Проектирование ректификационной установки для непрерывного разделения смеси бензол-толуол

     Определим теплофизические параметры смеси  при температуре стенки со стороны  холодного теплоносителя:

     Исходя  из найденных теплофизических параметров, определим критерий Прандтля при  температуре холодной стенки:

 

     Зная  значение Pr = 4.923; Pr _ст = 4.096  и Re = 93635.61, определим значение числа Нуссельта:

     Зная  критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи холодной стенки по формуле:

                                      

                                             

Тогда Вт/м²*К 

     Поверхностную плотность теплового потока холодной стенки определим по формуле:

     Сопоставим q₁ и q₂, а разность выразим в процентах:

     Температура стенки подобрана верно. 

     Рассчитаем  истинный коэффициент теплопередачи:

       Вт/м²*К 

     Тогда м²

     По  ориентировочному значению поверхности  теплообмена был выбран теплообменник типа «труба в трубе» с теплообменной трубой d = 108×5 мм,   кожуховой D = 159×6  мм, длиной труб l = 9.0 м и поверхностью теплообмена F = 27.18 м². 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Приближенный расчет теплообменников

     4.1. Холодильник дистиллята

Исходные данные: = 81.25 ºС; = 35 ºС; = 10 ºС; = 30ºС

     Тогда температурная схема будет иметь вид:

ºС

ºС

     Тогда средняя разность температур будет  определяться по формуле:

                                             

ºС 

     Средние температуры теплоносителей:

ºС 

ºС 

     Удельная  теплоемкость смеси при средней температуре теплоносителя:

Дж/кг*К

 Дж/кг*К

 Дж/кг*К

     Рассчитаем  расход тепла в холодильнике дистиллята по формуле

                                      

 кВт

     Удельная  теплоемкость воды при t = 20ºС  с_в = 4190 Дж/кг*К, тогда массовый расход воды будет определяться по формуле

                                     

 кг/с 

     Используя , примем в качестве ориентировочного значения коэффициента теплопередачи от жидкости к жидкости (углеводороды, масла) К = 200 Вт/м²*К.

     Тогда ориентировочное значение поверхности  теплообмена будет определяться по формуле:

                                                

 м² 

     По  ориентировочному значению поверхности  теплообмена был выбран одноходовой  кожухотрубчатый теплообменник  с трубами d = 20×2 мм,  внутренним диаметром кожуха D = 273 мм, числом труб n = 61, длиной труб l = 1.5 м и поверхностью теплообмена F = 6.0 м². 

     4.2. Холодильник кубового остатка

Исходные данные: ºС ; ºС;  = 10 ºС;  = 30ºС.

     Тогда температурная схема будет иметь  вид:

ºС

ºС

     Тогда средняя разность температур будет  определяться по формуле:

                                             

ºС 

     Средние температуры теплоносителей:

ºС 

ºС

     Удельная  теплоемкость смеси при средней  температуре теплоносителя:

 Дж/кг*К

 Дж/кг*К

 Дж/кг*К

Рассчитаем расход тепла в холодильнике кубового остатка по формуле

                                           

 кВт

     Удельная  теплоемкость воды при t = 20ºС  с_в = 4190 Дж/кг*К, тогда массовый расход воды будет определяться по формуле

                                         

 кг/с

     Используя , примем в качестве ориентировочного значения коэффициента теплопередачи от жидкости к жидкости (углеводороды, масла) К = 200 Вт/м²*К.

     Тогда ориентировочное значение поверхности  теплообмена будет определяться по формуле:

                                               

 м²

     По  ориентировочному значению поверхности теплообмена был выбран одноходовой кожухотрубчатый теплообменник с трубами d = 20×2 мм,  внутренним диаметром кожуха D = 400 мм, числом труб n = 181, длиной труб l = 3.0 м и поверхностью теплообмена F = 34.0 м². 

     4.3. Куб - испаритель

Исходные данные: ºС ; Р_изб = 1.5 атм.

     Вычисляем абсолютное давление греющего пара:

Р_абс = Р_изб + 1 атм = 1.5 + 1 = 2.5 атм

     По  давлению греющего пара находим его  температуру конденсации и удельную теплоту парообразования  :

 º С

 Дж/кг

     Тогда температурная схема будет иметь  вид:

                                

     Тогда средняя разность температур будет  определяться как:

      º С

     Из  теплового баланса установки  известно, что 

 кВт

     Тогда расход греющего пара будет равен

                                               

кг/с

     Используя , примем в качестве ориентировочного значения коэффициента теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящей жидкости К = 1500 Вт/м²*К.

     Тогда ориентировочное значение поверхности  теплообмена будет определяться по формуле:

                                                      

 м² 

     По  ориентировочному значению поверхности  теплообмена был выбран испаритель (с обогревом паром) с трубами d = 25×2 мм,  внутренним диаметром кожуха D = 600 мм, числом труб n = 257, длиной труб l = 2.0 м и поверхностью теплообмена F = 40.0 м². 

     4.4. Дефлегматор – конденсатор.

Исходные данные: = 81.25 ºС; = 10 ºС; = 30ºС

     Тогда температурная схема будет иметь вид:

                            

ºС

ºС

     Тогда средняя разность температур будет  определяться по формуле:

                                             

ºС 

     Средние температуры теплоносителей:

ºС 

ºС

     Из  теплового баланса установки  известно, что 

 кВт

     Удельная  теплоемкость воды при t = 20.548ºС  с_в = 4190 Дж/кг*К, тогда массовый расход воды будет определяться по формуле

                                         

кг/с

     Используя , примем в качестве ориентировочного значения коэффициента теплопередачи от конденсирующегося пара органических веществ к воде К = 700 Вт/м²*К.

     Тогда ориентировочное значение поверхности  теплообмена будет определяться по формуле:

                                                      

м² 

     По  ориентировочному значению поверхности  теплообмена был выбран одноходовой  кожухотрубчатый теплообменник  с трубами d = 20×2 мм,  внутренним диаметром кожуха D = 325 мм, числом труб n = 100, длиной труб l = 3.0 м и поверхностью теплообмена F = 19.5 м². 

5. Расчет расходов  пара и жидкости в верхней  и нижней части колонны.

      Определим мольные составы:

а) для верхней (укрепляющей) части колонны:

      

      

        

б) для нижней (исчерпывающей) части колонны:

                  

              

              

            

             Определяем температуры для нижней и верхней части колонны для жидкости и пара из Таблицы 1:

             ْC,

               ْْC,

             ْْْC,

ْ             C.     

Молярную массу  паровой смеси в нижней и верхней  части колоны находим по формуле:

      

       кг/кмоль          

       кг/кмоль            
 

Определим плотности  пара в верхней и нижней части колонны по формуле:

      

        кг/м³

           кг/м³ 

      Определим вязкость пара в верхней и нижней части колонны для бензола (1) и толуола (2):

       ,

где табличные  данные: Па^. с, Па^. с,

                                         С₁ = 427, С₂ = 374 - константы уравнения. 

а) для верхней части колонны:

       Па^.с 

       Па^.с

б) для нижней части колонны:

       Па^.с    Па^.с 
 

Определим вязкость смеси пара в нижней и верхней  части колонны по формуле: 

     

     а) для верхней части колонны:

      Па*с

     б) для нижней части колонны:

      Па*с 

Определим массовые составы пара в верхней и нижней части колонны по формуле:

     

     а) для верхней части колонны: