Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Материальный баланс

2. Построение равновесной и рабочей линии и диаграммы

3. Определение скорости пара и диаметра колонны

4. Определение высоты колонны

5. Расчёт гидравлического сопротивления тарелок и давления в кубе

6. Тепловой баланс колонны

7. Расчёт и подбор теплообменного оборудования

8. Расчет и подбор сырьевого насоса

9. Подбор штуцеров

Литература

1. Материальный баланс

Уравнение материального баланса составляем на основании задания: производительность:

концентрации НКК (% масс.):

.

,

где - массовые расходы жидкости питания, дистиллята и кубового остатка соответственно.

,

.

Для дальнейших расчётов необходимо перевести массовые концентрации НКК в мольные.

;

;

.

2. Построение равновесной и рабочей линии и диаграммы

Результаты расчёта равновесных концентраций для смеси ацетон - бензол при давлении Р=1125.3 мм. рт. ст. (приложение 11 [2]) помещены в таблицу 1,

где tєC - интервал между температурой кипения ацетона и бензола при Р=1125.3 мм. рт. ст.

Pa - давление насыщенных паров ацетона, мм. рт. ст.,

Pб - давление насыщенных паров бензола, мм. рт. ст.,

П - общее давление смеси паров, мм. рт. ст.,

х - мольная доля ацетона в жидкости,

y* - мольная доля бензола в равновесном паре.

Таблица 1

tєC	Pa, мм.рт.ст.	Pб, мм.рт.ст.	П
68	1125.3	515.4	1125.3	1.002	1.001
70.5	1211.05	557.35	1125.3	0.869	0.935
73	1316.3	609.1	1125.3	0.73	0.854
75.5	1421.55	660.85	1125.3	0.611	0.772
78	1526.8	712.6	1125.3	0.507	0.688
80.5	1637.55	767.1	1125.3	0.412	0.599
83	1770.3	832.6	1125.3	0.312	0.491
85.5	1903.05	898.1	1125.3	0.227	0.384
88	2035.8	963.6	1125.3	0.15	0.271
90.5	2174.75	1032.4	1125.3	0.0813	0.157
93.3	2358.15	1125.3	1125.3	0	0

По этим данным строим диаграмму (приложение 2) и равновесную линию (приложение 1)

Минимальное флегмовое число рассчитывается как (7.10 [1]):

,

где - мольная доля ацетона в паре, равновесном с жидкостью питания.

Обычно оптимальное флегмовое число близко значению (7.12 [1]):

.

Тогда уравнения рабочих линий укрепляющей части колонны:

,

Исчерпывающей части колонны:

,

где - относительный мольный расход питания;

- мольный расход сырья;

кг/кмоль

- молярная масса сырья



- мольный расход дистиллята.

кг/кмоль

- молярная масса дистиллята.

3. Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Средние концентрации пара:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Средние температуры определяем по диаграмме :

Средние молярные массы и плотности пара:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

В дальнейших расчётах нам понадобится формула перевода мольных концентраций в массовые:

Средняя плотность жидкости в колонне:

а) в верхней части колонны

(табл. IV [1])

б) в нижней части колонны

Скорость пара в колонне.

Принимаем расстояние между тарелками .

Объёмный расход проходящего через верх колонны пара при средней температуре в вверху колонны:

Объёмный расход проходящего через низ колонны пара при средней температуре внизу колонны:

По уравнению (7.17 [1]) рассчитываем скорость пара, а величину комплекса для определения коэффициента С (стр. 227 [3] )

Для верха колонны:

,

где - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузки колонны по жидкости.

Для низа колонны:

,

где - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузки колонны по жидкости.

Диаметр верхней части колонны:

Диаметр нижней части колонны:

Принимаем

Пересчитываем скорость пара вверху колонны:

Пересчитываем скорость пара внизу колонны:

4. Определение высоты колонны

Находим относительную летучесть компонентов

,

где - давления насыщенных паров ацетона и бензола при средней температуре в колоне

;

, (стр.21 [5]),

,

, (стр. 15[5]),

,

,

Определяем КПД по 7.4 [1] , где .

Число тарелок:

Количество теоретических тарелок верха и низа колонны определяем по (приложению 1).

Тогда в верхней части число действительных тарелок:

;

в нижней части число действительных тарелок:

.

С учётом запаса . Общее число тарелок в колонне .

Высота колонны.

Высота колонны складывается из следующих величин:

- расстояние от верхней тарелки до верха колонны,

. Принимаем .

- высота верхней тарельчатой части вместе с высотой люков

На каждые 5-6 тарелок ставится 1 люк. В месте установки люка высота между тарелками равна 0.8м.

.

- высота зоны питания,

.

- высота нижней тарельчатой части вместе с высотой люков ,

.

- расстояние от нижней тарелки до верха слоя жидкости в кубе,

. Принимаем .

- высота слоя жидкости в кубе (10 мин),

.

берём из расчётов 6 пункта.

Температура низа колонны: =91.8°C (приложение 2), плотность жидкого бензола - =802.02 кг/м3 и плотность жидкого ацетона -кг/м3. Плотность смеси в низу колонны:



. Принимаем .

- высота юбки (выбирается 2 - 3 м). Принимаем .

.

5. Расчёт гидравлического сопротивления тарелок и давления в кубе

Принимаются следующие технические характеристики колпачковых тарелок (тип - ТСК-Р):

диаметр колонны 1200 мм,

рабочая площадь тарелки Fp 0.93 м2,

периметр слива П с 0,818 м,

площадь слива S1 0.099 м2,

площадь для прохода паров F с 0.129 м2,

диаметр колпачка 100 мм,

длина пути жидкости lж 0,856 м

количество колпачков на тарелке 43 [3, стр. 213]

Гидравлическое сопротивление тарелки рассчитывается по уравнению (1.60 [1]):

.

а) верхняя часть колонны

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки (1.61 [1]):

,

где - коэффициент сопротивления ,равный для колпачковых тарелок 4,0-5,0, =0,129 - относительное свободное сечение тарелки (стр. 214 [4])

- скорость пара в отверстиях тарелки;

.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения :

,

где =0,004 м, =0,02 м-ширина и высота прорези.

- поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны;

- поверхностные натяжения ацетона и бензола при средней температуре в верхней части колонны;

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке (1.64 [1]):

,

где

- высота парожидкостного слоя;

- высота слоя над сливной перегородкой, которая рассчитывается по уравнению (1.65 [1])

;

= 45 мм -расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога, м.

- отношение плотности пены к плотности жидкости приняли приближённым;

- периметр сливной перегородки (табл. 8.7 [3]);

;

- средняя молярная масса жидкости в верхней части колоны;

;

;

;

б) Нижняя часть колонны

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки (1.61 [1]):

,

- скорость пара в отверстиях тарелки;

.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения :

,

где - поверхностное натяжение жидкости в нижней части колонны;

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке (1.64 [1]):

,

;

- средняя молярная масса жидкости нижней части колоны;

- молярная масса подводимого сырья;

;

;

;

.

Проверяем, соблюдается ли необходимое для нормальной работы тарелок условие:

.

Проверяем это условие для тарелок нижней части колонны, у которых гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок верхней части



Условие соблюдается.

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

.

Давление в кубе колонны:

6. Тепловой баланс колонны

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:

,

где - удельные теплоты конденсации дистиллята, ацетона и бензола при температуре дистиллята ;

(стр.20[5])

;

.

Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара (7.14 [1]):

,

где - теплоёмкости дистиллята, кубового остатка и сырья соответственно (считаются аналогично удельным теплотам конденсации);

Тепловые потери приняты в размере 3 % от полезно затрачиваемой теплоты.

1)

;

2)

;

3)

;

Расход теплоты в подогревателе смеси:

,

где - начальная температура сырья;

Тепловые потери приняты в размере 5 %.

,

где теплоёмкости ацетона и бензола при средней температуре по .

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

,

где - конечная температура охлаждённого дистиллята,

,

где теплоёмкости ацетона и бензола при средней температуре по .

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

,

,

где теплоёмкости ацетона и бензола при средней температуре по .

Расход греющего пара, имеющего температуру конденсации 108.7оС, в подогревателе исходной смеси и влажность :

.

где удельная теплота парообразования при

Расход греющего насыщенного водяного пара, имеющего абсолютное давление и влажность , в кубе-испарителе

[1, стр.532, табл. LVII]:

.

Всего:

Расход охлаждающей воды при нагреве её на

а) в дефлегматоре:

;

б) в холодильнике дистиллята:

;

в) в водяном холодильнике кубового остатка:

;

Всего: .

Расход горячей струи

,

где , - удельные теплоты конденсации ацетона и бензола при = 91.8?С, соответственно равны и [5,табл.20]

7. Расчёт и подбор теплообменного оборудования

Подбор холодильника кубового остатка.

Выберем кожухотрубчатый теплообменник для охлаждения кубового остатка. Расход тепла отдаваемого охлаждающей воде Q=219343.75 Вт . По данным табл.4.8 [1, стр. 172, табл. 4.8] принимаем коэффициент теплопередачи =1200 Вт/м2К при передачи тепла от органических жидкостей к воде. колонна теплообменный насос штуцер

Температурная схема холодильника кубового остатка:

кубовый остаток 25 < 91.8
	вода 20 > 40
	t м =5 t б =51.8

Определяем среднюю разность температур по уравнению 4.78 [1, стр.

т.к , то

Определяем необходимую поверхность теплообмена:

По данным табл. 2.3 [4], выберем теплообменник по ГОСТ15118-79:

поверхность теплообмена F =11.5 м2

длина труб 3.0 м

число ходов - 1

диаметр кожуха D=273мм

диаметр труб 20

общее число труб - 61 шт.

Запас площади поверхности теплообмена:

Запас площади поверхности теплообмена достаточен.

Подбор холодильника дистиллята.

Примем в качестве холодильника горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник. Дистиллят подадим в межтрубное пространство, а охлаждающую воду в трубное пространство.

Расход тепла отдаваемого охлаждающей воде Q = 70487.6 Вт. По данным табл.4.8 [1, стр. 172, табл. 4.8] принимаем коэффициент теплопередачи

К =900 Вт/м2К при передачи тепла от дистиллята к воде.

Температурная схема холодильника дистиллята:

Определяем среднюю разность температур по уравнению 4.78 [1, стр.

169, 4.78],т.к. , то

Определяем необходимую поверхность теплообмена:

По данным табл. 2.3 [4], выберем теплообменник по ГОСТ15118-79:

поверхность теплообмена F =7.5 м2

длина труб 2.0 м

число ходов - 1

диаметр кожуха D=273мм

диаметр труб 20

общее число труб - 61шт.

Запас площади поверхности теплообмена:

Запас площади поверхности теплообмена достаточен.

Подбор дефлегматора

Выберем кожухотрубчатый теплообменник для конденсации дистиллята. Расход тепла отдаваемого охлаждающей воде Q = 1372146.7Вт. По данным табл.4.8 [1] принимаем коэффициент теплопередачи К =500 Вт/м2, температура конденсации дистиллята t =68.8°C.

Определяем среднюю разность температур по уравнению 4.79 [1], т.к

Требуемая площадь конденсатора:

По данным ( табл. 2.9[4]), выберем двухходовой теплообменник:

F = 79 м2, диаметр кожуха 600 мм, длина труб 4 м, число труб 316.

Этот аппарат подходит с запасом:

Подбор кипятильника

Температура конденсации греющего пара под давлением 1.4 кг/см2 - 108.7єС.

Определяем среднюю разность температур:

tср = t1 - t2 =108.7-91.8=16.9 єС,

где t 1=108.7 єС - температура конденсации пара,

t 2=91.8 єС - температура низа колонны.

Требуемая площадь конденсатора:

По данным ( табл.2.9[4]), выберем одноходовой теплообменник:

F = 81 м2, диаметр кожуха 600 мм, длина труб 4 м, число труб 257.

Этот аппарат подходит с запасом:

Расчёт и подбор подогревателя сырья

Температура конденсации греющего пара под давлением 1,4 кг/см2 - 108,7єС.

Определим среднюю логарифмическую разность:

Для подогрева используется насыщенный водяной пар под давлением 0,15 Мпа. Температура конденсации t1=108.7 єC. Характеристики конденсата при этой температуре:

л1 = 0,685 Вт/(м·К), т.XXXIX [1],

r1 = 2237·103 Дж/кг, т.LVI [1],

м1 = 0,2354·10-3 Па·с, т.IX [1],

с1 = 959 кг/м3, т.IV [1].

по ХI [1].

Характеристики сырья при температуре:

Удельная теплоёмкость:



Тепловая нагрузка подогревателя определяется по формуле:

Расход пара :

На основании практических данных принимаем ориентировочное значение Кор = 700 Вт/м2*К. По табл. 2,1 [4]. Тогда значение ориентировочное требуемой площади теплообмена:



В соответствии с ГОСТ 15518-78 принимаем пластинчатый теплообменник поверхностью 10 м2.

Типоразмер пластины f =0,3 м2

Число пластин N=36

Масса теплообменника М=365 кг

Размер пластины, мм:

Длина 1370

Ширина 300

Толщина 1,0

Эквивалентный диаметр канала, мм 8

Поперечное сечение канал, м2 11·10-4

Длина канала, м 1,12

Масса пластины, кг 3,2

Диаметр прохода штуцеров, мм 65

Скорость движения раствора:

Критерий Рейнольдса :

Kоэффициент теплоотдачи к жидкости определяется:



Для определения коэффициента теплоотдачи для конденсации пара на гофрированной поверхности пластин при .Тогда в каналах с приведённой длиной = 1,12 м получим:

Термическое сопротивление загрязнений: со стороны пара r1=1/5800, со стороны раствора r2=1/5800,:Коэффициент теплопроводности стали нержавеющей:

Коэффициент теплопередачи:

Проверим правильность принятого допущения относительно ?t

Проверим, подходит ли нам принятая площадь теплообменника:

Следовательно, выбранный подогреватель сырья подходит с запасом

8. Расчет и подбор сырьевого насоса

Геометрическая высота подъема насоса:

Температура 18єС. На линии всасывания (Lвс=5 м) установлено 3 отвода под углом 90є и 2 прямоточных вентиля. На линии нагнетания (Lн=13 м) установлены 2 отвода под углом 90є и 5 отводов под углом 110є, а также 2 нормальных вентиля и 1 прямоточный.

Выбираем насос по напору и мощности(расход).

Выбираем диаметр трубопровода, приняв скорость смеси w во всасывающий и нагнетательной линиях одинаковой и равной 2,0 м/с, [1,стр.17, табл. 1.1].

,

где V-объемный расход жидкости, м3/с

,

где F - массовый расход сырья, кг/с; - плотность смеси при температуре 18.

, [5, стр. 14],

Тогда

По [4, стр.16- 17] принимаем стандартный диаметр трубопровода 45х3,5 мм (наружный диаметр 45мм с толщиной стенки 3,5мм, внутренний диаметр 38мм).

Тогда фактическая скорость:

Определим режим течения

Режим турбулентный.

- вязкость смеси при 18, ,

, , [5, стр. 15],

По табл.XII [1, стр. 519] примем значение абсолютной шероховатости стенок труб е=0,2мм - трубы стальные при незначительной коррозии.

Относительная шероховатость

По графику 1.5 [1, стр. 22] находим значение коэффициента трения ??=0,031.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений [1, стр. 520, табл. XIII]:

На всасывающей линии:

Вход в трубу(принимаем с острыми краями) 0.5

2 прямоточных вентиля 1.502

3 отвода () 0.192

На нагнетательной линии:

2 отвода () 0.128

5 отвода () 0.3615

2 нормальных вентиля 9.35

1 прямоточный вентиль 0.75

выход из трубы 1

У жвс= 0.5+1.502+0.192=2.194,

У жн= 0.128+0.3615+9.35+0.75+1=11.59

Тогда

Потери напора во всасывающей линии:

Потери напора в нагнетательной линии:

Общие потери напора:

=Нвс+Нн=2.09 +7.75 =9.84 м

По формуле [1, стр.65, (2.1)] рассчитаем полный напор, развиваемый насосом:

где - гидравлическое сопротивление верхней части колонны, Па.

-давление в емкости. Принимаем 1 атм.

- давление в колонне (р=0,15 МПа.)

Полезная мощность насоса:

Для центробежного насоса средней производительности примем Тогда мощность, потребляемая двигателем насоса:

По табл.1 Приложения 1.1 [4,стр.38] устанавливаем, что по заданным производительности и напору следует выбрать центробежный насос марки , для которого при оптимальных условиях работы производительность , напор Н=42 м, к.п.д. насоса . Насос снабжён двигателем АО2-71-2 номинальной мощностью = 22 кВт (, частота вращения вала n=48.3 c-1).

9. Подбор штуцеров

1. Для ввода сырья в колонну

Принимаем скорость сырья

- плотность при вводе сырья в колонну (при )



.

Принимаем штуцер по ОСТ 26 - 1404 - 76 - ОСТ26 - 1410 - 76

по табл. 10,2 [6]

D = 0.05м, с толщиной стенки 3мм.

Действительная скорость на входе сырья в колонну:

2. Для отвода жидкости из куба

Расход низа

Принимаем штуцер по ОСТ 26 - 1404 - 76 - ОСТ26 - 1410 - 76 по табл. 10,2 [6]

D = 0.08м, с толщиной стенки 4мм.

Тогда действительная скорость

.

3. Для возврата флегмы в колонну

- плотность флегмы (при )

Принимаем штуцер по ОСТ 26 - 1404 - 76 - ОСТ26 - 1410 - 76

по табл. 10,2 [6] при D = 0.05м, тогда

4. Для ввода горячей струи в колонну:

Примем скорость подачи горячей струи

,

где ?р - общее гидравлическое сопротивление тарелок

Принимаем штуцер по ОСТ 26 - 1404 - 76 - ОСТ26 - 1410 - 76

по табл. 10,2 [6] D = 0.3м, с толщиной стенки 8 мм.

.

5. Штуцер для вывода дистиллята:

Также примем скорость подачи

;

.

,

где плотность пара при температуре

,

принимаем штуцер по ОСТ 26 - 1404 - 76 - СТ26 - 1410 - 76 по табл. 10,2 [6] с D = 0.3м, с толщиной стенки 8мм.

тогда .

Литература

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

2.А. Н. Плановский , В. М. Рамм , С. З. Каган . Процессы и аппараты химической технологии . Издание второе переработанное и дополненное .

3. И.В. Доманский, В.П. Исаков, Г.М. Островский, А.С. Решанов, В.Н. Соколов. / « Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи » Под общ. ред. В.Н. Соколова. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Политехника, 1992. - 327 с.

4. 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 издание , переработанное и дополненное .М. Химия 1991.-496 с .

5.Бобылёв В. Н.. «Физические свойства наиболее известных химических веществ,2003-24с.

6. Лащинский А.А. «Конструирование сварных химических аппаратов» .1981,382 стр.

Размещено на Allbest.ru