Расчет кипятильника ректификационной установки

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный технический институт им. Р.Е. Алексеева»

Дзержинский политехнический институт (филиал)

Кафедра «Процессы и аппараты химических и пищевых производств»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

«ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ПРОИЗВОДСТВА»

Расчет кипятильника ректификационной установки

Выполнил Раскина А. Д.

Проверил Сажина Е. Н.

ДЗЕРЖИНСК 2013

Содержание

  • Введение
  • 1. Описание технологической схемы
  • 2. Описание конструкции аппарата
  • 3. Технологический расчет
  • 3.1 Цель расчета
  • 3.2 Выбор конструкции аппарата
  • 3.2.1 Исходные данные для расчета
  • 3.2.2 Предварительный расчет
  • 3.2.3 Выбор оптимального испарителя
  • 3.2.4 Расчет тепловой изоляции испарителя
  • Заключение
  • Литература
  • Приложение 1

Введение

Ректификация — массообменный процесс разделения однородной смеси летучих компонентов, осуществляемый путем противоточного взаимодействия паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров.

Разделение жидкости смеси основано на различной летучести веществ. При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят — смесь, обогащенную низкокипящим компонентом, и кубовый остаток — смесь, обогащенную высококипящим компонентом.

Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат жидкие высококипящие смеси. Повышенное давление применяют для разделения смесей находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Атмосферное давление применяют при разделении смесей, имеющих температуру кипения от 30 до 150 °C.

Степень разделения смеси жидкости на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны.

Целью курсовой работы является рассчитать и подобрать кипятильник ректификационной установки, рассчитать тепловую изоляцию кипятильника.

1. Описание технологической схемы

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 легколетучими 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), 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 промежуточную 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.

Схеме представлена в Приложении 1.

2. Описание конструкции аппарата

Данный аппарат является кожухотрубчатым испарителем в соответствие с ГОСТ 15 119–79. В кожухотрубчатых испарителях в трубном пространстве кипит жидкость, а в межтрубном пространстве может быть жидкий, газообразный, парообразный, парогазовый или парожидкостной теплоноситель.

Изображение конструкции приведено в Приложении 2.

3. Технологический расчет

3.1 Цель расчета

Рассчитать и подобрать нормализованную конструкцию кипятильника куба колонны.

Рассчитать тепловую изоляцию для кипятильника К

Подобрать ориентировочно холодильник кубового остатка X.

3.2 Выбор конструкции аппарата

3.2.1 Исходные данные для расчета

Для высоко кипящего компонента:

t2 = 61,2°С — температура кипения хлороформа [2, табл. XLIV];

r2= 1530 кг/м3 — плотность [2, табл. IV];

m2 = 0,39 Па*с — динамический коэффициент вязкости [2, табл. IX];

s 2= 0,0217 Н/м — поверхностное натяжение [2, табл. XXIV];

c2 = 2450 Дж/ (кг*К) — удельная теплоемкость [2, рис. XI];

r2 = 247 600 Дж/кг — удельная теплота парообразования [2, табл. XLV].

кг/м3,

где с — плотность паров при атмосферном давлении, М — молярная масса хлороформа, Тк — температура кипения хлороформа.

кг/м3.

Для греющего пара:

В качестве теплоносителя используется насыщенный водяной пар давлением 0. 1 МПа.

r1 = 2 264 000 Дж/кг — уд. массовая теплота конденсации [2, табл. LVII];

t1 = 99,1 °С — температура конденсации [2, табл. LVII];

r1 = 958 кг/м3 - плотность конденсата [2, табл. ХХХIХ];

m1 = 0,282Па*с — динамическая вязкость конденсата [2, табл. XXIX];

l1= 0,0919Вт / (м*К) — коэффициент теплопроводности [2, табл. XXXIX]

3.2.2 Предварительный расчет

Для определения коэффициента теплоотдачи от пара, конденсирующегося на наружной поверхности труб высотой Н, используем формулу:

,

где

-теплопроводность насыщенного водяного пара, Вт/ (мК);

r1 - плотность конденсата, кг/м3;

— ускорение свободного падения, м/с2;

r1 - удельная массовая теплота конденсации, Дж/кг;

m1 - динамическая вязкость конденсата, Па*с;

H - высота труб аппарата, м;

— удельная тепловая нагрузка, Вт/м2.

Коэффициент теплоотдачи к кипящей в трубах жидкости определяем по формуле:

где — теплопроводность заданной жидкости, Вт/ (мК);

r2 - плотность заданной жидкости, кг/м3;

rn - плотность паров над кипящей жидкостью, кг/м3;

rn0 - плотность паров при атмосферном давлении, кг/м3

— поверхностное натяжение кипящей жидкости, н/м;

r2 - удельная массовая теплота конденсации кипящей жидкости, Дж/кг;

c2 - удельная теплоёмкость кипящей жидкости, Дж/ (кг*К);

m1 - динамическая вязкость кипящей жидкости, Па*с.

Из основного уравнения теплопередачи и уравнения аддитивности термических сопротивлений следует, что:

Подставляя сюда б1 и б2, получаем уравнение относительно неизвестного удельного теплового остатка:

где

— средняя разность температур, єС.

Решив это уравнение относительно q, находим требуемую поверхность:

Определяем тепловую нагрузку аппарата:

Средняя разность температур:

Величина поверхности теплообмена по общему уравнению теплопередачи:

В соответствие с таблицей II.1 [1] принимаем значение коэффициента теплопередачи Кор=1400 Вт/ (м2). Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит:

В соответствии с таблицей II.6 [1], поверхность близкую к ориентировочной, могут иметь испарители высотой труб H= 3, 0 м и диаметром кожуха D = 0, 6 м, и Н=4,0 м, D=0,6 м.

Рассмотрим теплообменник с высотой труб Н = 3, 0 м, диаметром кожуха D = 0, 6 м, поверхностью теплопередачи F = 70 м2, dH = 25×2мм.

В качестве первого приближения примем ориентировочное значение удельной тепловой нагрузки:

кипятильник ректификационная установка изоляция

.

Для определения f (q1) необходимо посчитать коэффициенты А и В:

Толщина труб 2,0 мм, материал — нержавеющая сталь; lст. = 17,5 Вт/ (м*К).

,

Тогда:

.

Примем второе значение q2=65 000 Вт/м2:

Третье, уточнённое, значение q3 определим в точке пересечения с осью абсцисс хорды, проведённой из точки 1 (; - 4,45) в точку 2 (65 000; +0,938) сечения осью абсцисс хорды, проведённой из точки 1 для зависимости f (q) от q:

.

Такую точность определения корня уравнения можно считать достаточной, и q=63 068,43 Вт/м2 можно считать истинной удельной тепловой нагрузкой. Тогда требуемая поверхность составит:

м2

В выбранном теплообменнике запас поверхности:

.

Масса аппарата M1 = 1980 кг.

Рассмотрим теплообменник с высотой труб Н = 4,0 м, диаметром кожуха D = 0,6 м, поверхностью теплопередачи F = 75 м2, dH = 25×2мм.

Уточним для этого варианта значение коэффициента А:

Пусть:

.

Тогда:

.

Пусть q2=59 000 Вт/м 2.

Тогда:

Третье, уточнённое, значение q3 определим в точке пересечения с осью абсцисс хорды, проведённой из точки 1 (50 311,11; - 4,40) в точку 2 (59 000; 0,27) сечения осью абсцисс хорды, проведённой из точки 1 для зависимости f (q) от q:

.

Получим:

Такую точность определения корня уравнения можно считать достаточной и q=58 497,64 Вт/м2 можно считать истинной удельной тепловой нагрузкой.

Тогда требуемая поверхность составит:

В выбранном теплообменнике запас поверхности:

Масса данного аппарата М2 = 2410 кг.

3.2.3 Выбор оптимального испарителя

Выбранный испаритель является кожухотрубчатым по ГОСТ 15 149–79 с размерами:

D = 600 мм — диаметр кожуха;

dH = 20X2 мм — диаметр труб;

H = 3 м — длина труб;

z = 1 — количество ходов;

п = 240 — количество труб;

F = 70 м2 — поверхность теплообмена.

3.2.4 Расчет тепловой изоляции испарителя

Толщину тепловой изоляции du определяем из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

где tст2 — температура изоляции окружающей среды (tст2 = 350C);

tст1 — температура изоляции со стороны аппарата (tст1 = tгп= 99,10С);

tв — температура окружающей среды (воздуха) (tв = 200С);

лu — коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/ (м*К).

aв=9. 3+0. 058Чtст2=9. 3+0. 058Ч35=11,33Вт/ (м2)

Выберем в качестве материала для тепловой изоляции асбест: ?u = 0,151 Вт/ (м*К).

Тогда толщина тепловой изоляции:

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,056 м.

Заключение

В данной работе подобрана нормализованная конструкция кипятильника куба колонны, рассчитана поверхность теплообмена кипятильника, была подобрана тепловая изоляция кипятильника, составлена схема ректификационной установки.

Литература

1. «Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию», Дытнерский Ю. И., М.: Химия, 1983.

2. «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов», П. Г. Романков. Л.: Химия, 1987.

3. «Основные процессы и аппараты химической технологии», Касаткин А. Г.: Химия, 1971.

Приложение 1

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой