Дипломная работа: Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метиловый - этиловый спирт
💣 👉🏻👉🏻👉🏻 ВСЯ ИНФОРМАЦИЯ ДОСТУПНА ЗДЕСЬ ЖМИТЕ 👈🏻👈🏻👈🏻
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»
Процессов и аппаратов химических производств
Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метиловый- этиловый спирт
Разработал: студент гр. 64-1 IV курса
3. Тепловой расчет ректификационной колонны
3.1 Расчет тепловой изоляции колонны
4. Расчет вспомогательного оборудования
4.3 Расчет холодильника для дистиллята
4.4 Расчет холодильника для кубового остатка
метиловый этиловый спирт ректификационная колона
В курсовом проекте приведены результаты расчета ректификационной колоны непрерывного действия, предназначенной для разделения бинарной смеси метиловый спирт – этиловый спирт.
Курсовой проект содержит расчетно-пояснительную записку из 44 страниц текста, 4 таблиц, 2 рисунков, 5 литературных источников и графическую часть из 2 листов формата А1.
Ректификация
- массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего.
Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и др.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способностью тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.
Целью расчета массообменного аппарата является определение конструктивных размеров, т.е. высоты и диаметра колонны, гидромеханических и экономических показателей ее работы.
При расчете процессов ректификации составы жидкостей обычно задаются в массовых долях или процентах, а для практического расчета удобнее пользоваться составами жидкостей и пара, выраженными в мольных долях или процентах.
Фракционная перегонка. Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и конденсируются. Процесс осуществляют периодическим или непрерывным способом.
Если простая перегонка проводится периодически, то в ходе отгонки НК содержание его в кубовой жидкости уменьшается. Вместе с тем, изменяется во времени и состав дистиллята, который обедняется НК по мере протекания процесса. В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих различный состав. Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава, называется фракционной, или дробной, перегонкой.
Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).
Непрерывно действующие установки. Ректификационная колоннаимеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится вне колонны, т. е. является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара.
Влияние агрегатного состояния и температуры исходной смеси на работу колонны.
При выборе оптимальных условий работы ректификационной установки необходимо учитывать расход тепла и основные параметры (температуру и давление) теплоносителей — греющего пара и охлаждающей воды, а также требуемые размеры, как самой колонны, так и соединенных с ней теплообменных аппаратов (кипятильника, нагревателя исходной смеси, дефлегматора и холодильника паров). Все эти факторы взаимосвязаны и зависят, в частности, от температуры и агрегатного состояния подаваемой на разделение смеси.
Исходная смесь может поступать в колонну не только в жидком, но и в парообразном состоянии или в виде смеси жидкости и пара. При прочих равных условиях — заданны составах дистиллята уD и остатка xW, давлении Р в колонне и др. — подвод тепла в колонну минимален в случае подачи в нее жидкой исходной смеси, предварительно нагретой до температуры кипения tK на питающей тарелке.
Кипятильник, или куб предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадку или нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверхность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.
В периодически действующих колоннах куб является не только испарителем, но и емкостью для исходной смеси. Поэтому объем куба должен быть в 1,3—1,6 раза больше его единовременной загрузки (на одну операцию). Обогрев кипятильников наиболее часто производится водяным насыщенным паром.
Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода). Однако вопрос о направлении конденсирующихся паров и охлаждающего агента внутрь или снаружи труб следует решать в каждом конкретном случае, учитывая желательность повышения коэффициента теплопередачи и удобство очистки поверхности теплообмена.
Расчет ректификационной колоны сводится к определению ее основных параметров – диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который в свою очередь, зависит, от скорости и физических свойств фаз, а так же от типа и размеров насадок.
При выборе колпачков, клапанов, насадок для аппаратов руководствуются рядом соображений
Рисунок 1 – Схема непрерывно действующей ректификационной установки.
Непрерывно действующие установки. Ректификационная колонна имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится вне колонны, т. е. является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара.
Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх.
Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна х1 (по низкокипящему компоненту), а ее температура t1. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием НК у1>х1.
Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т. е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.
На второй тарелке жидкость имеет состав x2 содержит больше НК, чем на первой (х2 > х1), и соответственно кипит при более низкой температуре (t2 < t1). Соприкасаясь с ней, пар состава y1 частично конденсируется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав у2 > x2, и т. д.
Таким образом пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК,
который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.
Пары конденсируются в дефлегматоре, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.
Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара.
Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.
На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называемую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.
Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено, возможно, большее укрепление паров, т. е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.
В дефлегматоре могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их, соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или, верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике 6 направляется в сборник дистиллята. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята,
Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК), также делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипятильник, а другая — остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике направляется в сборник
Физико-химические характеристики продукта
Продуктом этой смеси являются метиловый и этиловый спирты.
Используя опытные данные о равновесии между жидкостью и паром или расчетные. Равновесные данные для указанной бинарной системы при заданном давлении в ректификационной колонне заносят в таблицу 1.
Таблица 1 – Равновесные составы жидкостей (х) и пара (у) в мол % и температуре кипения (t) ºС двойных смесей при атмосферном давлении.
Материальный баланс всей ректификационной колонны может быть представлен двумя уравнениями: по всему продукту
где х f
, х D
, х w
– молярные составы (мольные доли) низкокипящего компонента (НК) соответственно в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке.
Для дальнейших расчетов необходимо концентрации исходной смеси дистиллята и кубового остатка выразить в массовых долях.
где х А
– мольная доля низкокипящего компонента в жидкости;
М А
– молекулярная масса низкокипящего компонента, кг/кмоль;
М В
– молекулярная масса высококипящего компонента, кг/кмоль.
Молекулярная масса метилового спирта – 32 кг/кмоль, этилового спирта – 46 кг/кмоль.
Массовый расход исходной смеси, кг/с, определим по формуле
Массовый расход кубового остатка, кг/с, определим по формуле
G w
= G f
– G d
= 8,13-1,32=7,81кг/с
По имеющимся данным о равновесии между жидкостью и паром строим изобары температур кипения и конденсации смеси t=f(x,y) (Рисунок 1) и линию равновесия на диаграмме y=f(x) (Рисунок - 1).
Рисунок 1- Зависимость температур кипения и конденсации от состава фаз
Затем рассчитаем минимальное флегмовое число
R min
=( x d
– у *
f
)/( у *
f
– x f
)=( 0.95 - 0.3)/(0.3-0.22) = 8,06
где у *
f
- мольная доля НКК в паре, равновесном с исходной смесью, определяется по диаграмме х-у (рис 2) у *
f
= 0,3
Оптимальное флегмовое число определим из условия получения минимального объема колонны, пропорционального произведению n T
(R+1),где n T
–число ступеней изменения концентрации (теоретическое число тарелок).
Таблица 2- Данные для расчета оптимального флегмового числа
Строим график зависимости n т
(R+1) от R. Находим min точку и опускаем из неё перпендикуляр на ось Х. Эта точка и будет являться оптимальным флегмовым числом. В нашем случае R опт
=9,67.
Рисунок2 – Определение оптимального флегмового числа.
А) Верхней (укрепляющей) части колонны
Б) Нижней (исчерпывающей) части колонны
1.2 Определение скорости пара и диаметра колонны
Рассчитываем средние концентрации низкокипящего компонента в жидкости:
а) верхней (укрепляющей) части колонны:
б) нижней (исчерпывающей) части колонны:
Средние температуры пара определяем по t - x,y (Рисунок 1):
Средняя плотность жидкости в колонне:
где: ρ А
,ρ В
– плотности низкокипящего и высококипящего компонентовпри средней температуре в колонне, соответственно, кг/м 3
а) верхней (укрепляющей) части колонны:
б) нижней (исчерпывающей) части колонны:
Рассчитываем средние концентрации низкокипящего компонента в паре:
y F
– концентрация низкокипящего компонента в паре на питающей тарелке. Определяется в точке пересечения линий рабочих концентраций, построенных при оптимальном флегмовом числе R=9,67.
а) верхней (укрепляющей) части колонны:
б) нижней (исчерпывающей) части колонны:
Средние температуры пара определяем по t - x,y (рис.4):
Средние мольные массы и плотности пара:
Определяем скорость пара в колонне. Принимаем расстояние между тарелками h = 450 мм. По графику (рис.4,8 стр.69 [2]) находим С = 630.
где M D
– мольная масса дистиллята.
По каталогу – справочнику «Колонне аппараты» принимаем D = 2600 мм. Тогда скорость пара в колонне будет:
Высоту колонны определим графо- аналитическим методом, т.е. последовательно рассчитываем коэффициенты массоотдачи, массопередачи, коэффициенты действия тарелок; строим кинетическую кривую и определяем число действительных тарелок.
Коэффициент массоотдачи в паровой фазе рассчитывают по формуле:
где - коэффициент диффузии паров в метиловом спирте, рассчитывается по формуле:
- критерий Рейнольдса для паровой фазы
где - коэффициент динамической вязкости смеси метилового и этилового спиртов при средней температуре.
где - мольные массы пара и отдельных компонентов, кг/кмоль; μ ср.п
,μ А
, μ В
– соответствующие им динамические коэффициенты вязкости:
в верхней части колоны при температуре t=71,4 0
С
μ Ап
= 0,010946 мПа·с, μ Вп
= 0,010047 мПа·с
в нижней части колонны при t=76,8 0
С
μ Ап
= 0,01112 мПа·с, μ Вп
= 0,01022 мПа·с;
y А
, y В
– объемные доли компонентов в паровой смеси.
Рассчитываем коэффициент диффузии паров по формуле:
Критерий Рейнольдса для паровой фазы:
Рассчитав все эти величины, определим и коэффициент массоотдачи в паровой в верхней и нижней частях колонны фазе по уравнениям:
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:
гдеD ж
- коэффициент диффузии метилового спирта в жидком этиловом спирте, м/с 2
; М ж.ср.
- средняя мольная масса жидкости в колоне, кг/кмоль
Pr /
ж
- диффузионный критерий Прандля
Коэффициент диффузии пара в жидкости D t
связан с коэффициентом диффузии D 20
следующей приближенной зависимостью:
где b- температурный коэффициент. Определяется по формуле:
где μ ж
- динамический коэффициент вязкости жидкости при 20 0
С, мПа·с; ρ- плотность жидкости, кг/м 3
.
Коэффициент диффузии в жидкости при 20 0
С можно определять по формуле:
где μ ж
- динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа·с; ν А
, ν В
- мольные объемы компонентов А и В;А и В – коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя; М А
, М В
- мольные массы растворенного вещества и растворителя.
Динамический коэффициент вязкости жидкости:
где μ А
, μ В
- коэффициенты динамической вязкости компонентов А и В при соответствующей температуре [2, c.516].
Коэффициент динамической вязкости жидкости для верхней и нижней части колонны при температуре 20 0
С равен:
Коэффициент диффузии метилового спирта в жидком этиловом спирте при 20 0
С для верхней и нижней чисти колонны:
Расчет коэффициента b.Для верхней и нижней части колонны:
Коэффициент диффузии метилового спирта в жидком этиловом спирте при средней температуре для верхней и нижней части колонны:
Рассчитываем коэффициент динамической вязкости жидкости в верхней и нижней части колонны при средней температуре:
при 70 0
С: μ А
=0,321 мПа·с; μ В
=0,625 мПа·с
при 76,6 0
С: μ А
=0,321 мПа·с; μ В
=0,56 мПа·с
Критерий Прандля для верхней и нижней части колонны:
Средняя мольная масса жидкости в верхней и нижней части колонны:
Рассчитав все величины, определяем коэффициент массоотдачи в жидкой фазе по уравнению:
Коэффициенты массопередачи определяем по уравнению:
где m – тангенс угла наклона линии равновесия на рабочем участке.
Для определения угла наклона разбиваем ось х на участки и для каждого из них находим среднее значение тангенса как отношение разности ординат (у *
-у) к разности абсцисс (х-х *
), т.е.
Подставляем найденные значения коэффициентов массоотдачи β п
и β ж
и тангенсов углов линии равновесия в уравнение, находим величину коэффициента массопередачи для каждого значения х в пределах от 0,07 до 0,95.
Полученные данные используем для определения числа единиц переноса n у
в паровой фазе:
где φ – отношение рабочей площади к свободному сечению колонны, равному 0,8.
Допуская полное перемешивание жидкости на тарелке имеем:
Результаты всех расчетов сводим в таблицу 3.1
Таблица – Параметры, необходимые для построения кинетической кривой.
Между кривой равновесия и линиями рабочих концентраций в соответствии с табличными значениями х проводим ряд прямых, параллельных оси ординат (Приложение В1).
Измеряем полученные отрезки А 1
В 1
, А 2
В 2
и т. д. Определяем велечину отрезков А 1
В 1
, А 2
В 2
и т. д. Через найденные для каждого значения х точки В 1
, В 2
проводим кинетическую кривую, отображающую степень приближений фаз на тарелках равновесию.
Число реальных тарелок n Д
находим путем построения ступенчатой линии между кинетической кривой и рабочими линиями в пределах от 0,07 до 0,95. получаем 46 тарелки, (из которых – 33 в верхней части колонны, 13 – в нижней), которые и обеспечивают разделение смеси в заданных пределах изменения концентраций. Исходная смесь должна подаваться на 33 тарелку сверху.
где h сеп
– расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны,(высота сепаратного пространства), принимаем 1м; h куб
– расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны, (высота кубовой части), принимаем 2,5м [3, приложение Б6].
Для тарелок бесколпачковых (ситчатых, клапанных, струйных и других) величину общего сопротивления можно определить по уравнению:
гдеξ – общий коэффициент сопротивления тарелки, для клапанных тарелок (клапаны полностью открыты) ξ=3,63;
ω оп
– скорость пара в рабочем сечении колонны, м/с;
h w
– высота сливной перегородки, м;
ΔΡ σ
– сопротивление, связанное с преодолением сил поверхностного натяжения на границе жидкость пар при выходе пара из отверстий тарелки в жидкость, Па.
Высоту сливной перегородки h w
выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить достаточный слой жидкости на тарелке (h w
+ h ow
)≥40 мм. При малых расходах жидкости,когда подпор h ow
мал, это обеспечивается сливной перегородкой высотой h w
. При больших расходах жидкости,
когда слой жидкости на тарелке составляет 80 мм и более, высота сливной перегородки может быть уменьшена вплоть до h w
=0. В этом случае необходимый слой жидкости на тарелке обеспечивается за счет подпора жидкости над гребнем слива h ow
.
Скорость газа в интервале устойчивой работы клапанных тарелок может быть определена по уравнению:
F c
– доля свободного сечения тарелки, %;
F 0
– площадь отверстия под клапаном, м 2
;
ζ – коэффициент сопротивления, который может быть принят равный 3.
Принимаем диаметр отверстия под клапанном равным d=70 мм, массу клапана G=0,0025 кг. Следовательно:
Скорость пара в рабочем сечении верхней части колонны:
Скорость пара в рабочем сечении нижней части колонны:
Уровень слоя жидкости на тарелке (подбор) обусловлен высотой сливой перегородки h w
и зависит от расхода жидкости, формы и длины сливной перегородки [].
где: L v
– объемный расход жидкости, м 3
/ч;
K ow
– поправочный коэффициент, учитывающий влияние стенок колонны на работу сегментного переливного кармана и определяемый по графику, рисунок 4,7 [3].
Расход жидкости, проходящий в верхней части колонны:
Расход жидкости, проходящий в нижней части колонны:
Для определения поправочного коэффициента K ow
находим отношение:
Для верхней части колонны находим отношение :
Для нижней части колонны находим отношение :
Подпор жидкости на тарелке для верхней части колоны:
Подпор жидкости на тарелке для нижней части колоны:
Сопротивление, обусловленное действием си поверхностного натяжения:
гдеr гидр
– гидравлический радиус отверстий, через которые пар выходит в жидкость, м.
гдеF 0
, П 0
– площадь, м 2
и периметр, м отверстий, через которые выходит пар, соответственно
Поверхностное натяжение рассчитываем по формуле:
σ н
= σ А
∙ н.ср.
+ σ В
∙(1- н.ср
) ,
где σ А
, σ В
– поверхностное натяжение метилового и этилового спиртов при t ср.н
[1 с. 526] ,
σ н
= 17,7∙10 -3
∙00,08 + 17,4∙10 -3
∙(1-0,08)= 17,42∙10 -3
н/м.
Тогда сопротивление вызываемое силами поверхностного натяжения будет равно:
Сопротивление тарелки на верхней части колоны:
Сопротивление тарелки на нижней части колоны:
гдеn в
, n н
– действительное число тарелок в верхней и нижней части колоны, соответственно. Определение действительного числа тарелок поведено в разделе 1,7
Расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью от конденсирующего пара в кубе-испарителе колонны
где -расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, Вт;
-тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт;
-теплоемкость исходной смеси, дистиллята, кубовой жидкости, соответственно, Дж/кг·К.
Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:
где - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;
Температура кипения смеси t F
=76,2 о
C, кубового остатка t W
=77 о
C и дистиллята t D
=65,5 о
C; теплоемкости метанола и этанола при этих температурах определяем по номограмме (ХI, с.562 [1]) (А-метиловый спирт, В- этиловый спирт)
Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара:
-удельная теплота конденсации дистиллята, Дж/кг;
где: , - удельная теплота конденсации компонентов А и В при температуре t D
=65,5 о
C (табл. XLV стр.541 [1]).
Тепловые потери колонны в окружающую среду:
где -температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем ;
-температура воздуха в помещении, ;
α-суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(м 2
К),
-наружная поверхность изоляции колонны, определяем по формуле:
Расход тепла в кубе колонны с учетом тепловых потерь:
Расход греющего пара в кипятильнике (давление р=4кгс/см 2
, влажность 5%):
Расход тепла в паровом подогревателе исходной смеси рассчитывается по формуле:
где С 1
– теплоемкость исходной смеси при средней температуре, равной
где С А
, С В
– теплоемкости метилового спирта и этилового спирта при температуре (с.562[1])
Расход греющего пара в подогревателе исходной смеси:
Расход воды в дефлегматоре при нагревании ее на 20 0
С:
Расход воды в холодильнике дистиллята при нагревании ее на 20 0
С:
Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании ее на 20 0
С:
Общий расход воды в ректификационной установке:
В качестве изоляции берем асбест (λ из
=0,151 Вт/м·К). Исходя из упрощенного соотношения (для плоской стенки) имеем:
-температура внутренней поверхности изоляции, принимаем ее ориентировочно на 10-20 0
С ниже средней температуры в колонне .
Проверяем температуру внутренней поверхности изоляции:
Кубовый остаток кипит при 77 0
С. Согласно заданию, температура конденсации греющего пара равна 100 0
С (р=1,03 кгс/см 2
).
Следовательно, средняя разность температур:
Принимаем коэффициент теплопередачи К=300 Вт/(м 2
К) (с.172[5]).
С запасом 15-20% принимаем по каталогу (табл.4.12 стр.215 [1]) теплообменник 4-х ходовой с F=464 м 2
.
Где r 1
- удельная теплота конденсации смеси при температуре конденсации t 1
=65,5,r 1
=1087 кДж/кг.
где: , - удельная теплота конденсации компонентов А и В при температуре t D
=65,5 о
C (табл. XLV стр.541 [1]).
Где с 2
=4190 Дж/(кг К) – удельная теплоемкость воды при средней температуре t 2
=28 0
С
Где ρ 2
= 995 кг/м 3
- плотность воды при t 2
=28 0
С,
Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося пара органических жидкостей к воде. К min
=300 Вт/(м 2
·К) (таблица 4.8 [1]). При этом
Для обеспечения турбулентного течения воды при Re>10000 скорость в трубах должна быть больше w 1
Где μ 2
– динамический коэффициент вязкости воды при средней температуре t 2
=28 0
С, μ 2
=0,818*10 -3
Па с;
d 2
- внутренний диаметр труб, d 2
=0,021 м;
ρ 2
= 995 кг/м 3
- плотность воды при t 2
=28 0
С.
Число труб 25х2 мм, обеспечивающих объемный расход воды при Re=10000
Условию n<30 и F<130 м 2
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 t 1
=28 ºС равен
где λ 1
=0,605– коэффициент теплопроводности воды при t 1
=28 ºС (рисунок Х [1]);
с 1
=4190 Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость воды при t 1
=28 ºС (рисунок XI [1]); μ 1
=0,818·10 -3
Па·с – динамический коэффициент вязкости воды при t 1
=28 ºС (таблица VI [1]).
Рассчитаем критерий Нуссельта для воды
Отношение (Pr 1
/Pr ст1
) 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 - коэффициент теплопроводности смеси при t 1
=66 ºС (рисунок Х [1]); =0,198 Вт/м 2
К,
динамический коэффициент вязкости смеси при t 1
=66 ºС (таблица VI [1]),
Примем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны греющего пара 1/r загр.2
=5800 Вт/(м 2
·К), со стороны смеси 1/r загр.1
=5800 Вт/(м 2
·К) (таблица ХХХI [1]). Коэффициент теплопроводности стали λ ст
=46,5 Вт/(м 2
·К) (таблица ХХVII [1]); δ=0,002 м – толщина стенки.
Находим сумму термических проводимостей стенки и загрязнений
Поверхностная площадь теплового потока
где Δt ср
=37,5 ºС – средняя разность температур.
Проверяем принятое значение (Pr 1
/Pr ст1
) 0,25
. Определим
Определим критерий Прандтля при t ст1
=39,98 ºС
где λ 1
=0,6– коэффициент теплопроводности воды при t ст1
=39,98ºС (рисунок Х [1]);
с 1
=4190Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость воды при t ст1
=39,98ºС (рисунок XI [1]);
μ 1
=0,72·10 -3
Па·с – динамический коэффициент вязкости воды при t ст1
=39,98ºС (таблица [1]).
Было принято (Pr 1
/Pr ст1
) 0,25
=1,05. Разница
Расчетная площадь поверхности теплообмена
Принимаем к установке шестиходовой теплообменник с F=60 м 2
.
Внутренний диаметр кожухаD н
=800 мм;
Запас площади поверхности теплообмена
В холодильнике происходит охлаждение дистиллята до температуры конденсации до 30 0
С.
C
запасом принимаем 1-х ходовой теплообменник с поверхностью F = 9м 2
(табл. 4.12, с 215 [1])
4.4 Расчет холодильника для кубового остатка
C
запасом принимаем 2-х ходовой теплообменник с поверхностью F = 57м 2
(табл. 4.12, с 215 [1])
Служит для подогрева исходной смеси от
t н
= 18-20 о
С до температуры t F
= 76,2 o
C. Исходная смесь подогревается водяным насыщенным паром с температурой 100 о
С.
Определим среднюю температуру смеси
где ρ 1
=858,7 кг/м 3
– средняя плотность в колонне при t 1
=55,6 ºС (таблица IV [1]);
G 1
=1,32 кг/с – массовый расход смеси.
Средняя плотность жидкости в колонне:
где с 1
=2750 Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость смеси при t 1
=55,6 ºС (рисунок XI [1]).
Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:
где - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;
Расход сухого греющего пара с учетом 7 % потерь теплоты
где r=2217·10 3
кг/с – удельная теплота конденсации водяного пара (таблица LVII [1]);
Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося водяного пара к органическим жидкостям К min
=300 Вт/(м 2
·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 μ 1
=1,275·10 -3
Па·с – динамический коэффициент вязкости смеси при t 1
=55,6 ºС (таблица VI [1]);
Динамический коэффициент вязкости смеси:
где μ А
, μ В
- коэффициенты динамической вязкости компонентов А и В при соответствующей температуре [2, c.516].
d 1
=0,021 м – внутренний диаметр труб;
ρ 1
=784,5 кг/м 3
– плотность смеси при t 1
=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 t 1
=55,6 ºС равен
где λ 1
=0,15– коэффициент теплопроводности смеси при t 1
=55,6 ºС (рисунок Х [1]);
с 1
=2723,5 Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость смеси при t 1
=55,6 ºС (рисунок XI [1]);
μ 1
=1,275·10 -3
Па·с – динамический коэффициент вязкости смеси при t 1
=55,6ºС (таблица VI [1]).
Рассчитаем критерий Нуссельта для смеси
Отношение (Pr 1
/Pr ст1
) 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 n в
=14 (с.162 [1]);
ε Г
=0,6 – коэффициент, зависящий от относительной массовой концентрации воздуха в паре – Υ, принимаем Υ=0,5 % (с.164 [1]);
L=2 м – длина труб (таблица 4.12 [1]).
Примем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны греющего пара 1/r загр.2
=5800 Вт/(м 2
·К), со стороны бутанола 1/r загр.1
=5800 Вт/(м 2
·К) (таблица ХХХI [1]). Коэффициент теплопроводности стали λ ст
=46,5 Вт/(м 2
·К) (таблица ХХVII [1]); δ=0,002 м – толщина стенки.
Находим сумму термических проводимостей стенки и загрязнений
Поверхностная площадь теплового потока
где Δt ср
=61,5 ºС – средняя разность температур.
Проверяем принятое значение (Pr 1
/Pr ст1
) 0,25
. Определим
Определим критерий Прандтля при t ст1
=87,6 ºС
где λ 1
=0,149– коэффициент теплопроводности смеси при t ст1
=87,6 ºС (рисунок Х [1]);
с 1
=2750 Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость бутанола при t ст1
=87,6ºС (рисунок XI [1]);
значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:
где - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;
μ 1
=0,677·10 -3
Па·с – динамический коэффициент вязкости смеси при t ст1
=87,6 ºС (таблица VI [1]).
Динамический коэффициент вязкости смеси:
где μ А
, μ В
- коэффициенты динамической вязкости компонентов А и В при соответствующей температуре [2, c.516].
Было принято (Pr 1
/Pr ст1
) 0,25
=1,1. Разница
Расчетная площадь поверхности теплообмена
Принимаем к установке шестиходовой теплообменник с F=31 м 2
.
Внутренний диаметр кожухаD н
=600 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.
1. Ченцова,Л.И. Процессыи 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. Процессыи 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.
Название: Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метиловый - этиловый спирт
Раздел: Рефераты по химии
Тип: дипломная работа
Добавлен 02:14:28 10 апреля 2011 Похожие работы
Просмотров: 5685
Комментариев: 15
Оценило: 3 человек
Средний балл: 5
Оценка: неизвестно Скачать
Срочная помощь учащимся в написании различных работ. Бесплатные корректировки! Круглосуточная поддержка! Узнай стоимость твоей работы на сайте 64362.ru
Привет студентам) если возникают трудности с любой работой (от реферата и контрольных до диплома), можете обратиться на FAST-REFERAT.RU , я там обычно заказываю, все качественно и в срок) в любом случае попробуйте, за спрос денег не берут)
Да, но только в случае крайней необходимости.
Дипломная работа: Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метиловый - этиловый спирт
Реферат На Тему Таблица
Реферат по теме Вплив податкової політики на інвестиційну діяльність
Медицинская Практика Заполнение Дневника
Реферат: Анализ теории заработной платы Адама Смита
Реферат по теме Деятельное раскаяние в совершенном преступлении
Реферат: Разработка конкурентной стратегии фирмы
Восприятие Реферат По Психологии
Курсовая работа по теме Организация: эволюция научных взглядов
Реферат: Місце України в міжнародній торгівлі продуктами ІВ
Контрольная Работа Степень Числа
Дипломная работа по теме Процессорный модуль
Управление Культуры Реферат
Реферат: Двигатели внутреннего сгорания на сжиженном водороде. Скачать бесплатно и без регистрации
Реферат Социально Экономический Механизм Управления Рынком Труда
Курсовая Работа На Тему География Путешествий Христофора Колумба
Контрольная работа: Конституционно-правовая система Англии и Франции в XX веке
Реферат: по географии Ученика 7 класса «А»
Курсовая работа по теме Активные методы теоритического обучения
Отчет По Практике Менеджмент Управление Проектами
Реферат: Государственное регулирование цен, заработной платы и доходов населения
Реферат: Как оценить эффективность дистрибуции
Контрольная работа: Разработка медиапроекта внедрения новой услуги в косметическом салоне
Курсовая работа: Черногория в международных отношениях конца XIX - начала XX в