Завдання на проектування
Перелік інженерних розрахунків: розрахунок ректифікаційної колони; детальний тепловий розрахунок дефлегматора; орієнтовний розрахунок теплообмінників.
Перелік робіт виконуваних на ЕОМ: розрахунок дефлегматора.
Склад і обсяг графічної частини: технологічна схема; загальний вид дефлегматора.
Основні дані: витрата вихідної суміші 6.5 кг / с; концентрації (молярний частки)
,
; Продукти поділу охолодити до 25 С.
Введення
Для одержання продуктів складного складу, розділення ізотопів, виділення індивідуальних речовин широке застосування в промисловості отримала ректифікація. Цей процес заснований на різній летючості складових суміш компонентів, тобто на різних температурах кипіння компонентів при однаковому тиску. Ректифікація полягає в багаторазовому частковому випаровуванні рідини і конденсації парів. Процес здійснюється шляхом контакту потоків пари і рідини, що мають різну температуру, і проводиться звичайно в колонних апаратах, що складаються з власне колони, де здійснюється протівоточной контактування пари і рідини, і пристроїв, в яких відбувається випаровування рідини і конденсація пари - куба і дефлегматора.
За конструкцією ректифікаційні колони поділяються на насадочні, тарілчасті і роторні. Основним типом колонних апаратів великої продуктивності вважаються ректифікаційні колони з барботажние тарілками, а при необхідності самого малого перепаду тиску на одну теоретичну ступінь поділу або при роботі в корозійному середовищі - колони з насадкою.
За способом проведення ректифікацію поділяють на періодичну і безперервну.
При безперервній - колективна суміш безперервно подається в середню частину колони, дистилят відбирається з дефлегматора, а збіднений легколетучим компонентом залишок відводиться з куба колони, флегма надходить на зрошення у верхню частину колони.
При періодичної ректифікації в нижню частину (куб) колони, забезпеченою нагрівальним пристроєм, завантажують вихідну суміш; утворюється пара піднімається вверх і конденсується в дефлегматоре (холодильнику), частина конденсату (флегми) повертається на зрошення у верхню частину колони, а решта рідина відбирається.
Насадочні колони отримали широке поширення в хімічній промисловості завдяки простоті їх влаштування, дешевизні виготовлення та малому гідравлічному опору при плівковому режимі роботи. У насадок масообмінних апаратах рідина тонкою плівкою покриває насадку і стікає по ній, при цьому поверхня контакту з газоподібної фазою визначається поверхнею насадки, властивостями рідини і гідродинамічним режимом.
Недоліком роботи насадок колони є нерівномірність розподілу пари і рідини по поперечному перерізі, що призводить до - неоднаковою ефективності різних її частин і низької ефективності роботи всієї колони в цілому. Значне збільшення ефективності апарату досягається застосуванням насадки, частково зануреного в рідину: газ при цьому у вигляді бульбашок барботируют через шар рідини.
В окремих випадках застосовують рухливі насадки, які приводять в коливальний рух висхідним потоком газу, при цьому допускаються високі швидкості руху фаз, а поверхня міжфазного контакту перевищує поверхню насадок елементів. Ефективність тепло-і масообміну в значній мірі залежить від рівномірності розподілу рідини в обсязі насадки. Це завдання вирішується застосуванням спеціальних зрошувачів, які розподіляють рідину по верхньому перетину насадки, та використанням матеріалів (металевих сіток, армованої склотканини), що забезпечують розтікання рідини по поверхні насадки під дією капілярних сил.
Насадки завантажують в апарати навалом на опорні решітки (нерегулярні насадки), укладають у певному порядку або монтують у жорстку структуру (регулярні насадки). Виготовляють насадки з дерева, металу, скла, кераміки, пластмас. Елементи нерегулярних насадок виконують у вигляді кілець, спіралей, роликів, куль, сідел і т.д. Найбільш поширені кільця Рашига, розміри яких зазвичай становлять 50 мм. Для підвищення змочуваності насадки та пропускної здатності апарату стінки кілець іноді постачають поздовжніми або поперечними канавками або прорізами.
Для відводу рідини з насадок колони застосовують дві схеми: у першій схемі (звичайні насадочні колони) рідина стікає по насадці і відводиться з нижньої частини колони, по другій схемі (емульгаціонние колони) рідина відводиться через переливну трубу.
В даному курсовому проекті проводиться розрахунок звичайної ректифікаційної насадок колони для поділу бінарної суміші - «ацетон - чотирихлористий вуглець» при атмосферному тиску, з насипною насадкою із сталевих кілець Рашига.
1. Опис технологічної схеми
Вихідна суміш подається в теплообмінник відцентровим насосом з ємності, де вона підігрівається до температури кипіння. Потім нагріта суміш надходить на поділ в середину ректифікаційної колони на тарілку харчування, де склад рідини дорівнює складу вихідної суміші.
Стікаючи вниз по колоні, рідина взаємодіє з піднімається вгору парою, що утворюється при кипінні кубовою рідини в кип'ятильник. Початковий склад пара приблизно дорівнює складу кубового залишку, тобто збіднений легколетучим компонентом. В результаті масообміну з рідиною пар збагачується легколетучим компонентом. Для більш повного збагачення верхню частину колони зрошують, відповідно до заданого флегмовом числом, рідиною (флегмою), яку за дефлегматоре шляхом конденсації пара, що виходить з колони. Частина конденсату виводиться з дефлегматора у вигляді готового продукту поділу - дистиляту, який охолоджується в теплообміннику і направляється в проміжну ємність.
З кубової частини колони насосом безперервно виводиться кубова рідина - продукт, збагачений труднолетучим компонентом, який охолоджується в теплообміннику і направляється в ємність.
Таким чином, у ректифікаційної колоні здійснюється безперервний процес поділу вихідної бінарної суміші на дистилят (з високим вмістом легколетучего компонента) і кубовий залишок (збагачений труднолетучим компонентом).
2. Інженерні розрахунки
2.1 Технологічні розрахунки
Для технологічних розрахунків установки необхідно знати властивості речовин при певних температурах. Основними діаграмами для визначення цих властивостей є діаграми: склад пара - склад рідини, і залежність температури кипіння від складу. У додаток 1 наведені діаграми зазначених властивостей бінарної системи ацетон-чотирихлористий вуглець.
2.1.1 Рівноважні дані
x - мольна частка легколетучего компонента в рідкій фазі;
y - мольна частка легколетучего компонента в паровій фазі;
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 Матеріальний баланс
Знаючи продуктивність колони по дистилляту і необхідні концентрації, визначимо відсутні дані, тобто продуктивність по кубовому залишку та харчування вихідної суміші (G W і G D), на підставі рівнянь матеріального балансу.
де - Масова частка легколетучего компонента у вихідній суміші, дистилляте і кубовому залишок відповідно.
масова витрата вихідної суміші, дистилляте і
кубовому залишок відповідно.
де M F -Молекулярна маса:
кг / кмоль
кг / кмоль
кг / кмоль,
де M 1 - молекулярна маса легколетучего компонента; M 2 - молекулярна маса другого компонента;
x F, x D, x W - мольна частка легколетучего компонента у вихідній суміші, дистилляте і кубовому залишок відповідно.
Де 1-ацетон, 2-чотирихлористий вуглець.
кмоль / с
Знаходимо масову частку за формулою:
Вирішивши систему матеріального балансу, отримаємо:
кг / с
кг / с
кмоль / с
кмоль / с
Навантаження ректифікаційної колони по пару і рідини визначається робочим флегмовом числом. Для його розрахунку використовують наближені обчислення за формулою:
де R min - мінімальне флегмовое число.
При цьому:
де - Молярний частки легколетучего компонента в рідині, а
- Концентрація легколетучего компонента в парі, що знаходиться в рівновазі з рідиною (харчуванням вихідної суміші).
По діаграмі «Рівноважний стан рідини і пара» (додаток 1) знаходимо при відповідному значенні
, Таким чином
Тоді:
Також для розрахунку флегмового числа використовуємо графічний метод:
розрахувавши кількість теоретичних ступенів контакту (теоретичних тарілок)
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 даному курсовому проекті використаємо , Знайдене графічним методом (додаток 3).
2.1.3 Розрахунок витрат пари і рідини у верхній і нижній частині колони.
Знайдемо рівняння робочих ліній:
а) для верхньої (зміцнювальної) частини колони:
б) для нижньої (вичерпної) частини колони:
де F - відносний молярний витрата харчування.
Визначаємо температури для нижньої і верхньої частини колони для рідини і пара з діаграми «Залежність температури від рівноважних складів пари і рідини» (додаток 1):
C,
C,
C,
C.
Визначаємо об'ємну витрату пари:
кмоль / с
Витрата пари в нижній і верхній частині колони визначається за формулою:
,
де p 0 = 760 мм рт. ст. - Атмосферний тиск,
T 0 = 273 K - абсолютна температура.
м 3 / с
м 3 / с
Молярну масу парової суміші в нижній і верхній частині колони знаходимо за формулою:
кг / кмоль
кг / кмоль
Масові витрати пари в нижній і верхній частині колони знаходимо за формулою:
кг / с;
кг / с;
Визначимо щільності пара у верхній і нижній частині колони за формулою:
кг / м 3
кг / м 3
Визначимо в'язкість пара у верхній і нижній частині колони для ацетону (1) і чотирихлористого вуглецю (2):
,
де табличні дані: Па. С,
Па. С,
З 1 = 651, С 2 = 384 - константи рівняння.
а) для нижньої частини колони:
Па. З
Па. З
б) для верхньої частини колони:
Па. З
Па. З
Визначимо в'язкість суміші пари в нижній і верхній частині колони за формулою:
Па. З
Па. З
Визначимо щільності рідини за формулою:
,
де щільності ацетону, чотирихлористого вуглецю відповідно.
а) для нижньої частини колони:
кг / м 3
кг / м 3
кг / м 3
б) для верхньої частини колони:
кг / м 3
кг / м 3
кг / м 3
Визначимо в'язкість суміші рідини для нижньої і верхньої частини колони по формулі:
,
де в'язкості ацетону, чотирихлористого вуглецю відповідно.
мПа. з
мПа. з
мПа. з
мПа. з
Па. З
Па. З
Поверхневий натяг суміші рідин у верхній і нижній частині колони визначимо за формулою:
,
де поверхневий натяг ацетону, чотирихлористого вуглецю відповідно.
Н / м
Н / м
Н / м
Н / м
м / Н
Н / м
м / Н
Н / м
Знаходимо молярний і масові витрати рідини в нижній і верхній частині колони:
кмоль / с
кг / кмоль
кг / с
кг / с
кмоль / с
кг / кмоль
кг / с
кг / с
2.1.4 Розрахунок теплового балансу установки
Тепловий баланс ректифікаційної колони виражається загальним рівнянням:
де Q K - теплове навантаження куба; Q D-кількість теплоти, що передається від пари до води; Q пот - теплові втрати (5%); -Теплоємності відповідні дистилляту, кубовому залишку та вихідної суміші;
- Температури відповідні дистилляту, кубовому залишку та вихідної суміші (знаходимо з діаграми «Залежність температури від рівноважних складів пари і рідини» додаток 1):
,
,
.
Знайдемо питому теплоту конденсації парів дистиляту по аддитивной формулою:
кДж / кг
де - Теплоти випаровування ацетону і чотирихлористого вуглецю при температурі дистиляту
,
.
,
де вихідні дані: A 1 = 72.18; t 1кр = 235.1; A 2 = 25.64; t 2кр = 283.4
;
.
Визначимо теплове навантаження дефлегматора за формулою:
кВт
Визначимо теплоємності суміші:
Для ацетону (1): c 0 = 2.11кДж / (КГК); з 1 = 0.0028 кДж / (КГК);
Для чотирихлористого вуглецю (2): c 0 = 0.85кДж / (КГК); з 1 = 0.00037 кДж / (КГК);
,
Тоді:
2.2 Гідравлічний розрахунок насадок колони апарату
бор робочої швидкості парів зумовлений багатьма факторами і зазвичай здійснюється шляхом техніко-економічного розрахунку для кожного конкретного процесу. Для ректифікаційних колон, які працюють в плівковому режимі при атмосферному тиск, робочу швидкість можна прийняти на 20% нижче швидкості захлинання:
(26)
де - Швидкість захлинання пара, м / с;
- Питома поверхня насадки, м 2 / м 3; V св - вільний об'єм насадки, м 3 / м 3; μ ж - динамічний коефіцієнт в'язкості рідини, мПа ∙ с;
і
- Масові витрати рідкої і парової фаз, кг / с;
і
- Щільність пари і рідини відповідно, кг / м 3.
Вибираємо в якості насадки - сталеві кільця Рашига:
Кільця Рашига 25 мм:
в:
н:
Тоді робоча швидкість у верхній і нижній частині колони дорівнює:
За робочої швидкості визначаємо діаметр колони:
,
де об'ємна витрата пара за робочих умов в колоні, м 3 / с.
;
;
Вибираємо стандартний апарат з діаметром 2.2 м, з кільцями Рашига діаметром 25мм і уточнюємо робочу швидкість за формулою:
Щільність зрошення для верхньої та нижньої частини колони визначають за формулою:
,
де U - щільність зрошення, м 3 / (м 2. с);
- Об'ємна витрата рідини, м 3 / с;
S - площа поперечного перерізу колони, м2.
,
де D - діаметр колони, м.
так як щільність зрошення менше допустимих значень, то необхідно вибрати кільця Рашига з меншим діаметром.
Кільця Рашига 50 мм:
в:
н:
Тоді робоча швидкість у верхній і нижній частині колони дорівнює:
За робочої швидкості визначаємо діаметр колони:
,
де об'ємна витрата пара за робочих умов в колоні, м 3 / с.
;
;
Вибираємо стандартний апарат з діаметром 2 м, з кільцями Рашига діаметром 50мм і уточнюємо робочу швидкість за формулою:
Щільність зрошення для верхньої та нижньої частини колони визначають за формулою:
,
де U - щільність зрошення, м 3 / (м 2. с);
- Об'ємна витрата рідини, м 3 / с;
S - площа поперечного перерізу колони, м2.
,
де D - діаметр колони, м.
Так як щільність зрошення задовольняє допустимим значенням, то в подальших розрахунках використовуємо кільця Рашига діаметром 50 мм.
Активну поверхню насадки знаходять за формулою:
,
де U - щільність зрошення, м 3 / (м 2. с);
- Питома поверхня насадки, м 2 / м 3;
p, q - постійні, залежні від типу і розміру насадки.
Для обраних кілець Рашига з діаметром 50 мм:
p = 0.024, q = 0.012.
Визначимо активну поверхню насадки в нижній і верхній частині колони:
Однією з важливих характеристик апарату є гідравлічний опір насадки, який залежить від режиму руху пари (газу). Для розрахунку необхідно визначити число Рейнольдса:
,
де - В'язкість пари.
Визначаємо значення числа Рейнольдса для нижньої і верхньої частини колони:
Визначаємо коефіцієнт опору для верхньої та нижньої частини колони:
Так як число Re п> 40, то
Визначаємо гідравлічний опір для верхньої та нижньої частини колони:
,
де H = 1 м - висота шару.
Па / м
Па / м
,
де b - коефіцієнт, для кілець Рашига 50 мм: b = 47. 10 -3.
= 375.61 Па / м
= 1093.32Па / м
2.3 Розрахунок висоти колони
Визначимо коефіцієнт дифузії газу для нижньої і вірніше частини колони по формулі:
,
де T - температура газу, К; p - тиску газу, кгс / см 2; M A, M B - молярний маси газів A і B;
v A, v B - молярний об'єми газів А і В, які визначаються, як сума атомних обсягів елементів, що входять до складу газу.
Нехай А - ацетон (М А = 58 кг / кмоль);
По-чотирихлористий вуглець (М В = 154кг/кмоль).
см 3 / атом
см 3 / атом
м 2 / с;
м 2 / с;
Визначимо коефіцієнт дифузії в розведених розчинах для верхньої та нижньої частини колони:
,
де М - мольна маса розчинника;
v - молярний об'єм диффундирующего речовини;
T-температура, К;
- Динамічний коефіцієнт в'язкості розчинника, мПа. С;
- Параметр, що враховує асоціацію молекул розчинника (
А =
В = 1).
Нехай А розчиняється в В (В-розчинник):
м 2 / с;
м 2 / с.
Нехай В розчиняється в А (А-розчинник):
м 2 / с;
м 2 / с.
Визначимо коефіцієнт дифузії суміші рідин для верхньої та нижньої частини колони по формулі:
м 2 / с;
м 2 / с.
По діаграмі «Рівноважний стан рідини і пара» визначаємо коефіцієнти розподілу нижньої і верхньої частин колони:
Через x н, x в визначаємо кути α і β відповідно (додаток 2).
Визначаємо число одиниць перенесення графічним методом інтегрування для нижньої і верхньої частини колони:
y w = x w = 0.06
y D = x D = 0.8
x | y * | y | y *-y | |
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 |
За даними таблиці будуємо графік залежності і визначаємо площу під графіком за допомогою методу трапецій для нижньої і верхньої частини колони, рівну числу одиниць переносу (додаток 4):
n 0 y н = 3.029
n 0 y в = 5.51
Визначимо висоту одиниць перенесення за допомогою обізнаних формул:
а) критерій Рейнольдса для пари і рідини у верхній і нижній частині колони:
б) критерій Прандтля для пари і рідини у верхній і нижній частині колони:
в) приведена товщина рідкої плівки для верхньої та нижньої частини колони:
г) висота одиниць переносу в газовій фазі для верхньої та нижньої частини колони:
м
м
д) висота одиниць перенесення в рідкій фазі для верхньої та нижньої частини колони:
м
м
Тоді висота одиниць перенесення дорівнює:
м
м
Визначимо висоту шару насадки за формулою:
Тоді загальну висоту апарату визначимо за формулою:
2.4 Орієнтовний розрахунок теплообмінників
Зробимо орієнтовні розрахунки п'яти теплообмінників: куба-випарника, підігрівача, дефлегматора і двох холодильників (дистиляту і кубового залишку).
2.4.1 Куб-випарник
Вихідні дані: Q k = 3924.32кВт, t w = 71 C
Δt = t гп - t w
Нехай Δt = 30 C, тоді:
t гп = Δt + t w = 101 C,
при t гп = 101 C,
p гп = 1.0728кгс/см 2, r гп = 2257.6 кДж / кг
нехай коефіцієнт теплопередачі К ор = 800Вт / (м 2. К)
Визначимо поверхню теплообміну за формулою:
м 2
За орієнтовною поверхні теплообміну вибираємо стандартний куб-випарник з внутрішнім діаметром кожуха D = 1000 мм, числом труб n = 747, з поверхнею теплообміну F = 176 м 2 і довжиною труб l = 3м.
2.4.2 Підігрівач
Вихідні дані: кг / с, x F = 0.48, t F = 58.4 C, t поч = 20 C,
.
Визначимо середню температуру:
Δt м = t гп - t F = 101-58.4 = 42.6 C
Δt б = t гп - t поч = 101-20 = 81 C
C
t ср = t гп - Δt сер = 41.23 C
Визначимо в'язкість суміші:
мПа. з
мПа. з
мПа. з
Визначимо теплоємність суміші:
Визначимо кількість теплоти в підігрівачі:
Вт
Нехай До ор = 300Вт / (м 2. К), тоді
м 2
м
м
0.01161 <S тр <0.0232
Виходячи із зроблених розрахунків можемо вибрати стандартну чотирьохходовий підігрівач з внутрішнім діаметром кожуха D = 600 мм, числом труб n = 334, довжиною труб l = 3м, прохідним перетином одного ходу S т = 1.6. 10 -2 м і числом рядів труб n р = 18.
Визначимо витрату гріючої пари за формулою:
кмоль / с
2.4.3 дефлегматор
Вихідні дані: Q D = 3703,486 кВт, t D = 56 C, t внача = 15 C, t вкон = 40 C
Визначимо середню температуру:
Δt м = t D - t вкон = 16 C
Δt б = t D - t внача = 41 C
C
t ср = t D - Δt сер = 29.32 C
Визначимо теплофізичні властивості води при t ср = 29.32 C:
λ = 0.6167 Вт / (м. К)
μ = 0.8125 мПа. з
ρ = 996.14 кг / м 3
β = 3.12. 10 -4 1 / К
з = 4189Дж/кгК
Нехай До ор = 500Вт / (м 2. К), тоді
м 2
кг / с
м
м
0.03 <S тр <0.07
Виходячи із зроблених розрахунків вибираємо: стандартний чотирьохходовий дефлегматор 20 x 2 з внутрішнім діаметром кожуха D = 1000 мм, числом труб n = 1072, довжиною труб l = 4м, прохідним перетином одного ходу S т = 5.1. 10 -2 м, числом рядів труб n р = 34 і стандартний шестіходовой дефлегматор 25 x 2 з внутрішнім діаметром кожуха D = 1200 мм, числом труб n = 958, довжиною труб l = 4м, прохідним перетином одного ходу S т = 5.2. 10 -2 м, числом рядів труб n р = 32.
2.4.4 Холодильник дистиляту
Вихідні дані: кг / с, t D = 56 C, t вкон = 25 C, t внача = 15 C, t 1кон = 25 C.
Визначимо середню температуру:
Δt 1 = t D - t вкон = 31 C
Δt 2 = t 1кон - t внача = 10 C
δ t 1 = t D - t 1кон = 31 C
δ t 2 = t вкон - t внача = 10 C
C
C
так як δ t 1> δt 2, то
C
Визначимо теплофізичні властивості води при t = 20 СРВ C:
з = 4190Дж/кгК
μ = 1.005 мПа. з
t 1ср = t ВСР + Δt ср = 20 +15.03 = 35.03 C
Визначимо теплоємність дистиляту при t 1ср:
Вт
кг / с
Нехай До ор = 300Вт / (м 2. К), тоді
м 2
м
м
0.0034 <S тр <0.0068
Визначимо в'язкість суміші при t 1ср = 35.03 C
мПа. з
мПа. з
мПа. з
м
м
0.013 <S МТР <0.039
Виходячи із зроблених розрахунків можемо вибрати стандартну чотирьохходовий холодильник c 25 x 2 внутрішніх діаметром кожуха D = 600 мм, числом труб n = 206, довжиною труб l = 2м, з відстанню між перегородками в міжтрубномупросторі h = 300мм, прохідним перетином одного ходу S т = 1.8. 10 -2 м і числом рядів труб n р = 14.
2.4.5 Холодильник кубового залишку.
Вихідні дані: кг / с, t w = 56 C, t вкон = 25 C, t внача = 15 C, t 1кон = 25 C.
Визначимо середню температуру:
Δt 1 = t w - t вкон = 71-25 = 46 C
Δt 2 = t 1кон - t внача = 25-15 = 10 C
δ t 1 = t w - t 1кон = 71-25 = 46 C
δ t 2 = t вкон - t внача = 25-15 = 10 C
C
C
так як δ t 1> δt 2, то
C
Визначимо теплофізичні властивості води при t = 20 СРВ C:
з = 4190Дж/кгК
μ = 1.005 мПа. з
t 1ср = t ВСР + Δt ср = 20 +19. 24 = 3 9. 24 C
Визначимо теплоємність дистиляту при t 1ср:
Вт
кг / с
Нехай До ор = 300Вт / (м 2. К), тоді
м 2
м
м
0.003 <S тр <0.006
Визначимо в'язкість суміші при t 1ср = 39.24 C
мПа. з
мПа. з
мПа. з
м
м
0.0073 <S МТР <0.022
Виходячи із зроблених розрахунків можемо вибрати стандартну двоходовий холодильник 20 x 2 c внутрішнім діаметром кожуха D = 400 мм, числом труб n = 166, довжиною труб l = 3м, з відстанню між перегородками в міжтрубномупросторі h = 250мм, прохідним перетином одного ходу S т = 1.7. 10 -2 м і числом рядів труб n р = 14.
2.5 Докладний розрахунок дефлегматора
В даному розділі детально розрахуємо один з теплообмінників - дефлегматор, вибраний в орієнтовному розрахунку.
Дефлегматор-апарат, призначений для конденсації парів і подачі флегми в колону, являє собою кожухотрубчасті теплообмінник, в міжтрубному просторі, якого зазвичай конденсується пари, а в трубах рухається охолоджуючий агент - вода.
Як хладагента використовуємо воду середньої якості з середнім значенням теплової провідності забруднень стінок , А теплова провідність забруднень стінок органічними парами
.
Товщину шару забруднення приймемо рівної 2мм. Як матеріал труб виберемо нержавіючу сталь з коефіцієнтом теплопровідності .
Тоді термічний опір забруднень труб
Розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі.
Вихідні дані: , T D = 56 C, t 2ср = 29.32 C,
, Дефлегматор з внутрішнім діаметром кожуха D = 1000 мм, числом труб n = 1072, довжиною труб l = 4м, прохідним перетином одного ходу S т = 5.1. 10 -2 м і числом рядів труб n р = 34, в середньому по 31 - 32 трубі в ряду.
1. Задаємося температурою стінки C
Тоді
Δt = t D - t ст1 = 56-45 = 11 C
t пл = (t кон + t ст1) / 2 = (56 +45) / 2 = 50.5 C
Далі необхідно визначити поверхневі щільності теплового потоку і зіставити їх, якщо різниця між ними буде менше 5%, то можна вважати, що процес сталий і температура стінки підібрана правильно.
,
де - Коефіцієнти тепловіддачі від стінки 1 і 2;
,
де = 0,55 - множник, що враховує вплив числа труб по вертикалі;
теплопровідність суміші, Вт / (м. К);
-Щільність суміші, кг / м 3;
теплота конденсації, Дж / кг;
- Швидкість вільного падіння, м / с;
-В'язкість суміші, мПа. С;
- Зовнішній діаметр труб, м.
Коефіцієнт може бути суттєвим для в'язких конденсатів, а для води в першому наближенні його не враховують.
Визначимо теплопровідність, щільність, в'язкість при температурі t = визначальною 50.5 C і теплоту конденсації при температурі конденсації:
кДж / кг
де - Теплоти випаровування ацетону і чотирихлористого вуглецю,
.
,
де вихідні дані: A 1 = 72.18; t 1кр = 235.1; A 2 = 25.64; t 2кр = 283.4
;
.
мПа. з
мПа. з
кг / м 3
кг / м 3
кг / м 3
Вт / мК
Вт / мК
Тоді
Тоді поверхнева щільність теплового потоку першої стінки визначимо за формулою:
Приймемо що
Визначимо температуру другої стінки за формулою:
Визначимо коефіцієнт теплопровідності для води при t = 29.32 C за допомогою інтерполяції довідкових даних:
Аналогічно визначимо коефіцієнт теплопровідності для води при t = 34.23 C:
Визначимо в'язкість рідини для води при t = 29.32 C за допомогою інтерполяції довідкових даних:
Па
Аналогічно визначимо в'язкість води при t = 34.23 C:
Па
Визначимо теплоємність води t = 29.32 C за допомогою інтерполяції довідкових даних:
Аналогічно визначимо теплоємність води при t = 34.23 C:
Визначимо критерій Рейнольдса за формулою:
,
де - В'язкість суміші, Па. С;
G - витрата води, кг / с;
z - число ходів, z = 4;
d - внутрішній діаметр труб, м;
N тр - кількість труб.
Визначимо критерій Прандтля для потоку і стінки при температурах t ср = 29.32 С, t ст = 34.23 С:
,
де с-теплоємність води, Дж / КГК;
теплопровідність води, Вт / (м. К);
-В'язкість води, мПа. С.
Визначимо критерій Нуссельта за формулою:
Знаючи критерій Нуссельта, визначимо коефіцієнт тепловіддачі другою стінкою за формулою:
Тоді
Тоді поверхнева щільність теплового потоку першої стінки визначимо за формулою:
Зіставимо q 1 і q 2, т різниця висловимо у відсотках:
Обрана температура стінки навмання не підходить.
2. Вибираємо нову температуру стінки t ст1 = 44 С і проводимо розрахунки аналогічно розрахунками при температурі стінки C
Тоді
Δt = t D - t ст1 = 56-44 = 12 C
t пл = (t кон + t ст1) / 2 = (56 +44) / 2 = 50 C
Необхідно визначити поверхневі щільності теплового потоку і зіставити їх, якщо різниця між ними буде менше 5%, то можна вважати, що процес сталий і температура стінки підібрана правильно.
,
де - Коефіцієнти тепловіддачі від стінки 1 і 2;
,
де = 0,55 - множник, що враховує вплив числа труб по вертикалі;
теплопровідність суміші, Вт / (м. К);
-Щільність суміші, кг / м 3;
теплота конденсації, Дж / кг;
- Швидкість вільного падіння, м / с;
-В'язкість суміші, мПа. С;
- Зовнішній діаметр труб, м.
Коефіцієнт може бути суттєвим для в'язких конденсатів, а для води його не враховують.
Визначимо теплопровідність, щільність, в'язкість при температурі t = визначальною 50 C і теплоту конденсації при температурі конденсації:
кДж / кг
де - Теплоти випаровування ацетону і чотирихлористого вуглецю,
.
,
де вихідні дані: A 1 = 72.18; t 1кр = 235.1; A 2 = 25.64; t 2кр = 283.4
;
.
мПа. з
мПа. з
кг / м 3
кг / м 3
кг / м 3
Вт / мК
Вт / мК
Тоді
Тоді поверхнева щільність теплового потоку першої стінки визначимо за формулою:
Приймемо, що
Визначимо температуру другої стінки за формулою:
Визначимо коефіцієнт теплопровідності для води при t = 29.32 C за допомогою інтерполяції довідкових даних:
Аналогічно визначимо коефіцієнт теплопровідності для води при t = 32.5 C:
Визначимо в'язкість рідини для води при t = 29.32 C за допомогою інтерполяції довідкових даних:
Па
Аналогічно визначимо в'язкість води при t = 32.5 C:
Па
Визначимо теплоємність води t = 29.32 C за допомогою інтерполяції довідкових даних:
Аналогічно визначимо теплоємність води при t = 32.5 C:
Визначимо критерій Рейнольдса за формулою:
,
де - В'язкість суміші, Па. С;
G - витрата води, кг / с;
z - число ходів, z = 4;
d - внутрішній діаметр труб, м;
N тр - кількість труб.
Визначимо критерій Прандтля для потоку і стінки при температурах t ср = 29.32 С, t ст = 32.5 С:
,
де с-теплоємність води, Дж / КГК;
теплопровідність води, Вт / (м. К);
-В'язкість води, мПа. С.
Визначимо критерій Нуссельта за формулою:
Знаючи критерій Нуссельта, визначимо коефіцієнт тепловіддачі другою стінкою за формулою:
Тоді
Тоді поверхнева щільність теплового потоку першої стінки визначимо за формулою:
Зіставимо q 1 і q 2, т різниця висловимо у відсотках:
Обрана температура стінки навмання не підходить.
3. Використовуючи графічний метод, визначаємо температуру стінки в третьому наближення-
C (графічне рішення наведено у Додатку 5).
Проводимо розрахунки аналогічні розрахунками, виконаним в пункті 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
Необхідно визначити поверхневі щільності теплового потоку і зіставити їх, якщо різниця між ними буде менше 5%, то можна вважати, що процес сталий і температура стінки підібрана правильно.
,
де - Коефіцієнти тепловіддачі від стінки 1 і 2;
,
де = 0,55 - множник, що враховує вплив числа труб по вертикалі;
теплопровідність суміші, Вт / (м. К);
-Щільність суміші, кг / м 3;
теплота конденсації, Дж / кг;
- Швидкість вільного падіння, м / с;
-В'язкість суміші, мПа. С;
- Зовнішній діаметр труб, м.
Коефіцієнт може бути суттєвим для в'язких конденсатів, а для води його не враховують.
Визначимо теплопровідність, щільність, в'язкість при температурі t = визначальною 50 C і теплоту конденсації при температурі конденсації:
кДж / кг
де - Теплоти випаровування ацетону і чотирихлористого вуглецю,
.
,
де вихідні дані: A 1 = 72.18; t 1кр = 235.1; A 2 = 25.64; t 2кр = 283.4
;
.
мПа. з
мПа. з
кг / м 3
кг / м 3
кг / м 3
Вт / мК
Вт / мК
Тоді
Тоді поверхнева щільність теплового потоку першої стінки визначимо за формулою:
Приймемо що
Визначимо температуру другої стінки за формулою:
Визначимо коефіцієнт теплопровідності для води при t = 29.32 C за допомогою інтерполяції довідкових даних:
Аналогічно визначимо коефіцієнт теплопровідності для води при t = 33.89 C:
Визначимо в'язкість рідини для води при t = 29.32 C за допомогою інтерполяції довідкових даних:
Па
Аналогічно визначимо в'язкість води при t = 33.89 C:
Па
Визначимо теплоємність води t = 29.32 C за допомогою інтерполяції довідкових даних:
Аналогічно визначимо теплоємність води при t = 33.89 C:
Визначимо критерій Рейнольдса за формулою:
,
де - В'язкість суміші, Па. С;
G - витрата води, кг / с;
z - число ходів, z = 4;
d - внутрішній діаметр труб, м;
N тр - кількість труб.
Визначимо критерій Прандтля для потоку і стінки при температурах t ср = 29.32 С, t ст = 32.5 С:
,
де с-теплоємність води, Дж / КГК;
теплопровідність води, Вт / (м. К);
-В'язкість води, мПа. С.
Визначимо критерій Нуссельта за формулою:
Знаючи критерій Нуссельта, визначимо коефіцієнт тепловіддачі другою стінкою за формулою:
Тоді
Тоді поверхнева щільність теплового потоку першої стінки визначимо за формулою:
Зіставимо q 1 і q 2, т різниця висловимо у відсотках:
Температура стінки підібрана вірно.
Визначимо коефіцієнт тепловіддачі за формулою:
Знаючи коефіцієнт тепловіддачі, визначимо поверхню теплообміну за формулою:
Таким чином, розраховане значення коефіцієнта тепловіддачі більше обраного нами коефіцієнта тепловіддачі в орієнтовному розрахунку дефлегматора, а поверхня теплообміну менше, ніж орієнтовна поверхню теплообміну дефлегматора. Значення поверхні теплообміну стандартного дефлегматора F = 269 м 2, отже дефлегматор обраний з запасом поверхні теплообміну 13%.
Висновок
У цій роботі ми зробили розрахунок ректифікаційної колони для поділу суміші: ацетон-чотирихлористого вуглецю при атмосферному тиску. Як ректифікаційної колони використовується апарат насадочного типу з кільцями Рашига 50мм, що забезпечує перехресне рух пари і рідини, висотою H = 6.43м і діаметром D = 2м.
Був проведений орієнтовний розрахунок п'яти теплообмінників: дефлегматора, підігрівача, куба випарника і двох холодильників (дистиляту і кубового залишку); в результаті чого були обрані:
- Стандартні куб випарник з труб 25 x 2 мм, виконання 2 по ГОСТ 15119-79 з внутрішнім діаметром кожуха D = 1м, числом труб n = 747, довжиною труб l = 3м і поверхнею теплообміну F = 176 м 2;
- Чотирьохходовий підігрівач по ГОСТ 15121-79 з внутрішнім діаметром кожуха D = 0.6м, числом труб n = 334, числом рядів труб n p = 18, довжиною труб l = 3м, з прохідним перетином одного ходу S т = 0.016м 2, поверхнею теплообміну F = 63 м 2;
- Двоходовий холодильник кубового залишку з труби 20 x 2мм по ГОСТ 15122-79 з внутрішнім діаметром кожуха D = 0.4м, з числом труб n = 166, довжиною труб l = 3м, числом рядів труб n p = 14, з відстанню між перегородками в міжтрубномупросторі h = 0.25м, поверхнею теплообміну F = 31м 2;
- Чотирьохходовий холодильник дистиляту з труб 25 x 2мм по ГОСТ 15122-79 з внутрішнім діаметром кожуха D = 0.6м, з числом труб n = 206, довжиною труб l = 2м, числом рядів труб n p = 14, з відстанню між перегородками в міжтрубному просторі h = 0.3м, поверхнею теплообміну F = 32м 2;
- Чотирьохходовий дефлегматор з труби 20 x 2мм по ГОСТ 15121-79 з внутрішнім діаметром кожуха D = 1м, числом труб n = 1072, довжиною труб l = 4м, поверхнею теплообміну F = 269м 2, с числом рядів n p = 34 і прохідним перетином одного ходу S тр = 0.051м;
- Шестіходовой дефлегматор з труб 25 x 2мм по ГОСТ 15121-79 з внутрішнім діаметром кожуха D = 1.2м 2, числом труб n = 958, довжиною труб l = 4м, поверхнею теплообміну F = 301М 2, с числом рядів n p = 32 і прохідним перетином одного ходу S тр = 0.052м.
Детально розрахувати два дефлегматора: чотирьохходовий - вручну, шестіходовой - за допомогою ЕОМ (додаток 6).
Вибір дефлегматора залежить від конкретних критеріїв. У разі необхідності отримання більш високій швидкості протікання процесу необхідно використовувати шестіходовой дефлегматор, так як швидкість зростає в число раз рівне числу ходів, а у випадку, коли в якості основного критерію застосовується мінімізація витрат - чотирьохходовий.
Для виготовлення апарату обрана нержавіюча сталь марки 12Х18Н10Т за ГОСТ 5949-75 з коефіцієнтом теплопровідності .
Список використаної літератури
Основні процеси та апарати хімічної технології / Посібник з проектування /, Г.С. Борисов, В.П. Бриків, Ю.І. Дитнерскій та ін Під. ред. Ю.І. Дитнерского, 2-е вид. перераб. і доповнений. М: Хімія, 1991 - 496 с.
Довідник хіміка том V, під ред П. Г. Романкове, 2-е вид. перераб. і дополнен.Л Хімія, 1968-975с.
Приклади і задачі по курсу процесів і апаратів хімічної технології / Навчальний посібник /, К.Ф. Павлов, П.Г. Романків, А.А. Носков, 9-ое вид. перераб. і доповнений. Л. Хімія ,1987-575с.
Курсове проектування по процесах та апаратів хімічної технології. Короткі довідкові дані / Метод вказівки /. ЛТІ ім. Ленсовета - Л.: 1989, 40 с.