Проверка расстояния между тарелками

1.7 Проверка расстояния между тарелками

Минимальное расстояние между тарелками должно обеспечить работу гидравлического затвора на тарелке. Проверим, соблюдено ли при расстоянии Н=0,3 м - необходимое для нормальной работы тарелок условие:

, (1.36)

.

Так как 0,3>0,0846 условие выполняется, расстояние подобрано верно.

1.8 Тепловые расчеты

Целью расчета является определение расхода греющего пара на обогрев колонны. По диаграмме t- x- y находим температуру кипения и соответствующую ей удельную теплоемкость:

Исходной смеси:

t_F=85° C

с_в=4357,6 Дж/(кг·К)

с_э=3289,2 Дж/(кг·К)

Дистиллята:

t_D=79° C

с_в=4231,9 Дж/(кг· К)

с_э=3226,3 Дж/(кг· К)

Кубового остатка:

t_W=99° C

с_в=4609 Дж/(кг·К)

с_э=3477,7 Дж/(кг·К)

Для расчета удельных теплот испарения смесей этанола с водой принимаем следующие значения чистых веществ [6]:

r_вF=1961·10³ Дж/кг

r_эF=822·10³ Дж/кг

r_вD=2009·10³ Дж/кг

r_эD=844·10³ Дж/кг

r_вW=1936·10³ Дж/кг

r_эW=815·10³ Дж/кг

Расчет ведем на массовые количества:

, (1.37)

. (1.38)

Для исходной смеси при =28 %:

 Дж/(кг·К),

Для дистиллята при =86 %:

 Дж/(кг·К),

Дж/кг

Для кубового остатка =0.5%:

c_w=3477.7·0.005+4609(1-0.005)=4603 Дж/(кг·К),

Расход теплоты на испарение исходной смеси определяем по формуле:

, (1.39)

где G_Д – расход дистиллята, кг/с.

кВт.

Расход теплоты на испарение дистиллята определяем по формуле:

(1.40)

кВт.

Расход теплоты на нагревание остатка определяем по формуле:

(1.41)

кВт.

Общий расход теплоты в кубе колонны (без учёта потерь в окружающую среду):

(1.42)

 кВт.

С учётом 3% потерь в окружающую среду общий расход теплоты:

 кВт. (1.43)

Давление греющего пара P=300 кПа, (3 атм) по табл LVII [4] соответствует удельная теплота конденсации r_гр=2171·10³ Дж/кг

Расход греющего пара:

, (1.44)

 кг/с.

1.8.1 Расчёт и выбор теплообменного аппарата для подогрева исходной смеси

Необходимые для расчета заданные параметры:

G_F=3,06 кг/с;

t_см=20°C;

а_F=28%; t_F=95,6°C;

P=300кПа.

Целью теплового расчёта является определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответственно при заданных температурах оптимальными гидродинамические условия процесса и выбор стандартизованного теплообменника.

Из основного уравнения теплопередачи:

(1.45)

где F – площадь теплопередающей поверхности, м²;

Q – тепловая нагрузка аппарата;

К – коэффициент теплопередачи Вт, (м²·к);

∆t_ср средний температурный напор, °К.

Определяем тепловую нагрузку:

, (1.46)

где G_хол – массовый расход этанола, кг/с;

с_хол – средняя удельная теплоёмкость этанола Дж/кг·с;

t₂, t₁ – конечная и начальная температуры этанола, °С,

X= 1.05 – коэффициент учитывающий потери тепла в окружающую среду.

Средняя температура этанола:

, (1.47)

.

Этому значению температуры этанола соответствует значение теплоёмкости С=2933 Дж/кг·К:

Q=3,06·2933·(95,6-20) ·1,05=712·10³ Вт.

Расход пара определяем из уравнения:

Q=D·r, (1.48)

D – расход пара, кг/с;

r – средняя теплота конденсации пара Дж/кг.

Из формулы (1.48) следует, что

,

.

Расчёт температурного режима теплообменника.

Цель расчёта – определение средней разности температур ∆t_ср и средних температур теплоносителей t_ср1 и t_ср2.

Для определения среднего температурного напора составим схему движения теплоносителей (в нашем случае схема противоточная)

Т_н=132,7 пар Т_н =132,7°С

∆t_м = Т_н - t_к =132,7-85=47,7

∆t_б = Т_н – t_н =132,7-20=112,7

.

t_к=85 этиловый спирт t_н =20°С

∆t_м = 47,7

∆t_б = 112,7

Т_н выбираем по табл. XXXIX [4]

t_ср1 = Т_н=132,7 °С, т.к. температура пара в процессе конденсации не меняется.

т.к , то

(1.49)

,

∆ t_ср= t_ср1-t_ср2=132,7-75,8=56,9°С.

Температура одного из теплоносителей (пара) в аппарате не изменяется, поэтому выбор температурного режима окончателен.

Ориентировочный расчёт площади поверхности аппарата. Выбор конструкции аппарата и материалов для его изготовления.

Ориентировочным расчётом называется расчёт площади теплопередающей поверхности по ориентировочному значению коэффициента теплопередачи К, выбранному из [4]. Принимаем К=900 Вт/(м²К), тогда ориентировочное значение площади аппарата вычислим по формуле (1.45):

(1.50)

,

Учитывая, что в аппарате горячим теплоносителем является пар, для обеспечения высокой интенсивности теплообмена со стороны метанола необходимо обеспечить турбулентный режим движения и скорость движения метанола в трубах аппарата ₂= 1,0 м/с [4].

Для изготовления теплообменника выбираем трубы стальные бесшовные диаметром 25х2мм. необходимое число труб в аппарате n, обеспечивающее такую скорость, определим из уравнения расхода:

(1.51)

.

Такому числу труб в одном ходе n=12 шт, и площади поверхности аппарата F=13,9≈14 м² по ГОСТ15118-79 и ГОСТ 15122-79 наиболее полно отвечает двухходовой теплообменник диаметром 325 мм, с числом труб 56 (в одном ходе 28 шт.), длинной теплообменных труб 4000 мм и площадью поверхности F=13м².

1.8.2 Расчет дефлегматора

Тепловую нагрузку дефлегматора определим из теплового баланса.

Таблица 2— Тепловой баланс для дефлегматора

Приход теплоты	Расход теплоты
1. С паром из колонны 2. С охлаждающей водой	3. С дистиллятом 4. С охлаждающей водой

Приход теплоты

Расход теплоты

1. С паром из колонны

2. С охлаждающей водой

3. С дистиллятом

4. С охлаждающей водой

Потерями теплоты в окружающую среду пренебрегаем.

Тепловой баланс:

, (1.52)

, (1.53)

откуда расход охлаждающей воды на дефлегматор:

. (1.54)

Количество паров, поднимающихся из колонны:

, (1.55)

 кг/с.

Скрытую теплоту конденсации паровой смеси в дефлегматоре определяем по формуле:

, (1.56)

где r_Дэ=852·10³ Дж/кг, r_Дв=2307·10³ Дж/кг при t_Д=79ْ С.

 Дж/кг.

Принимаем температуру охлаждающей воды на входе в дефлегматор t_н=9ْ С, на выходе t_к=29ْ С, тогда расход воды на дефлегматор составит:

 кг/с.

1.8.3 Выбор холодильника дистиллята

Расход воды на холодильник определяем из уравнения теплового баланса

Таблица 3—Тепловой баланс

Приход теплоты	Расход теплоты
1. С дистиллятом 2. С охлаждение волы	3. С охлажденным дистиллятом 4. С охлаждающей водой

Приход теплоты

Расход теплоты

1. С дистиллятом

2. С охлаждение волы

3. С охлажденным дистиллятом

4. С охлаждающей водой

Тепловой баланс:

(1.57)

Подставляя в последнее уравнение вместо , выражения из теплового баланса и решая его относительно расхода охлаждающей воды, имеем:

(1.58)

где с_д – теплоёмкость дистиллята при его средней температуре. Дано t_од охлаждения дистиллята t=35,0°С.

.

Теплопроводность дистиллята при этой температуре

,  (1.59)

где ;

,

,

(начальные конечные температуры принимаем такими же, как в дефлегматоре)

1.8.4 Холодильник кубового остатка

Таблица 4—Тепловой баланс для холодильника кубового остатка

Приход теплоты	Расход теплоты
1. С кубовым остатком 2. С охлаждение волы	3. С охлажденным кубовым остатком 4. С охлаждающей водой

, .60)

Подставим в это уравнение вместо , выражение теплового баланса и, решая его относительно расхода охлаждающей воды, получим:

, (1.61)

где  - теплоёмкость кубового остатка при его средней температуре t_хиср,

.

Конечная температура кубового остатка задана 45°С:

,

1.8.5 Кипятильник колонны

Тепловая нагрузка кипятильника колонны определялась ранее Q=5590,6 кВт, средняя разность температур в кипятильнике – разность между температурой греющего пара при Р=0,3МПа и температурой кипения кубового остатка:

При ориентировочно принятом значении коэффициента в кипятильнике к=1500 Вт(м³к) площадь поверхности теплообменника составит:

(1.62)