5.5. Расчёт кожухотрубного холодильника кубового остатка:

В холодильнике кубового остатка продукт охлаждается от температуры кипения до 30 градусов Цельсия водой, которая нагревается от 20 до 30 градусов Цельсия.

Свойства воды:

t_в1 = 20 ºC

t_в2 = 30 ºC

t_ср = (20 + 30)/2 = 25 ºC

λ_в = 0,5815 Вт/(м∙К)

μ_в = 0,0009005 Па∙с

ρ_в = 996,5 кг/м³

С_в = 4190 Дж/(кг∙К)

Коэффициент объемного расширения β = 0,000255 1/К

Свойства смеси:

t_н = 98 ºC

t_к = 30 ºC

t_ср = (98 + 30)/2 = 64 ºC

Теплопроводность жидкости

λ_{(этанол)} = 0,1558Вт/(м∙К)

λ _(вода) = 0,655 Вт/(м∙К)

=0,65 Вт/(м∙К)

Вязкость жидкости

μ _{(этанол)} = 0,000557 Па∙с

μ _(вода) = 0,000442 Па∙с

μ = 0,000443 Па∙с

Теплоемкость:

С _{(этанол)} = 2831,8 Дж/(кг∙К)

С_(вода) = 4186,52 Дж/(кг∙К)

С = 4173 Дж/(кг∙К)

Тепловая нагрузка

Q = 231776 Вт

Расход воды

G_в = Q/(C_в∙(t_в1 – t_в2))

G_в = 231776/(4190 ∙ (30 – 20)) = 5,53 кг/с

Расход охлаждаемой смеси:

G = Q/(C∙(t_н – t_к))

G = 231776/(4173 ∙ (98 – 30)) = 0,817 кг/с

Средняя разность температур:

(98 – 30) – (30 – 20)

Δt_ср = ──────────── = 30,26 ºC

98 - 30

ln ────

30 – 20

Коэффициент, учитывающий снижение средней движущей силе при смешанном токе

ε_Δt = 1

Сумма термических сопротивлений

δ = 0,002 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 0,002 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
2267,08	1528,66	545,48	6,64	10063,1	5122,9

Выбор теплообменника:

Диаметр кожуха, D мм	400
Диаметр труб d, мм	25 Х 2
Число ходов, z	1
Число труб n, шт	37
Поверхность теплообмена, F м²	9
Длина труб l, м	3
Площадь наиболее узкого сечения потока в мтр пространстве, м²	0,009

Запас поверхности теплообмена:

Δ = (9 – 6,64)/9 = 26 %

6. Выбор насосов.

Основными типами насосов, применяемых в химической технологии, являются центробежные, поршневые и осевые насосы. Для обеспечения плавной и непрерывной подачи перекачиваемой жидкости при достаточно высоких значениях к.п.д. будем использовать центробежные насосы. Они относительно просто устроены, что обеспечивает надежность и достаточную долговечность. Также они отличаются компактностью установки за счет простоты соединения с высокооборотными двигателями.

Насос для подачи исходной смеси из емкости в подогреватель.

Расход исходной жидкости F = 1,11 кг/с

Плотность жидкости при 20 ºC ρ_20º = 936 кг/м³

Вязкость при 20 ºC μ_20º = 0,001062 Па∙с

Объемный расход жидкости Q = F/ρ

Q = 1,11/935,6 = 0,00186 м³/с

Примем среднюю скорость для всасывающего и нагнетательного трубопроводов 2 м/с

Диаметр трубопровода:

d_тр = (4∙Q/(π∙w))^1/2

4 ∙ 0.00186

d_тр = ──────── = 0.027 м = 27 мм

π ∙ 2

По ГОСТу выбираем трубы с наружным диаметром 38 мм и толщиной стенки 4 мм.

Фактическая скорость в трубах

4 ∙ 0,00186

w = ─────── = 1,68 м/с

π ∙ 0,03²

Выбор насоса конкретной марки выбирают по напору и мощности при заданной подаче.

Значение критерия Рейнольдса

w ∙ d ∙ ρ

Re = ─────

μ

1,68 ∙ 0,03 ∙ 936

Re = ──────────── = 44420

0,001062

Значение абсолютной шероховатости Δ = 0,0002 м

Относительная шероховатость e = Δ/d = 0,0002/0,03 = 0,00667

1/е = 1/0,00667 = 150

10/е = 1500

560/е = 84000

10/е < Re < 560/е что соответствует зоне смешанного трения

Коэффициент трения:

λ = 0,11 ∙ (е + 68/Re)^0,25

λ = 0,11 ∙ (0,00667 + 68/44420)^0,25 = 0,033

Примем:

Длина всасывающего трубопровода 15 м

Длина нагнетательного трубопровода 4 м

Геометрическая высота 4 м

На всасывающей линии 1 нормальный вентиль, 1 колено под углом 90º

На нагнетательной линии 1 нормальный вентиль, 1 колено под углом 90º

Всасывающая линия:

Вход (с острыми краями)	ξ1 = 0,5	1
Вентиль нормальный	ξ2 = 4,69	1
1 колено под углом 90º	ξ3 = 0,06	1

Σξ = 1 ∙ 0,5 + 4,69 ∙ 1 + 0,06 ∙ 1 = 5,25

Потери напора:

h_пот = (λ ∙ l/d + Σξ) ∙ w²/2g

h_пот = (0.033 ∙ 15/0,03 + 5,25) ∙ 1,68²/2∙9,81 = 3,13 м

Нагнетательная линия:

Выход	ξ1 = 1	1
Вентиль нормальный	ξ2 = 4,69	1
1 колено под углом 90º	ξ3 = 0,06	1

Σξ = 1 ∙ 1 + 4,69 ∙ 1 + 0,06 ∙ 1 = 5,75

Потери напора:

h_пот = (0.033 ∙ 4/0,03 + 5,75) ∙ 1,68²/2∙9,81 = 1,46 м

Общие потери напора:

h_пот = 3.12 + 1.46 = 4,59 м

Потребный напор насоса:

Р₂ - Р₁

Н = ───── + Н_г + h _пот

ρ ∙ g

Н = Н_г + h _пот = 4 + 4,59 = 8,59 м

Полезная мощность насоса:

N_п = ρ ∙ g ∙ Q ∙ H

N_п = 936 ∙ 9,81 ∙ 0,00186 ∙ 8,59 = 0,147 кВт

Мощность на валу насоса:

N = N_п/η

N = 0,147/0,4 = 0,3675 кВт

Выбор насоса:

Марка	Х8/18
Q м³/с	0,0024
Н, м	11,3
n, 1/с	48,3
Η	0,4
Электродвигатель: Тип	АО2-31-2
N, кВт	3
η дв	-

7.Расчет трубопроводов.

1. Трубопровод колонна – кипятильник

Кубовый остаток движется самотеком. Принимаем среднюю скорость жидкости 0,5 м/с

d_тр = (4∙Q/π∙w)^1/2

Q – объемный расход жидкости

Q = W/ρ

Q = 0,761/956,6 = 0,000769 м³/с

d_тр = (4∙ 0,000769/π∙0,5)^1/2 = 0,045 м = 45 мм

Выбор трубопровода:

Наружный диаметр dн = 56 мм

Толщина стенки δ = 3,5 мм

2. Трубопровод Кипятильник – колонна

Принимаем среднюю скорость жидкости 20 м/с

d_тр = (4∙Q/π∙w)^1/2

Q – объемный расход жидкости

Q = W/ρ

Q = 0,7/1,07 = 0,654 м³/с

d_тр = (4∙ 0,654/π∙20)^1/2 = 0,204 м = 204 мм

Выбор трубопровода:

Наружный диаметр dн = 219 мм

Толщина стенки δ = 6 мм

3. Греющий пар с давлением 0,2 МПа подается в кипятильник и подогреватель

Принимаем среднюю скорость жидкости 10 м/с

d_тр = (4∙Q/π∙w)^1/2

Q – оъемный расход жидкости

Q = (G_кип + G_подогр)/ρ

Q = (0,7 + 0,122)/1,107 = 0,743 м³/с

d_тр = (4∙0,743/π∙10)^1/2 = 0,310 м = 310 мм

Выбор трубопровода:

Наружный диаметр dн = 377 мм

Толщина стенки δ = 10 мм

Для подачи пара отдельно в подогреватель и холодильник следует сделать разветвление на два трубопровода

- для подачи пара в подогреватель

Q = 0.122/1.107 = 0.114 м³/с

d_тр = (4∙ 0,114/π∙10)^1/2 = 0,121 м = 121 мм

Наружный диаметр dн = 133 мм

Толщина стенки δ = 6 мм

- для подачи пара в кипятильник

Q = 0.7/1,107 = 0,632 м³/с

d_тр = (4∙ 0,632/π∙10)^1/2 = 0,284 м = 284 мм

Наружный диаметр dн = 325 мм

Толщина стенки δ = 12 мм