|
Дипломная работа: Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метиловый - этиловый спиртМежду кривой равновесия и линиями рабочих концентраций в соответствии с табличными значениями х проводим ряд прямых, параллельных оси ординат (Приложение В1). Измеряем полученные отрезки А1В1, А2В2 и т. д. Определяем велечину отрезков А1В1, А2В2 и т. д. Через найденные для каждого значения х точки В1, В2 проводим кинетическую кривую, отображающую степень приближений фаз на тарелках равновесию. Число реальных тарелок nД 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. Высота тарельчатой колонны: Общая высота колонны: где hсеп – расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны,(высота сепаратного пространства), принимаем 1м; hкуб – расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны, (высота кубовой части), принимаем 2,5м [3, приложение Б6]. 2. Гидравлический расчет колонны 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; ωоп – скорость пара в рабочем сечении колонны, м/с; hw – высота сливной перегородки, м; how – подпор, м; ΔΡσ – сопротивление, связанное с преодолением сил поверхностного натяжения на границе жидкость пар при выходе пара из отверстий тарелки в жидкость, Па. Высоту сливной перегородки hw выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить достаточный слой жидкости на тарелке (hw+ how)≥40 мм. При малых расходах жидкости, когда подпор how мал, это обеспечивается сливной перегородкой высотой hw . При больших расходах жидкости, когда слой жидкости на тарелке составляет 80 мм и более, высота сливной перегородки может быть уменьшена вплоть до hw=0. В этом случае необходимый слой жидкости на тарелке обеспечивается за счет подпора жидкости над гребнем слива how . Скорость газа в интервале устойчивой работы клапанных тарелок может быть определена по уравнению: где:G – масса клапана, кг; Fc – доля свободного сечения тарелки, %; F0 – площадь отверстия под клапаном, м2; 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 hw и зависит от расхода жидкости, формы и длины сливной перегородки [ ]. Для сплошной сливной перегородки: , где: Lv – объемный расход жидкости, м3/ч; В=2,05 – периметр слива, м; Kow – 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 Kow находим отношение: Для верхней части колонны находим отношение : Kow в.=1,015 Для нижней части колонны находим отношение : Kow н.=1,025. Подпор жидкости на тарелке для верхней части колоны: Подпор жидкости на тарелке для нижней части колоны: Сопротивление, обусловленное действием си поверхностного натяжения: гдеrгидр – гидравлический радиус отверстий, через которые пар выходит в жидкость, м. гдеF0, П0 – площадь, м2 и периметр, м отверстий, через которые выходит пар, соответственно Поверхностное натяжение рассчитываем по формуле: σн = σА∙н.ср. + σВ∙(1- н.ср) , где σА, σВ – поверхностное натяжение метилового и этилового спиртов при tср.н [1 с. 526] , σн = 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: а) для верхней части колонны: а) для нижней части колонны: Сопротивление тарелки на верхней части колоны: Сопротивление тарелки на нижней части колоны: Общее сопротивление колонны: гдеnв , nн – действительное число тарелок в верхней и нижней части колоны, соответственно. Определение действительного числа тарелок поведено в разделе 1,7 3. Тепловой расчет ректификационной колонныРасход 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; - массовые доли компонентов. Температура кипения смеси tF=76,2оC, кубового остатка tW=77оC и дистиллята tD=65,5оC; теплоемкости метанола и этанола при этих температурах определяем по номограмме (ХI, с.562 [1]) (А-метиловый спирт, В- этиловый спирт) Теплоемкости смесей: ; ; . 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 tD=65,5оC (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/(м2К), ; . -наружная поверхность изоляции колонны, определяем по формуле: ; . Потери тепла в окружающую среду: ; . Расход тепла в кубе колонны с учетом тепловых потерь: Расход 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 (с.562[1]) ; . 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 -толщина изоляции, м; -температура внутренней поверхности изоляции, принимаем ее ориентировочно на 10-200С ниже средней температуры в колонне . 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: 100-77=23оС. 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 252мм; 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: , - удельная теплота конденсации компонентов А и В при температуре tD=65,5оC (табл. XLV стр.541 [1]). . Расход воды кг/с, Где с2=4190 Дж/(кг К) – удельная теплоемкость воды при средней температуре t2=280 С Объемный расход воды м3/с, 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 м2. Для обеспечения турбулентного течения воды при Re>10000 скорость в трубах должна быть больше w1 м/с, 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 Вт/(м2·К). Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара смеси метанола и этанола на пучке горизонтальных труб Вт/м2К, где - 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]), 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 Вт/(м2·К). Коэффициент теплопередачи Вт/(м2·К). Поверхностная площадь теплового потока Вт/м2, где Δtср=37,5 ºС – средняя разность температур. Проверяем принятое значение (Pr1/Prст1)0,25. Определим ºС, ºС. 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 м2. 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 252мм 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 252мм 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 ; . ºС. Определим среднюю температуру смеси ºС. Объемный расход смеси м3/с, 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 Вт, 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 - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах; - массовые доли компонентов. ; Расход сухого греющего пара с учетом 7 % потерь теплоты кг/с, 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 м2. Составляем схему процесса теплопередачи. Для обеспечения турбулентного течения смеси при Re>10000 скорость в трубах должна быть больше w'1 м/с, 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 Вт/(м2·К). Рассчитаем коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб. Расчет осуществляем приближенно (без учета влияния поперечных перегородок). Вт/(м2·К), 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 Вт/(м2·К). Коэффициент теплопередачи Вт/(м2·К). Поверхностная площадь теплового потока Вт/м2, где Δtср=61,5 ºС – средняя разность температур. Проверяем принятое значение (Pr1/Prст1)0,25. Определим ºС, ºС. 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 - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах; - массовые доли компонентов. ; 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 м2. 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. |
НОВОСТИ |
ВХОД |
|
Рефераты бесплатно, реферат бесплатно, рефераты на тему, сочинения, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты, рефераты скачать, курсовые, дипломы, научные работы и многое другое. |
||
При использовании материалов - ссылка на сайт обязательна. |