2.10 Тепловой баланс дефлегматора
Количество тепла, передаваемое паром в дефлегматоре:
,
где Q1– тепло вносимое в дефлегматор парами, поднимающимися с верхней тарелки (по п. 2.9.2 Q1= 2416,8 кДж/с);
Q2– тепло, уносимое флегмой из дефлегматора в колонну (по п. 2.9.1 Q2= 163,1 кДж/с);
Q3– тепло, уносимое парами в подогреватель исходной смеси;
кДж/с;
кДж/с.
Количество тепла, передаваемое охлаждающей воде в дефлегматоре с учетом потерь в окружающую среду (ηдеф=0,95):
кДж/с.
Задавшись
температурами воды на входе в дефлегматор
22
ºС и на выходе из дефлегматора
32
ºС определяем расход охлаждающей воды:
кг/с = 55,8 т/ч.
2.11 Тепловой баланс охладителя готового продукта
Уравнение теплового баланса охладителя готового продукта (1-1)[1]:
,
где
–
температура дистиллята на входе и выходе
теплообменника;
ηохл– КПД теплообменника, учитывающий потери в окружающую среду (ηохл=0,95);
–
температура
исходной смеси на входе и выходе
теплообменника.
Из этого уравнения
определяем температуру исходной смеси
на выходе из теплообменника
:
ºС.
Количество тепла, передаваемое исходной смеси:
кДж/с.
2.12 Тепловой баланс подогревателя исходной смеси
Схема подогревателя исходной смеси представлена на рисунке 2.6.
Р
исунок
2.6– Схема подогревателя исходной смеси
Уравнение теплового баланса:
или
.
Подставив в
последнее выражение
,
получаем выражение для определения
расхода конденсата:
.
Принимаем температуру
исходной смеси на выходе из подогревателя
ºС
и рассчитываем расход конденсата:
кг/с.
Расход пара на выходе из подогревателя:
кг/с.
Количество тепла, получаемое исходной смесью в подогревателе:
кДж/с.
2.13 Тепловой баланс конденсатора готового продукта
Уравнение теплового баланса конденсатора готового продукта:
,
где ηкон– КПД теплообменника, учитывающий потери в окружающую среду (ηкон=0,95);
–
температура воды
на входе и выходе теплообменника.
Из этого уравнения определяем количество тепла, передаваемое охлаждающей воде:
кДж/с.
Задавшись температурами воды на входе в конденсатор 22 ºС и на выходе из конденсатора 32 ºС определяем расход охлаждающей воды:
кг/с = 65,2 т/ч.
2.14 Тепловой баланс подогревателя кубовым остатком
Уравнение теплового баланса подогревателя кубовым остатком (1-1)[1]:
,
где
–
температура кубового остатка на входе
и выходе теплообменника;
ηпко– КПД теплообменника, учитывающий потери в окружающую среду (ηпко=0,95);
– температура исходной смеси на входе и выходе теплообменника.
Из этого уравнения
определяем температуру кубового остатка
на выходе из теплообменника
:
ºС.
Количество тепла, передаваемое исходной смеси:
кДж/с.
3 Расчет теплообменников
3.1 Конструктивный расчет конденсатора готового продукта
Температура кипения этилового спирта при заданной концентрации и атмосферном давлении равна tк= 79,3 ºС.
Определим среднюю разность температур между конденсирующимся спиртом и охлаждающей водой.
Большая разность температур:
ºС.
Меньшая разность температур:
ºС.
Ввиду того, что
отношение
,
температурный напор определяем как
среднюю арифметическую разность
температур:
ºС.
Средняя температура охлаждающей воды:
ºС.
Тепловая нагрузка по п 2.10 Q= 759 кДж/с, а расход воды Gв= 18,11 кг/с. Плотность воды при tв=27 ºС определяем по таблице 2-17 [5] ρв=996,5 кг/м3.
Определим режим движения воды в трубах. Рассчитаем, какое количество труб диаметром 25х2 мм потребуется на один ход в трубном пространстве при турбулентном движении воды. Примем Re=20000.
Из выражений:
,
определим число труб в одном ходу:
шт,
где ν= 0,86· 10-6 м2/с– вязкость воды при 27 °С,
По каталогам НИИХИММАШ и таблицам 1-28–1-30 [2] для аппаратов типа ТН выбираем двухходовой теплообменник с n=110 шт, n1= 55 шт, D= 400 мм, L= 1500 мм.
Определим удельную тепловую нагрузку. Коэффициент теплоотдачи при конденсации спирта в случае конденсации на вертикальных трубах:
.
Задаемся температурой наружной стенки трубок tст1=43 ºС и находим [2, 5] физические константы при температуре пленки конденсата спирта:
ºС;
ρ= 860 кг/м3; λ=0,36·10-3 кВт/(м· К); μ= 0,89 сп= 0,89·1,02·10-4 кгс/м2;
r=1131,6 кДж/кг;
.
Действительная скорость воды:
м/с.
Действительное число Рейнольдса:
,
следовательно, режим течения турбулентный. Тогда:
,
где λ=0,612 Вт/(м·К);
εl– поправочный коэффициент εl=1 т.к. L/d=1,5/0,021=71>50;
Рr=5,8 для воды при 27 ºС;
Prст– критерий Прандтля при температуре внутренней стенки трубок.
Определяем коэффициент теплопроводности стали λст=51,4 Вт/(м·К) [5] и температуру внутренней стенки трубок:
ºС.
Определяем Prст=4,3 [5] и рассчитываем коэффициент теплоотдачи со стороны воды:
.
Рассчитываем удельный тепловой поток со стороны конденсирующегося пара и со стороны охлаждающей воды:
;
.
Определяем относительную разность тепловых потоков:
%
< 3%.
Так как полученная величина не превышает 3%, расчет коэффициентов теплоотдачи считаем оконченным.
Рассчитываем коэффициент теплопередачи:
.
Вычисляем площадь поверхности нагрева теплообменного аппарата:
м2.
С небольшим запасом окончательно принимаем ( таблица 1-28 [2]) двухходовой теплообменник типа ТН: n=110 шт, n1= 55 шт, D= 400 мм, L= 1500 мм, F=12 м2, d=25x2 мм. Чертеж теплообменника представлен на листе 2 графической части проекта.
3.2 Конструктивный расчет подогревателя кубовым остатком
В качестве исходных используем данные, полученные в результате теплового расчета ректификационной установки.
Кубовый остаток проходит по трубкам теплообменника и имеет параметры:
ºС;
ºС; G1=1,68
кг/с.
Исходная смесь перемещается в межтрубном пространстве теплообменника и имеет параметры:
ºС;
ºС; G2=2,8
кг/с.
Тепловая производительность теплообменника Q=59,6 кДж/с.
Принимаем противоточную схему движения теплоносителей и определяем среднюю разность температур между теплоносителями.
Большая разность температур:
ºС.
Меньшая разность температур:
ºС.
Определяем температурный напор:
ºС.
Вычисляем средние температуры теплоносителей и разделительной стенки:
ºС;
ºС;
ºС.
Определяем по [2, 5] физические свойства теплоносителей и стенки при средних температурах:
ρ1=960 кг/м3; ν1=0,42·10-6 м2/с; λ1=0,7 Вт/(м·К); Pr1=2,33;
ρ2=940 кг/м3; ν2=0,5·10-6 м2/с; λ2=0,59 Вт/(м·К); Pr2=3,28;
λст=51,3 Вт/(м·К).
В соответствии с рекомендациями [1] задаемся диаметром трубок 16х2 мм и скоростью движения жидкости в трубках ω1=0,51 м/с и определяем количество трубок в одном ходу:
шт.
При количестве ходов z=6 общее количество трубок:
шт.
Шаг трубок:
м.
По таблице 1-3 [1] определяем диаметр окружности, на которой расположены крайние трубки (D’=0,308 м) и, задавшись величиной зазора между крайними трубками и корпусом k=0,007 м, определяем внутренний диаметр корпуса:
м.
Определяем действительную скорость в трубках и критерий Рейнольдса:
м/с.
.
Вычисляем коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя к стенке трубки по формуле (1-13) [1]:
.
Площадь сечения межтрубного пространства:
м2.
Скорость теплоносителя в межтрубном пространстве:
м/с.
Эквивалентный диаметр межтрубного пространства:
м.
Критерий Рейнольдса:
.
Вычисляем коэффициент теплоотдачи от стенки трубки к нагреваемому теплоносителю по формуле (1-13) [1]:
.
Коэффициент теплопередачи:
.
Определяем площадь поверхности теплообмена:
м2.
Вычисляем средний диаметр трубок и их длину:
м;
м.
Принимаем стандартную длину трубок L=5 м.
Задавшись скоростью движения теплоносителей в патрубках ωп=0,5 м/с, определяем их диаметры.
Для греющего теплоносителя:
м.
Для нагреваемого теплоносителя:
м.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В проекте разработана схема ректификационной установки для разделения смеси этиловый спирт–вода, произведены расчеты: материального баланса установки, количества тарелок в колонне, конструктивных размеров колонны и тарелок, гидравлического сопротивления колонны, теплового баланса колонны и теплообменников, конструктивных размеров теплообменников.
При выполнении проекта закреплены навыки работы со справочной и специализированной литературой; получены навыки работы с программой «Компас», с помощью которой выполнена графическая часть проекта; освоена методика расчета и проектирования ректификационных установок и теплообменных аппаратов; закреплены и углублены знания, полученные при изучении дисциплин «Термодинамика и теплопередача», «Тепломассообменные установки», «Тепломассообмен».
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
Лебедев П. Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. Учебник для студентов технических вузов. Изд. 2-е, перераб. М., «Энергия», 1972. – 320 с.
Лебедев П. Д., Щукин А. А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. (Курсовое проектирование). Учеб. пособие для энергетических вузов и факультетов. М., «Энергия», 1970.– 408 с.
Методические указания к курсовому проектированию по курсу «Теплотехнологические процессы и установки»/ Яковлева В. А., Сахно А. Е., Кураковская А. В.–Донецк: ДонНТУ, 2004.
Тепловой расчет промышленных парогенераторов: Учеб. пособие для втузов/ Под ред. В. И. Частухина.– К., «Вища школа», 1980– 184 с.
Теплотехнологический справочник. Под общ. ред. В. Н. Юренева и П. Д. Лебедева. В 2-х т. Т.2. Изд. 2-е, перераб. М., «Энергия», 1976. – 896 с.