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 хi’ – мольная доля i-компонента в смеси;
– константа фазового равновесия i-компонента;
Pi – 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: 
|
(Рис. 1.1)
 | |||
| |||
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 x0i’ – мольная доля i-компонента в жидком потоке, покидающем испаритель;
у0i’ – 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 x0i’ и у0i’ 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 Му и Мх – 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 Qp – расход тепла в испарителе (тепловая нагрузка), кВт;
Y1; Y2; Y3 – количество потоков, кг/с;
– энтальпии потоков при соответствующих температурах, кДж/кг.
где Сж1; Сж2, – 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 rв = 2095 кДж/кг.
Расход водяного пара определяется из следующего равенства:
где YB - расход греющего пара, кг/с;
h – коэффициент удержания тепла.
С учетом коэффициента удержания тепла (в среднем для теплообменников h = 0,95) получим:
