Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метиловый - этиловый спирт
Средняя плотность жидкости в колонне:
=
Расход теплоты на нагрев смеси
Вт,
где с1=2750 Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость смеси при t1=55,6 ºС (рисунок XI [1]).
Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:
,
где - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;
- массовые доли компонентов.
;
Расход сухого греющего пара с учетом 7 % потерь теплоты
кг/с,
где r=2217·103 кг/с – удельная теплота конденсации водяного пара (таблица LVII [1]);
х – паросодержание греющего пара.
Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося водяного пара к органическим жидкостям Кmin=300 Вт/(м2·К) (таблица 4.8 [1]). При этом
м2.
Составляем схему процесса теплопередачи. Для обеспечения турбулентного течения смеси при Re>10000 скорость в трубах должна быть больше w'1
м/с,
где μ1=1,275·10-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости смеси при t1=55,6 ºС (таблица VI [1]);
Динамический коэффициент вязкости смеси:
где μА, μВ- коэффициенты динамической вязкости компонентов А и В при соответствующей температуре [2, c.516].
d1=0,021 м – внутренний диаметр труб;
ρ1=784,5 кг/м3 – плотность смеси при t1=55,6 ºС (таблица IV [1]).
Число труб 25х2 мм, обеспечивающих объемный расход смеси при Re=10000
.
Условию n<30,4 и F<59,5 удовлетворяет шестиходовой теплообменник, внутренним диаметром 600 мм с числом труб на один ход трубного пространства n=33 (общее число труб n=196).
Уточняем значение критерия Рейнольдса Re
.
Критерий Прандтля для смеси при средней температуре t1=55,6 ºС равен
,
где λ1=0,15– коэффициент теплопроводности смеси при t1=55,6 ºС (рисунок Х [1]);
с1=2723,5 Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость смеси при t1=55,6 ºС (рисунок XI [1]);
μ1=1,275·10-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости смеси при t1=55,6ºС (таблица VI [1]).
Рассчитаем критерий Нуссельта для смеси
,
где ε1=1.
Отношение (Pr1/Prст1)0,25 примем равным 1,1 (с последующей проверкой).
Таким образом, коэффициент теплоотдачи для смеси равен
Вт/(м2·К).
Рассчитаем коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб. Расчет осуществляем приближенно (без учета влияния поперечных перегородок).
Вт/(м2·К),
где ε=0,6 – коэффициент, зависящий от расположения и числа труб по вертикали в пучке, для шахматного расположения труб и числе труб nв=14 (с.162 [1]);
εГ=0,6 – коэффициент, зависящий от относительной массовой концентрации воздуха в паре – Υ, принимаем Υ=0,5 % (с.164 [1]);
Вt=1058 (таблица 4.6 [1]);
G2=0,56 кг/с;
n=196 – общее число труб;
L=2 м – длина труб (таблица 4.12 [1]).
Примем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны греющего пара 1/rзагр.2=5800 Вт/(м2·К), со стороны бутанола 1/rзагр.1=5800 Вт/(м2·К) (таблица ХХХI [1]). Коэффициент теплопроводности стали λст=46,5 Вт/(м2·К) (таблица ХХVII [1]); δ=0,002 м – толщина стенки.
Находим сумму термических проводимостей стенки и загрязнений
Вт/(м2·К).
Коэффициент теплопередачи
Вт/(м2·К).
Поверхностная площадь теплового потока
Вт/м2,
где Δtср=61,5 ºС – средняя разность температур.
Проверяем принятое значение (Pr1/Prст1)0,25. Определим
ºС,
ºС.
Определим критерий Прандтля при tст1=87,6 ºС
,
где λ1=0,149– коэффициент теплопроводности смеси при tст1=87,6 ºС (рисунок Х [1]);
с1=2750 Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость бутанола при tст1=87,6ºС (рисунок XI [1]);
значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:
,
где - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;
- массовые доли компонентов.
;
μ1=0,677·10-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости смеси при tст1=87,6 ºС (таблица VI [1]).
Динамический коэффициент вязкости смеси:
где μА, μВ- коэффициенты динамической вязкости компонентов А и В при соответствующей температуре [2, c.516].
Следовательно,
Было принято (Pr1/Prст1)0,25 =1,1. Разница
Расчетная площадь поверхности теплообмена
м2.
Принимаем к установке шестиходовой теплообменник с F=31 м2.
Характеристики теплообменника
Внутренний диаметр кожуха Dн=600 мм;
Общее число труб n=196;
Поверхность теплообмена F=31 м2;
Длина труб L=2 м;
Диаметр трубы d=25х2 мм.
Запас площади поверхности теплообмена
Заключение
В результате проведенного расчета мы определили:
Диаметр D=2600 мм и высоту колонны H =23,75 м, число тарелок 46.
Произвели гидравлический и тепловой расчет колонны.