Расчет кипятильника ректификационной установки

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

• 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

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/м^3,

где с — плотность паров при атмосферном давлении, М — молярная масса хлороформа, Т_к — 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;

r_{n -} плотность паров над кипящей жидкостью, кг/м³;

r_n⁰ - плотность паров при атмосферном давлении, кг/м³

— поверхностное натяжение кипящей жидкости, н/м;

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

c_{2 -} 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 б_2, 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 принимаем значение коэффициента теплопередачи К_ор=1400 Вт/ (м²*К). 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, d_H = 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; l_ст. = 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, d_H = 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;

d_H = 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 d_u определяем из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

где t_ст2 — температура изоляции окружающей среды (t_ст2 = 35⁰C);

t_ст1 — температура изоляции со стороны аппарата (t_ст1 = t_гп= 99,1⁰С);

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

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

a_в=9.3+0.058Чt_ст2=9.3+0.058Ч35=11,33Вт/ (м²*К)

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.

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