Курсовая работа: Полный расчет ректификационной колонны

,

где =0,55- множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали;

теплопроводность смеси, Вт/(м.К);

-плотность смеси, кг/м3;

теплота конденсации, Дж/кг;

- скорость свободного падения, м/с;

-вязкость смеси, мПа.с;

- наружный диаметр труб, м.

Коэффициент  может быть существенным для вязких конденсатов, а для воды в первом приближении его не учитывают.

Определим теплопроводность, плотность, вязкость при определяющей температуре t=50.5 ْC и теплоту конденсации при температуре конденсации:

кДж/кг

где  - теплоты испарения ацетона и четыреххлористого углерода,.

,

где исходные данные: A1 =72.18; t 1кр=235.1; A2=25.64; t2кр=283.4

;

 .

мПа.с

 мПа.с

 кг/м3

 кг/м3

 кг/м3

 Вт/мК

 Вт/мК

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Примем что

Определим температуру второй стенки по формуле:

Определим коэффициент теплопроводности для воды при t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим коэффициент теплопроводности для воды при t=34.23 ْC:

Определим вязкость жидкости для воды при t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Па

Аналогично определим вязкость воды при t=34.23 ْC:

Па

Определим теплоемкость воды t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим теплоемкость воды при t=34.23 ْC:

Определим критерий Рейнольдса по формуле:

,

где - вязкость смеси, Па.с;

G- расход воды, кг/с;

z- число ходов, z=4;

d- внутренний диаметр труб, м;

Nтр- количество труб.

Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах tср=29.32ْС, tст=34.23ْС:

,

где с- теплоемкость воды, Дж/кгК;

теплопроводность воды, Вт/(м.К);

-вязкость воды, мПа.с.

Определим критерий Нуссельта по формуле:

Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи второй стенки по формуле:

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Сопоставим q1 и q2, т разность выразим в процентах:

Выбранная температура стенки наугад не подходит.

2. Выбираем новую температуру стенки tст1=44ْС и проводим расчеты аналогично расчетам при температуре стенки  ْC

Тогда

Δt=tD-tст1=56-44=12 ْC

tпл=(tкон+tст1)/2=(56+44)/2=50 ْC

Необходимо определить поверхностные плотности теплового потока и сопоставить их, если разница между ними будет меньше 5 %, то можно считать, что процесс установившийся и температура стенки подобранна правильно.

,

где - коэффициенты теплоотдачи от стенки 1 и 2;

,

где =0,55- множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали;

теплопроводность смеси, Вт/(м.К);

-плотность смеси, кг/м3;

теплота конденсации, Дж/кг;

- скорость свободного падения, м/с;

-вязкость смеси, мПа.с;

- наружный диаметр труб, м.

Коэффициент  может быть существенным для вязких конденсатов, а для воды его не учитывают.

Определим теплопроводность, плотность, вязкость при определяющей температуре t=50 ْC и теплоту конденсации при температуре конденсации:

кДж/кг

где  - теплоты испарения ацетона и четыреххлористого углерода,.

,

где исходные данные: A1 =72.18; t 1кр=235.1; A2=25.64; t2кр=283.4

;

 .

мПа.с

 мПа.с

 кг/м3

 кг/м3

 кг/м3

 Вт/мК

 Вт/мК

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Примем, что

Определим температуру второй стенки по формуле:

Определим коэффициент теплопроводности для воды при t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим коэффициент теплопроводности для воды при t=32.5 ْC:

Определим вязкость жидкости для воды при t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Па

Аналогично определим вязкость воды при t=32.5 ْC:

Па

Определим теплоемкость воды t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим теплоемкость воды при t=32.5 ْC:

Определим критерий Рейнольдса по формуле:

,

где - вязкость смеси, Па.с;

G- расход воды, кг/с;

z- число ходов, z=4;

d- внутренний диаметр труб, м;

Nтр- количество труб.

Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах tср=29.32ْС, tст=32.5ْС:

,

где с- теплоемкость воды, Дж/кгК;

теплопроводность воды, Вт/(м.К);

-вязкость воды, мПа.с.

Определим критерий Нуссельта по формуле:

Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи второй стенки по формуле:

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Сопоставим q1 и q2, т разность выразим в процентах:

Выбранная температура стенки наугад не подходит.

3. Используя графический метод, определяем температуру стенки в третьем приближение-

 ْC (графическое решение приведено в приложение 5).

Проводим расчеты аналогичные расчетам, выполненным в пункте 2.

Δt=tD-tст1=56-44.8=11.2 ْC

tпл=(tкон+tст1)/2=(56+44.8)/2=50.4 ْC

Необходимо определить поверхностные плотности теплового потока и сопоставить их, если разница между ними будет меньше 5 %, то можно считать, что процесс установившийся и температура стенки подобранна правильно.

,

где - коэффициенты теплоотдачи от стенки 1 и 2;

,

где =0,55- множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали;

теплопроводность смеси, Вт/(м.К);

-плотность смеси, кг/м3;

теплота конденсации, Дж/кг;

- скорость свободного падения, м/с;

-вязкость смеси, мПа.с;

- наружный диаметр труб, м.

Коэффициент  может быть существенным для вязких конденсатов, а для воды его не учитывают.

Определим теплопроводность, плотность, вязкость при определяющей температуре t=50 ْC и теплоту конденсации при температуре конденсации:

кДж/кг

где  - теплоты испарения ацетона и четыреххлористого углерода,.

,

где исходные данные: A1 =72.18; t 1кр=235.1; A2=25.64; t2кр=283.4

;

 .

мПа.с

 мПа.с

 кг/м3

 кг/м3

 кг/м3

 Вт/мК

 Вт/мК

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Примем что

Определим температуру второй стенки по формуле:

Определим коэффициент теплопроводности для воды при t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим коэффициент теплопроводности для воды при t=33.89 ْC:

Определим вязкость жидкости для воды при t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Па

Аналогично определим вязкость воды при t=33.89 ْC:

Па

Определим теплоемкость воды t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим теплоемкость воды при t=33.89 ْC:

Определим критерий Рейнольдса по формуле:

,

где - вязкость смеси, Па.с;

G- расход воды, кг/с;

z- число ходов, z=4;

d- внутренний диаметр труб, м;

Nтр- количество труб.

Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах tср=29.32ْС, tст=32.5ْС:

,

где с- теплоемкость воды, Дж/кгК;

теплопроводность воды, Вт/(м.К);

-вязкость воды, мПа.с.

Определим критерий Нуссельта по формуле:

Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи второй стенки по формуле:

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Сопоставим q1 и q2, т разность выразим в процентах:

Температура стенки подобрана верно.

Определим коэффициент теплоотдачи по формуле:

Зная коэффициент теплоотдачи, определим поверхность теплообмена по формуле:

Таким образом, рассчитанное значение коэффициента теплоотдачи больше выбранного нами коэффициента теплоотдачи в ориентировочном расчете дефлегматора, а поверхность теплообмена меньше, чем ориентировочная поверхность теплообмена дефлегматора. Значение поверхности теплообмена стандартного дефлегматора F=269 м2, следовательно дефлегматор выбран с запасом поверхности теплообмена 13%.

Вывод

В данной курсовой работе мы произвели расчет ректификационной колонны для разделения смеси: ацетон-четыреххлористого углерода при атмосферном давлении. В качестве ректификационной колонны используется аппарат насадочного типа с кольцами Рашига 50мм, обеспечивающий перекрестное движение пара и жидкости, высотой H=6.43м и диаметром D=2м.

Был произведен ориентировочный расчет пяти теплообменников: дефлегматора, подогревателя, куба испарителя и двух холодильников (дистиллята и кубового остатка); в результате чего были выбраны:

- стандартные куб испаритель с трубами 25x2мм, исполнения 2 по ГОСТ 15119-79 с внутренним диаметром кожуха D=1м, числом труб n=747, длиной труб l=3м и поверхностью теплообмена F=176 м2;

- четырехходовой подогреватель по ГОСТ 15121-79 с внутренним диаметром кожуха D=0.6м, числом труб n=334, числом рядов труб np=18, длиной труб l=3м, с проходным сечением одного хода Sт=0.016м2, поверхностью теплообмена F=63 м2;

- двухходовой холодильник кубового остатка с трубами 20x2мм по ГОСТ 15122-79 с внутренним диаметром кожуха D=0.4м, с числом труб n=166, длиной труб l=3м, числом рядов труб np=14, с расстоянием между перегородками в межтрубном пространстве h=0.25м, поверхностью теплообмена F=31м2;

- четырехходовой холодильник дистиллята с трубами 25x2мм по ГОСТ 15122-79 с внутренним диаметром кожуха D=0.6м, с числом труб n=206, длиной труб l=2м, числом рядов труб np=14, с расстоянием между перегородками в межтрубном пространстве h=0.3м, поверхностью теплообмена F=32м2;

- четырехходовой дефлегматор с трубами 20x2мм по ГОСТ 15121-79 с внутренним диаметром кожуха D=1м, числом труб n=1072, длиной труб l=4м, поверхностью теплообмена F=269м2, с числом рядов np=34 и проходным сечением одного хода Sтр=0.051м;

- шестиходовой дефлегматор с трубами 25x2мм по ГОСТ 15121-79 с внутренним диаметром кожуха D=1.2м2, числом труб n=958, длиной труб l=4м, поверхностью теплообмена F=301м2, с числом рядов np=32 и проходным сечением одного хода Sтр=0.052м.

Подробно рассчитаны два дефлегматора: четырехходовой – вручную, шестиходовой – с помощью ЭВМ (приложение 6).

Выбор дефлегматора зависит от конкретных критериев. В случае необходимости получения более высокой скорости протекания процесса необходимо использовать шестиходовой дефлегматор, так как скорость возрастает в число раз равное числу ходов, а в случае, когда в качестве основного критерия применяется минимизация затрат – четырехходовой.

Для изготовления аппарата выбрана нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т по ГОСТ 5949-75 с коэффициентом теплопроводности .

Список использованной литературы

1.  Основные процессы и аппараты химической технологии /Пособие по проектированию/, Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под. ред. Ю.И. Дытнерского, 2-ое изд. перераб. и дополнен. М: Химия, 1991 – 496 с.

2.  Справочник химика том V, под ред П.Г.Романкова, 2-ое изд. перераб. и дополнен.Л Химия, 1968-975с.

3.  Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии /Учебное пособие/, К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков, 9-ое изд. перераб. и дополнен. Л. Химия,1987-575с.

4.  Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные /Метод указания/. ЛТИ им. Ленсовета – Л.: 1989, 40 с.