Полный расчет ректификационной колонны

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Задание на проектирование

Перечень инженерных расчетов: расчет ректификационной колонны; подробный тепловой расчет дефлегматора; ориентировочный расчет теплообменников.

Перечень работ выполняемых на ЭВМ: расчет дефлегматора.

Состав и объем графической части: технологическая схема; общий вид дефлегматора.

Основные данные: расход исходной смеси 6.5 кг/с; концентрации (мольные доли) ,; продукты разделения охладить до 25ъС.

Введение

Для получения продуктов сложного состава, разделения изотопов, выделения индивидуальных веществ широкое применение в промышленности получила ректификация. Этот процесс основан на различной летучести составляющих смесь компонентов, т. е. на различных температурах кипения компонентов при одинаковом давлении. Ректификация заключается в многократном частичном испарении жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах, состоящих из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара -- куба и дефлегматора.

По конструкции ректификационные колонны подразделяются на насадочные, тарельчатые и роторные. Основным типом колонных аппаратов большой производительности считаются ректификационные колонны с барботажными тарелками, а при необходимости самого малого перепада давления на одну теоретическую ступень разделения или при работе в коррозионной среде — колонны с насадкой.

По способу проведения ректификацию разделяют на периодическую и непрерывную.

При непрерывной — разделяемая смесь непрерывно подается в среднюю часть колонны, дистиллят отбирается из дефлегматора, а обедненный легколетучим компонентом остаток отводится из куба колонны, флегма поступает на орошение в верхнюю часть колонны.

При периодической ректификации в нижнюю часть (куб) колонны, снабженной нагревательным устройством, загружают исходную смесь; образующийся пар поднимается верх и конденсируется в дефлегматоре (холодильнике), часть конденсата (флегмы) возвращается на орошение в верхнюю часть колонны, а оставшаяся жидкость отбирается.

Насадочные колонны получили широкое распространение в химической промышленности благодаря простоте их устройства, дешевизне изготовления и малому гидравлическому сопротивлению при пленочном режиме работы. В насадочных массообменных аппаратах жидкость тонкой пленкой покрывает насадку и стекает по ней, при этом поверхность контакта с газообразной фазой определяется поверхностью насадки, свойствами жидкости и гидродинамическим режимом.

Недостатком работы насадочной колонны является неравномерность распределения пара и жидкости по поперечному сечению, что приводит к — неодинаковой эффективности различных ее частей и низкой эффективности работы всей колонны в целом. Значительное увеличение эффективности аппарата достигается применением насадки, частично погруженной в жидкость: газ при этом в виде пузырьков барботируется через слой жидкости.

В отдельных случаях применяют подвижные насадки, которые приводят в колебательное движение восходящим потоком газа, при этом допускаются высокие скорости движения фаз, а поверхность межфазного контакта превышает поверхность насадочных элементов. Эффективность тепло- и массообмена в значительной мере зависит от равномерности распределения жидкости в объеме насадки. Эта задача решается применением специальных оросителей, распределяющих жидкость по верхнему сечению насадки, и использованием материалов (металлических сеток, армированной стеклоткани), обеспечивающих растекание жидкости по поверхности насадки под действием капиллярных сил.

Насадки загружают в аппараты навалом на опорные решетки (нерегулярные насадки), укладывают в определенном порядке или монтируют в жесткую структуру (регулярные насадки). Изготавливают насадки из дерева, металла, стекла, керамики, пластмасс. Элементы нерегулярных насадок выполняют в виде колец, спиралей, роликов, шаров, седел и т. д. Наиболее распространены кольца Рашига, размеры которых обычно составляют 50 мм. Для повышения смачиваемости насадки и пропускной способности аппарата стенки колец иногда снабжают продольными или поперечными канавками или прорезями.

Для отвода жидкости из насадочной колонны применяют две схемы: в первой схеме (обычные насадочные колонны) жидкость стекает по насадке и отводится из нижней части колонны; во второй схеме (эмульгационные колонны) жидкость отводится через переливную трубу.

В данном курсовом проекте производится расчет обычной ректификационной насадочной колонны для разделения бинарной смеси — «ацетон — четыреххлористый углерод» при атмосферном давлении, с насыпной насадкой из стальных колец Рашига.

1. Описание технологической схемы

Исходная смесь подаётся в теплообменник центробежным насосом из ёмкости, где она подогревается до температуры кипения. Затем нагретая смесь поступает на разделение в середину ректификационной колонны 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. 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), получаемой в дефлегматоре путём конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения — дистиллята, который охлаждается в теплообменнике и направляется в промежуточную ёмкость.

Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость — продукт, обогащённый труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике и направляется в ёмкость.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащённый труднолетучим компонентом).

2. Инженерные расчеты

2.1 Технологические расчеты

Для технологических расчетов установки необходимо знать свойства веществ при определённых температурах. Основными диаграммами для определения этих свойств являются диаграммы: состав пара — состав жидкости, и зависимость температуры кипения от состава. В приложение 1 приведены диаграммы указанных свойств бинарной системы ацетон- четыреххлористый углерод.

2.1.1 Равновесные данные

x — мольная доля легколетучего компонента в жидкой фазе;

y — мольная доля легколетучего компонента в паровой фазе;

t — температура, ъС.

x

y

t

0

0

76. 74

5. 9

20. 25

70. 80

8. 7

27. 10

68. 74

17. 9

40. 75

64. 45

26. 4

48. 95

61. 91

37. 4

56. 55

59. 83

45. 1

61. 25

58. 74

52. 55

65. 50

57. 94

61. 65

70. 65

57. 18

69. 60

75. 60

56. 67

76. 20

79. 85

56. 36

82. 95

84. 60

56. 15

89. 50

89. 80

56. 01

91. 40

91. 50

56. 02

95. 30

95. 20

55. 99

100. 00

100. 00

56. 08

2.1.2 Материальный баланс

Зная производительность колонны по дистилляту и необходимые концентрации, определим недостающие данные, т. е. производительность по кубовому остатку и питание исходной смеси (GW и GD), на основании уравнений материального баланса.

где — массовая доля легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно.

массовый расход исходной смеси, дистилляте и

кубовом остатке соответственно.

где MF -молекулярная масса:

кг/кмоль

кг/кмоль

кг/кмоль,

где M1 — молекулярная масса легколетучего компонента; M2 — молекулярная масса второго компонента;

xF, xD, xW— мольная доля легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно.

Где 1-ацетон, 2-четыреххлористый углерод.

кмоль/с

Находим массовую долю по формуле:

Решив систему материального баланса, получим:

кг/с

кг/с

кмоль/с

кмоль/с

Нагрузка ректификационной колонны по пару и жидкости определяется рабочим флегмовым числом. Для его расчета используют приближенные вычисления по формуле:

где Rmin — минимальное флегмовое число.

При этом:

где — мольные доли легколетучего компонента в жидкости, а — концентрация легколетучего компонента в паре, находящаяся в равновесии с жидкостью (питанием исходной смеси).

По диаграмме «Равновесное состояние жидкости и пара» (приложение1) находим при соответствующем значении, таким образом

Тогда:

Также для расчета флегмового числа используем графический метод:

рассчитав число теоретических ступеней контакта (теоретических тарелок)

R=1. 5, y=32, n=15. 2, n (R+1) =15. 2(1. 5+1) =38

R=2, y=26. 67, n=11. 4, n (R+1) =11. 4(2+1) =34. 2

R=2. 5, y=22. 86, n=9, n (R+1) =9(2. 5+1) =31. 5

R=3, y =20, n=8, n (R+1) =8(3+1) =32

R=4, y=16, n=7. 33, n (R+1) =7. 33(4+1) =36. 65

R=5, y=13. 33, n=6. 43, n (R+1) =6. 43(5+1) =38. 58

В данном курсовом проекте используем, найденное графическим методом (приложение 3).

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

Найдем уравнение рабочих линий:

а) для верхней (укрепляющей) части колонны:

б) для нижней (исчерпывающей) части колонны:

где F — относительный мольный расход питания.

Определяем температуры для нижней и верхней части колонны для жидкости и пара из диаграммы «Зависимость температуры от равновесных составов пара и жидкости» (приложение1):

ъъC, ъC,

ъъъC, ъC.

Определяем объемный расход пара:

кмоль/с

Расход пара в нижней и верхней части колонны определяется по формуле:

,

где p0=760 мм рт. ст. — атмосферное давление,

T0=273 K- абсолютная температура.

м3

м3

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

кг/кмоль

кг/кмоль

Массовые расходы паров в нижней и верхней части колоны находим по формуле:

кг/с;

кг/с;

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 ацетона (1) и четыреххлористого углерода (2):

,

где табличные данные: Па. с, Па. с,

С1=651,С2=384- константы уравнения.

а) для нижней части колонны:

Па. с Па. с

б) для верхней части колонны:

Па. с

Па. с

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

Па. с

Па. с

Определим плотности жидкости по формуле:

,

где плотности ацетона, четыреххлористого углерода соответственно.

а) для нижней части колонны:

кг/м3

кг/м3

кг/м3

б) для верхней части колонны:

кг/м3

кг/м3

кг/м3

Определим вязкость смеси жидкости для нижней и верхней части колонны по формуле:

,

где вязкости ацетона, четыреххлористого углерода соответственно.

мПа. с мПа. с

мПа. с мПа. с

Па. с

Па. с

Поверхностное натяжение смеси жидкостей в верхней и нижней части колонны определим по формуле:

,

где поверхностное натяжение ацетона, четыреххлористого углерода соответственно.

Н/м

Н/м

Н/м

Н/м

м/Н

Н/м

м/Н

Н/м

Находим мольные и массовые расходы жидкости в нижней и верхней части колонны:

кмоль/с

кг/кмоль

кг/с

кг/с

кмоль/с

кг/кмоль

кг/с

кг/с

2.1.4 Расчет теплового баланса установки

Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением:

где QK — тепловая нагрузка куба; QD -количество теплоты, передаваемой от пара к воде; Qпот — тепловые потери (5%); -теплоёмкости соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси; - температуры соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси (находим из диаграммы «Зависимость температуры от равновесных составов пара и жидкости» приложение 1):

,, .

Найдем удельную теплоту конденсации паров дистиллята по аддитивной формуле:

кДж/кг

где — теплоты испарения ацетона и четыреххлористого углерода при температуре дистиллята, .

,

где исходные данные: A1 =72. 18; t 1кр=235. 1; A2=25. 64; t2кр=283. 4

;

.

Определим тепловую нагрузку дефлегматора по формуле:

кВт

Определим теплоёмкости смеси:

Для ацетона (1): c0=2. 11кДж/(кгК); с1=0. 0028 кДж/(кгК);

Для четыреххлористого углерода (2): c0=0. 85кДж/(кгК); с1=0. 37 кДж/(кгК);

,

Тогда:

2.2 Гидравлический расчет насадочной колонны аппарата

бор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давление, рабочую скорость можно принять на 20% ниже скорости захлёбывания:

(26)

где — скорость захлебывания пара, м/с; - удельная поверхность насадки, м23; Vсв — свободный объём насадки, м33; мж — динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа•с; и — массовые расходы жидкой и паровой фаз, кг/с; и — плотность пара и жидкости соответственно, кг/м3.

Выбираем в качестве насадки — стальные кольца Рашига:

Кольца Рашига 25 мм:

в:

н:

Тогда рабочая скорость в верхней и нижней части колонны равна:

По рабочей скорости определяем диаметр колонны:

,

где объемный расход пара при рабочих условиях в колонне, м3/с.

;

;

Выбираем стандартный аппарат с диаметром 2.2 м, с кольцами Рашига диаметром 25 мм и уточняем рабочую скорость по формуле:

Плотность орошения для верхней и нижней части колонны определяют по формуле:

,

где U — плотность орошения, м3/(м2. с);

— объемный расход жидкости, м3/с;

S — площадь поперечного сечения колонны, м2.

,

где D — диаметр колонны, м.

так как плотность орошения меньше допустимых значений, то необходимо выбрать кольца Рашига с меньшим диаметром.

Кольца Рашига 50 мм:

в:

н:

Тогда рабочая скорость в верхней и нижней части колонны равна:

По рабочей скорости определяем диаметр колонны:

,

где объемный расход пара при рабочих условиях в колонне, м3/с.

;

;

Выбираем стандартный аппарат с диаметром 2 м, с кольцами Рашига диаметром 50 мм и уточняем рабочую скорость по формуле:

Плотность орошения для верхней и нижней части колонны определяют по формуле:

,

где U — плотность орошения, м3/(м2. с);

— объемный расход жидкости, м3/с;

S — площадь поперечного сечения колонны, м2.

,

где D — диаметр колонны, м.

Так как плотность орошения удовлетворяет допустимым значениям, то в дальнейших расчетах используем кольца Рашига диаметром 50 мм.

Активную поверхность насадки находят по формуле:

,

где U — плотность орошения, м3/(м2. с);

— удельная поверхность насадки, м23;

p, q — постоянные, зависящие от типа и размера насадки.

Для выбранных колец Рашига с диаметром 50 мм:

p=0. 024, q=0. 012.

Определим активную поверхность насадки в нижней и верхней части колонны:

Одной из важных характеристик аппарата является гидравлическое сопротивление насадки, который зависит от режима движения пара (газа). Для расчета необходимо определить число Рейнольдса:

,

где — вязкость пара.

Определяем значения числа Рейнольдса для нижней и верхней части колонны:

Определяем коэффициент сопротивления для верхней и нижней части колонны:

Так как число Reп> 40, то

Определяем гидравлическое сопротивление для верхней и нижней части колонны:

,

где H=1 м — высота слоя.

Па/м

Па/м

,

где b- коэффициент, для колец Рашига 50 мм: b= 47. 10-3.

=375. 61 Па/м

=1093. 32Па/м

2.3 Расчет высоты колонны

Определим коэффициент диффузии газа для нижней и верней части колонны по формуле:

,

где T — температура газа, К; p- давления газа, кгс/см2; MA, MB— мольные массы газов A и B;

vA, vB— мольный объемы газов, А и В, определяемые, как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав газа.

Пусть, А — ацетон (МА=58 кг/кмоль);

В- четыреххлористый углерод (МВ=154кг/кмоль).

см3/атом

см3/атом

м2/с;

м2/с;

Определим коэффициент диффузии в разбавленных растворах для верхней и нижней части колонны:

,

где М — мольная масса растворителя;

v- мольный объем диффундирующего вещества;

T -температура, К;

— динамический коэффициент вязкости растворителя, мПа. с;

— параметр, учитывающий ассоциацию молекул растворителя (А=В=1).

Пусть, А растворяется в В (В- растворитель):

м2/с;

м2/с.

Пусть В растворяется в, А (А- растворитель):

м2/с;

м2/с.

Определим коэффициент диффузии смеси жидкостей для верхней и нижней части колонны по формуле:

м2/с;

м2/с.

По диаграмме «Равновесное состояние жидкости и пара» определяем коэффициенты распределения нижней и верхней частей колонны:

Через xн, xв определяем углы б и в соответственно (приложение 2).

Определяем число единиц переноса графическим методом интегрирования для нижней и верхней части колонны:

yw=xw=0. 06

yD=xD=0. 8

x

y*

y

y*-y

. 102

6. 00

8. 70

17. 9

26. 4

37. 4

45. 1

48. 00

52. 55

56. 90

69. 6

76. 2

80. 0

20. 25

27. 10

40. 75

48. 95

56. 55

61. 25

63. 00

65. 50

70. 65

75. 60

79. 85

82. 00

6. 00

10. 0

21. 0

31. 5

42. 5

54. 0

56. 9

61. 0

66. 5

72. 0

77. 0

80. 0

14. 25

17. 10

19. 75

17. 45

14. 05

7. 25

6. 10

4. 50

4. 15

3. 60

2. 85

2. 00

7. 02

5. 84

5. 06

5. 73

7. 12

13. 79

16. 39

22. 22

24. 01

27. 78

35. 09

50. 00

По данным таблицы строим график зависимости и определяем площадь под графиком с помощью метода трапеций для нижней и верхней части колонны, равную числу единиц переноса (приложение 4):

n0yн=3. 029

n0yв=5. 51

Определим высоту единиц переноса с помощью сведущих формул:

а) критерий Рейнольдса для пара и жидкости в верхней и нижней части колонны:

б) критерий Прандтля для пара и жидкости в верхней и нижней части колонны:

в) приведенная толщина жидкой пленки для верхней и нижней части колонны:

г) высота единиц переноса в газовой фазе для верхней и нижней части колонны:

м

м

д) высота единиц переноса в жидкой фазе для верхней и нижней части колонны:

м

м

Тогда высота единиц переноса равна:

м

м

Определим высоту слоя насадки по формуле:

Тогда общую высоту аппарата определим по формуле:

2.4 Ориентировочный расчет теплообменников

Произведем ориентировочные расчеты пяти теплообменников: куба-испарителя, подогревателя, дефлегматора и двух холодильников (дистиллята и кубового остатка).

2.4.1 Куб-испаритель

Исходные данные: Qk=3924. 32кВт, tw=71ъC

Дt=tгп-tw

Пусть Дt=30ъC, тогда:

tгп= Дt+ tw=101ъC,

при tгп= 101ъC,

pгп=1. 0728кгс/см2, rгп=2257.6 кДж/кг

пусть коэффициент теплопередачи Кор=800Вт/(м2. К)

Определим поверхность теплообмена по формуле:

м2

По ориентировочной поверхности теплообмена выбираем стандартный куб-испаритель с внутренним диаметром кожуха D=1000 мм, числом труб n=747, с поверхностью теплообмена F=176 м2 и длиной труб l=3м.

2.4.2 Подогреватель

Исходные данные: кг/с, xF=0. 48, tF=58.4 ъC, tнач=20 ъC,.

Определим среднюю температуру:

Дtм=tгп-tF=101−58. 4=42.6 ъC

Дtб=tгп-tнач=101−20=81 ъC

ъC

tср=tгп— Дtср=41. 23 ъC

Определим вязкость смеси:

мПа. с

мПа. с

мПа. с

Определим теплоемкость смеси:

Определим количество теплоты в подогревателе:

Вт

Пусть Кор=300Вт/(м2. К), тогда

м2

м

м

0. 1 161<Sтр<0. 0232

Исходя из сделанных расчетов можем выбрать стандартный четырехходовой подогреватель с внутренним диаметром кожуха D=600 мм, числом труб n=334, длиной труб l=3м, проходным сечением одного хода Sт=1. 6. 10-2м и числом рядов труб nр=18.

Определим расход греющего пара по формуле:

кмоль/с

2.4.3 Дефлегматор

Исходные данные: QD=3703,486 кВт, tD=56 ъC, tвнач=15 ъC, tвкон=40 ъC

Определим среднюю температуру:

Дtм=tD-tвкон=16 ъC

Дtб=tD-tвнач=41 ъC

ъC

tср=tD— Дtср=29. 32 ъC

Определим теплофизические свойства воды при tср=29. 32 ъC:

· л =0. 6167Вт/(м. К)

· м=0. 8125 мПа. с

· с=996. 14кг/м3

· в=3. 12. 10-4 1/К

· с=4189Дж/кгК

Пусть Кор=500Вт/(м2. К), тогда

м2

кг/с

м

м

0. 03<Sтр<0. 07

Исходя из сделанных расчетов выбираем: стандартный четырехходовой дефлегматор 20x2 с внутренним диаметром кожуха D=1000 мм, числом труб n=1072, длиной труб l=4м, проходным сечением одного хода Sт=5. 1. 10-2м, числом рядов труб nр=34 и стандартный шестиходовой дефлегматор 25x2 с внутренним диаметром кожуха D=1200 мм, числом труб n=958, длиной труб l=4м, проходным сечением одного хода Sт=5. 2. 10-2м, числом рядов труб nр=32.

2.4.4 Холодильник дистиллята

Исходные данные: кг/с, tD=56 ъC, tвкон=25 ъC, tвнач=15 ъC, t1кон=25 ъC.

Определим среднюю температуру:

Дt1=tD-tвкон=31 ъC

Дt2=t1кон-tвнач=10 ъC

дt1=tD-t1кон=31 ъC

дt2=tвкон-tвнач=10ъC

ъC

ъC

так как дt1> дt2, то

ъC

Определим теплофизические свойства воды при tсрв=20 ъC:

· с=4190Дж/кгК

· м=1. 005 мПа. с

tр=tвср+ Дtср=20+15. 03=35. 03 ъC

Определим теплоемкость дистиллята при t1ср:

Вт

кг/с

Пусть Кор=300Вт/(м2. К), тогда

м2

м

м

0. 0034<Sтр<0. 0068

Определим вязкость смеси при t1ср=35. 03 ъC

мПа. с

мПа. с

мПа. с

м

м

0. 013<Sмтр<0. 039

Исходя из сделанных расчетов можем выбрать стандартный четырехходовой холодильник c 25x2 внутренним диаметром кожуха D=600 мм, числом труб n=206, длиной труб l=2м, с расстоянием между перегородками в межтрубном пространстве h=300мм, проходным сечением одного хода Sт=1. 8. 10-2м и числом рядов труб nр=14.

2.4.5 Холодильник кубового остатка.

Исходные данные: кг/с, tw=56 ъC, tвкон=25 ъC, tвнач=15 ъC, t1кон=25 ъC.

Определим среднюю температуру:

Дt1=tw-tвкон=71−25=46 ъC

Дt2=t1кон-tвнач=25−15=10 ъC

дt1=tw-t1кон=71−25=46 ъC

дt2=tвкон-tвнач=25−15=10ъC

ъC

ъC

так как дt1> дt2, то

ъC

Определим теплофизические свойства воды при tсрв=20 ъC:

· с=4190Дж/кгК

· м=1. 005 мПа. с

t1ср=tвср+ Дtср=20+19. 24=39. 24 ъC

Определим теплоемкость дистиллята при t1ср:

Вт

кг/с

Пусть Кор=300Вт/(м2. К), тогда

м2

м

м

0. 003<Sтр<0. 006

Определим вязкость смеси при t1ср=39. 24 ъC

мПа. с

мПа. с

мПа. с

м

м

0. 0073< Sмтр<0. 022

Исходя из сделанных расчетов можем выбрать стандартный двухходовой холодильник 20x2 c внутренним диаметром кожуха D=400 мм, числом труб n=166, длиной труб l=3м, с расстоянием между перегородками в межтрубном пространстве h=250мм, проходным сечением одного хода Sт=1. 7. 10-2м и числом рядов труб nр=14.

2.5 Подробный расчет дефлегматора

В данном разделе подробно рассчитаем один из теплообменников — дефлегматор, выбранный в ориентировочном расчете.

Дефлегматор-аппарат, предназначенный для конденсации паров и подачи флегмы в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве, которого обычно конденсируется пары, а в трубах движется охлаждающий агент — вода.

В качестве хладагента используем воду среднего качества со средним значением тепловой проводимости загрязнений стенок, а тепловая проводимость загрязнений стенок органическими парами.

Толщину слоя загрязнения примем равной 2 мм. В качестве материала труб выберем нержавеющую сталь с коэффициентом теплопроводности.

Тогда термическое сопротивление загрязнений труб

Расчет коэффициентов теплоотдачи.

Исходные данные:, tD=56 ъC, t2ср=29. 32 ъC,, дефлегматор с внутренним диаметром кожуха D=1000 мм, числом труб n=1072, длиной труб l=4м, проходным сечением одного хода Sт=5. 1. 10-2м и числом рядов труб nр=34, в среднем по 31−32 трубе в ряду.

1. Задаемся температурой стенки ъC

Тогда

Дt=tD-tст1=56−45=11 ъC

tпл=(tкон+tст1)/2=(56+45)/2=50.5 ъC

Далее необходимо определить поверхностные плотности теплового потока и сопоставить их, если разница между ними будет меньше 5%, то можно считать, что процесс установившийся и температура стенки подобранна правильно.

,

где — коэффициенты теплоотдачи от стенки 1 и 2;

,

где =0,55- множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали;

теплопроводность смеси, Вт/(м. К);

-плотность смеси, кг/м3;

теплота конденсации, Дж/кг;

— скорость свободного падения, м/с;

-вязкость смеси, мПа. с;

— наружный диаметр труб, м.

Коэффициент может быть существенным для вязких конденсатов, а для воды в первом приближении его не учитывают.

Определим теплопроводность, плотность, вязкость при определяющей температуре t=50.5 ъC и теплоту конденсации при температуре конденсации:

кДж/кг

где — теплоты испарения ацетона и четыреххлористого углерода,.

,

где исходные данные: A1 =72. 18; t 1кр=235. 1; A2=25. 64; t2кр=283. 4

;

.

мПа. с

мПа. с

кг/м3

кг/м3

кг/м3

Вт/мК

Вт/мК

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Примем что

Определим температуру второй стенки по формуле:

Определим коэффициент теплопроводности для воды при t=29. 32 ъC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим коэффициент теплопроводности для воды при t=34. 23 ъC:

Определим вязкость жидкости для воды при t=29. 32 ъC с помощью интерполяции справочных данных:

Па

Аналогично определим вязкость воды при t=34. 23 ъC:

Па

Определим теплоемкость воды t=29. 32 ъC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим теплоемкость воды при t=34. 23 ъC:

Определим критерий Рейнольдса по формуле:

,

где — вязкость смеси, Па. с;

G- расход воды, кг/с;

z- число ходов, z=4;

d- внутренний диаметр труб, м;

Nтр— количество труб.

Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах tср=29. 32ъС, tст=34. 23ъС:

,

где с- теплоемкость воды, Дж/кгК;

теплопроводность воды, Вт/(м. К);

-вязкость воды, мПа. с.

Определим критерий Нуссельта по формуле:

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

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Сопоставим q1 и q2, т разность выразим в процентах:

Выбранная температура стенки наугад не подходит.

2. Выбираем новую температуру стенки tст1=44ъС и проводим расчеты аналогично расчетам при температуре стенки ъC

Тогда

Дt=tD-tст1=56−44=12 ъC

tпл=(tкон+tст1)/2=(56+44)/2=50 ъC

Необходимо определить поверхностные плотности теплового потока и сопоставить их, если разница между ними будет меньше 5%, то можно считать, что процесс установившийся и температура стенки подобранна правильно.

,

где — коэффициенты теплоотдачи от стенки 1 и 2;

,

где =0,55- множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали;

теплопроводность смеси, Вт/(м. К);

-плотность смеси, кг/м3;

теплота конденсации, Дж/кг;

— скорость свободного падения, м/с;

-вязкость смеси, мПа. с;

— наружный диаметр труб, м.

Коэффициент может быть существенным для вязких конденсатов, а для воды его не учитывают.

Определим теплопроводность, плотность, вязкость при определяющей температуре t=50 ъC и теплоту конденсации при температуре конденсации:

кДж/кг

где — теплоты испарения ацетона и четыреххлористого углерода,.

,

где исходные данные: A1 =72. 18; t 1кр=235. 1; A2=25. 64; t2кр=283. 4

;

.

мПа. с

мПа. с

кг/м3

кг/м3

кг/м3

Вт/мК

Вт/мК

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Примем, что

Определим температуру второй стенки по формуле:

Определим коэффициент теплопроводности для воды при t=29. 32 ъC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим коэффициент теплопроводности для воды при t=32.5 ъC:

Определим вязкость жидкости для воды при t=29. 32 ъC с помощью интерполяции справочных данных:

Па

Аналогично определим вязкость воды при t=32.5 ъC:

Па

Определим теплоемкость воды t=29. 32 ъC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим теплоемкость воды при t=32.5 ъC:

Определим критерий Рейнольдса по формуле:

,

где — вязкость смеси, Па. с;

G- расход воды, кг/с;

z- число ходов, z=4;

d- внутренний диаметр труб, м;

Nтр— количество труб.

Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах tср=29. 32ъС, tст=32. 5ъС:

,

где с- теплоемкость воды, Дж/кгК;

теплопроводность воды, Вт/(м. К);

-вязкость воды, мПа. с.

Определим критерий Нуссельта по формуле:

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

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Сопоставим q1 и q2, т разность выразим в процентах:

Выбранная температура стенки наугад не подходит.

3. Используя графический метод, определяем температуру стенки в третьем приближение-

ъC (графическое решение приведено в приложение 5).

Проводим расчеты аналогичные расчетам, выполненным в пункте 2.

Дt=tD-tст1=56−44. 8=11.2 ъC

tпл=(tкон+tст1)/2=(56+44. 8)/2=50.4 ъC

Необходимо определить поверхностные плотности теплового потока и сопоставить их, если разница между ними будет меньше 5%, то можно считать, что процесс установившийся и температура стенки подобранна правильно.

,

где — коэффициенты теплоотдачи от стенки 1 и 2;

,

где =0,55- множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали;

теплопроводность смеси, Вт/(м. К);

-плотность смеси, кг/м3;

теплота конденсации, Дж/кг;

— скорость свободного падения, м/с;

-вязкость смеси, мПа. с;

— наружный диаметр труб, м.

Коэффициент может быть существенным для вязких конденсатов, а для воды его не учитывают.

Определим теплопроводность, плотность, вязкость при определяющей температуре t=50 ъC и теплоту конденсации при температуре конденсации:

кДж/кг

где — теплоты испарения ацетона и четыреххлористого углерода,.

,

где исходные данные: A1 =72. 18; t 1кр=235. 1; A2=25. 64; t2кр=283. 4

;

.

мПа. с

мПа. с

кг/м3

кг/м3

кг/м3

Вт/мК

Вт/мК

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Примем что

Определим температуру второй стенки по формуле:

Определим коэффициент теплопроводности для воды при t=29. 32 ъC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим коэффициент теплопроводности для воды при t=33. 89 ъC:

Определим вязкость жидкости для воды при t=29. 32 ъC с помощью интерполяции справочных данных:

Па

Аналогично определим вязкость воды при t=33. 89 ъC:

Па

Определим теплоемкость воды t=29. 32 ъC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим теплоемкость воды при t=33. 89 ъC:

Определим критерий Рейнольдса по формуле:

,

где — вязкость смеси, Па. с;

G- расход воды, кг/с;

z- число ходов, z=4;

d- внутренний диаметр труб, м;

Nтр— количество труб.

Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах tср=29. 32ъС, tст=32. 5ъС:

,

где с- теплоемкость воды, Дж/кгК;

теплопроводность воды, Вт/(м. К);

-вязкость воды, мПа. с.

Определим критерий Нуссельта по формуле:

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

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Сопоставим q1 и q2, т разность выразим в процентах:

Температура стенки подобрана верно.

Определим коэффициент теплоотдачи по формуле:

Зная коэффициент теплоотдачи, определим поверхность теплообмена по формуле:

Таким образом, рассчитанное значение коэффициента теплоотдачи больше выбранного нами коэффициента теплоотдачи в ориентировочном расчете дефлегматора, а поверхность теплообмена меньше, чем ориентировочная поверхность теплообмена дефлегматора. Значение поверхности теплообмена стандартного дефлегматора F=269 м2, следовательно дефлегматор выбран с запасом поверхности теплообмена 13%.

Вывод

В данной курсовой работе мы произвели расчет ректификационной колонны для разделения смеси: ацетон-четыреххлористого углерода при атмосферном давлении. В качестве ректификационной колонны используется аппарат насадочного типа с кольцами Рашига 50 мм, обеспечивающий перекрестное движение пара и жидкости, высотой H=6. 43 м и диаметром D=2м.

Был произведен ориентировочный расчет пяти теплообменников: дефлегматора, подогревателя, куба испарителя и двух холодильников (дистиллята и кубового остатка); в результате чего были выбраны:

— стандартные куб испаритель с трубами 25x2 мм, исполнения 2 по ГОСТ 15 119–79 с внутренним диаметром кожуха D=1м, числом труб n=747, длиной труб l=3м и поверхностью теплообмена F=176 м2;

— четырехходовой подогреватель по ГОСТ 15 121–79 с внутренним диаметром кожуха D=0. 6 м, числом труб n=334, числом рядов труб np=18, длиной труб l=3м, с проходным сечением одного хода Sт=0. 016 м2, поверхностью теплообмена F=63 м2;

— двухходовой холодильник кубового остатка с трубами 20x2 мм по ГОСТ 15 122–79 с внутренним диаметром кожуха D=0. 4 м, с числом труб n=166, длиной труб l=3м, числом рядов труб np=14, с расстоянием между перегородками в межтрубном пространстве h=0. 25 м, поверхностью теплообмена F=31м2;

— четырехходовой холодильник дистиллята с трубами 25x2 мм по ГОСТ 15 122–79 с внутренним диаметром кожуха D=0. 6 м, с числом труб n=206, длиной труб l=2м, числом рядов труб np=14, с расстоянием между перегородками в межтрубном пространстве h=0. 3 м, поверхностью теплообмена F=32м2;

— четырехходовой дефлегматор с трубами 20x2 мм по ГОСТ 15 121–79 с внутренним диаметром кожуха D=1м, числом труб n=1072, длиной труб l=4м, поверхностью теплообмена F=269м2, с числом рядов np=34 и проходным сечением одного хода Sтр=0. 051 м;

— шестиходовой дефлегматор с трубами 25x2 мм по ГОСТ 15 121–79 с внутренним диаметром кожуха D=1. 2 м2, числом труб n=958, длиной труб l=4м, поверхностью теплообмена F=301м2, с числом рядов np=32 и проходным сечением одного хода Sтр=0. 052 м.

Подробно рассчитаны два дефлегматора: четырехходовой — вручную, шестиходовой — с помощью ЭВМ (приложение 6).

Выбор дефлегматора зависит от конкретных критериев. В случае необходимости получения более высокой скорости протекания процесса необходимо использовать шестиходовой дефлегматор, так как скорость возрастает в число раз равное числу ходов, а в случае, когда в качестве основного критерия применяется минимизация затрат — четырехходовой.

Для изготовления аппарата выбрана нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т по ГОСТ 5949–75 с коэффициентом теплопроводности.

Список использованной литературы

1. Основные процессы и аппараты химической технологии /Пособие по проектированию/, Г. С. Борисов, В. П. Брыков, Ю. И. Дытнерский и др. Под. ред. Ю. И. Дытнерского, 2-ое изд. перераб. и дополнен. М: Химия, 1991 — 496 с.

2. Справочник химика том V, под ред П. Г. Романкова, 2-ое изд. перераб. и дополнен. Л Химия, 1968−975с.

3. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии /Учебное пособие/, К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков, 9-ое изд. перераб. и дополнен. Л. Химия, 1987−575с.

4. Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные /Метод указания/. ЛТИ им. Ленсовета — Л.: 1989, 40 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой