Расчет дефлегматора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изм.	Лист	№ документа	Подпись	Дата
Разраб.	Харитонов А.В.				Лит.	Лист	Листов
Проверил	Лабутин В. А.							- 1 - - 1 -
				Расчет дефлегматора
Н.Контр.
Утвердил

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: "Процессы и аппараты химической технологии"

на тему: "Расчет дефлегматора"

СОДЕРЖАНИЕ

дефлегматор конденсатор паровой вода

Введение

Технологическая схема

Расчёт

3.1 Исходные данные

Свойства конденсируемой паровой смеси и конденсата

Физико-химические свойства охлаждающей воды при средней температуре

Расчёт и выбор конденсатора

Расчёт гидравлического сопротивления конденсатора

Расчёт и выбор насоса

Заключение

Список литературы

1. ВВЕДЕНИЕ

Перенос энергии в виде тепла, происходящий между телами, имеющими разную температуру, называется теплообменом [4]. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур между более нагретым и менее и нагретым телами, при наличии которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого - возрастает.

Теплопередача - наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов - нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания -- и имеют большое значение для проведения многих массообменных процессов, а также реакционных процессов химической технологии, протекающих с подводом или отводом тепла.

В химической промышленности широко распространены тепловые процессы нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах (теплообменниках).

Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда, и отдающие тепло, принято называть нагревающими агентами, а теплоносители с более низкой температурой, чем среда, от которой они воспринимают тепло, - охлаждающими агентами.

В качестве охлаждающих агентов для охлаждения до обыкновенных температур (10-30 °С) применяют в основном воду и воздух.

Конденсация пара может быть осуществлена путем охлаждения пара или путем охлаждения и сжатия одновременно. По способу охлаждения различаю конденсаторы смешения и поверхностные конденсаторы.

В конденсаторах смешения пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой и получаемый конденсат смешивается с последней, конденсацию в таких аппаратах обычно проводят в тех случаях, когда конденсируемые пары не представляют ценности. При этом для улучшения теплообмена между водой и паром поверхность соприкосновения между ними увеличивают путем распределения воды в паровом пространстве в виде капель, струек и т.д.

В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующего пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на внешних или внутренних поверхностях груб, омываемых с другой стороны водой или воздухом. Таким образом, получаемый конденсат и охлаждающий агент отводят из конденсатора раздельно, и конденсат, если он представляет ценность, может быть использован.

Так поверхностные конденсаторы зачастую применяют в тех случаях, когда сжижение и охлаждение конечного продукта, получаемого, например, в виде перегретого пара, является завершающей операцией производственного процесса.

Вместе с тем поверхностные конденсаторы более металлоемки, чем конденсаторы смешения, а, следовательно, более дороги и требуют больших расходов охлаждающего агента. Последнее объясняется тем, что стенка, разделяющая участвующие в теплообмене среды, оказывает добавочное термическое сопротивление. Это вызывает необходимость повышения средней разности температур.

В качестве поверхностных конденсаторов наиболее часто применяют трубчатые и оросительные холодильники-конденсаторы

Расчет дефлегматора мы ведем в следующей последовательности:

1. Определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), т.е. количества тепла Q, которое должно быть передано за определенное время (в непрерывно действующих аппаратах за 1 сек или за 1 час, в периодически действующих - за одну операцию) от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем доставления и решения тепловых балансов.

2. Определение поверхности теплообмена F аппарата, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. Величина поверхности теплообмена определяется скоростью теплопередачи, зависящей от механизма передачи тепла теплопроводностью, конвекцией, излучением и их сочетанием друг с другом. Поверхность теплообмена находят из основного уравнения теплопередачи.

На рис.1, представлена технологическая схема конденсации паровой смеси. Паровая смесь из ректификационной колонны подается в конденсатор-дефлегматор (Д), где происходит ее конденсация. Из конденсатора дистиллят подается в распределитель (Р), откуда одна часть конденсата направляется обратно в колонну, а другая направляется в холодильник (X) для дальнейшего охлаждения. Охлажденный дистиллят из холодильника подается в емкость готового продукта (Е). Для конденсации паро-газовой смеси и охлаждения конденсата используется холодная вода, подаваемая из емкости (Е) с помощью центробежного насоса (Н₂). Вода из конденсатора и холодильника направляется на охлаждение и затем повторно используется.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА

Рис.1 Технологическая схема.

КР- ректификационная колонна;D₁- дистиллят;D₂- пары дистиллята ;Д- дефлегматор; Х- холодильник; Т₇- пар; Т₈- конденсат; Н_1-2- насосы; ВР- вентиль регулировочный; ВЗ - вентиль заглушка.

3. РАСЧЕТ

3.1 Исходные данные

Расход паров (G_конд.) 14,0 т/ч или 3,8 кг/с;

Охлаждаемая смесь паров: этанол-вода;

Массовая концентрация легколетучего компонента в паре: 98,7%;

Начальная температура охлаждающей воды: 20 .

3.1.1 Свойства конденсируемой паровой смеси и конденсата

Температура конденсации [1, 3]:

t_конд=x₁t₁+(1-x₁)t₂=0,987*78,3+(1-0,987)100=

Теплота конденсации паровой смеси [3]: для расчетной температуры представлены в табл. 1

Таблица 1 Теплота конденсации паровой смеси.

Вещество	Тконд.,	кДж/кг
Этанол Результат	70 90 78,58	1026 731,6 899,4
Вода Результат	70 90 78,56	2752 2032,6 2442,6

Теплопроводность конденсата [3] представлена в табл. 2

Таблица 2 Теплопроводность конденсата

Вещество	Тконд.,	Вт/(м К)
Этанол Результат	60 80 78,56	0,1580 0,1483 0,1493
Вода Результат	70 80 78,56	0,595 0,600 0,599

Плотность конденсата [2] представлена в табл. 3

Таблица 3 Плотность конденсата

Вещество	Тконд.,	кг/м3
Этанол Результат	60 80 78,56	754 735 746
Вода Результат	60 80 78,56	983 972 978

Вязкость конденсата [2] представлена в табл.4

Таблица 4 Вязкость конденсата

Вещество	Тконд.,
Этанол Результат	60 80 78,56	0,591 0,435 0,44592
Вода Результат	69 70 78,56	0,4117 0,3610 0,36302

3.1.2 Физико-химические свойства охлаждающей воды при средней температуре

Принимаем температуру воды на выходе из конденсатора равную 35 . Тогда:

Физико - химические свойства воды при 27 :

Таблица 5

Параметр	Величина параметра
Теплопроводность,	0,556
Плотность,	896
Вязкость,	0,724
Теплоемкость,	3,76

3.2 Расчет и выбор конденсатора

1. Тепловая нагрузка аппарата [1]:

2. Расход воды [1]:

где - теплоемкость воды,

3.Средняя разность температур рассчитывается согласно схеме [2.1]:

78,65	78,65
20	35

4. Выбор аппарата, расчет коэффициента теплопередачи:

В соответствии с табл. 2.1 [1.стр. 47 ] примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи . Ориентировочное значение поверхности равно [1]:

Задаваясь числом определим соотношение n/z для конденсатора из труб с наружным диаметром с толщиной стенок . [1]:

где n - общее число труб;

- число ходов по трубному пространству;

- внутренний диаметр труб, м;

- вязкость воды, .

В соответствии с табл. 2.9 [1, стр. 57] примем аппарат со следующими параметрами:

- Диаметр кожуха 600 мм;

- Число ходов 1;

-Общее число труб 261;

- Поверхность теплообмена 122;

- Длина труб 6м.

Проверяем число равно:

Определяем коэффициент теплопередачи к воде из следующего уравнения:

[1]:

где - критерий Нуссельта;

- критерий Прандля;

- критерий Прандля рассчитанный при температуре стенки;

где - теплопроводность воды ,

Тогда, пренебрегая поправкой :

Коэффициент теплопередачи от пара, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб, определяем по уравнению [1]:,

Сумма теоретических сопротивлений стенки труб и загрязнений со стороны воды и пара вычисляется согласно уравнению [1]:

где - теплопроводность стенки трубы;

и среднее значение тепловой проводимости загрязнений стенок, соответственно со стороны паров конденсата и охлаждающей воды.

Принимаем следующее значение теплопроводностей [2]:

-

-

Тогда:

Коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле [1]:

Требуемая поверхность теплопередачи:

Произведем уточненный расчет коэффициента теплопередачи к воде и пару, принимая во внимание поправку и .

Температуру стенки трубы с обеих сторон вычислим по формуле [1]:

Физико - химические свойства воды на стенке при [2] представлены в табл. 6

Таблица 6 Физико-химические свойства воды на стенке при

Параметр	Величина параметра
Теплопроводность,	0,632
Плотность,	992
Вязкость,	0,679
Теплоемкость,	4,18

Тогда:

где - соответственно, теплоемкость воды, вязкость воды и теплопроводность воды, при температуре стенки трубы.

, тогда

Теплопроводность конденсата для расчетной температуры [3] представлены в табл. 7

Таблица 7 Теплопроводность конденсата для расчетной температуры

Вещество
Этанол Результат	50 60 57,64	0,148 0,145 0,146
Вода Результат	50 60 57,64	0,551 0,556 0,554

Вязкость конденсата для расчетной температуры [3] представлена в табл. 8

Таблица 8 Вязкость конденсата для расчетной температуры

Вещество
Этанол Результат	50 60 57,64	0,701 0,591 0,617
Вода Результат	50 60 57,64	0,549 0,469 0,488

, тогда

,

с учетом этого коэффициента

Принимая в расчет полученные данные рассчитаем уточненные коэффициент теплопередачи и требуемую площадь поверхности теплопередачи:

Рассчитываем запас:

Вывод: Принятый нами теплообменник подходит с запасом.

3.3 Расчет гидравлического сопротивления конденсатора

Расчет гидравлического сопротивления конденсатора в трубном пространстве производится по формуле [1]:

где - коэффициент трения в трубах;

L- длина трубы;

и - скорость воды в трубах конденсатора и штуцерах, соответственно.

Скорость воды в трубах [1] равна:

где - относительная шероховатость труб;

- высота выступов шероховатостей (= 0,2мм).

Скорость воды в штуцерах [1] равна:

Принимаем - диаметр штуцеров для подачи воды [1, стр. 55] из таблицы штуцеров для нормализованных теплообменников для нашего дефлегматора = 200мм (0,2м)

Тогда гидравлическое сопротивление дефлегматора составит:

3.4 Расчет и выбор насоса

1.1. Исходные данные для всасывающей линии:

1. Температура перекачиваемой воды: 20

2. Расход воды (увеличиваем в трое): 61,95кг/с

3. Длина трубопровода на линии всасывания (l): 30м

4. Вход в трубу (принимаем с острыми краями): 1

5. Вентиль прямоточный:1

6. Колесо с углом : 2

1.2. Расчет всасывающей линии

Рассчитаем объемный расход охлаждающей воды, беря из таблицы плотность воды при 20 равную 998 [2]:

Выбираем скорость трубопровода равную [2] : .Тогда внутренний диаметр трубопровода будет: . Выбираем трубу для всасывающей линии со следующими параметрами [1]: наружный диаметр , толщина стенки.

Фактическая скорость воды в трубе:

Принимая, что коррозия трубопровода незначительна, произведем определение потерь на трение и местные сопротивления.

Примем абсолютную шероховатость [2] () равной 0,2 мм, тогда относительная шероховатость составит:

Берём из таблицы вязкость воды при 20 равную 1000 получаем :

т.е. режим турбулентный.

В турбулентном режиме различают три зоны, для которых коэффициент трения () рассчитывают по разным формулам [1]:

- зону гладкого трения

- зону смешанного трения

- зону автомодельной по отношению к Re

Т.к. 10/e = 10350, 560/e = 57960, то. Следовательно в трубопроводе имеет место смешанное трение и расчет коэффициента трения следует проводить по формуле [1]:

Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений [1]:

1.Вход в трубу (принимаем с острыми краями):

2. Вентиль прямоточный:

3. Колесо с углом :

Потерянный напор во всасывающей линии находим по формуле: [1]

2.1. Исходные данные для нагнетательной линии

1. Температура перекачиваемой воды: 20

2. Длина трубопровода на линии нагнетания:50м

3. Выход из трубы:3

4. Вентиль прямоточный: 2

5. Колено с углом : 8

6. Тройник (поток выходит из магистрали):1

7. Тройник (поток входит в магистраль): 1

8. Внезапное сужение (выходные отверстия конденсатора): 3

9. Внезапное расширение (входные отверстия конденсатора): 3

10. Собственное гидравлическое сопротивление конденсатора: 3

11. Геометрическая высота подъема воды: 20м

2.2. Расчет нагнетающей линии

Трубу для нагнетающей линии берем такую же, как для всасывающей линии:

наружный диаметр , толщина стенки.

Принимая, что коррозия трубопровода незначительна, произведем определение потерь на трение и местные сопротивления.

Примем абсолютную шероховатость [2] () равной 0,2 мм, тогда относительная шероховатость составит:

т.е. режим турбулентный.

Т.к. 10/e = 10350, 560/e = 579600, то. Следовательно в трубопроводе имеет место смешанное трение и расчет коэффициента трения следует проводить по формуле [1]:

Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений [1]:

1.Выход из трубы:

2. Вентиль прямоточный:

3. Колесо с углом :

4. Тройник (поток выходит из магистрали):

5. Тройник (поток входит в магистраль):

6. Внезапное сужение (выходные отверстия конденсатора):

7. Внезапное расширение (входные отверстия конденсатора):

Потерянный напор на нагнетающей линии находим по формуле: [1]

Общие потери напора:

3. Выбор насоса

Найдем потерянный напор насоса по формуле [1]:

где - давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость, Па;

- давление в аппарате, в который подается жидкость, Па;

- геометрическая высота подъема жидкости, м. вод. ст. ;

- суммарные потери во всасывающих и нагнетательных линиях, м. вод. ст. ;

Так как = 0, то Н = 20+4,78 = 24,78 , м. вод. ст.

Полезную мощность насоса определим по формуле [1]:

Мощность, которую должен развивать электродвигатель насоса на выходном валу при установившемся режиме работы, находят по формуле [1]:

где и - коэффициенты полезного действия соответственно насоса и передачи от электродвигателя к насосу. Где для центробежных и осевых насосов, т.к. вал электродвигателя непосредственно соединяется с валом насоса;, тогда

По приложению 1. табл. 1 [1] устанавливаем, что заданным подачи и напору более всего соответствует насос со следующими характеристиками:

- Марка насоса: Х90/33;

- Объемный расход подаваемой жидкости: 0,025;

- Напор насоса: 25 м. вод. ст. ;

- К.П.Д. насоса: 0,7;

- Тип электродвигателя: АО2- 71- 2;

- Мощность электродвигателя: 23 кВт;

- К.П.Д. двигателя: 0,89.

Вывод: Выбранный нами электродвигатель подходит с запасом.

Заключение

Мы рассчитали конденсатор - дефлегматор для конденсации паров бензол - толуол с расходом паров (). Был выбран по расчету дефлегматор, удовлетворяющий заданным параметрам с запасом 22%. Рассчитано гидравлическое сопротивление дефлегматора и трубопровода для подачи воды. Выбран режим подачи воды, и удовлетворяющий расчетам насос с запасом мощности 9%.

Список литературы

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Дытнерского Ю.И., М.: Химия. - 1991.- 496 с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, С - Пт.: Химия. - 1987. - 576 с.

3. Варгафтик Н.Б. Справочник по тепло - физическим свойствам газрв и жидкостей. М.: Наука. - 1972. 720с.

4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия. - 1973. 754 с.

Размещено на Allbest.ru