Полный расчет ректификационной колонны
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… Читать ещё >
Полный расчет ректификационной колонны (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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.
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 теплои 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 ацетончетыреххлористый 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 | |
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 Kабсолютная температура.
м3/с
м3/с 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, м2/м3; Vсв — свободный объём насадки, м3/м3; 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, м2 /м3;
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 bкоэффициент, 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; pдавления 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);
Вчетыреххлористый 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;
vмольный объем диффундирующего вещества;
Tтемпература, К;
— динамический коэффициент вязкости растворителя, мПа.с;
— параметр, учитывающий ассоциацию молекул растворителя (А=В=1).
Пусть, А растворяется в В (Врастворитель):
м2/с;
м2/с.
Пусть В растворяется в, А (Арастворитель):
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 161тр<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
0.03тр<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
t1ср=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
0.0034тр<0.0068
Определим вязкость смеси при t1ср=35.03 ъC
мПа.с
мПа.с
мПа.с м
м
0.013мтр<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
0.003тр<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;
Gрасход воды, кг/с;
zчисло ходов, z=4;
dвнутренний диаметр труб, м;
Nтр— количество труб.
Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах tср=29.32ъС, tст=34.23ъС:
где степлоемкость 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;
Gрасход воды, кг/с;
zчисло ходов, z=4;
dвнутренний диаметр труб, м;
Nтр— количество труб.
Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах tср=29.32ъС, tст=32.5ъС:
где степлоемкость 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;
Gрасход воды, кг/с;
zчисло ходов, z=4;
dвнутренний диаметр труб, м;
Nтр— количество труб.
Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах tср=29.32ъС, tст=32.5ъС:
где степлоемкость 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=6.43м 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=0.6м, числом труб n=334, числом рядов труб np=18, длиной труб l=3м, с проходным сечением одного хода Sт=0.016м2, поверхностью теплообмена F=63 м2;
— двухходовой холодильник кубового остатка с трубами 20x2 мм по ГОСТ 15 122–79 с внутренним диаметром кожуха D=0.4м, с числом труб n=166, длиной труб l=3м, числом рядов труб np=14, с расстоянием между перегородками в межтрубном пространстве h=0.25м, поверхностью теплообмена F=31м2;
— четырехходовой холодильник дистиллята с трубами 25x2 мм по ГОСТ 15 122–79 с внутренним диаметром кожуха D=0.6м, с числом труб n=206, длиной труб l=2м, числом рядов труб np=14, с расстоянием между перегородками в межтрубном пространстве h=0.3м, 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=0.051м;
— шестиходовой дефлегматор с трубами 25x2 мм по ГОСТ 15 121–79 с внутренним диаметром кожуха D=1.2м2, числом труб n=958, длиной труб l=4м, поверхностью теплообмена F=301м2, с числом рядов np=32 и проходным сечением одного хода Sтр=0.052м.
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 .
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.