Спроектировать ректификационную установку непрерывного действия для разделения смеси ацетон-этанол

где массовый расход исходной смеси,  

    Здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси  взята при средней температуре:  

    

 

    

 

    

 

    

 

    

 

    Расход  теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята [5]: 

                                                   

                                     (3.7) 

где массовый расход дистиллята,

   удельная  теплоемкость дистиллята взята при  средней температуре: 

    

 

    

 

    

 
 

    Расход  греющего пара, имеющего давление и влажность 5% по [5]: 

а) в кубе –  испарителе 

                                                     

                                                 (3.8) 

где удельная теплота конденсации греющего пара,  

    

 

б) в подогревателе  исходной смеси 

    

 

Всего:  

    Расход  охлаждающей воды при нагреве  ее на [5]: 

а) в дефлегматоре 

                                                                         

                                           (3.9) 

    

 

б) в водяном  холодильнике дистиллята 

    

 

Всего:  
 
 
 
 
 
 

4 Расчёт  теплообменника 

    Рассчитать  и подобрать нормализованный  кожухотрубчатый теплообменник  для охлаждения кубового остатка. В качестве холодного теплоносителя будем использовать исходную смесь, которая заодно будет подогреваться для подачи в ректификационную колонну. Но из аналитических соображений мы не сможем довести исходную смесь до температуры кипения, поэтому перед исходной смесью расположим теплообменник (Приложение Д), который будет подогревать исходную смесь от °С до его конечной температуры.  Для данного теплообменника в качестве горячего теплоносителя будем использовать дистиллят. Из вышепринятого имеем: 

                             

                   (4.1) 

где массовый расход дистиллята,

    массовый расход исходной смеси,

    удельная теплота конденсации паров, рассчитанная по уравнению (3.3),

    – теплоёмкость дистиллята по [4],

    – теплоёмкость исходной смеси,  

    

 

    

°С 

    Теперь  исходную смесь нам необходимо нагреть от °С до температуры кипения, равной °С.  Горячий раствор (кубовый остаток) охлаждается от °С до °С. Горячая жидкость (кубовый остаток) при средней температуре °С имеет следующие физико – химические характеристики: , , , . Холодный теплоноситель (исходная смесь) при средней температуре °С имеет следующие физико – химические характеристики: , , ,  
 
 

    Определение тепловой нагрузки аппарата [1]: 

                                                   

                                         (4.2) 

где количество горячего теплоносителя (кубовый остаток),  

    

 

    Определение конечной температуры холодного  теплоносителя из уравнения теплового  баланса [1]: 

                                                     

                                           (4.4) 

где количество холодного теплоносителя (исходная смесь),

    тепловая нагрузка аппарата,  

    

°С 

    Средняя разность температур равна [1]: 

                                                    

                                           (4.5) 

где и большая и меньшая разности температур на концах теплообменника 

    

°С 

    Ориентировочный выбор теплообменника: по [1] примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи . Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности теплообмена составит: 

                                                      

                                                (4.6) 

    

 
 

    Выбираем  кожухотрубчатый теплообменник с характеристиками: поверхность теплообмена ; диаметр кожуха ; длина труб , диаметр трубы ; число ходов ; площадь сечения одного хода по трубам ; площадь сечения между перегородками ; в вырезе перегородки ; расположение труб – коридорное.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.1 Уточнённый  расчёт теплообменника 

1. Трубное пространство согласно [1] 

                                                 

                                             (4.7) 

где динамический коэффициент вязкости,  

    

 

                                                          

                                                (4.8) 

где динамический коэффициент вязкости,

     удельная теплоёмкость,

    коэффициент теплопроводности,  

    

 

                                             

                                   (4.9)

                                                

    

2. Межтрубное  пространство согласно [1] 

                                                       

                                             (4.10) 

где сечение  межтрубного пространства,

    динамический коэффициент вязкости,  

    

 
 

                                                          

                                              (4.11) 

где динамический коэффициент вязкости,

     удельная теплоёмкость,

    коэффициент теплопроводности,  

    

 

                                            

                                  (4.12) 

    

 

    Примем  термическое сопротивление загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителей, равным по [1]. Из повышенной коррозионной активности жидкостей выбираем нержавеющие стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем по [1] равной .  

    Коэффициент теплопередачи равен [1]: 

                                       

                                 (4.13) 

   

 

    Требуемая поверхность по уравнению (4.6) составит: 

    

 

    Выбираем  из того же ряда теплообменник с  трубами длинной 6 м и нормальной поверхностью .

    При этом запас:

    

%  что достаточно.

4.2 Гидравлическое  сопротивление теплообменника 

1. Трубное пространство по [1] 

    Определяем  скорость жидкости в трубах по формуле (4.14) 

                                                 

,                                                  (4.14) 

где массовый расход кубового остатка,

    площадь сечения одного хода по трубам,  

    

 

    Коэффициент трения рассчитываем по уравнению (4.15) из [1]: 

                                         

,                             (4.15) 

где относительная шероховатость труб 

    

 

    Диаметр штуцеров в распределительной камере по [1]; скорость в штуцерах равна: 

    

 

    В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, пять поворотов на 180°, шесть входов и выходов из труб. Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно по (4.16): 

                

,         (4.16) 

 

2. Межтрубное  пространство по [1] 

    Число труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве; ; округляя в большую сторону, получим . Число сегментных перегородок . Диаметр штуцеров в кожухе по [1], скорость потока в штуцерах