Рассчет конденсатора

       Конвекцией называется  перенос тепла    вследствие движения  и перемешивания  макроскопических объёмов газа или жидкости. Перенос тепла возможен в условиях естественной, или свободной, конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объёма жидкости (газа), возникающей вследствие  разности температур в этих точках или в условиях вынужденной конвекции при принудительном движении всего объёма жидкости, например в случае перемешивания её мешалкой.

      Тепловое излучение-  это процесс распространения  электромагнитных  колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела.

      В реальных условиях тепло передаётся не каким-либо одним из указанных выше способов, а комбинированным путём. Например, при теплообмене между твёрдой стенкой и газовой средой тепло передаётся одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением (процесс теплоотдачи). Ещё более сложным является процесс передачи тепла от более нагретого к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность или твёрдую стенку. Этот процесс носит название теплопередачи.

      Передачу тепла  между теплоносителями осуществляют в аппаратах называемых теплообменниками.

       Теплообменная аппаратура  составляет весьма  значительную часть  технологического  оборудования в химической и смежных отраслях промышленности.

      Теплообменные аппараты  можно классифицировать по следующим признакам:                         

  по конструкции – аппараты, изготовленные из труб (кожухотрубчатые, оросительные, змеевиковые и др.); аппараты, поверхность теплообмена которых изготовлена из листового материала (пластинчатые, спиральные, сотовые); аппараты с поверхностью теплообмена, изготовленной из неметаллических материалов (графита, пластмасс, стекла и др.);

   по назначению – холодильники, подогреватели, испарители, конденсаторы;

   по направлению  движения теплоносителей – прямоточные, противоточные, перекрёстного тока и др.

     Интенсификация процесса  теплообмена является  важным вопросом  в проектировании аппарата, так как это ведёт к уменьшению требуемой поверхности теплообмена и соответственно к уменьшению его стоимости. Одним из способов интенсификации процесса теплообмена является повышения турбулизации потока, за счёт увеличения  его скорости, но при этом возрастают энергетические затраты на перекачиваемую через аппарат жидкость. В связи с этим при расчёте теплообменников всегда есть нисколько вариантов аппаратов из которых выбирается оптимальный [1]. 

Описание  технологической  схемы ректификационной

установки.

      Исходная  смесь из промежуточной  емкости 1 центробежным насосом 2 подается в  теплообменник 3, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси .

      Стекая  вниз по колонне, жидкость взаимодействует  с поднимающимся  вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка , т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава , которая получается в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7, и направляется в промежуточную емкость 8.

      Из  кубовой части  колонны насосом 9 непрерывно выводится  кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

      Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовый остаток, обогащенный труднолетучим компонентом [3].  

      В данной курсовой работе мы рассчитываем конденсатор 6. 

       

         
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

         
 
 
 
 

Рисунок 1 Принципиальная схема ректификационной установки:

1- ёмкость для исходной  смеси;  2, 9- насосы;  3- теплообменник-подогреватель;  4 - кипятильник;  5- ректификационная колонна;  6- конденсатор;  7- холодильник дистиллята;  8- ёмкость для сбора дистиллята;  10- холодильник кубовой жидкости;  11- ёмкость для  кубовой жидкости. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Технологический расчет

                                    1.1 Ориентировочный подбор теплообменника 

        Определяем расход Р, который выходит из колонны:

    Р = F – W = 2,78-1,36 = 1,42 кг/с,

    

    W = кг/с

      Пересчитаем составы фаз из массовых в мольные  доли:

      где - молекулярная масса метанола, =32,04 кг/кмоль;

    - молекулярная масса этанола , =46 кг/кмоль. 

      Следовательно в смеси метанол – этанол содержится 97,1 % метанола.

    Рисунок 2. Определение температуры  кипения смеси

      По  рисунку 2 определяем температуру кипения  смеси t_кип. =65 °С при 0,971 кг/кмоль 
 

    Расчет  средней движущей силы теплоносителя

    Температурная схема:

        65 ---------------------65

        10 ---------------------40

    _________                __________

    

    Δt_б=55 °С                 Δt_м=25 °С   

    При    Δt_б/Δt_м=55/25 = 2,2 > 2, поэтому среднюю разность температур определяем по уравне-

    нию:

    

°С

    Средняя температура воды:

    t₂=40+10/2=25 °С

    Средняя температура смеси:

    t₁=t₂ + Δt_ср =25 + 38,03 = 63,03°С

    Уравнение теплового баланса:

    Q=Р·(1+R) r₁= 1,42(1+3,95) ∙ 1086,16 = 7634,6 кВт

    где

    r₁= кДж/кг – удельная теплота парообразования смеси [2, табл. LVII];

    r₁= х_р ∙ r_м + (1- х_р) r_э = 0,96 ∙ 1105 + (1-0,96) ∙ 884 = 1086,16 кДж/кг

    r_м – удельная теплота парообразования метанола r_м = 1105 кДж/кг при t = 65 ⁰C

    r_э – удельная теплота парообразования этанола r_э = 884 кДж/кг при t = 65 ⁰C

    Расчет  минимального флегмового числа

    R_min = (

-y ^∙ )/(y ^∙ - ) = (0,971-0,62)/(0,62 -0,5) = 3,76

    y ^∙ = 0,62

    Расчет  рабочего флегмового числа

    R = R_min ∙ β = = 3,76-1,05 = 3,95

    β - коэффиөиент избытка флегмы;

                                                           β = 1,05;

    Определяем  расход охлаждающей воды 

    G₂ = Q/(с₂ (t₂^’’- t₂^’)) = 7634.6/(4.185 ∙ (40-10)) = 60,8 кг/с 

    с₂ - теплоемкость воды; с₂= 4,185 кДж/кг ∙ К

    Ориентировочно  определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. По табл. 4.8  [2, с. 169] минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующейся смеси к воде К_мин=900 . При этом

    F_макс = Q/(K_min ∙ Δt_ср) = 7634,6 ∙ 1000/(900 ∙ 38,03) = 223,06 м².

    Условию F_макс ≤ 223,06 удовлетворяет одноходовой кожухотрубный теплообменник с числом труб 465.

    Площадь проходного сечения  по трубам

    S_т = 465 ∙ 0,785 ∙ 0,021² = 0,16 м²

    Площадь проходного сечения  в вырезе перегородок 

    S_с.ж. = 0,077 м²

    Расстояние  от диагонали до хорды  сегмента

    h = 166 мм

    Диаметр внутренний D_в = 800 мм

    Межтрубное пространство

    Размер  стрелки сегмента

    b = (D_в/2) – h = (800/2) – 166 = 234 мм

    Расстояние  между перегородками 

    Ψ = (1-(d/t))/ (1-0,9 (d/t)²) = (1-(25/32))/ (1-0,9 (25/32)²) = 0,485

1.2 Уточненный расчет  поверхности

    Расчетная скорость смеси в  межтрубном пространстве

    ω₁ = V₁/ S_с.ж. = 0,0019/0,077 = 0,025 м/с

    V₁ = P/ ρ₁ = 1,42 / 738,9 = 0,0019 м³/с

    ρ₁ = 1/ (х_р/ ρ_м +(1 - х_р)/ ρ_э) = 1/ (0,96/751+(1 – 0,96) / 749) =738,9 кг/м³

    

 ρ_м - плотность метанола при 63 ⁰С, ρ_э -плотность этанола при 63 ⁰С

ρ_м = 751 кг/м³; ρ_э = 749 кг/м³