Задаем пленочный испаритель ИП-1 со следующими параметрами:
Нагревание проводится водой с , .
Конструктивные параметры теплообменника: поверхность теплообмена . , , , , вес = 230кг, материал – нержавеющая сталь.
Производительность (по отгону паров эфира) – 24,34кг/час.
Тепловой баланс пленочного испарителя.
Теплоноситель – горячая вода.
Температура горячей воды на входе – 800С, на выходе – 400С.
Энтальпия питательной воды: на входе при
на выходе при
КПД установки .
Нагреваемая среда – эфирный раствор с диэтиловым эфиром.
Температура эфирного раствора: на входе –
на выходе –
Расход эфирного раствора – ; расход эфира при испарении: .
Удельная теплоемкость эфирного раствора рассчитывается по формуле:
.
Температурный профиль процесса представлен на рис.1.
Рис 1. График изменения температуры по площади пленочного испарителя.
Т.о., по имеющимся данным составляем тепловой баланс процесса:
, отсюда: .
Из выражения теплового баланса получаем значение расхода горячей воды:
По полученному значению массового расхода определяем скорость потока воды:
Рассчитываем поверхность теплообмена: , где:
- тепловой эффект пленочного испарителя, рассчитываем по упрощенной формуле:
- берем из справочника [1], ккал/кг
- по данным материального баланса, кг
, где:
- коэффициент теплоотдачи жидкости.
Критерий Рейнольдса для потока воды:
, где:
- скорость потока воды в межтрубном пространстве,
- эквивалентный диаметр;
- плотность воды;
- динамическая вязкость воды;
По известному значению критерия Рейнольдса определяем критерий Прандтля и критерий Нуссельта:
, где:
.
Отсюда находим коэффициент теплоотдачи от горячей воды к стенке α1:
- по справочнику [1],
Коэффициент теплоотдачи от пленки к стенке α2 находим по упрощенной формуле для пленочного испарителя:
,
Таким образом, выбранный стандартный теплообменник подходит для данного процесса.
Число труб пленочного аппарата находим по упрощенной формуле:
.
Расчет теплообменника для конденсации паров эфира.
Охлаждение проводится рассолом с , .
Поверхность теплообмена . , , , , вес = 213кг, материал – нержавеющая сталь.
Производительность (по отгону паров эфира) – 24,34кг/час.
Скорость паров ДЭЭ в трубном пространстве:
Критерий Рейнольдса для паров диэтилового эфира:
, где:
- скорость паров ДЭЭ в трубах,
- внутренний диаметр труб;
- плотность паров ДЭЭ;
- динамическая вязкость ДЭЭ;
По номограмме5 определяем критерий Прандтля:
.
Отсюда находим коэффициент теплоотдачи от паров ДЭЭ к стенке α2:
, где: - по справочнику [1],
,
Обозначим выражение за «а», выражение за «b».
, .
Пусть ,
пусть ,
пусть .
Определяем по графику ().
Находим действительное значение коэффициента теплопередачи:
Рассчитываем поверхность теплообмена: , где:
- тепловой эффект теплообменника, рассчитываем по упрощенной формуле:
- берем из справочника [1],
- по данным материального баланса, кг
<4м2.
Следовательно, выбранный стандартный теплообменник подходит для проведения данного технологического процесса.
Тепловой баланс.
Определим количество тепла (холода), необходимое для проведения процесса.
Основной аппарат – реакт
,
- тепло, необходимое для нагревания реакц. массы, ккал;
, где: ,
- тепло, необходимое для нагревания аппарата, ккал;
, где: ,
- тепловой эффект физического процесса, ккал;
, где: .
- тепловой эффект химической реакции, ккал; .
- потери тепла в окружающую среду, ккал;
Реактор выпарки ацетона Р-3. Температура проведения процесса .
Тепло, которое пошло на нагревание:
,
, где: ,
, где: ,
, где: .
.
Тепло, которое пошло на охлаждение (с 550С до 300С):
, где:
, где:
, где:
,
, где: ,
,
Реактор вакуумной перегонки технического ААУЭ Р-6 ().
,
, где: ,
, где: ,
, где:
,
,
,
.
Тепловой баланс испарителя эфира ИП-1:
,
, где: ,
, где: ,
, где: ,
,
.
Энергетический расчет.
Расход водяного пара на нагрев аппаратов.
На нагрев реактора синтеза ААУЭ (Р-2) расходуется пара:
.
На нагрев реактора выпарки ацетона (Р-3) расходуется пара:
.
На нагрев реактора вакуумной перегонки технического ААУЭ (Р-6) расходуется пара: .
На нагрев пленочного испарителя (ИП-1) расходуется пара:
.
Общий расход пара: .
Расход охлаждающих агентов.
Рассчитаем расход воды на охлаждение реакционной массы в реакторе выпарки ацетона Р-3 после выпарки ацетона:
,
Расход воды на теплообменник Т1: .
Расход воды на теплообменник Т2: .
Расход воды на теплообменник Т4: .
Общий расход воды на охлаждение: .
Расход электроэнергии:
На работу электродвигателей;
Определение мощности, потребляемой мешалкой.
Рассчитываем мощность, потребляемую мешалкой для реактора получения раствора хлорацетона Р-1. Для этого вначале определяем центробежный критерий Рейнольдса:
.
Режим переходный, поэтому мощность, потребляемую мешалкой, определяем по ф-е: , где:
- критерий мощности, задается исходя из значения отношения . Подбираем якорную мешалку. Для якорной мешалки при значение .
- плотность перемешиваемой среды (из расчетов техн. оборудования);
и - число оборотов мешалки в секунду, и диаметр мешалки, м соотв. (из расчетов технологического оборудования).
Потребляемая мощность двигателя:
.
Расход электроэнергии: .
Определяем коэффициент С для реактора Р-1:
.
На основании коэффициента С рассчитываем потребляемую мощность двигателей в реакторах Р-2, Р-3, Р-4, Р-5 и Р-6.
Реактор Р-2 для синтеза ААУЭ:
, .
Реактор Р-3 для выпарки ацетона:
, .
Реактор Р-4 для промывки водой и разделения реакционной смеси:
, .
Реактор Р-5 сушки:
, .
Реактор Р-6 для вакуумной перегонки:
, .
Итого электрической энергии на перемешивание:
Расчет азота.
На передавливание реакционной массы:
Для реактора синтеза ААУЭ (Р-2): , где:
.
Для реактора выпарки ацетона (Р-3): .
Для реактора промывки и разделения (Р-4) не требуется передавливание реакционной массы.
Для реактора сушки Р-5: .
Для сборника Сб-7 эфирного раствора: .
Общий расход азота на передавливание в производстве ААУЭ:
или 568,1кг азота.
На фильтрацию принимаем расход азота: ,
Суммарный расход азота: .
Объем баллона с азотом .
Расход азота .
Литература.
К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.; «Химия», 575с.