Проектирование ректификационной установки для разделения смеси бензол-толуол под атмосферным давлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

46

Санкт-Петербургский Государственный Технологический Институт

(Технический университет)

Учебная дисциплина:

Процессы и аппараты химической технологии

Тема: Проектирование ректификационной установки для разделения смеси бензол-толуол под атмосферным давлением

Студент: Данилочкин П.А.

Руководитель: Банных О.П.

Санкт-Петербург 2012

Задание на курсовой проект

Спроектировать ректификационную установку для разделения смеси бензол-толуол под атмосферным давлением. Сделать подробный расчёт ректификационной колонны и водяного холодильника кубового остатка (режим движения теплоносителей - турбулентный). Куб-испаритель, подогреватель исходной смеси, холодильник дистиллята и дефлегматор рассчитать приближённо. Выбрать стандартные аппараты. Сделать эскиз технологической схемы установки и чертёж общего вида холодильника кубового остатка.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЁТА:

Колонна с решётчатыми тарелками.

Производительность установки по дистилляту 1.75 т/час.

Концентрация легколетучего компонента в исходной смеси 60%масс.

Концентрация легколетучего компонента в дистилляте 90%масс.

Концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке 10%масс.

Температура исходной смеси 40 С.

Начальная температура охлаждающей воды 18 С.

Готовые продукты охлаждаются до 25 С.

Давление греющего пара 2.5 атм (изб).

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Конструкции ректификационных колонн

2. Технологический расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения смеси бензол-толуол

2.1 Материальный баланс и рабочее флегмовое число

2.2 Определение средних физических величин потоков пара и жидкости

2.3 Гидравлический расчёт ректификационной установки с решётчатыми тарелками

2.3.1 Определение рабочей скорости пара и диаметра колонны

2.3.2 Гидравлический расчёт решётчатых тарелок

2.3.3 Расчёт высоты колонны

2.3.4 Расчёт гидравлического сопротивления колонны

3. Расчёт теплообменников

3.1 Приближённый расчёт холодильника дистиллята

3.2 Приближённый расчёт подогревателя исходной смеси

3.3 Приближённый расчёт куба-испарителя

3.4 Приближённый расчёт дефлегматора-конденсатора

3.5 Подробный расчёт водяного холодильника кубового остатка (турбулентный режим течения теплоносителей)

Выводы

Список использованной литературы

Введение

Ректификация - это массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных аппаратах (колонных) с контактными элементами (насадка, тарелки). Этот процесс основан на различной летучести составляющих смесь компонентов, т.е. на различии в температурах кипения компонентов при одинаковом давлении. Процесс ректификации осуществляют в аппаратах, называемых ректификационными колоннами. В промышленности наибольшее распространение получили тарельчатые ректификационные колонны с колпачковыми, ситчатыми, клапанными и решетчатыми тарелками.

Через ректификационную колонну противотоком движутся пар и жидкость. Пар идет снизу вверх, жидкость стекает сверху вниз. На каждой тарелке колонны они вступают в контакт благодаря барботажу - прохождение пузырьков и струек пара через слой жидкости на тарелке. Вследствие отсутствия термодинамического равновесия между паром и жидкостью при этом возникают процессы тепло- и массообмена, в результате которого состояние двухфазной системы приближается к равновесному. Пар становится богаче более летучим (низкокипящим) компонентом, а жидкость - менее летучим (высококипящим). Температура пара падает, жидкости - возрастает.

Пар образуется в кубе-испарителе при кипении жидкости, стекающей в него с нижней тарелки колонны. Концентрация легколетучего компонента, как в жидкости, так и в образующемся при ее кипении паре - низкая. Из куба-испарителя пар поступает в колонну под нижнюю тарелку. По мере продвижения через тарелки пар все в большей степени обогащается легколетучим компонентом. С верхней тарелки пар уходит в конденсатор (дефлегматор), где он полностью конденсируется. Часть образовавшегося конденсата - жидкости с высокой концентрацией легколетучего компонента - поступает на верхнюю тарелку колонны. Эту часть жидкости называют флегмой. Остальную жидкость отбирают в качестве верхнего продукта - дистиллята. Флегма, стекая вниз по тарелкам, обедняется более летучим компонентом и приходит в куб-испаритель. Часть жидкости отбирают в качестве нижнего продукта разделения - кубового остатка. Исходную бинарную смесь (питание) подают на одну из тарелок средней части колонны, на которой состав жидкости близок к составу питания. Тарелка, на которую поступает исходная смесь, называется питающей. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется процесс многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами.

Происходит непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной смеси на дистиллят и кубовый остаток. Концентрация получаемых продуктов разделения зависят от числа тарелок в колонне и от режима ее работы.

Для обогрева испарителей ректификационных колонн наиболее часто применяют насыщенный водяной пар. Реже используют электронагреватель, топочные газы и высокотемпературные органические теплоносители. Охлаждение конденсаторов (дефлегматоров) производят чаще всего водой.

1. Аналитический обзор

1.1 Конструкции ректификационных колонн

Ректификационные колонны отличаются, в основном, конструкцией внутреннего устройства для распределения жидкой и паровой фаз. Взаимодействие жидкости и пара осуществляется в колоннах путём барботирования пара через слой жидкости на тарелках или же путём поверхностного контакта пара и жидкости на насадке или на поверхности жидкости, стекающей тонкой плёнкой.

Тарелки можно подразделить на четыре группы:

1. Тарелки с перекрёстным контактом фаз, в которых движение жидкости и пара (газа) осуществляется перекрёстным током. Эти тарелки имеют специальные переливные устройства, для перетока жидкости с одной тарелки на другую, при этом пар не проходит по переливным устройствам. К этой группе относятся колпачковые, ситчатые, клапанные и другие тарелки.

2. Тарелки провального типа, в которых переливные устройства отсутствуют, так что пар (газ) и жидкость проходят через одни и те же отверстия. На этих тарелках контакт фаз осуществляется по схеме полного перемешивания жидкости. К этой группе относятся решётчатые (щелевые) провальные тарелки, дырчатые провальные тарелки и трубчатые, составленные из труб так, что между ними остаются щели, через которые движутся пар (газ) и жидкость. Последние применяются для неизотермической абсорбции, при этом по трубам пропускают холодную воду для отвода выделяющегося тепла.

3. Тарелки с однонаправленным движением пара (газа) и жидкости, так называемые прямоточные. Пар (газ) выходит из отверстий в направлении движения жидкости на тарелке. Эти тарелки обычно имеют переливные устройства. К этой группе относятся S-образные клапанные, ситчатые и струйные с отбойными элементами и другие тарелки.

4. Специально спроектированные тарелки для проведения конкретных процессов.

Решётчатые тарелки

В современных ректификационных аппаратах применяются решётчатые тарелки. Они, несмотря на несколько меньшую эффективность и диапазон устойчивости работы по сравнению, например, с колпачковыми тарелками просты и технологичны в изготовлении, имеют малое гидравлическое сопротивление.

1 - полотно, 2 - сегмент, 3 - опорное кольцо, 4 - косынка; b - ширина щели, t - шаг между щелями. Рис. 1. Схема решётчатой тарелки

2. Технологический расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения смеси бензол-толуол

2.1 Материальный баланс и рабочее флегмовое число

Простая полная колонна. Обогрев глухим паром. Простая полная колонна имеет один сырьевой поток, два потока продуктов, один теплопровод и один теплосъем на концах аппарата. В таком аппарате сырье подается среднюю часть колонны, дистиллят отбирается сверху, а кубовый остаток - снизу колонны.

Запишем уравнение материального баланса:

GF = GD + GW (1)

GFXF = GDXD+ GWXW, (2)

где GF, GD, GW - массовые или мольные расходы питания, дистиллята и кубового остатка;

XF, XD, XW - содержание легколетучего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке, массовые или мольные доли.

кг/с кг/с кг/с

Для дальнейших расчетов выразим концентрации в мольных долях.

Питание:

(3)

где,

- мольные массы бензола и толуола.

Дистиллят:

(4)

Кубовый остаток:

(5)

Определяем минимальное число флегмы по уравнению:

(6)

где =0,81 - мольная доля бензола в паре, равновесном с жидкостью питания, определённая по диаграмме Y* - X.

Рабочее число флегмы:

R=1,3RМИН+0,3=1,3*0,608+0,3=1,09 (7)

Уравнение рабочих линий:

а) верхней части колонны:

 (8)

б) нижней части колонны:

(9)

Диаграмма Y* - X, а также рабочие линии см. в приложении 1.

2.2 Определение средних физических величин потоков пара и жидкости

Физические величины для верха и низа колонны будем рассчитывать отдельно.

а) расчёт для жидкой фазы

Мольные составы:

(10,11)

Массовые составы и мольные массы смеси:

(12,13)

Средние температуры определяются по диаграмме t-x,y при соответствующих значениях мольных составов [1, c.511] :

Плотности [2, c.4] :

кг/м3 кг/м3

кг/м3 кг/м3

кг/м3 (14)

кг/м3

Динамические коэффициенты вязкости [2, с.5] :

Па*с Па*с

Па*с Па*с

Па*с

(15)

Па*с

Коэффициенты диффузии:

Плотности компонентов смеси при 20 °С [2, с.4] :

кг/м3 кг/м3

По формуле (14) определяем плотности смеси при 20°С:

кг/м3

кг/м3

Коэффициенты динамической вязкости компонентов смеси при 20°С [2, с.5] :

Па*с

Па*с

По формуле (15) определяем коэффициенты динамической вязкости смеси:

Па*с

Па*с

Температурные коэффициенты:

(16)



Коэффициенты диффузии бинарной смеси при 20°С:

(17)

где vб и vТ - мольные объёмы растворённого вещества и растворителя (см3/моль) [3, с.8], А и В - коэффициенты, зависящие от свойств растворённого вещества и растворителя [3, с.9].

А=1, В=1, vб=14.8*6+3.7*6+15=126 см3/моль

vТ=14.8*7+3.7*8+15=148.2 см3/моль

Подставив данные значения в формулу (17) получим:

м2/с

м2/с

Коэффициенты диффузии при температуре смеси:

(18)

м2/с

Поверхностные натяжения:

Поверхностные натяжения компонентов при температуре смеси [2, с.10] :

Поверхностные натяжения смеси:

(19)

Мольные расходы:

Молярная масса смесей:

мольные доли легколетучего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке рассчитаны ранее по формулам (3-5)

1) дистиллят

(20)

2) кубовый остаток

(21)

3) питание

(22)

Мольные расходы питания и дистиллята:

1)дистиллят

(23)

2) питание

(24)

Мольные расходы смеси:

(25)

(26)

Массовые расходы смеси:

(27)

(28)

Объёмные расходы смеси:

(29)

б) расчёт для паровой фазы

Мольные составы и определяем по уравнениям рабочих линий (8,9) подставляя в них соответственно и :

(30)

Мольные массы смеси в паровой (газовой) фазе:

(31)

Массовые составы в паровой фазе:

(32)

Средние температуры и определяем по диаграмме t-x,y при соответствующих значениях и [1, c.511] :

Плотности:

(33)

(34)



Динамические коэффициенты вязкости:

Динамические коэффициенты вязкости компонентов смеси при температуре смеси [2, с.8]:

Динамические коэффициенты вязкости смеси:

(35)

Коэффициенты диффузии:

(36)

где T - средняя температура пара, К; Р - среднее давление в колонне, ат; vб и vТ - мольные объёмы растворённого вещества и растворителя, рассчитанные ранее для формулы (17).

Удельная теплота конденсации паров дистиллята:

Удельные теплоты конденсации паров бензола и толуола при температуре дистиллята [2, c.15]:

(37)

Вследствие наличия дефлегматора

Мольный расход пара (принимается постоянным по высоте колонны):

(38)

Массовые расходы пара:

(39)

Объёмные расходы пара:

(40)

2.3 Гидравлический расчёт ректификационной установки с решётчатыми тарелками

дефлегматор бензол толуол ректификационный

2.3.1 Определение рабочей скорости пара и диаметра колонны

Гидравлический расчёт решётчатых тарелок начинают с определения рабочей скорости пара (газа), при этом необходимо отметить две особенности: во-первых, рабочая скорость пара (газа) для решётчатых тарелок принимается равной скорости пара (газа) в сечении колонны, несмотря на то, что диаметр тарелки несколько меньше, чем внутренний диаметр колонны; во-вторых, рабочая скорость пара (газа) должна находиться в области устойчивой работы решётчатой тарелки.

Рабочая скорость пара (газа):

Предельная скорость:

(41а)

(41б)

щ - относительное свободное сечение тарелки, принимаем равным 0.2

dэкв - эквивалентный диаметр щели

В - коэффициент, принимаем равным 8 для предварительных расчётов

g - ускорение свободного падения

мв - динамический коэффициент вязкости воды при 20оС

Рабочая скорость:

Wверх=0.8*WПРверх=0.8*1.596=1.277м/с (42а)

Wниз=0.8*WПРниз=0.8*1.272=1.018м/с (42б)

Диаметр колонны:

(43а)

(43б)

Выбираем стандартный диаметр колонны [3, c.24]:

D=0.6м

Рабочая скорость пара (газа) при стандартном диаметре колонны:

(44а)

(44б)

Проверка и корректировка коэффициента В:

(45а)

(45б)

W - скорость пара (газа) для выбранной стандартной колонны

щ - относительное свободное сечение тарелки для выбранной стандартной колонны

В1 - предварительно выбранное значение коэффициента В

WПР1 - предельная скорость пара (газа)

2.95<B<10 условие выполняется при относительном сечении отверстий щ=0.25 (шаг t=16мм)

2.3.2 Гидравлический расчёт решётчатых тарелок

Высота газожидкостного (барботажного) слоя:

Плотность орошения:

(46а)

(46б)

Коэффициент С:

(47а)

(47б)

Критерий Фруда:

(48а)

 (48б)

Скорость пара (газа) в щелях:

(49а)

(49б)

Высота газожидкостного слоя:

(50а)

(50б)

Высота светлого слоя жидкости:

Величина газосодержания:

(51а)

(51б)

Высота светлого слоя жидкости:

(52а)

(52б)

Брызгоунос:

Расстояние между тарелками [4, с.7]: при выбранном диаметре колонны (D=600мм) h=0.3м

Высота сепарационного пространства:

hc(верх)=h - 2.5h0(верх)=0.3 - 2.5*9.96*10-3=0.2751м (53а)

hс(низ)=0.3 - 2.5*9.31*10-3=0.2767м (53б)

Поправочный коэффициент:

(54а)

(54б)

в данной формуле поверхностное натяжение подставляем в мН/м

Брызгоунос:

(55а)

(55б)

2.3.3 Расчёт высоты колонны

Первым шагом в расчёте высоты колонны является определение коэффициентов массоотдачи. Сложность их расчётов заключается в том, что отсутствуют обобщённые закономерности для определения кинетических коэффициентов процесса ректификации. В приведённых ниже соотношениях в основном использованы кинетические зависимости, полученные при исследовании абсорбционных процессов.

Коэффициенты массоотдачи:

Критерий Рейнольдса:

 (56а)

(56б)

Диффузионный критерий Прандтля:

(57а)

(57б)

Критерий Вебера:

(58а)

(58б)

Диффузионный критерий Нуссельта:

(59а)

(59б)

Диффузионный критерий Пекле:

(60а)

 (60б)

Коэффициенты массоотдачи:

(61а)

(61б)

(62а)

(62б)

Частные числа единиц переноса:

(63а)

(63б)

(64а)

(64б)

Общее число единиц переноса:

(65а)

 (65б)

где m - тангенс угла наклона равновесной линии (см. Приложение 2)

l - тангенс угла наклона рабочей линии (из уравнений рабочих линий (8) и (9))

Коэффициенты массопередачи:

(66а)

(66б)

(67а)

(67б)

Для нахождения реального числа тарелок (числа реальных ступеней изменения концентрации) и, впоследствии, высоты тарельчатой части колонны, нужно оценить локальную эффективность тарелки.

Локальная эффективность для модели идеального вытеснения:

(68а)

(68б)

С помощью компьютерной программы, задав значения E, R, XF, XD, XW, определяем количество реальных тарелок для верха и низа колонны:

nверх=4, nниз=9

Таким образом, получаем 13 тарелок.

Определение высоты колонны:

Высота тарельчатой части колонны:

HT=(N - 1)*h=(13 - 1)*0.3=3.6м (69)

где N - число тарелок в колонне

h - расстояние между тарелками, м [4, c.7]

Общая высота колонны:

H = HT + zB + zH = 3.6 + 0.6 + 1.5 = 5.7м (70)

где zB и zH - расстояния между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м [4, c.17].

2.3.4 Расчёт гидравлического сопротивления колонны

Доля площади отверстий, занятая стекающей жидкостью:

(71а)

(71б)

где о - коэффициент гидравлического сопротивления сухой тарелки, принимаемый равным 1.5

б = 0.62 - коэффициент истечения жидкости

Безразмерный коэффициент в:

(72а)

(72б)

Сопротивление сухой тарелки:

(73а)

(73б)

Сопротивление газожидкостного слоя:

(74а)

(74б)

Полное гидравлическое сопротивление тарелки:

(75а)

(75б)

Гидравлическое сопротивление колонны:

(76)

где и - число реальных тарелок в верхней и нижней части колонны соответственно.

3. Расчёт теплообменников

3.1 Приближённый расчёт холодильника дистиллята

Необходимо подобрать холодильник для охлаждения 0.486 кг/с дистиллята до 25°С охлаждающей водой.

Температура дистиллята tD=82.006°C [1, c.511]

Конечная температура дистиллята tкD=25°С

Начальная температура охлаждающей воды tнН20=18°С

Конечную температуру охлаждающей воды примем равной tкН20=38°С

Температурная схема при противотоке теплоносителей:

Средняя разность температур:

(77)

Средняя температура воды и дистиллята:

(78) (79)

Теплоёмкость воды и дистиллята при их средних температурах:

 (80)

Теплоёмкости бензола, толуола и воды [2, c.11,12].

Количество тепла, отводимое от дистиллята:

(81)

Массовый расход охлаждающей воды:

(82)

Примем коэффициент теплопередачи равным 300Вт/м2К [1, c.159].

Ориентировочная площадь поверхности теплообмена:

(83)

С запасом 15% F=9.5335

В качестве теплообменного аппарата может быть использован теплообменник «Труба в трубе», тип 4, исполнение I, F=11.16м2, 3 элемента, длина теплообменной трубы 9м, площадь проходного сечения внутри теплообменной трубы 115*10-4м2, в кольцевом пространстве 198*10-4м2, диаметр кожуховой трубы 219х6мм, теплообменной 133х6мм [5, c.15].

3.2 Приближённый расчёт подогревателя исходной смеси

Необходимо подобрать теплообменник для подогрева исходной смеси до 88.386°С греющим паром под абсолютным давлением 3.5 атм.

Начальная температура исходной смеси tнF=40°C

Конечная температура исходной смеси tkF=88.386°C

Температура конденсации пара при 3.5 атм tконд=138.124°С [1, c.518].

Температурная схема:

Средняя разность температур:

(84)

Средняя температура исходной смеси:

(85)

Теплоёмкость исходной смеси:

(86)

Удельная теплота парообразования водяного пара [2, c.15].

Количество подводимой к исходной смеси тепла:

(87)

Расход греющего пара:

(88)

Примем коэффициент теплопередачи равным 300Вт/м2К [1, c.159].

Ориентировочная площадь поверхности теплообмена:

(89)

С запасом 15% F=3.775м2

В качестве теплообменного аппарата может быть выбран теплообменник «Труба в трубе» тип 4, исполнение I, поверхность теплообмена 4.45м2, длина теплообменной трубы 9м, площадь проходного сечения в кольцевом пространстве 138*10-4м2, внутри теплообменной трубы 170*10-4м2, диаметр кожуховой трубы 219х6мм, теплообменной трубы 159х6мм [5, c.14].

3.3 Приближённый расчёт куба-испарителя

Необходимо подобрать теплообменник для получения паров смеси бензол-толуол с температурой 105.4760С путём нагревания её греющим паром при абсолютном давлении 3.5 атм.

Температура кубового остатка: tW=105.4760C

Температура конденсации пара при 3.5 атм tконд=138.124°С [1, c.518].

Температурная схема:

Средняя разность температур:

Удельная теплота парообразования:

(90)

где и - удельные теплоты парообразования компонентов при температуре дистиллята [2, c.15].

Удельные теплоёмкости исходной смеси, дистиллята и кубового остатка:

(91)

(92)

(93)

Удельные теплоёмкости бензола и толуола при tF, tD и tW [2, c.11,12]

tF=88.3860C tD=82.0060C tW=105.4760C [1, c.511].

Количество тепла, выделяющееся при конденсации:

(94)

Количество тепла, подводимое в куб:

(95)

Расход пара в кубе-испарителе:

(96)

Примем коэффициент теплопередачи равным 2000Вт/м2К [1, c.159].

Ориентировочная площадь поверхности теплообмена:

(97)

C запасом 15% F=7.05м2

В качестве теплообменного аппарата может быть использован теплообменник «Труба в трубе», тип 4, исполнение I, F=7.44м2, 2 элемента, длина теплообменной трубы 9м, площадь проходного сечения внутри теплообменной трубы 115*10-4м2, в кольцевом пространстве 198*10-4м2, диаметр кожуховой трубы 219х6мм, теплообменной 133х6мм [5, c.15].

3.4 Приближённый расчёт дефлегматора-конденсатора

Необходимо подобрать теплообменный аппарат для конденсации паров дистиллята с температурой 82.0060С с помощью охлаждающей воды.

Температура дистиллята tD=82.0060C

Начальная температура охлаждающей воды tнH20=180C

Конечную температуры охлаждающей воды принимаем равной tкH20=380C

Температурная схема:

Средняя разность температур:

(98)

Количество тепла, выделяющееся при конденсации и отдаваемое охлаждаемой воде: (рассчитано по формуле (94))

Удельная теплоёмкость воды при tсрH20=280C: СH20=4180Дж/кгК

Расход охлаждающей воды:

(99)

Коэффициент теплопередачи принимаем равным 300Вт/м2К [1, c.159]

Ориентировочная площадь поверхности теплообмена:

(100)

С запасом 15% F=28.515м2

В качестве дефлегматора-конденсатора может быть применён одноходовой кожухотрубчатый теплообменник без перегородок. Площадь поверхности теплообмена 34м2, диаметр теплообменных трубок 20х2мм, внутренний диаметр кожуха 400мм, число трубок - 181, площадь проходного сечения теплообменных трубок 3.6*10-2м2, межтрубного пространства 2.5*10-2м2 [3, c.4].

3.5 Подробный расчёт водяного холодильника кубового остатка (турбулентный режим течения теплоносителей)

Необходимо подобрать теплообменный аппарат для охлаждения кубового остатка до температуры 250С охлаждающей водой.

Начальная температура охлаждающей воды tнH20=180C

Конечную температуру охлаждающей воды примем равной 380С

Начальная температура кубового остатка tнW=105.4760C

Конечная температура кубового остатка tкW=250C

Температурная схема при противотоке теплоносителей:

Средняя разность температур теплоносителей:

(101)

Средняя температура воды: (102)

Средняя температура кубового остатка:

(103)

Удельная теплоёмкость кубового остатка:

(104)

Cб и СТ - удельные теплоёмкости бензола и толуола при средней температуре кубового остатка [2, c.11,12].

Количество тепла, отводимое от кубового остатка:

(105)

Расход охлаждающей воды:

(106)

Выберем ориентировочный коэффициент теплопередачи Kориент=250Вт/м2К

(теплообмен от жидкости к жидкости, углеводороды, масла) [1, c.159].

Ориентировочная площадь поверхности теплообмена:

(107)

С учётом запаса 15% Fориент=7.3278м2

В качестве холодильника кубового остатка может быть использован теплообменник «Труба в трубе», тип 4, исполнение I, 3 элемента по 2.49м2, суммарная площадь поверхности теплообмена 7.47м2, длина теплообменной трубы 9м, площадь проходного сечения кольцевого пространства 52.8*10-4м2, теплообменной трубы 49*10-4м2, диаметр кожуховой трубы 133х6мм, теплообменной 89х5мм [5, с.15].

Режим течения теплоносителей - турбулентный.

Проверка режима течения теплоносителей.

Трубное пространство:

Скорость движения теплоносителя в трубном пространстве:

(108)

где - площадь проходного сечения теплообменной трубы,

- плотность кубового остатка при средней температуре последнего;

(109)

и - плотности бензола и толуола при температуре кубового остатка

[2, c.4].

Критерий Рейнольдса для трубного пространства:

(110)

где dэ - эквивалентный диаметр теплообменной трубы

- динамический коэффициент вязкости кубового остатка при его средней температуре:

 (111)

и - динамические коэффициенты вязкости бензола и толуола при средней температуре кубового остатка.

Reтр = 11620 Reтр>10000, условие турбулентности потока выполняется.

Кольцевое пространство:

Скорость движения теплоносителя в кольцевом пространстве:

(112)

где Sкольц - площадь проходного сечения кольцевого пространства

Критерий Рейнольдса для кольцевого пространства:

(113)

где dэ - эквивалентный диаметр кольцевого пространства

dэ = Dвн - dнар = 121 - 89 = 32мм

и - плотность и динамический коэффициент вязкости воды при её средней температуре [2, c.4].

Reкольц=3667 Reкольц>1000, переходный режим, удовлетворяет условиям.

Для уточнения значения коэффициента теплопередачи и окончательного выбора теплообменника необходимо вычислить коэффициенты теплоотдачи теплоносителей.

Расчёт коэффициентов теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи от стенки теплообменной трубы к кубовому остатку:

Так как tст<tW, следовательно мст>мW, следовательно Prст>Pr.

Предполагаем, что

Критерий Прандтля:

где - коэффициент теплопроводности кубового остатка при его средней температуре [2, c.14].

Критерий Нуссельта:

(114)

где еl - коэффициент, учитывающий влияние отношения длины трубы к её эквивалентному диаметру еl=1.07 [1, c.143].

Коэффициент теплоотдачи:

(115)

где

Коэффициент теплоотдачи от охлаждающей воды к стенке теплообменной трубы:

Так как tст>tH20, следовательно

мст<мH20 и Prст<Pr.

Предполагаем, что

Критерий Прандтля:

(116)

где - коэффициент теплопроводности воды при её средней температуре [2, c.4].

Критерий Нуссельта:

(117)

Коэффициент теплоотдачи:

(117)

Определение расчётного коэффициента теплопередачи:

где и - рассчитанные ранее коэффициенты теплоотдачи

- среднее значение тепловой проводимости стенок для органических жидкостей, Вт/м2К [1, c.500].

- среднее значение тепловой проводимости стенок для воды среднего качества, Вт/м2К [1, c.500].

- толщина стенки трубы, м

- теплопроводность материала трубы, Вт/мК [1, c.498].

Выбираем в качестве материала теплообменника сталь, т.к. она экономически выгодна, а теплоносители не являются агрессивными коррозионными средами.

Расчётная площадь поверхности теплообмена:

Так как расчётный коэффициент теплопередачи (Красч=97.088Вт/м2К) значительно меньше ориентировочного (Кориент=250Вт/м2К), необходимо пересчитать площадь поверхности теплообмена:

(119)

С учётом запаса 15% Fрасч=19.158м2

По предварительным расчётам был подобран теплообменник «Труба в трубе», состоящий из 3-х элементов по 2.49м2 суммарной площадью 7.47м2.

Исходя из расчётного значения площади поверхности теплообмена выбираем такой же теплообменник с 8-ю элементами.

Итак, в качестве холодильника кубового остатка используется теплообменник «Труба в трубе» типа 4 исполнения I. Площадь поверхности теплообмена одного элемента 2.49м2. Так как используем 8 элементов, то суммарная площадь F=19.92м2. Длина теплообменной трубы L=9м. Площадь проходного сечения в кольцевом пространстве Sкольц=52.8*10-4м2, внутри теплообменной трубы Sт/о=49.0*10-4м2.

Диаметр кожуховой трубы D=133х6мм, диаметр теплообменной трубы d=89х5мм. Условные давления внутри и снаружи теплообменной трубы Pв/Рн=6.3/4.0 МПа.

Выводы

В данной курсовой работе был произведён расчёт ректификационной колонны для разделения смеси «бензол-толуол» при атмосферном давлении.

В качестве ректификационной колонны используется аппарат с решётчатыми тарелками высотой Н=5.7м и диаметром D=0.6м.

Был проведён приближённый расчёт четырёх теплообменников: куба-испарителя, подогревателя исходной смеси, холодильника дистиллята и дефлегматора-конденсатора, в результате чего были выбраны:

В качестве куба-испарителя может быть использован теплообменник «Труба в трубе», тип 4, исполнение I, F=7.44м2, 2 элемента, длина теплообменной трубы 9м, площадь проходного сечения внутри теплообменной трубы 115*10-4м2, в кольцевом пространстве 198*10-4м2, диаметр кожуховой трубы 219х6мм, теплообменной 133х6мм.

В качестве подогревателя исходной смеси может быть выбран теплообменник «Труба в трубе» тип 4, исполнение I, поверхность теплообмена 4.45м2, длина теплообменной трубы 9м, площадь проходного сечения в кольцевом пространстве 138*10-4м2, внутри теплообменной трубы 170*10-4м2, диаметр кожуховой трубы 219х6мм, теплообменной трубы 159х6мм.

В качестве холодильника дистиллята может быть использован теплообменник «Труба в трубе», тип 4, исполнение I, F=11.16м2, 3 элемента, длина теплообменной трубы 9м, площадь проходного сечения внутри теплообменной трубы 115*10-4м2, в кольцевом пространстве 198*10-4м2, диаметр кожуховой трубы 219х6мм, теплообменной 133х6мм.

В качестве дефлегматора-конденсатора может быть применён одноходовой кожухотрубчатый теплообменник без перегородок. Площадь поверхности теплообмена 34м2, диаметр теплообменных трубок 20х2мм, внутренний диаметр кожуха 400мм, число трубок - 181, площадь проходного сечения теплообменных трубок 3.6*10-2м2, межтрубного пространства 2.5*10-2м2.

Был произведён подробный расчёт холодильника кубового остатка, в результате чего был выбран теплообменник «Труба в трубе» типа 4 исполнения I. Площадь поверхности теплообмена одного элемента 2.49м2. Суммарная площадь F=19.92м2. Длина теплообменной трубы L=9м. Площадь проходного сечения в кольцевом пространстве Sкольц=52.8*10-4м2, внутри теплообменной трубы Sт/о=49.0*10-4м2. Диаметр кожуховой трубы D=133х6мм, диаметр теплообменной трубы d=89х5мм. Условные давления внутри и снаружи теплообменной трубы Pв/Рн=6.3/4.0 МПа.

Список использованной литературы

1. Методы расчёта процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи) /Учебное пособие/ П.Г. Романков, В.Ф. Фролов, О.М. Флисюк, СПб.: Химиздат, 2010.

2. Волжинский А.И., Флисюк О.М. Ректификация: Справочные данные по физико-химическим величинам: Методические указания. СПбГТИ (ТУ), СПб.: 2002.

3. Озерова Н.В., Нестеров А.В. Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные: Метод. указания/ЛТИ им. Ленсовета. - Л.: 1989.

4. Волжинский А.И., Константнов В.А. Ректификация: колонные аппараты с решётчатыми тарелками: Методическое пособие к курсовому проектированию. СПб.: СПбГТИ(ТУ),2002.

5. Марков А.В., Маркова А.В. Неразборные теплообменники «труба в трубе» (конструкция и основные размеры): Метод. указания /СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2001.

6. Волжинский А.И., Флисюк О.М. Определение средних физических величин, потоков пара и жидкости: Методические указания. СПбГТИ (ТУ), СПб.: 2001.

Размещено на Allbest.ru