг

c₁–теплоемкость конденсата: 4,19 кДж/кг

P–давление 0,2 МПа

При расчете кипятильника следует учесть повышение температуры кипения кубовой жидкости обусловленное гидравлическим сопротивлением тарелок колонны. Ранее, по усредненным составам, скоростям движения фаз и основным свойствам веществ, было рассчитано гидравлическое сопротивление одной тарелки ректификационной колонны.

Давление в колонне:

Тогда температура кипения смеси метанола с водой в кубе колонны:

°С

Физико-химические характеристики кубовой жидкости при 103,5°С:

r₂–плотность жидкости: 960,7 кг/м³

m₂–вязкость жидкости: 0,275×10^-3 Па·с

r₂–теплота парообразования: 2258,0 кДж/кг

l₂–коэффициент теплопроводности жидкости: 0,685 Вт/(м·К)

s₂–поверхностное натяжение: 58,9×10^-3 Н/м

c₂–теплоемкость жидкости: 4,19 кДж/(кг·К)

r_п2–плотность паров: 0,583 кг/м³

Для определения тепловой нагрузки кипятильника рассчитывается тепловой баланс ректификационной колонны:

где:

Ф – расход флегмы; P – расход дистиллята; W – расход кубового остатка;

Qп – тепловые потери (3%);

r_P – удельная теплота парообразования флегмы;

с_Р, с_F, c_W – теплоемкости дистиллята, исходной смеси и кубового остатка;

t_P, t_F, t_W – температуры дистиллята, исходной смеси и кубового остатка;

Тепловая нагрузка кипятильника

Расход пара на ректификацию:

Средняя разность температур:

tср=119,6-103,5=16,1°С

Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К=1000 Вт/(м·К), тогда значение поверхности теплообмена составит:

Площадь поверхности, близкую к ориентировочной, имеет стандартный испаритель: D=800мм, d=25x2мм, z=1, n=465, l=3 м и F=109 м².

Для расчёта уравнение теплопередачи модифицируется :

Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений со стороны пара и кубовой жидкости:

А=276010; В=10,11;

q, Вт/К	f(q)
10000	-2.561
15000	3.103
12250	-0.0004
12260	0.011

Можно принять q = 12,25 кВт/К

Тогда F= Q / q = 1580,1 / 12,25 = 129 м²

Площадь поверхности, близкую к ориентировочной, имеет стандартный испаритель: D=800мм, d=25x2мм, z=1, n=465, l=4 м и F=146 м².

Тогда А=250800; В=10,11

q = 12,16 кВт/К

Тогда F= Q / q = 1580,1 / 12,16 = 130 м²

Таким образом, выбранный испаритель обеспечивает необходимую поверхность теплопередачи.