 |
|
МЕНЮ
|
Дипломная работа: Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метиловый - этиловый спиртРасход греющего пара в кипятильнике (давление р=4кгс/см2, влажность 5%):
Расход тепла в паровом подогревателе исходной смеси рассчитывается по формуле:
где С1 – теплоемкость исходной смеси при средней температуре, равной
где СА, СВ
– теплоемкости метилового спирта и этилового спирта при температуре
Расход греющего пара в подогревателе исходной смеси:
Общий расход пара:
Расход воды в дефлегматоре при нагревании ее на 200С:
Расход воды в холодильнике дистиллята при нагревании ее на 200С:
Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании ее на 200С:
Общий расход воды в ректификационной установке:
3.1 Расчет тепловой изоляции колонны В качестве изоляции берем асбест (λиз=0,151 Вт/м·К). Исходя из упрощенного соотношения (для плоской стенки) имеем:
где
Определяем толщину изоляции:
Проверяем температуру внутренней поверхности изоляции:
расхождение: 61,1-61,3<1 °С. 4. Расчет вспомогательного оборудования Температурные условия процесса. Кубовый остаток кипит при 770С. Согласно заданию, температура конденсации греющего пара равна 1000С (р=1,03 кгс/см2). Следовательно, средняя разность температур:
Принимаем коэффициент теплопередачи К=300 Вт/(м2 К) (с.172[5]). Тепловая нагрузка Площадь поверхности теплообмена
С запасом 15-20% принимаем по каталогу (табл.4.12 стр.215 [1]) теплообменник 4-х ходовой с F=464 м2. Характеристика теплообменника: Диаметр кожуха 1200мм; Диаметр труб 25 Длина труб 6,0м; Количество труб 986. В дефлегматоре конденсируется метиловый спирт с небольшим количеством этилового спирта. Температура конденсации паров дистиллята tD=65,5оC. Температуру воды на входе в теплообменник примем 180С, на выходе 380С. Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи: Определим среднюю температуру воды
Расход теплоты
Где r1 - удельная теплота конденсации смеси при температуре конденсации t1=65,5, r1=1087 кДж/кг.
где:
Расход воды
Где с2=4190 Дж/(кг К) – удельная теплоемкость воды при средней температуре t2=280 С Объемный расход воды
Где ρ2= 995 кг/м3- плотность воды при t2=280 С, G2 =17,5 кг/с - расход воды. Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося пара органических жидкостей к воде. Кmin=300 Вт/(м2·К) (таблица 4.8 [1]). При этом
Для обеспечения турбулентного течения воды при Re>10000 скорость в трубах должна быть больше w1
Где μ2 – динамический коэффициент вязкости воды при средней температуре t2=280 С, μ2=0,818*10-3 Па с; d2- внутренний диаметр труб, d2=0,021 м; ρ2= 995 кг/м3- плотность воды при t2=280 С. Число труб 25х2 мм, обеспечивающих объемный расход воды при Re=10000
Условию n<30 и F<130 м2 удовлетворяет теплообменник шестиходовой диаметром 800 мм с числом труб на один ход трубного пространства n=384/6=64. Уточняем значение критерия Рейнольдса Re
Критерий Прандтля для воды при средней температуре t1=28 ºС равен
где λ1=0,605– коэффициент теплопроводности воды при t1=28 ºС (рисунок Х [1]); с1=4190 Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость воды при t1=28 ºС (рисунок XI [1]); μ1=0,818·10-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости воды при t1=28 ºС (таблица VI [1]). Рассчитаем критерий Нуссельта для воды
где ε1=1. Отношение (Pr1/Prст1)0,25 примем равным 1,1 (с последующей проверкой). Таким образом, коэффициент теплоотдачи для воды равен
Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара смеси метанола и этанола на пучке горизонтальных труб
где
Примем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны греющего пара 1/rзагр.2=5800 Вт/(м2·К), со стороны смеси 1/rзагр.1=5800 Вт/(м2·К) (таблица ХХХI [1]). Коэффициент теплопроводности стали λст=46,5 Вт/(м2·К) (таблица ХХVII [1]); δ=0,002 м – толщина стенки. Находим сумму термических проводимостей стенки и загрязнений
Коэффициент теплопередачи
Поверхностная площадь теплового потока
где Δtср=37,5 ºС – средняя разность температур. Проверяем принятое значение (Pr1/Prст1)0,25. Определим
Определим критерий Прандтля при tст1=39,98 ºС
где λ1=0,6– коэффициент теплопроводности воды при tст1=39,98ºС (рисунок Х [1]); с1=4190Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость воды при tст1=39,98ºС (рисунок XI [1]); μ1=0,72·10-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости воды при tст1=39,98ºС (таблица [1]). Следовательно,
Было принято (Pr1/Prст1)0,25 =1,05. Разница Расчетная площадь поверхности теплообмена
Принимаем к установке шестиходовой теплообменник с F=60 м2. Внутренний диаметр кожуха Dн=800 мм; Общее число труб n=384; Поверхность теплообмена F=60 м2; Длина труб L=2 м; Диаметр трубы d=25х2 мм. Запас площади поверхности теплообмена
4.3 Расчет холодильника для дистиллята В холодильнике происходит охлаждение дистиллята до температуры конденсации до 300С. Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от дистиллята в дефлегматоре пара Поверхность теплообмена холодильника дистиллята находим из основного уравнения теплопередачи
C запасом принимаем 1-х ходовой теплообменник с поверхностью F = 9м2 (табл. 4.12, с 215 [1]) Характеристика теплообменника Диаметр кожуха наружный 273мм Диаметр труб 25 Длина труб 3,0м 4.4 Расчет холодильника для кубового остатка В холодильнике кубового остатка происходит охлаждение кубовой жидкости от температуры кипения до 300С. Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от кубовой жидкости
Поверхность теплообмена холодильника кубовой жидкости
C запасом принимаем 2-х ходовой теплообменник с поверхностью F = 57м2 (табл. 4.12, с 215 [1]) Характеристика теплообменника Диаметр кожуха 600м Диаметр труб 25 Длина труб 3,0м Количество труб 240 Служит для подогрева исходной смеси от tн = 18-20оС до температуры tF = 76,2oC. Исходная смесь подогревается водяным насыщенным паром с температурой 100оС. Температурная схема процесса 110 – 110 28 – 76,2
Определим среднюю температуру смеси
Объемный расход смеси
где ρ1=858,7 кг/м3 – средняя плотность в колонне при t1=55,6 ºС (таблица IV [1]); G1=1,32 кг/с – массовый расход смеси. Средняя плотность жидкости в колонне:
Расход теплоты на нагрев смеси
где с1=2750 Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость смеси при t1=55,6 ºС (рисунок XI [1]). Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:
где
Расход сухого греющего пара с учетом 7 % потерь теплоты
где r=2217·103 кг/с – удельная теплота конденсации водяного пара (таблица LVII [1]); х – паросодержание греющего пара. Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося водяного пара к органическим жидкостям Кmin=300 Вт/(м2·К) (таблица 4.8 [1]). При этом
Составляем схему процесса теплопередачи. Для обеспечения турбулентного течения смеси при Re>10000 скорость в трубах должна быть больше w'1
где μ1=1,275·10-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости смеси при t1=55,6 ºС (таблица VI [1]); Динамический коэффициент вязкости смеси:
где μА, μВ- коэффициенты динамической вязкости компонентов А и В при соответствующей температуре [2, c.516]. d1=0,021 м – внутренний диаметр труб; ρ1=784,5 кг/м3 – плотность смеси при t1=55,6 ºС (таблица IV [1]). Число труб 25х2 мм, обеспечивающих объемный расход смеси при Re=10000
Условию n<30,4 и F<59,5 удовлетворяет шестиходовой теплообменник, внутренним диаметром 600 мм с числом труб на один ход трубного пространства n=33 (общее число труб n=196). Уточняем значение критерия Рейнольдса Re
Критерий Прандтля для смеси при средней температуре t1=55,6 ºС равен
где λ1=0,15– коэффициент теплопроводности смеси при t1=55,6 ºС (рисунок Х [1]); с1=2723,5 Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость смеси при t1=55,6 ºС (рисунок XI [1]); μ1=1,275·10-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости смеси при t1=55,6ºС (таблица VI [1]). Рассчитаем критерий Нуссельта для смеси
где ε1=1. Отношение (Pr1/Prст1)0,25 примем равным 1,1 (с последующей проверкой). Таким образом, коэффициент теплоотдачи для смеси равен
Рассчитаем коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб. Расчет осуществляем приближенно (без учета влияния поперечных перегородок).
где ε=0,6 – коэффициент, зависящий от расположения и числа труб по вертикали в пучке, для шахматного расположения труб и числе труб nв=14 (с.162 [1]); εГ=0,6 – коэффициент, зависящий от относительной массовой концентрации воздуха в паре – Υ, принимаем Υ=0,5 % (с.164 [1]); Вt=1058 (таблица 4.6 [1]); G2=0,56 кг/с; n=196 – общее число труб; L=2 м – длина труб (таблица 4.12 [1]). Примем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны греющего пара 1/rзагр.2=5800 Вт/(м2·К), со стороны бутанола 1/rзагр.1=5800 Вт/(м2·К) (таблица ХХХI [1]). Коэффициент теплопроводности стали λст=46,5 Вт/(м2·К) (таблица ХХVII [1]); δ=0,002 м – толщина стенки. Находим сумму термических проводимостей стенки и загрязнений
Коэффициент теплопередачи
Поверхностная площадь теплового потока
где Δtср=61,5 ºС – средняя разность температур. Проверяем принятое значение (Pr1/Prст1)0,25. Определим
Определим критерий Прандтля при tст1=87,6 ºС
где λ1=0,149– коэффициент теплопроводности смеси при tст1=87,6 ºС (рисунок Х [1]); с1=2750 Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость бутанола при tст1=87,6ºС (рисунок XI [1]); значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:
где
μ1=0,677·10-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости смеси при tст1=87,6 ºС (таблица VI [1]). Динамический коэффициент вязкости смеси:
где μА, μВ- коэффициенты динамической вязкости компонентов А и В при соответствующей температуре [2, c.516]. Следовательно,
Было принято (Pr1/Prст1)0,25 =1,1. Разница Расчетная площадь поверхности теплообмена
Принимаем к установке шестиходовой теплообменник с F=31 м2. Характеристики теплообменника Внутренний диаметр кожуха Dн=600 мм; Общее число труб n=196; Поверхность теплообмена F=31 м2; Длина труб L=2 м; Диаметр трубы d=25х2 мм. Запас площади поверхности теплообмена
В результате проведенного расчета мы определили: Диаметр D=2600 мм и высоту колонны H =23,75 м, число тарелок 46. Произвели гидравлический и тепловой расчет колонны. Рассчитали и подобрали вспомогательное оборудование. Библиографический список 1. Ченцова,Л.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебное пособие к самостоятельной работе/ Л.И. Ченцова, М.К. Шайхудинова, В.М. Ушанова.- Красноярск: СибГТУ,2006.-267с. 2. Павлов, К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов. Перепечатка с изд. 1987г.- М.:ООО «РусМедиаКонсалт», 2004.-576с. 3. Шайхудинова М.К., Ченцова Л.И., Борисова Т.В. Процессы и аппараты химической технологии. Расчет выпарной установки: учебное пособие к выполнению курсового проекта.-Красноярск: СибГТУ, 2005.- 80с. 4. Левин Б.Д., Ченцова Л.И., Шайхутдинова М.Н., Ушанова В.М. процессы и аппараты химических и биологических технолгий. Учеб. пособие для студентов химических специальностей вузов / Под общ. ред. д-ра. хим. Наук С.М. Репяха. – Красноярск: Сибирский государственный технологический университет, 2002. - 430с. 5. 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-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. – 496 с. |
,
.
,
;
,
(с.562[1])
;
.
;
.
;
.
;
.
;
.
;
.
.
,
-толщина изоляции, м;
-температура внутренней поверхности
изоляции, принимаем ее ориентировочно на 10-200С ниже средней
температуры в колонне 
.
;
.
;
.
100-77=23оС.
.
;
.
2мм;
,
, 
- удельная теплота
конденсации компонентов А и В при температуре tD=65,5оC (табл. XLV стр.541 [1]).
.
кг/с,
м3/с,
м2.
м/с,
.
.
,
,
Вт/(м2·К).
Вт/м2К,
- коэффициент
теплопроводности смеси при t1=66 ºС (рисунок Х [1]); 
=0,198 Вт/м2К,
динамический коэффициент вязкости
смеси при t1=66 ºС (таблица VI [1]),
Вт/(м2·К).
Вт/(м2·К).
Вт/м2,
ºС,
ºС.
,
м2.
2мм
2мм
; 
.
ºС.
ºС.
м3/с,
=
Вт,
,
- теплоемкости компонентов
при соответствующих температурах;
- массовые доли компонентов.
;
кг/с,
м2.
м/с,
.
.
,
,
Вт/(м2·К).
Вт/(м2·К),
Вт/(м2·К).
Вт/(м2·К).
Вт/м2,
ºС,
ºС.
,
,
- теплоемкости компонентов
при соответствующих температурах;
- массовые доли компонентов.
;
м2.