Определение температур холодного теплоносителя.

Тепловой расчет

Определение температур холодного теплоносителя.

В рассматриваемом случае холодным теплоносителем является смесь уксусной кислоты и воды, которая при температуре кипения поступает в испаритель из ректификационной колонны. Поэтому при определении температуры смеси на входе в испаритель задача сводится к определению температуры низа ректификационной колонны.

Эту температуру определяют по уравнению изотермы жидкой фазы методом последовательных приближений. Для ускорения расчета можно использовать графическую интерполяцию.

где х_i’ – мольная доля i-компонента в смеси;

– константа фазового равновесия i-компонента;

P_i – давление насыщенного пара i-компонента;

P – давление в испарителе.

По условию состав смеси задан в % масс. Произведем перерасчет состава смеси в мольные доли по уравнению

где х₁ и х₂ - массовые доли уксусной кислоты и воды в смеси;

М₁=60; М₂=18 - их мольные массы.

Зададимся рядом значений температур в области температуры кипения чистой воды при 1200 мм.рт.мт. (поскольку смесь состоит в основном из воды): 100; 110; 120 °С. Для этих температур давления насыщенных паров составят

соответственно: для уксусной кислоты 417, 581, 794 мм.рт.ст.; для воды 760, 1075, 1489 мм.рт.ст. [1, с 820].

Рассчитываем

100 °С:

110 °С:

120 °С:

Строим график (Рис. 1.1)

		t1, °C

Рис 2.1. График зависимости от температуры

Из построения при температура смеси на входе в испаритель t₁ равна 113 °С.

Температуры потоков смеси и их составы на выходе из испарителя определяются по уравнениям:

(1.1)

где x_0i’ – мольная доля i-компонента в жидком потоке, покидающем испаритель;

у_0i’ – мольная доля i-компонента в отгоне;

е'=0,4 – мольная доля отгона (мольная доля образовавшихся паров в результате однократного испарения смеси в аппарате).

Уравнение (1.1) решается методом последовательного приближения, и для ускорения решения также воспользуемся графической интерполяцией.

Зададимся рядом значений температур (в области ожидаемой температуры): 100, 110, 120 °С. Для этих температур давления насыщенных паров приведены выше

Рассчитываем

100 °С:

110 °С:

120 °С:

Строим график (Рис. 1.2)

Рис. 2.2 График зависимости от температуры

Из построения при температуры потоков смеси на выходе из испарителя t₂ равны 110,2 °С.

Определим равновесные составы x_0i’ и у_0i’ образовавшихся жидкой и паровой фаз при температуре однократного испарения 120°С.

При этой температуре давления насыщенных паров уксусной кислоты и воды соответственно равны 581 мм.рт.ст. и 1075 мм.рт.ст. [1, с. 820].

Для последующих расчетов выразим составы потоков, уходящих из испарителя, в массовых долях и определим их количества. Для этого также пересчитаем мольную долю отгона е' в массовую е.

Массовая доля отгона паров находится по соотношению

,

Где М_у и М_х – средние мольные доли массы паровой фазы и смеси, входящей в испаритель.

Количество поступающей флегмы в испаритель Y₁ = 14200 кг/час = 3,94 кг/с. Количество жидкой фазы, уходящей из испарителя

Y₂ = (l – e)×Y₁ =(1 – 0,393) ×3,94 = 2,39 кг/с.

Количество паровой фазы уходящей из испарителя

Y₃ = e×Y₁ = 0,393×3,94 = 1,55 кг/с.

Тепловая нагрузка

Эта величина определяется из уравнения теплового баланса аппарата:

,

где Q_p – расход тепла в испарителе (тепловая нагрузка), кВт;

Y₁; Y₂; Y₃ – количество потоков, кг/с;

– энтальпии потоков при соответствующих температурах, кДж/кг.

где С_ж1 ; С_ж2, – средняя удельная теплоемкость жидкости при температуре потока, ;

г – удельная теплота испарения, кДж/кг.

где x₁=0,04; х₂=0,96; x₀₁=0,048; х₀₂=0,952 – массовые доли уксусной кислоты (1) и воды (2) в исходной и уходящей флегме из испарителя;

С₁=2,48 , С₂ = 4,25 – удельные теплоемкости бензола и толуола [1, с. 808].

r = r₁ × х₀₁ + r₂ × х₀₂ = 390,3×0,048+2234×0,952 = 2145,5 кДж/кг,

где r₁ = 390,3 кДж/кг; r₂ = 2234 кДж/кг – теплоты испарения уксусной кислоты и воды при температуре 110°С [1, с. 815].

Тогда

.

Расход греющего пара

В качестве горячего теплоносителя в испарителе используется насыщенный водяной пар.

Флегма низа ректификационной колонны, поступающая в испаритель, охлаждается от t₁ = 113 °C до t₂ = 110 °C и частично испаряется за счет тепла конденсации водяного пара. На основе данных промышленной эксплуатации аналогичных испарителей и с целью обеспечения достаточного температурного напора (40 ÷ 60°) при теплопередаче от конденсирующегося водяного пара к кипящей флегме принимаем следующие параметры греющего пара [2, с. 549]: давление 6 кгс/см²; температура t₃ = 158,1 °С; удельная теплота конденсации r_в = 2095 кДж/кг.

Расход водяного пара определяется из следующего равенства:

где Y_B - расход греющего пара, кг/с;

h – коэффициент удержания тепла.

С учетом коэффициента удержания тепла (в среднем для теплообменников h = 0,95) получим: