Дипломная работа: Расчет ректификационной установки для разделения бинарной смеси ацетон-бензол
в) Расчет
рекомендуемой скорости пара:
»1,04м/с
Расчет
габаритов низа колонны.
Рекомендуемая
скорость пара рассчитывается при температуре t0»77°C (диаграмма T(x,y))
а) Расчет
плотности жидкости:
ra»724кг/м3
rб»818кг/м3
б) Расчет
плотности пара:
Рекомендуемая
скорость пара:
м/с
в) Расчет :
Расчет rкуб
производится по принципу аддитивности:
rкуб=raЧa0+ rбЧ(1-a0)
при t0=77°С
rкуб=500*0,025+396Ч(1-0,025) »398,6кДж/кг
Расчет Qкип.
Qкип=W0Чc0Чt0-W1Чc1Чt1+П(RЧrд+iп)
По диаграмме
Т(x,y) определяем:
- по
х1t1=63,8°C - по х2t2=56,7°C - по х0t0=77°C
Вычисляем
теплоемкости смеси при разных температурах:
с0=сaЧa0+сб(1-a0) =0,58*4, 19*0,025+4, 19*0,45*(1-0,025)
=1,47кДж/кгК
с1=сaЧa1+сб(1-a1) =0,555·4, 19*0,15+0,444*4, 19*0,85=1,93 кДж/кгЧК
с2=сaЧa2+сб(1-a2) =
0,546·4,
19*0,925+0,43*4, 19*0,075=2,25 кДж/кгЧК
Значения сa и сб взяты из номограммы
При
температуре t2=56,7°C удельная теплота парообразования дистиллята:
при t2 = 56,7 °С
rД=raa2+rб(1-a2) =522,4·0,925+410,7·(1-0,925)
=595,5 кДж/кг
Энтальпия
пара:
iп
=c2·t2+rд=2,25·56,7+595,5»654,5 кДж/кг
Qкип=1,9·1,47·77-2,22·1,93·63,8+0,3(2,45·595,5+654,5)
=575,7 кВт
Теперь можно
рассчитать диаметр колонны:
Расчет
высоты.
H =
h(Nобщ-1) +Zв+Zн = 0,5(64-1) +2+1 = 34,5 м
Габариты
колонны.
Н = 34,5 м
d=1000мм
Расчет
гидравлического сопротивления тарелочной части колонны.
Общее
гидравлическое сопротивление тарелки:
ΔР=ΔРс+ΔРσ+ΔРж,
Па.
―
Расчет потери напора пара на преодоление местных сопротивлений на сухой
(неорошаемой) тарелке
ΔРс=ξ
, Па.
Коэффициент
сопротивления для клапанной тарелки ξ= 3,6 по [5, стр.25]
Скорость
пара в отверстии тарелки: м/с
ΔРс=3,6* Па.
―
Расчет сопротивления, вызываемого силами поверхностного натяжения.
ΔРσ=
, Па.
dэ=d0=40 мм - эквивалентный диаметр отверстия тарелки.
При ºC
σА=15,9*10-3
Н/м [1, стр.501, табл. XXII]
σб=22,1*10-3
Н/м
σср= Н/м
ΔРσ=
Па.
―
Расчет статистического сопротивления слоя жидкости на тарелке.
ΔРж=КА*hж*ρж*g, Па
Относительная
плотность парожидкостной смеси КА=0,5-0,7
Средняя
плотность жидкости
ρж= кг/м3
высота слоя
жидкости на тарелке
hж = hw +how
высота
перегородки hw=0,03-0,05м
Подпора
жидкости на сливной перегородке:
how =
Периметр
слива П' =1,12 м
Объемный
расход жидкости
R=2,94
K/моль см
м3/с
how
= м
hж=0,04+0,02=0,06 м
ΔРж=0,5*0,06*770*9,81=226,6
Па
И так
ΔР=514+1,9+226,6=642,5 Па
Проверим,
соблюдается ли при расстоянии между тарелками 0,5 м необходимые для нормальной
работы тарелок условие:
h >1,8*
0,4 >1,8*
0,4 >
0,17 => условия выполняются
Полное
сопротивление тарельчатой колонны определяется числом тарелок
nΣ =64 в колонне.
ΔРполное
=ΔР* nΣ =642,5*64=31120 Па.
Расчет
диаметров штуцеров.
1) Штуцер
для ввода исходной смеси.
d=, или
исходные
данные: =2,22 кг/с
=0,23
t1= 63,8 ºC
ρA=640,1 кг/ м3
ρВ=829,2 кг/ м3
ω1=0,9м/с
ρ1=Х1*ρА+(1-Х1)
*ρВ=0,23*640,1+(1-0,23) *829,2=785,7 кг/ м3
d==0,06м =60мм
Принимаю
Dу=50мм,dн=55мм, S=3,5мм,
Н=120мм
2) Штуцер
для вывода пара из колонны.
d =, мм
Исходные
данные: =1,3 кг/с
=10-20 м/с
=1,67 кг/м3
d==0,35м =350 мм
Принимаю
Dу=350 мм, dн=358 мм, S=4
мм, Н=235 мм
3) Штуцер
для ввода флегмы.
d=, мм
Исходные
данные: =0,882 кг/с
=724,8 кг/м3
=0,5-1,0 м/с
d==0,045 м =45 мм
Принимаю
Dу=50 мм, dн=55 мм, S=3,5
мм, Н=120 мм
4) Штуцер
для вывода кубового остатка.
d=, мм
Исходные
данные: =1,7 кг/с
=0,5-1,0 м/с [7, стр.41]
=815,3кг/м3
d==0,06 м =60 мм
Принимаю
Dу=50 мм, dн=55 мм, S=3,5
мм, Н=120 мм
5) Штуцер
для ввода парожидкостной смеси.
d=, или
f=0,25*fтр
fтр= 0,176 м2
d==0,237 м =237 мм
Принимаю
Dу=250 мм, dн=260 мм, S=5
мм, Н=175 мм
6) Штуцер
для вывода жидкости.
d=, мм
Исходные
данные: =1,9 кг/с
=0,5-1,0 м/с
=815,3кг/м3
d==0,06 м =60 мм
Принимаю
Dу=50 мм, dн=55 мм, S=3,5
мм, Н=120 мм
Тепловой
баланс ректификационной установки
1) Расход
тепла в кипятильнике:
(рассчитан
выше)
2) Расход
греющего пара в кипятильнике:
По (3,
стр.525, табл. LVII) через
давление греющего пара P =0,4
MПа=4 ат находим удельную энтальпию
пара:
=4ат rкон=2744
кг/с
3) Расход
тепла дефлегматора:
Qg=Dм* rдис
Qg = 1,3*595,5=774 кВт
4) Расход
охлаждающей воды в дефлегматоре при нагреве её на 20ºC:
В интервале
температур 9-20 ºC вода
имеет теплоемкость Cв = 4, 19
кг/с
5) Расход
тепла в подогревателе:
Qn=
ω1 * C1 * t1=2,22*1,93*63,8=273,4
6) Расход
греющего пара в подогревателе:
кг/с
7) Общий
расход греющего пара:
0, 20+0,09=0,29 кг/с
8) Расход
тепла холодильника:
-
дистиллята:
= П * t2 * C2 =0,3 *56,7 * 2,25=38,3 кВт
- кубового
остатка:
= ω0 * t0 * C0 =1,9* 77 * 1,47=215 кВт
9) Расход
охлаждающей воды при нагреве её на 20 ºC в холодильнике:
-
дистиллата:
кг/с
- кубового
остатка:
кг/с
10) Общий
расход охлаждающей воды:
кг/с
Расчет
кубового кипятильника
1) Расход
тепла в кипятильнике:
Qкип = 575,7
кВт
2) Расход
гр. Пара в кипятильнике:
3)
Подготовка к расчету коэффициента теплопередачи:
В трубах
смесь, в межтрубном пространстве - теплоноситель (конденсированный пар)
Движущая
сила процесса:
Dt = T-t = 45,8°С
Коэффициент
теплопередачи от конденсирующегося пара к жидкости:
А) Для
водяного пара:
, где x - высота труб
с = 0,943 -
для вертикальных теплообменников
А0 =
12,92·103 [7, c.149]
kор = 600
Вт/м2·К.
Выбираем
теплообменник по каталогу:
Одноходовой
теплообменник типа ТН и ТЛ:
F = 21 м2
l = 1500
мм-длина трубы
dнґs = 38ґ2 [мм]
nтруб=121
fтр =0,11
м2-трубное пространство
Б)
Характеристика стенки:
Выбор
материала из которого изготавливать трубки:
Стальl=46,5 [3, c.529, табл. XXVIII]
По каталогу
[4, с.414] выбираем толщину стенки:
d=2мм
В) Для
кипящего бензола:
В0 =
40·р0,3·j3 [7]
(коэффициент,
включающий различные теплофизические константы)
Бензол:
Вода:
r = 815 кг/м3r = 972 кг/м3 [3, c.512, табл. IV]
m = 0,316·10-3 Па·сm = 0,357 10-3 Па·с [3, c.516, табл. IX]
М = 78
г/мольМ = 18 г/моль [3, c.541, табл. XLIV]
p = рверха +
Dрполн = 1,3 бар
В0 =
40·1,30,3·0,4653 = 4,8
4) Расчет
коэффициента теплопередачи:
kрасч = 1902
Вт/м2·К.
5) Расчет
поверхности теплообмена:
Одноходовой
теплообменник типа ТН и ТЛ:
F = 7 м2
H = 1500
мм-высота трубы
dнґs = 25ґ2 [мм]
nтруб=61
fтр
=0,021м2-трубное пространство
Dнар = 325
мм
Расчёт
дефлегматора
1) Расход
тепла:
Qд=774 кВт
2) Расход
охлаждающей воды:
Gвдеф=9,23 кг/с
3) Расчет
движущей силы теплообменного процесса:
°C
4) Расчет
термического сопротивления:
Материал
трубок:
Стальl=46,5 [3, c.529, табл. XXVIII]
толщина
стенки:
d=2мм(dґS: 25ґ2)
5)
Предварительный выбор теплообменного устройства:
Задаемся
ориентировочным коэффициентом теплопередачи кор = 500 Вт/(м2·К) (при
вынужденном движении, при передаче тепла от конденсирующегося пара к воде,
границы задания ориентировочных значений к=300ё800)
[3, c.172,
табл.4.8]
Ориентировочная
поверхность теплообмена:
Для одноходового
теплообменника ближайшей является F=71м2.
l = 5000
мм-длина трубы
dнґs = 38ґ2 [мм]
nтруб=121
fтр =0,11
м2-трубное пространство
Расчет
скорости воды:
Оценка
режима течения:
nводы = 0,66 м2/с
- это развитый турб. режим (Re > 104)
6) Расчет a2:
Расчет
значения критерия Нуссельта по формуле:
el=1(т. к. l/d > 50)
По номограмме [3, c.564, рис. ХIII] определяется значение
критерия Прандтля: Pr = 3,4
7) Расчет
интенсивности теплообмена:
c=0,72 - для
горизонтальных труб
8) Расчет
коэффициента теплопередачи:
kop=500
Вт/(м2·К)
k=397,9
Вт/(м2·К)
9) Выбор
теплообменника по каталогу [4, c.417]:
Одноходовой
теплообменный аппарат типа ТН или ТЛ:
F = 97 м2
fтр = 0,176
м2
nтруб=511
Подогреватель
исходной смеси
где
По каталогу [4, c.416] выбираем одноходовой теплообменник со
следующими характеристиками:
F = 28 м2
l = 2000
мм-высота трубы
dнґs = 38ґ2 [мм]
fтр =0,11
м2-трубное пространство
Dнар = 600
мм
Водяной
холодильник дистиллята
где
F = 9 м2
l = 1000
мм-высота трубы
dнґs = 25ґ2 [мм]
fтр =0,0042
м2-трубное пространство
Dнар = 400
мм
Водяной холодильник
кубового остатка.
где
По каталогу
[4, c.413] выбираем одноходовой теплообменник со следующими характеристиками:
F = 19 м2
l = 4000
мм-высота трубы
dнґs = 25ґ2 [мм]
fтр =0,0021
м2-трубное пространство
Dнар = 325
мм
Подбор и
расчет конденсатоотводчиков.
При давлении
на входе не менее 0,1 МПа и противодавлении не более 50% давления на входе
устойчиво работают термодинамические конденсатоотводчики. Они применяются для
отвода переохлажденного конденсата.
Расчетное
количество конденсата после теплопотребляющего аппарата:
кг/с =0,86 т/ч
кг/с =0,36 т/ч
Давление
греющего пара перед конденсатоотводчиком:
P1=0,95*Pгр=0,95*4=3,8 ат
Давление
после конденсатоотводчика при свободном сливе конденсата:
Р2=0,1 ат.
Условная
пропускная способость:
КVу=, где
ΔР = Р2
- Р1 - перепад давления на конденсатоотводчике, ат.
А -
коэффициент, учитывающий температуру конденсата и перепад давлений на
конденсатоотводчике (определяется по графику).
т/с
мм
Подбираем
конденсатоотводчик для кипятильника:
Dу=50 мм; L=200 мм; L1=24
мм; Hмакс=103 мм; H1=60 мм; D0=115
мм
т/с
мм
Подбираем
конденсатоотводчик для подогревателя:
Dу=20 мм; L=100 мм; L1=16
мм; Hмакс=63 мм; H1=22,5 мм; D0=67
мм
В данном
проекте используют термодинамические конденсатоотводчики 45Ч12ИЖ для
автоматического отвода из пароприемника конденсата водяного пара рабочей
температуры до 200 ºC.
Расчет и выбор вспомогательного оборудования
Расчет емкостей.
Для приема исходной смеси (Е1), кубового остатка (Е2) и
дистиллата (Е3) должны быть предусмотрены резервуары. Размеры последних
рассчитываются, исходя из условий обеспечения непрерывности работы установки в
течение 6 часов (τ) и заполнении их на 0,8 емкости (К3).
Расчет резервуара для хранения исходной смеси.
Исходные данные: a1=0,15 масс дол.
W1 =2,22 кг/с;
τ=6ч =21600
с; ρА=791,0 кг/м3
К3=0,8; ρВ=879,0кг/м3 при 20 ºC
кг/м3
м3
Подбираю емкость ГЭЭ1-1-100-0,6.
Dвн=3200 мм L(H) =16700 мм
Расчет резервуара для хранения дистиллата.
Исходные данные: d2=0,925 масс дол.
П =0,55 кг/с;
τ=21600 с; ρА=791,0 кг/м3
К3=0,8; ρВ=879,0кг/м3 при 20 ºC
кг/м3
м3
Подбираю емкость ГЭЭ1-2-125-0,6.
Dвн=2400 мм L(H) =4500 мм
Расчет резервуара для хранения кубового остатка.
Исходные данные: a0=0,025 масс дол.
W0 =1,9 кг/с;
τ=21600 с; ρА=791,0 кг/м3
К3=0,8; ρВ=879,0кг/м3 при 20 ºC
кг/м3
м3
Подбираю емкость ГЭЭ1-1-100-0,6.
Dвн=3200 мм L(H) =16700 мм
Расчет толщины тепловой изоляции ректификационной установки.
Расчет толщины тепловой изоляции проводится по формуле:
, где
αВ =9,3+0,058* - коэффициент теплоотдачи от
внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/м2 *К.
- температура изоляции со стороны
окружающей среды.
=20 0С
- температура изоляции со стороны
колонны. Ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по
сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции:
≈ При Ргр =4ат. → =142,9 0С
- температура окружающей среды
(воздуха). Температура воздуха в г. Ярославле зимой - 20 0С.
λu - коэффициент
теплопроводности изоляционного материала в качестве материала для тепловой
изоляции выбираю совелит (85% магнезии и 15% асбеста). По (1, стр.504, табл. XXVIII) для совелита λu =0,09
αВ =9,3+0,058 * 40 =11,6
м
Принимаю толщину тепловой изоляции 0,23м и для других
аппаратов.
Список использованной литературы
1) Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между
жидкостью и паром, М.: Наука, 1966.
2) Захаров М.К., Солопенков К.Н., Варфоломеев Б.Г.
Методические указания к курсовому проектированию ректификационных установок
непрерывного действия, М.: Полинор-М, 1995.
3) Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи
по курсу процессов и аппаратов химической технологии, Л.: Химия, 1987.
4) Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и
расчета химической аппаратуры: Приложение к справочнику, М.: Машиностроение,
1970.
5) Колонные аппараты: Каталог, М.: Цинтихимнефтемаш, 1978.
6) Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и
расчета химической аппаратуры: Справочник, М.: Машиностроение, 1970.
Мясоединков В.М. / Под ред. Б.Г. Варфоломеева Подбор и
расчет конденсатоотводчиков, М.: МИТХТ, 1989.
Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др. Основные
процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию, М.:
Химия, 1991.
Сварное емкостное оборудование. Каталог ЦИНТИХИМНЕФТЕМАН,
"Москва", 1987 г.
|