Курсовая работа: Полный расчет ректификационной колонны

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 25ْС.

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,ْС.

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 (G_W и G_D ), 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 M_F -молекулярная масса:

кг/кмоль

кг/кмоль,

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

x_F , x_D _, x_W - 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

кмоль/с

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

где R_min – 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):

ْْC, ْC,

ْْْC, ْC.

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 /с

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

кг/кмоль

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

кг/с;

Определим плотности пара в верхней и нижней части колонны по формуле:

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

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

Па^. с

Определим плотности жидкости по формуле:

где плотности ацетона, четыреххлористого углерода соответственно.

а) для нижней части колонны:

кг/м³

б) для верхней части колонны:

кг/м³

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

где вязкости ацетона, четыреххлористого углерода соответственно.

мПа^. с мПа^. 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

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

кмоль/с

кг/кмоль

кг/с

2.1.4 Расчет теплового баланса установки

Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением:

где Q_K – тепловая нагрузка куба; Q_D –количество теплоты, передаваемой от пара к воде; Q_пот – 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; t_2кр =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 =0.00037 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 ; V_св – свободный объём насадки, м³ /м³ ; μ_ж – 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 25мм и уточняем рабочую скорость по формуле:

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

где U – плотность орошения, м³ /(м^2. 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 50мм и уточняем рабочую скорость по формуле:

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

где U – плотность орошения, м³ /(м^2. 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 /(м^2. 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 Re_п >40, то

Определяем гидравлическое сопротивление для верхней и нижней части колонны:

где H=1 м – высота слоя.

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 ; M_A ,M_B - мольные массы газов A и B;

v_A ,v_B - мольный объемы газов А и В, определяемые, как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав газа.

Пусть А – ацетон (М_А =58 кг/кмоль);

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

см³ /атом

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 x_н , x_в определяем углы α и β соответственно (приложение 2).

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

y_w =x_w =0.06

y_D =x_D =0.8

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):

n₀ _y _н =3.029

n₀ _y _в =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:

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

Тогда высота единиц переноса равна:

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: Q_k =3924.32кВт, t_w =71^ْ C

Δt=t_гп -t_w

Пусть Δt=30^ْ C, тогда:

t_гп = Δt+ t_w =101^ْ C,

при t_гп = 101^ْ C,

p_гп =1.0728кгс/см² , r_гп =2257.6 кДж/кг

пусть коэффициент теплопередачи К_ор =800Вт/(м^2. 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, x_F =0.48, t_F =58.4^ْ C, t_нач =20^ْ C, .

Определим среднюю температуру:

Δt_м =t_гп -t_F =101-58.4=42.6^ْ C

Δt_б =t_гп -t_нач =101-20=81^ْ C

^ْ C

t_ср =t_гп - Δt_ср =41.23^ْ C

Определим вязкость смеси:

мПа^. с

Определим теплоемкость смеси:

Определим количество теплоты в подогревателе:

Вт

Пусть К_ор =300Вт/(м^2. К), тогда

м²

0.01161<S_тр <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 S_т =1.6^. 10^-2 м и числом рядов труб n_р =18.

Определим расход греющего пара по формуле:

кмоль/с

2.4.3 Дефлегматор

Исходные данные: Q_D =3703,486 кВт, t_D =56^ْ C, t_внач =15^ْ C, t_вкон =40^ْ C

Определим среднюю температуру:

Δt_м =t_D -t_вкон =16^ْ C

Δt_б =t_D -t_внач =41^ْ C

^ْ C

t_ср =t_D - Δt_ср =29.32^ْ C

Определим теплофизические свойства воды при t_ср =29.32^ْ C:

· λ =0.6167Вт/(м^. К)

· μ=0.8125 мПа^. с

· ρ=996.14кг/м³

· β=3.12^. 10^-4 1/К

· с=4189Дж/кгК

Пусть К_ор =500Вт/(м^2. К), тогда

м²

кг/с

0.03<S_тр <0.07

Исходя из сделанных расчетов выбираем: стандартный четырехходовой дефлегматор 20^x 2 с внутренним диаметром кожуха D=1000 мм, числом труб n=1072, длиной труб l=4м, проходным сечением одного хода S_т =5.1^. 10^-2 м, числом рядов труб n_р =34 и стандартный шестиходовой дефлегматор 25^x 2 с внутренним диаметром кожуха D=1200 мм, числом труб n=958, длиной труб l=4м, проходным сечением одного хода S_т =5.2^. 10^-2 м, числом рядов труб n_р =32.

2.4.4 Холодильник дистиллята

Исходные данные: кг/с, t_D =56^ْ C, t_вкон =25^ْ C, t_внач =15^ْ C, t_1кон =25^ْ C.

Определим среднюю температуру:

Δt₁ =t_D -t_вкон =31^ْ C

Δt₂ =t_1кон -t_внач =10^ْ C

δt₁ =t_D -t_1кон =31^ْ C

δt₂ =t_вкон -t_внач =10^ْ C

^ْ C

так как δt₁ >δt₂ , то

^ْ C

Определим теплофизические свойства воды при t_срв =20^ْ C:

· с=4190Дж/кгК

· μ=1.005 мПа^. с

t_1ср =t_вср+ Δt_ср =20+15.03=35.03^ْ C

Определим теплоемкость дистиллята при t_1ср :

Вт

кг/с

Пусть К_ор =300Вт/(м^2. К), тогда

м²

0.0034<S_тр <0.0068

Определим вязкость смеси при t_1ср =35.03^ْ C

мПа^. с

0.013<S_мтр <0.039

Исходя из сделанных расчетов можем выбрать стандартный четырехходовой холодильник c 25^x 2 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 S_т =1.8^. 10^-2 м и числом рядов труб n_р =14.

2.4.5 Холодильник кубового остатка.

Исходные данные: кг/с, t_w =56^ْ C, t_вкон =25^ْ C, t_внач =15^ْ C, t_1кон =25^ْ C.

Определим среднюю температуру:

Δt₁ =t_w -t_вкон =71-25=46^ْ C

Δt₂ =t_1кон -t_внач =25-15=10^ْ C

δt₁ =t_w -t_1кон =71-25=46^ْ C

δt₂ =t_вкон -t_внач =25-15=10^ْ C

^ْ C

так как δt₁ >δt₂ , то

^ْ C

Определим теплофизические свойства воды при t_срв =20^ْ C:

· с=4190Дж/кгК

· μ=1.005 мПа^. с

t_1ср =t_вср+ Δt_ср =20+19.24=39.24^ْ C

Определим теплоемкость дистиллята при t_1ср :

Вт

кг/с

Пусть К_ор =300Вт/(м^2. К), тогда

м²

0.003<S_тр <0.006

Определим вязкость смеси при t_1ср =39.24^ْ C

мПа^. с

0.0073< S_мтр <0.022

Исходя из сделанных расчетов можем выбрать стандартный двухходовой холодильник 20^x 2 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 S_т =1.7^. 10^-2 м и числом рядов труб n_р =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 2мм. В качестве материала труб выберем нержавеющую сталь с коэффициентом теплопроводности .

Тогда термическое сопротивление загрязнений труб

Расчет коэффициентов теплоотдачи.

Исходные данные: , t_D =56^ْ C, t_2ср =29.32^ْ C, , дефлегматор с внутренним диаметром кожуха D=1000 мм, числом труб n=1072, длиной труб l=4м, проходным сечением одного хода S_т =5.1^. 10^-2 м и числом рядов труб n_р =34, в среднем по 31-32 трубе в ряду.

1. Задаемся температурой стенки ^ْ C

Тогда

Δt=t_D -t_ст1 =56-45=11^ْ C

t_пл =(t_кон +t_ст1 )/2=(56+45)/2=50.5 ^ْ C

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 ^ْ C 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; t_2кр =283.4

;

мПа^. с

кг/м³

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^ْ C с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим коэффициент теплопроводности для воды при t=34.23^ْ C:

Определим вязкость жидкости для воды при t=29.32^ْ C с помощью интерполяции справочных данных:

Па

Аналогично определим вязкость воды при t=34.23^ْ C:

Па

Определим теплоемкость воды t=29.32^ْ C с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим теплоемкость воды при t=34.23^ْ C:

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;

N_тр - количество труб.

Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах t_ср =29.32ْС, t_ст =34.23ْС:

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 t_ст1 =44ْС и проводим расчеты аналогично расчетам при температуре стенки ^ْ C

Тогда

Δt=t_D -t_ст1 =56-44=12^ْ C

t_пл =(t_кон +t_ст1 )/2=(56+44)/2=50 ^ْ C

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 ^ْ C 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; t_2кр =283.4

;

мПа^. с

кг/м³

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^ْ C с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим коэффициент теплопроводности для воды при t=32.5^ْ C:

Определим вязкость жидкости для воды при t=29.32^ْ C с помощью интерполяции справочных данных:

Па

Аналогично определим вязкость воды при t=32.5^ْ C:

Па

Определим теплоемкость воды t=29.32^ْ C с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим теплоемкость воды при t=32.5^ْ C:

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;

N_тр - количество труб.

Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах t_ср =29.32ْС, t_ст =32.5ْС:

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-

^ْ C (графическое решение приведено в приложение 5).

Проводим расчеты аналогичные расчетам, выполненным в пункте 2.

Δt=t_D -t_ст1 =56-44.8=11.2^ْ C

t_пл =(t_кон +t_ст1 )/2=(56+44.8)/2=50.4 ^ْ C

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.

кДж/кг

где - теплоты испарения ацетона и четыреххлористого углерода,.

где исходные данные: A₁ =72.18; t_1кр =235.1; A₂ =25.64; t_2кр =283.4

;

мПа^. с

кг/м³

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^ْ C с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим коэффициент теплопроводности для воды при t=33.89^ْ C:

Определим вязкость жидкости для воды при t=29.32^ْ C с помощью интерполяции справочных данных:

Па

Аналогично определим вязкость воды при t=33.89^ْ C:

Па

Определим теплоемкость воды t=29.32^ْ C с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим теплоемкость воды при t=33.89^ْ C:

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;

N_тр - количество труб.

Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах t_ср =29.32ْС, t_ст =32.5ْС:

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 50мм, 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 25^x 2мм, исполнения 2 по ГОСТ 15119-79 с внутренним диаметром кожуха D=1м, числом труб n=747, длиной труб l=3м и поверхностью теплообмена F=176 м² ;

- четырехходовой подогреватель по ГОСТ 15121-79 с внутренним диаметром кожуха D=0.6м, числом труб n=334, числом рядов труб n_p =18, длиной труб l=3м, с проходным сечением одного хода S_т =0.016м² , поверхностью теплообмена F=63 м² ;

- двухходовой холодильник кубового остатка с трубами 20^x 2мм по ГОСТ 15122-79 с внутренним диаметром кожуха D=0.4м, с числом труб n=166, длиной труб l=3м, числом рядов труб n_p =14, с расстоянием между перегородками в межтрубном пространстве h=0.25м, поверхностью теплообмена F=31м² ;

- четырехходовой холодильник дистиллята с трубами 25^x 2мм по ГОСТ 15122-79 с внутренним диаметром кожуха D=0.6м, с числом труб n=206, длиной труб l=2м, числом рядов труб n_p =14, с расстоянием между перегородками в межтрубном пространстве h=0.3м, поверхностью теплообмена F=32м² ;

- четырехходовой дефлегматор с трубами 20^x 2мм по ГОСТ 15121-79 с внутренним диаметром кожуха D=1м, числом труб n=1072, длиной труб l=4м, поверхностью теплообмена F=269м² , с числом рядов n_p =34 и проходным сечением одного хода S_тр =0.051м;

- шестиходовой дефлегматор с трубами 25^x 2мм по ГОСТ 15121-79 с внутренним диаметром кожуха D=1.2м² , числом труб n=958, длиной труб l=4м, поверхностью теплообмена F=301м² , с числом рядов n_p =32 и проходным сечением одного хода S_тр =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 .

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.