Рассчет теплообменника

При этом

В пределах от X_w до X_p выбираем ряд значений X. Для каждого значения X определяем по диаграмме величины (Y* - Y_н) и (X – X*) как разность между равновесной и рабочей линиями, а затем по этим значениям находим m .Далее подставляем в уравнение общего коэффициента массопередачи полученные значения bx, by и m для различных значений Х. Результаты заносим в Таблицу 5.

Таблица 5.

X	0.006	0.1	0.2	0.3	0.399	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	0.949
Y-Y*	0.005	0.065	0.10	0.10	0.065	0.07	0.08	0.08	0.07	0.055	0.04
X-X*	0.005	0.035	0.065	0.075	0.065	0.10	0.11	0.115	0.115	0.055	0.085
m	1	1.86	1.54	1.33	1	0.7	0.72	0.69	0.61	1	0.47
Ку	273,0	250,4	258,3	263,9	273,0	281,9	281,3	282,2	284,7	273,0	289,1

 

 

3.15 Построение кинетической  кривой и определение числа  тарелок.

 

Для построения кинетической кривой на диаграмме Y – X используем формулу:

Подставляя в эту формулу значения общего коэффициента массоотдачи, полученного для каждого X, находим длины отрезков (Y* - Yк).

X	0.006	0.1	0.2	0.3	0.399	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	0.949
	1.77	1.62	1.67	1.71	1.77	1.83	1.82	1.83	1.85	1.77	1.87
Y*-YK	0.85	0.013	0.019	0.018	0.011	0.0112	0.013	0.013	0.011	0.009	0.006

Таблица 6.

 

На диаграмме Y–X (приложение 3) откладываем (Y* - Y_к) от равновесной линии вниз. Полученные точки соединяем плавной линией. Построенная кривая является кинетической кривой.

Число реальных тарелок, которое обеспечивает заданную четкость разделения, находим путем построения ступенчатой линии между рабочей и кинетической линиями. Построение ступенчатой линии проводим от концентраций X_f, X_p и от X_f, X_w.

Число ступеней в пределах концентраций X_f…X_p равно числу реальных тарелок в укрепляющей секции колонны. Число ступеней в пределах концентраций X_f…X_w равно числу реальных тарелок исчерпывающей секции колонны.

В результате построения получаем:

- число реальных тарелок в исчерпывающей секции колонны – 14 ;

- общее число тарелок – 22.

 

 

3.16 Определение гидравлического сопротивления колонны.

 

Суммарное гидравлическое сопротивление  колонны:

449,5 22 = 9889 Па

 

4. Расчет проходного диаметра  штуцеров колонны и выбор фланцев.

 

4.1 Штуцер для  входа исходной смеси

 

,

где:  V_и – объемный расход исходной смеси, м³/с

=2,5/871,112=2,87*10^-3  м³/с

W_и – скорость потока, так как смесь поступает в колонну под напором, принимаем скорость равной 1 м/с;

G_и – массовый расход исходной смеси, кг/с;

G_и =

кг/с

r_и – плотность исходной смеси, кг/м³;

 кг/м³

Принимаем диаметр штуцера d_и = 60 мм (по ОСТ 26-1413-76)

 

 

4.2 Штуцер для  вывода пара в дефлегматор

 

= м

где: V_п - объемный расход пара, м³/с ;

, где

=   кг/с

w_п – скорость потока пара, принимаем равной 20 м/с

G_п – массовый расход пара, кг/с;

r_у=3,12 – плотность пара, кг/м³;

М_Д=0,94*78+0,06*92=78,84 – мольная масса исходной смеси

Принимаем диаметр штуцера d_п = 255 мм.

 

4.3 Штуцер для входа  флегмы в колонну

 

=   м

где: V_ф – объемный расход флегмы, м³/с;

= м³/с

G _Ф– массовый расход флегмы, кг/с;

G_ф=R*G_дисц=2,277*3417,1=7780,7  кг/ч

r_ф – плотность флегмы, кг/м³;

0,995*847+0,005*838=846,96  кг/м³

Принимаем диаметр штуцера d_ф = 50 мм (ОСТ 26-1404- ОСТ 26-1410-76)

 

 

4.4 Штуцер для  выхода кубовой жидкости

 

= =0,174 м

где: V_к – объемный расход кубовой жидкости, м³/с;

=7,16*10^-3 м³/с

G_к – массовый расход кубовой жидкости, кг/с;

7780,74+5582,9+9000=22363,64/3600=6,21 кг/с

W_к – скорость истечения. Так как жидкость выходит самотеком, принимаем 0.3 м/с.

=878,6*Х_w+866,9*(1- Х_w)=866,96 кг/м³

Принимаем диаметр штуцера  d_к =180 мм.

 

4.5 Штуцер для  входа пара из кипятильника

 

= м

где: V_ц – объемный расход пара, выходящего из кипятильника, м³/с;

 м³/с

G_ц – массовый расход циркуляционного пара кг/с;

G_ц = G_K – G_куб =6,21-1,55=4,66 кг/ч

G_куб = G_w=5582,9/3600 кг/ч

r_п – плотность пара из кипятильника, кг/м³;

 кг/м³

W_ц – скорость входа потока пара из кипятильника, принимаем 30 м/с.

Принимаем диаметр штуцера d_ц = 250 мм.

 

 

4.6 Изготовление  штуцеров и выбор фланцев

 

Для упрощения конструктивных деталей колонны, будем изготовлять  штуцера из отрезков труб соответствующих  диаметров. Внешний вылет штуцеров составляет » 1.5 от диаметра штуцера, внутренний - » 0.3. Чтобы предупредить попадание жидкости во внутреннее пространство штуцера, подающего циркуляционный пар, труба, из которой он изготовлен, обрезается под углом книзу.

К выступающим отрезкам труб привариваются фланцы плоские стальные (4, стр. 547).

 

5. Выбор насосов

 

5.1 Насос для  подачи исходной смеси

 

 м³/с

Выбираем центробежный насос марки Х⁴⁵/₃₁

 

 

 

 

5.2 Насос для  подачи флегмы в колонну и  насос для подачи дистиллята в холодильник

 

  м³/с

Выбираем центробежный насос марки Х⁴⁵/_31.

 

 

6. Расчет кожухотрубчатого конденсатора (дефлегматора)

 

Бензол  Толуол

 

 

t_конд = 80,5 ⁰C

 кг/м³

0.34 Па с

 Вт/м К

r =95,5*4,19=400 кДж/кг

 

 

t_н =10⁰С,  t_к = 30⁰C,  t_ср = 20⁰C

   кг/м³

С_в = 4180 Дж/кг К

 Вт/м К

 

Молярный расход паров:

1,84 кг/с

Тепловая нагрузка аппарата, Вт:

Q=r

Gп=264,4*400=1244562,1 Вт

Расход охлаждающей жидкости (воды)

 кг/с

Примем трубы теплообменника диаметром 25 2 мм. Задаемся критерием Рейнольдса для воды Re = 15000 (развитое турбулентное течение)  и определяем требуемое число труб :

Оценим ориентировочно величину требуемой поверхности теплопередачи.

По таблице ориентировочное  среднее значение коэффициента теплопередачи  в конденсаторах паров органических веществ К=550 Вт/(м²К).

t₁=85.35-10=75.35

Тогда требуемая площадь  поверхности конденсатора:

 м²

Одноходовой теплообменник с площадью поверхности такого порядка (табл. ХХХΙV) :

Число труб n=121 шт,  d=25 2 мм с шагом 32 мм, F = 37 м², L = 4000м, D=400 мм.

Коэффициент теплоотдачи  от пара , конденсирующегося в пучке  труб

где - усредненный для всего пучка коэффициент, зависящий от расположения труб в пучке и от числа труб в каждом вертикальном ряду, выберем шахматное расположение труб 

(граф.4-8 [1])

 Вт/(м²К)

Тепловой расчет выбранного конденсатора

Определяем коэффициент  теплоотдачи для воды

 Вт/(м²К)

Тепловая проводимость загрязнения со стороны метанола (табл. ХХХΙ[1])

Термическое сопротивление  стальной стенки трубы

 м²К/Вт,

где - коэффициент теплопроводности стали (табл. ХХVΙΙΙ)

Тепловая проводимость загрязнения со стороны воды Вт/(м²К)

Суммарное термическое  сопротивление стенки и загрязнений 

  (м²К)/Вт

Коэффициент теплопередачи К считается, как для плоской стенки, поскольку отношению

> 0.5

 Вт/(м²К)

Требуемая площадь теплообмена 

1244562.1/75.35*818.3=20.18 м²

Имеем запас по площади

%

Толщина трубной решетки

 

 

7. Расчет кожухотрубчатого теплообменника (рекуператора/кипятильник)

 

 

Исходная смесь Кубовая жидкость

 

 

t_н=18⁰С, t_к =44,7⁰C, t_ср=31,35⁰C

С_f = 2095 Дж/кг К

G=9000 кг/ч

 Вт/м К 

 μ_{ис см}=0,00082  Па с

t_н=30⁰С, t_к =80⁰C, t_ср=55⁰C

С_w =1801,1 Дж/кг К

G=5583 кг/ч

 Вт/м К

  μ_б-т=0,00082  Па с

Nu=125.6

Для нагрева в рекуператор  поступает 9000 кг/ч исходной смеси бензол-толуол от 18⁰C до Х⁰C , нагревается кубовой жидкостью, поступающей из ректификационной колонны, с конценрацией 0,5%.

Тепловая нагрузка аппарата, Вт:

Q=G_fС_f(t_x-18)= G_wС_w(t_kк-t_кн)

t_x=44,7⁰C

Примем трубы  теплообменника диаметром 25 2 мм. Задаемся критерием Рейнольдса для исходной смеси Re = 10000 (развитое турбулентное течение)  и определяем требуемое число труб :

Необходимое число труб 28

Определяем коэффициент  теплоотдачи для исходной смеси:

 Вт/(м²К)

Определяем коэффициент теплоотдачи для кубовой жидкости:

 Вт/(м²К)

Тепловая проводимость загрязнения со стороны исходной жидкости ( табл. ХХХΙ  [1])

 Вт/(м²К)

Термическое сопротивление  стальной стенки трубы

   м²К/Вт,

где - коэффициент теплопроводности стали (табл. ХХVΙΙΙ)

Тепловая проводимость загрязнения со стороны кубовой жидкости

  Вт/(м²К)

Суммарное термическое сопротивление стенки и загрязнений

  (м²К)/Вт

Коэффициент теплопередачи  К считается, как для плоской  стенки, поскольку соответствует соотношению

> 0.5

 Вт/(м²К)

Требуемая площадь теплообмена

1,4*10⁵/227,2*31,45=19,6 м²

Имеем запас по площади

F_зап=1.2*F=1,2*19,6=23,5 м²

Двухходовой теплообменник  с площадью поверхности такого порядка (табл. ХХХΙV) :