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 (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):
 ْْ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
 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; t1кр
=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
=0.00037 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
; Vсв
– свободный объём насадки, м3
/м3
; μж
– 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
/(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 50мм 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 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 α и β 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):
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:
 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
=71ْ
C
Δt=tгп
-tw
Пусть Δt=30ْ
C, тогда:
tгп
= Δt+ tw
=101ْ
C,
при tгп
= 101ْ
C,
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 ْ
C, tнач
=20 ْ
C,  .
Определим среднюю температуру:
Δtм
=tгп
-tF
=101-58.4=42.6 ْ
C
Δtб
=tгп
-tнач
=101-20=81 ْ
C
 ْ
C
tср
=tгп
- Δtср
=41.23 ْ
C
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
0.01161<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.
10-2
м 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 ْ
C, tвнач
=15 ْ
C, tвкон
=40 ْ
C
Определим среднюю температуру:
Δtм
=tD
-tвкон
=16 ْ
C
Δtб
=tD
-tвнач
=41 ْ
C
 ْ
C
tср
=tD
- Δtср
=29.32 ْ
C
Определим теплофизические свойства воды при tср
=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 Кор
=500Вт/(м2.
К), тогда
 м2
 кг/с
 м
 м
0.03<Sтр
<0.07
Исходя из сделанных расчетов выбираем: стандартный четырехходовой дефлегматор 20x
2 с внутренним диаметром кожуха D=1000 мм, числом труб n=1072, длиной труб l=4м, проходным сечением одного хода Sт
=5.1.
10-2
м, числом рядов труб nр
=34 и стандартный шестиходовой дефлегматор 25x
2 с внутренним диаметром кожуха D=1200 мм, числом труб n=958, длиной труб l=4м, проходным сечением одного хода Sт
=5.2.
10-2
м, числом рядов труб nр
=32.
2.4.4 Холодильник дистиллята
Исходные данные:  кг/с, tD
=56 ْ
C, tвкон
=25 ْ
C, tвнач
=15 ْ
C, t1кон
=25 ْ
C.
Определим среднюю температуру:
Δt1
=tD
-tвкон
=31 ْ
C
Δt2
=t1кон
-tвнач
=10 ْ
C
δt1
=tD
-t1кон
=31 ْ
C
δt2
=tвкон
-tвнач
=10ْ
C
 ْ
C
 ْ
C
так как δt1
>δt2
, то
 ْ
C
Определим теплофизические свойства воды при tсрв
=20 ْ
C:
· с=4190Дж/кгК
· μ=1.005 мПа.
с
t1ср
=tвср+
Δtср
=20+15.03=35.03 ْ
C
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 ْ
C
 мПа.
с
 мПа.
с
 мПа.
с
 м
 м
0.013<Sмтр
<0.039
Исходя из сделанных расчетов можем выбрать стандартный четырехходовой холодильник c 25x
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 Sт
=1.8.
10-2
м и числом рядов труб nр
=14.
2.4.5 Холодильник кубового остатка.
Исходные данные:  кг/с, tw
=56 ْ
C, tвкон
=25 ْ
C, tвнач
=15 ْ
C, t1кон
=25 ْ
C.
Определим среднюю температуру:
Δt1
=tw
-tвкон
=71-25=46 ْ
C
Δt2
=t1кон
-tвнач
=25-15=10 ْ
C
δt1
=tw
-t1кон
=71-25=46 ْ
C
δt2
=tвкон
-tвнач
=25-15=10ْ
C
 ْ
C
 ْ
C
так как δt1
>δt2
, то
 ْ
C
Определим теплофизические свойства воды при tсрв
=20 ْ
C:
· с=4190Дж/кгК
· μ=1.005 мПа.
с
t1ср
=tвср+
Δtср
=20+19.24=39.24 ْ
C
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 ْ
C
 мПа.
с
 мПа.
с
 мПа.
с
 м
 м
0.0073< Sмтр
<0.022
Исходя из сделанных расчетов можем выбрать стандартный двухходовой холодильник 20x
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 Sт
=1.7.
10-2
м 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 2мм. В качестве материала труб выберем нержавеющую сталь с коэффициентом теплопроводности  .
Тогда термическое сопротивление загрязнений труб
Расчет коэффициентов теплоотдачи.
Исходные данные:  , tD
=56 ْ
C, t2ср
=29.32 ْ
C,  , дефлегматор с внутренним диаметром кожуха D=1000 мм, числом труб n=1072, длиной труб l=4м, проходным сечением одного хода Sт
=5.1.
10-2
м и числом рядов труб nр
=34, в среднем по 31-32 трубе в ряду.
1. Задаемся температурой стенки  ْ
C
Тогда
Δt=tD
-tст1
=56-45=11 ْ
C
tпл
=(tкон
+tст1
)/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; t1кр
=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 ْ
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;
Nтр
- количество труб.
Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах tср
=29.32ْС, tст
=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 tст1
=44ْС и проводим расчеты аналогично расчетам при температуре стенки ْ
C
Тогда
Δt=tD
-tст1
=56-44=12 ْ
C
tпл
=(tкон
+tст1
)/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; t1кр
=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 ْ
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;
Nтр
- количество труб.
Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах tср
=29.32ْС, tст
=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=tD
-tст1
=56-44.8=11.2 ْ
C
tпл
=(tкон
+tст1
)/2=(56+44.8)/2=50.4 ْ
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; t1кр
=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 ْ
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;
Nтр
- количество труб.
Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах tср
=29.32ْС, tст
=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 25x
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 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 20x
2мм по ГОСТ 15122-79 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 25x
2мм по ГОСТ 15122-79 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 20x
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 np
=34 и проходным сечением одного хода Sтр
=0.051м;
- шестиходовой дефлегматор с трубами 25x
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 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 .
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.
|
