2.1.2 Тепловая нагрузка

Эта величина определяется из уравнения теплового баланса аппарата:

,

где Q_p – расход тепла в испарителе (тепловая нагрузка), кВт;

Y₁; Y₂; Y₃ – количество потоков, кг/с;

– энтальпии потоков при соответствующих температурах, кДж/кг.

где С_ж1 ; С_ж2, – средняя удельная теплоемкость жидкости при температуре потока, ;

г – удельная теплота испарения, кДж/кг.

где x₁=0,04; х₂=0,96; x₀₁=0,048; х₀₂=0,952 – массовые доли уксусной кислоты (1) и воды (2) в исходной и уходящей флегме из испарителя;

С₁=2,48 , С₂ = 4,25 – удельные теплоемкости бензола и толуола [1, с. 808].

r = r₁  х₀₁ + r₂  х₀₂ = 390,30,048+22340,952 = 2145,5 кДж/кг,

где r₁ = 390,3 кДж/кг; r₂ = 2234 кДж/кг – теплоты испарения уксусной кислоты и воды при температуре 110°С [1, с. 815].

Тогда

.

2.1.3 Расход греющего пара

В качестве горячего теплоносителя в испарителе используется насыщенный водяной пар.

Флегма низа ректификационной колонны, поступающая в испаритель, охлаждается от t₁ = 113 °C до t₂ = 110 °C и частично испаряется за счет тепла конденсации водяного пара. На основе данных промышленной эксплуатации аналогичных испарителей и с целью обеспечения достаточного температурного напора (40 ÷ 60°) при теплопередаче от конденсирующегося водяного пара к кипящей флегме принимаем следующие параметры греющего пара [2, с. 549]: давление 6 кгс/см²; температура t₃ = 158,1 °С; удельная теплота конденсации r_в = 2095 кДж/кг.

Расход водяного пара определяется из следующего равенства:

где Y_B - расход греющего пара, кг/с;

 – коэффициент удержания тепла.

С учетом коэффициента удержания тепла (в среднем для теплообменников  = 0,95) получим:

2.1.4 Температурный напор по поверхности нагрева испарителя

Температура горячего теплоносителя – конденсирующегося водяного пара – остается неизменной и равной t₃=158,1 °C. Температура кипящей флегмы в испарителе также остается практически постоянной и равной t₂ = 110 °C. Следовательно, температурный напор в испарителе будет одинаковым по всей его поверхности и равным

t = t₃ – t₂ = 158,1 – 110 = 48,1 °С.

2.1.5 Коэффициент теплоотдачи а, со стороны кипящей жидкости

Уравнения теплоотдачи при кипении жидкостей существенно различаются в зависимости от вида термомеханического режима этого энергоемкого гетерогенного процесса, сопровождающегося фазовым превращением. По характеру и интенсивности кипения различают три основных режима процесса: пузырьковый; пузырчато-пленочный и пленочный. В химической технологии наибольшее применение нашел первый режим, обеспечивающий более высокую интенсивность теплообмена.

Для пузырькового режима кипения в большом объеме коэффициент теплоотдачи от поверхности горизонтальных трубок пучка рассчитывается по следующей зависимости [2, с. 165]:

где b – коэффициент, равный

 – коэффициент теплопроводности жидкой фазы при температуре кипения,

 – коэффициент кинематической вязкости жидкости при этой же

температуре, м²/с;

 – поверхностное натяжение на границе раздела между жидкостью и паром при температуре кипения, Н/м;

Т_кип – температура кипения, °К;

q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м ;

_п, _ж – соответственно плотности паровой и жидкой фаз, кг/м³.

В рассматриваемом случае Т_кип = t₂ = 110 °С = 383°К, так как при определении значения коэффициента теплопередачи за жидкую фазу принимается флегма, уходящая из испарителя, а она находится в равновесии с паром при температуре t₂ = 110°C.

Плотность паровой фазы определим по уравнению Менделеева-Клайперона:

где ₀ – плотность пара при нормальных условиях, кг/м³;

Т_о – 273 °К;

Р = 1200 мм.рт.ст. – давление в испарителе;

Р₀ = 760 мм.рт.ст.

После подстановки всех величин в формулу получим:

Плотность жидкости, уходящей из испарителя, определяем по уравнению:

где x₀₁ = 0,048; х₀₂ = 0,952 – содержание уксусной кислоты и воды в уходящей из испарителя жидкости, % _масс;

р₀₁ = 940 кг/м³; р₀₂ =950,5 кг/м³ – их плотности при t₂ = 110 °С [1,с. 804]

Коэффициент теплопроводности жидкой фазы определяется по правилу аддитивности:

где ₁ = 0,153 ; ₂ = 0,683 – коэффициенты теплопроводности уксусной кислоты и воды при t₂ = 110 °С [ 1, с. 810].

Коэффициент динамической вязкости  определяем по уравнению:

где х₀₁’ = 0,048; х₀₂ = 0,952 – мольные доли уксусной кислоты и воды в жидкости, уходящей из испарителя;

₁ = 0,41510^-3 Пас; ₂ = 0,25810^-3 Пас – их динамические вязкости при t₂ = 110 °С [1, с. 806].

Тогда кинематическая вязкость жидкой смеси определяется как

Поверхностное натяжение на границе раздела пар – жидкость определим по уравнению:

где ₁ = 18,910^-3 Н/м²; ₂ = 56,9 10^-3 Н/м² – поверхностные натяжения уксусной кислоты и воды при t₂ = 110 °C [1, с. 812].

Коэффициент теплоотдачи определим после предварительного расчета коэффициента b.

Тогда

Коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости, как функция удельной тепловой нагрузки испарителя, определяется по формуле