Проект ректификационной установки с тарельчатой колонной непрерывного действия производительностью 6 кг/с для разделения исходной смеси

 

 

 

 

 

 

4. Подбор вспомогательного оборудования

4.1. Расчёт кожухотрубчатого конденсатора (дефлегматора)

 

     Рассчитать и подобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубчатого конденсатора смеси паров органических жидкостей (дефлегматора) для конденсации G₁=P=0,86 кг/с паров. Удельная теплота конденсации смеси

r₁= 323270 Дж/кг, температура конденсации 46,7°С. Физико-химические свойства конденсата при температуре конденсации l₁= 0.163 Вт / м´ К; r₁= 1220 кг / м³;

m₁= 0.00028 Па´с. Тепло конденсации отводить водой с начальной температурой t_2н= 20 °С.

     Примем  температуру воды на выходе  из конденсатора t_2к= 40°С.

c₂ =4190 Дж / кг´К

 

Тепловая нагрузка аппарата составит:

 

Q= G₁r₁ = 0,86´323270 = 298013 Вт

 

Расход воды:

кг/с

 

Средняя разность температур:

 

Примем K_ор= 400 Вт / м²´К. Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит:

По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991г., «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения» принимаем наиболее близкий к ориентировочному значению площади поверхности конденсатор КНГ:

двухходовой, диаметром кожуха 600 мм, длиной труб – 2000мм, диаметром труб 25х2 мм, поверхностью теплообмена 40 м² и общим числом труб 257.

 

n /z = 257/1 = 257

Действительное число Re равно:

 

Коэффициент теплоотдачи  к воде определим по уравнению:

                                                         

 

 

 Вт / м²К;

 

Коэффициент теплоотдачи  от пара компенсирующегося на пучке  горизонтально расположенных труб, определим по уравнению:

 

 Вт / м²´ К;

 

Термическое сопротивление  стенки  примем равным:

 

=4.2´10^-4

 

Коэффициент теплопередачи:

 

 Вт / м²´ К;

 

Требуемая поверхность  теплопередачи:

 

м²

По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991г., «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения» принимаем наиболее близкий к ориентировочному значению площади поверхности конденсатор КНГ: двухходовой, диаметром кожуха 600 мм, длиной труб – 3000мм, диаметром труб 25х2 мм и поверхностью теплообмена 57 м² и общим числом труб n = 240.

 

 

4.2. Расчёт кожухотрубчатого испарителя

 

     Рассчитать  и подобрать нормализованный  вариант конструкции кожухотрубчатого  испарителя ректификационной колонны  с получением

G₂=F=6кг/с паров раствора органических жидкостей. Кипящая при  небольшом избыточном давлении и температуре t₂=61.6°С  жидкость имеет следующие физико-химические характеристики:  r₂=1460кг/м³; m₂=0.000616Па´с; s₂=24´10^-3 н/м; с₂=970Дж/кг´К; l₂=0.128Вт/м´ К; r₂=262100Дж/кг. Плотность при атмосферном давлении r_по=4.36 кг/м³, плотность паров над кипящей жидкостью r_п=4.36 кг/м³.

    В качестве  теплоносителя использовать насыщенный  водяной пар давлением 0.2 Мпа.

Удельная теплота конденсации r₁=330400Дж/кг, температура конденсации t₁=112°С.

Физико-химические характеристики конденсации при этой температуре:

r₁=1220 кг / м³ ; m₁ = 0.00028Па´с ; l₁= 0.163 Вт / м´К

 

Тепловая нагрузка аппарата:

 

 

Вт

 

Расход греющего пара определим из уравнения теплового баланса:

 

кг/с

Средняя разность температур:

 

Dt_ср= t₁ - t₂= 112– 61,6 = 30.7°С

 

В соответствии с табличным  значением примем ориентировочное  значение коэффициента теплопередачи K_ор=1000 Вт/м²´К. Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит:

 

м²

В соответствии с табличной поверхностью, близкую к ориентировочной, может  иметь теплообменник с высотой  труб l =3м, D_кожуха=400 мм, d_труб=20´2 мм, общим числом труб 181, числом ходов =1.

 

Требуемая поверхность  составит F = 34 м²

 

 

В выбранном теплообменнике запас поверхности:

 

 

4.3. Расчёт холодильника кубовой жидкости

 

     Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменник для теплообмена между двумя растворами. Горячий раствор в количестве

G₁= W= 1,92 кг / с охлаждается от t_1н= 61,6°С  до t_1к=25°С . Начальная температура воды равна t_2н= 20 ⁰С. Горячая жидкость при средней температуре t₁=43,3°С имеет следующие физико-химические характеристики: r₁=1556кг/м³; l₁=0.87 Вт/м´К; m₁=0.00059Па´с; с₁=880 Дж/кг´К. Холодная жидкость температуре t₂=30°С имеет следующие физико-химические характеристики: r₂=996 кг/м³; l₂=0.618Вт/м´К; m₂=0.000804 Па´с;  с₂=4190 Дж/кг´К.

 

 Тепловая нагрузка аппарата:

 

Q= G₁´с₁´(t_1н- t_1к)=1,92´880´(61,6 - 25)=61840 Вт

 

Расход охлаждающей  воды:

 

 кг/с

 

Определение средне-логарифмической  разности температур:

 

.

 

Ориентировочный выбор  теплообменника:

      Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи                             K_ор=200Вт/м²´К.

Тогда ориентировочное  значение требуемой поверхности  теплообмена составит:

 

    

 

По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991г., «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения», выбираем холодильник двухходовой с площадью теплообмена 16 м².

Диаметр кожуха - 400 мм, длина  труб – 2000 мм, диаметр 25´2, общее число труб 100.

Найдём объёмный расход горячей жидкости

 

Скорость горячей жидкости в межтрубном пространстве составит

 

ω₁ = V/f_мт

 

ω₁ = 0,0012/0,025 = 0.048 м/с

 

Определим критерий Рейнольдса для горячей жидкости:

;

;

Pr₁ = (880´0,00059) / 0,87= 0,6

 

Рассчитаем критерий Нуссельта

примем С = 0,21; n = 0,65; = 0,6  для стандартизированных теплообменников.

 

Nu₁ = 0.21´2532^0.65´0,6^0.36´0.6 = 17,04

 

Далее вычислим коэффициент  теплоотдачи воде

 

α₁ = (Nu₁´λ₁) / d_н ;

α₁ = 17,04´0,87/0.02 = 741,24 Вт/м²*К

 

По табл.7 приложения принимаем  следующие термические сопротивления:

 

r₃₁ =1.0´10^-4 м²*К/Вт ( для горячей жидкости );   r₃₂ = 2.3´10^-4 м²*К/Вт (для воды).

 

Термическое сопротивление  стенки  примем равным:

 

=4.2´10^-4 м²*К/Вт

 

Считая, что коэффициент теплоотдачи от воды небольшой примем

 

α₂ = 350 Вт/м²*К.

Общий коэффициент теплопередачи:

 

;

 

Вт/м²*К.

 

Тогда уточнённая площадь  поверхности теплообменника

 

;  

= 61840/200´19,9 =15,6 м²

 

По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991г., «Кожухотрубчатые теплообменные  аппараты общего и специального назначения», выбираем холодильник двухходовой  с площадью теплообмена 16 м². Диаметр кожуха - 400 мм, длина труб – 2000 мм, диаметр 25´2, общее число труб 100.

 

4.4. Расчёт холодильника дистиллята

 

     Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменник для теплообмена между двумя растворами. Горячий раствор в количестве

G₁= P= 0,86кг/с охлаждается от t_1н= 46,7°С  до t_1к=25°С . Начальная температура холодного раствора равна t_2н= 20 °С. Горячая жидкость при средней температуре t₁= 35,85°С имеет следующие физико-химические характеристики:с₁=921,8Дж/кг´К, r₁=1240кг/м³; l₁=0.163Вт/м´К; m₁=0.00031 Па´с. Холодная жидкость  температуре t₂=30 °С имеет следующие физико-химические характеристики: r₂=996 кг/м³; l₂=0.618Вт/м´К; m₂=0.000804 Па´с;  с₂=4190 Дж/кг´К.

 Тепловая нагрузка  аппарата:

Q= G₁´с₁´(t_1н- t_1к)=0,86´921,8´(46,7-25)=17203 Вт.

Расход охлаждающей  воды:

 кг/с

Определение средне - логарифмической разности температур:

 

.

Ориентировочный выбор  теплообменника:

 

      Примем  ориентировочное значение коэффициента  теплопередачи      K_ор=200Вт/м²´К.

 

Тогда ориентировочное  значение требуемой поверхности теплообмена составит:

 

    

 

По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991г., «Кожухотрубчатые теплообменные  аппараты общего и специального назначения», выбираем холодильник двухходовой  с площадью теплообмена 9м². Диаметр кожуха - 325 мм, длина труб – 2000 мм, диаметр 25´2, общее число труб 56.

 

Найдём объёмный расход горячей жидкости

 

Скорость горячей жидкости в межтрубном пространстве составит

 

ω₁ = V/f_мт

 

ω₁ = 0,00069/0,015 = 0.046 м/с

 

Определим критерий Рейнольдса для горячей жидкости:

;

;

Pr₁ = (921,8´0,00031) / 0,163= 1,75

 

Рассчитаем критерий Нуссельта

 

 

примем С = 0,21; n = 0,65; = 0,6  для стандартизированных теплообменников.

 

Nu₁ = 0.21´2392^0.65´1,75^0.36´0.6 = 24,13

 

Далее вычислим коэффициент  теплоотдачи воде

 

α₁ = (Nu₁´λ₁) / d_н ;

 

Принимаем следующие  термические сопротивления:

 

r₃₁ =1.2´10^-4 м²*К/Вт ( для горячей жидкости );   r₃₂ = 2.3´10^-4 м²*К/Вт (для воды).

 

Термическое сопротивление  стенки  примем равным:

 

=4.2´10^-4 м²*К/Вт

 

Считая, что коэффициент  теплоотдачи от воды небольшой примем

α₂ = 350 Вт/м²*К.

 

Общий коэффициент теплопередачи:

;

 

Вт/м²*К.

Тогда уточнённая площадь поверхности теплообменника

 

;

= 17203/145,6´9,75 =13 м²

По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991г., «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения», выбираем холодильник одноходовой с площадью теплообмена 14,5 м².

Диаметр кожуха - 325 мм, длина  труб – 3000 мм, диаметр 25´2, общее число труб 62.

 

 

4.5. Расчёт кожухотрубчатого теплообменника

(подогревателя)

 

Рассчитать и подобрать  нормализованный кожухотрубчатый теплообменник для теплообмена между двумя растворами. Холодный раствор в количестве

G₁= F= 2,78 кг/с нагревается от t_1н= 35°С  до t_1к=61,6°С. Холодная жидкость при средней температуре t₁=48,3°С имеет следующие физико-химические характеристики: r₁=1460кг/м³; l₁=0.127 Вт/м´К; m₁=0.00046 Па´с; с₁=1580Дж/кг´К.  Для подогрева использовать насыщенный водяной пар давлением 0.2 Мпа. Температура конденсации t₂=112°C. Характеристики конденсации при этой температуре:r₂=330400 Дж /кг.

Тепловая нагрузка аппарата:

 

Q= G₁´с₁´(t_1к- t_1н)=2,78´1580´(61,6 - 35)=116838 Вт

 

Расход пара определим  из уравнения теплового баланса:

кг/с 

Средняя разность температур:

 

°С

 

Примем K_ор= 280 Вт / м²´К. Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит:

м²

 

По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991г., «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения», выбираем нагреватель одноходовой  с площадью теплообмена 7,5 м². Диаметр кожуха - 325 мм, длина труб – 1500 мм, d_труб=25´2 мм, общим числом труб = 62.