5. Расчет теплообменных аппаратов.

В данной технологической схеме используются 5 теплообменников:

- подогреватель исходной смеси. В нем исходная смесь нагревается до температуры кипения;

- дефлегматор. В нем конденсируются пары, выходящие из верхней части колонны.

- кипятильник кубового остатка. В нем кипит жидкость состава кубового остатка с образованием паров, поднимающихся вверх по колонне и контактирующих с жидкостью.

- холодильник дистиллята. В нем дистиллят, сконденсированный в дефлегматоре, охлаждается от температуры кипения до конечной температуры.

- холодильник кубового остатка. В нем охлаждается жидкость, отбираемая из нижней части колонны (кубовый остаток) от температуры кипения до конечной температуры.

5.1. Подогреватель исходной смеси.

В подогревателе исходной смеси жидкость питания нагревается от 20 градусов Цельсия до кипения – 85 градусов Цельсия. Обогрев ведется водяным паром давления 1 ат с температурой конденсации 99,1 градусов Цельсия.

Для расчета необходимы следующие данные (рассчитанные для средней температуры):

Расход питания:

F = 1,11 кг/с

t₁ = 20ºC

t₂ = 85 ºC

t_ср = (20 + 85)/2 = 52,5 ºC

Теплопроводность жидкости в трубах

λ_{(этанол)} = 0,1585 Вт/(м∙К)

λ _(вода) = 0,6428 Вт/(м∙К)

=0,498 Вт/(м∙К)

Плотность жидкости в трубах

ρ_{(этанол)} = 761 кг/м³

ρ_(вода) = 986,8 кг/м³

ρ = 919,06 кг/м³

Вязкость жидкости в трубах

μ _{(этанол)} = 0,000657 Па∙с

μ _(вода) = 0,000527 Па∙с

μ = 0,0005714 Па∙с

Теплоемкость жидкости в трубах:

С_{(этанол)} = 2704 Дж/(кг∙К)

С_(вода) = 4181,6 Дж/(кг∙К)

С = 3738,32 Дж/(кг∙К)

Свойства насыщенного водяного пара:

Р = 0,2 МПа

t_конд = 119,6 ºC

λ_п = 0,686 Вт/(м∙К)

μ_п = 0,000274 Па∙с

ρ_п = 943,3 кг/м³

r_п = 2208000 Дж/кг

Тепловая нагрузка:

Q = 269689 Вт

Расход пара:

G_п = Q/r_п

G_п = 269689/2208000 = 0,122 кг/с

Средняя разность температур:

(119,6 – 20) – (119,6 – 85)

Δtср = ─────────────── = 61,48 ºC

119,6 - 20

ln ──────

119,6 – 85

Сумма термических сопротивлений:

δ = 0,002 м

λ_ст = 17,5 Вт/(м∙К)

1/r_{загр орг.ж}. = 5800 Вт/(м∙К)

δ 0,002 1

Σ ── = ─── + ──── = 0,000287

λ_ст 17,5 5800

Коэффициент теплоотдачи в тр пространстве, αтр, Вт/(м²∙К)	Коэффициент теплоотдачи в мтр пространстве, αмтр, Вт/(м²∙К)	Коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙К)	Поверхность теплообмена, F м²	Число Re в трубах
1279,17	9056,48	848,05	5,12	9060,0

Выбор теплообменника:

Диаметр кожуха, D мм	273
Диаметр труб d, мм	25 х 2
Число ходов, z	1
Число труб n, шт	13
Поверхность теплообмена, F м²	7,5
Длина труб l, м	2

Запас поверхности теплообмена:

Δ = (7,5 –5,12 )/7,5 = 31 %

5.2. Расчет дефлегматора:

Конденсируется пар состава дистиллята при температуре кипения дистиллята, охлаждение ведется водой, которая нагревается от 20 до 30 градусов Цельсия.

Расход дистиллята Р = 0,585 кг/с

Для расчета необходимы следующие данные (рассчитанные для средней температуры):

Расход питания:

F = 1,11 кг/с

t₁ = t₂ = 78 ºC

Свойства конденсата:

Теплопроводность жидкости в трубах

λ_{(этанол)} = 0,152 Вт/(м∙К)

λ _(вода) = 0,668 Вт/(м∙К)

=0,188 Вт/(м∙К)

Плотность жидкости в трубах

ρ_{(этанол)} = 735,95 кг/м³

ρ_(вода) = 9472,82 кг/м³

ρ = 753,01 кг/м³

Вязкость жидкости в трубах

μ _{(этанол)} = 0,000447 Па∙с

μ _(вода) = 0,000363 Па∙с

μ = 0,0004411 Па∙с

Удельная теплота парообразования:

r_{(этанол)} = 8492247 Дж/кг

r_(вода) = 2313000 Дж/кг

r = 951709 Дж/кг

Свойства воды:

t_в1 = 20 ºC

t_в2 = 30 ºC

t_ср = (25 + 30)/2 = 25 ºC

λ_в = 0,611 Вт/(м∙К)

μ_в = 0,000851 Па∙с

ρ_в = 993,5 кг/м³

С_в = 4190 Дж/(кг∙К)

Тепловая нагрузка:

Q = 1165900 Вт

Расход воды:

G_в = Q/(С_в ∙(t_в2 - t_в1))

G = 1165900/(4190 ∙ (30 – 20)) = 27,8 кг/с

Средняя разность температур:

Δt_б + Δt_м

Δt_ср = ──────

2

(78 – 20) – (73 – 30)

Δt_ср = ──────────── = 53,14 ºC

2

Сумма термических сопротивлений:

δ = 0,0002 м

λ_ст = 17,5 Вт/(м∙К)

1/r_{загр орг.пар}. = 11600 Вт/(м∙К)

1/r_вода. = 1860 Вт/(м∙К)

δ 0,0002 1 1

Σ ── = ──── + ──── + ──── = 0,000738

λ 17,5 11600 1860

Коэффициент теплоотдачи в тр пространстве, αтр, Вт/(м²∙К)	Коэффициент теплоотдачи в мтр пространстве, αмтр, Вт/(м²∙К)	Коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙К)	Поверхность теплообмена, F м²	Число Re в трубах
3970,59	2076,31	679,59	32,41	14362,4

Выбор теплообменника:

Диаметр кожуха, D мм	400
Диаметр труб d, мм	20 х 2
Число ходов, z	1
Число труб n, шт	181
Поверхность теплообмена, F м²	46
Длина труб l, м	4

Запас поверхности теплообмена:

Δ = (46 – 32,41)/46 = 30 %

5.3. Расчет испарителя:

Кипит смесь состава кубового остатка при температуре кипения кубового остатка, обогрев ведется насыщенным водяным паром с давлением 2 ат и температурой 119,6 градусов Цельсия.

Расход кубового остатка:

W = 2,19 кг/с

t_W = 98 ºC

Свойства кубового остатка:

Теплопроводность жидкости в трубах

λ_{(этанол)} = 0,163 Вт/(м∙К)

λ _(вода) = 0,686 Вт/(м∙К)

=0,68 Вт/(м∙К)

Плотность жидкости в трубах

ρ_{(этанол)} = 717,9 кг/м³

ρ_(вода) = 959,4 кг/м³

ρ = 957,4 кг/м³

Вязкость жидкости в трубах

μ _{(этанол)} = 0,000337 Па∙с

μ _(вода) = 0,00028884 Па∙с

μ = 0,000289 Па∙с

Удельная теплота парообразования:

r_{(этанол)} = 816250 Дж/кг

r_(вода) = 2263430 Дж/кг

r = 2249000 Дж/кг

Поверхностное натяжение:

σ _{(этанол)} = 0,01568Н/м

σ _(вода) = 0,05927 Н/м

σ = 0,05883 Н/м

Теплоемкость:

С _{(этанол)} = 3435,8 Дж/(кг∙К)

С_(вода) = 4190 Дж/(кг∙К)

С = 4182 Дж/(кг∙К)

Свойства насыщенного водяного пара:

Р = 2 ат

t_конд = 119,6 ºC

λ_п = 0,686 Вт/(м∙К)

μ_п = 0,000233 Па∙с

ρ_п = 943,3 кг/м³

r_п = 2208000 Дж/кг

Тепловая нагрузка:

Q = 1539851 Вт

Расход пара:

G_п = Q/r_п

G_п = 1539851/2208000 = 0,7 кг/с

Средняя разность температур:

Δt_ср = t_конд – t_W

Δt_ср = 119.6 – 98 = 21,6 ºC

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи

Кор = 1675 Вт/(м²∙К)

Ориентировочная поверхность теплообмена

Fор = Q/(Kор∙ Δt_ср)

1539851

Fор = ────── = 42,6 м²

1675 ∙ 21,6

Выбор теплообменника:

Диаметр кожуха D, мм	600
Диаметр труб d, мм	25 Х 2
Число ходов z, шт	1
Поверхность теплообмена F, м²	61
Длина труб l, м	3
Число труб, n шт	257

Ориентировочное значение удельное тепловой нагрузки

Q

q = ──

F

1539851

q = ────── = 25243 Вт/м²

61

ρ_п ∙ r_п ∙ g ^1/3

А = 1,21 ∙ λ_п ∙

μ_п∙l

943,3 ∙ 2208000 ∙ 9,81 ^1/3

А = 1,21 ∙ 0,686 ∙ = 250768

0,000233 ∙ 3

λ_ж^1,3 ∙ ρ_ж^0,5 ∙ ρ^0,6_{п над ж}

В = 780 ∙

σ_ж^0,5 ∙ r_ж^0,6 ∙ ρ_по^0,66 ∙ C_ж^0,3 ∙μ_ж^0,3

ρ _{п над ж} = 1,15 кг/м³

ρ_по = 1,135 кг/м³

0,68^1,3 ∙ 957,4^0,5 ∙ 1,15^0,6

В = 780 ∙ = 8,8

0,05883^0,5 ∙ 2249000^0,6 ∙ 1,135^0,66 ∙ 4182^0,3 ∙ 0,000289^0,3

Сумма термических сопротивлений:

Толщина труб δ = 0,002 м

Теплопроводность стали λст 17,5 Вт/(м∙К)

Со стороны водяного пара загрязнениями можно пренебречь

1/r_{загр орг} = 5800 Вт/(м∙К)

δ 0,002 1

Σ ── = ──── + ─── = 0,000287

λ 17,5 5800

f(q) = 1/A ∙ q^4/3 + (Σδ/λ) ∙ q + 1/B ∙ q ^0,4 – Δt_ср = 0

f(34450) ≈ 0

Требуемая поверхность теплообмена

F = 1538851/34450 = 45 м²

Запас поверхности теплообмена

Δ = (61 – 45)/45 = 35 %

5.4. Расчёт кожухотрубного холодильника дистиллята:

В холодильнике дистиллята дистиллят охлаждается от температуры кипения до 30 градусов Цельсия, охлаждение ведется водой, которая нагревается от 20 до 40 градусов Цельсия.

Свойства воды:

t_в1 = 20 ºC

t_в2 = 40 ºC

t_ср = (20 + 40)/2 = 30 ºC

λ_в = 0,618 Вт/(м∙К)

μ_в = 0,000804 Па∙с

ρ_в = 996 кг/м³

С_в = 4180 Дж/(кг∙К)

Свойства смеси:

t_н = 78 ºC

t_к = 30 ºC

Тепловая нагрузка

Q = 52215 Вт

Расход охлаждаемой смеси:

G = Р = 0,35 кг/с

Средняя разность температур:

(78 – 40) – (30 – 20)

Δt_ср = ──────────── = 21,07 ºC

78 - 40

ln ────

30 – 20

Средняя температура жидкости:

t_ср = t_срв + Δt_ср = 51 ºC

Теплопроводность жидкости

λ_{(этанол)} = 0,158 Вт/(м∙К)

λ _(вода) = 0,635 Вт/(м∙К)

=0,191 Вт/(м∙К)

Вязкость жидкости

μ _{(этанол)} = 0,000656 Па∙с

μ _(вода) = 0,000514 Па∙с

μ = 0,000646 Па∙с

Теплоемкость:

С _{(этанол)} = 2722 Дж/(кг∙К)

С_(вода) = 4182 Дж/(кг∙К)

С = 3127 Дж/(кг∙К)

Сумма термических сопротивлений:

δ = 0,0002 м

λ_ст = 17,5 Вт/(м∙К)

1/r_{загр орг.пар}. = 11600 Вт/(м∙К)

1/r_вода. = 1860 Вт/(м∙К)

δ 0,0002 1 1

Σ ── = ──── + ──── + ──── = 0,000738

λ 17,5 11600 1860

Коэффициент теплоотдачи в тр пространстве, αтр, Вт/(м²∙К)	Коэффициент теплоотдачи в мтр пространстве, αмтр, Вт/(м²∙К)	Коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙К)	Поверхность теплообмена, F м²	Число Re в трубах	Число Re в межтрубном пространстве
1487,42	1285,65	457,01	6,23	5498,7	9850,8

Выбор теплообменника:

Диаметр кожуха, D мм	325
Диаметр труб d, мм	20 х 2
Число ходов, z	4
Число труб n, шт	45
Поверхность теплообмена, F м²	9
Длина труб l, м	2

Δ = (9 – 6,23)/9 = 30 %