Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метанол - вода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Сибирский Государственный Технологический Университет»

Факультет переработки природных соединений

Кафедра ПЭ ПАХП

Пояснительная записка

(ПЭ ПАХП. 000000.108. ПЗ)

Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метанол - вода

Руководитель:

Левин. Б.Д.

Разработал:

Студент группы 54-3

Шелехова Н. И.

Красноярск 2006

Введение

Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа летучих компонентов, является перегонка (дистилляция и ректификация).

В широком смысле перегонка представляет собой процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемые однократно и многократно. В результате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

Ректификация - процесс гомогенных смесей летучих жидкостей путем двухстороннего массообмена и теплообмена между неравновесными жидкой и паровой фазами, имеющую различные температуру и движущимися относительно друг друга. Разделение осуществляется обычно в колонных аппаратах при многократном или непрерывном контакте фаз.

В зависимости от способа организации контакта фаз колонные аппараты подразделяются на тарельчатые, насадочные и пленочные, а в зависимости от рабочего давления - на работающие под давлением, атмосферные и вакуумные.

В данном проекте к установке предлагается колонна с ситчатыми тарелками работающая под атмосферным давлением.

Курсовой проект есть завершающий этап работы над курсом «Процессы и аппараты химической технологии».

хлороформ давление дистиллят

1. Описание принципиальной технологической схемы

Исходная смесь из промежуточной емкости Е1 центробежным насосом подается в теплообменник - подогреватель П, где подогревается до температуры кипения.

Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси ХF.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающемся вверх паром, образующийся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике К.

Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка Хw. т.е. обеднен легколетучим компонентом - метанолом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается летучим компонентом.

Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава ХД, которая получается в дефлегматоре Д путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводиться из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллятора Р, который охлаждается в теплообменнике Х2 и направляется в промежуточную емкость Е3.

Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводиться кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом - водой, которая охлаждается в теплообменнике Х1 и направляется в емкость Е2.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовой остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

Реферат

Данный курсовой проект включает в себя расчет ректификационной колонны, теплообменников, графическое оформление установки путем использования действующих ГОСТов, норм и справочной литературы.

Курсовой проект содержит расчетно - пояснительную записку из 5 страниц текста, 3 таблиц, 5 рисунков, 3 литературных источников и графическую часть из 2 листов формата А1.

2. Расчет тарельчатой ректификационной колонны

2.1 Материальный баланс

Для расчета необходимо концентрации исходной смеси , дистиллята и кубового остатка выразить в массовых долях по формуле

(1)

Где - мольная доля низкокипящего компонента в жидкости;

- молекулярная масса низкокипящего компонента, кг/кмоль;

- молекулярная масса высококипящего компонента, кг/кмоль;

Хлороформ является низкокипящим компонентом, а бензол высококипящим компонентом. = 78,11 кг/кмоль, = 118 кг/кмоль. По заданию = 0,26, = 0,80, = 0,05.

Подставляя значения в формулу (1), получим

Составление материального баланса и решение системы уравнений относительно неизвестных и .

Обозначим массовый расход смеси через , дистиллята - через , кубового остатка - через . Составим уравнение материального баланса:

а) по потокам:

(2)

б) по низкокипящему компоненту:

(3)

Из этой системы уравнений находим массовый расход смеси , кг/с,

(4)

Подставляя значения в формулу (4) получим

кг/с

Массовый расход кубового остатка , кг/с, находиться по формуле

(5)

Подставляя значения в формулу (4) получим

кг/с

2.2 Построение диаграмм Х-У и t-Х-У

Равновесные данные бинарной смеси при заданном давлении в ректификационной колонне взятые из [3] приведены в таблице 1.

Таблица 1 Равновесные составы жидкости и пара смеси бензол-хлороформ при давлении 760 мм.рт.ст.

t,?C	% (мол.)
	в жидкости	в паре
80,6	0	0
80,1	5	6,5
79,6	10	12,6
78,4	20	27,2
77,2	30	41
75,9	40	54,6
74,5	50	66
73,1	60	74,6
71	70	83
68,7	80	90,5
65,7	90	96,2
61,5	100	100

По полученным данным о равновесии между жидкостью и паром строим изобары температур кипения и конденсации смеси на диаграмме и линию равновесия на диаграмме .

Минимальное флегмовое число можно рассчитать по формуле

(5)

где - мольная доля низкокипящего компонента в паре, равновесном с исходной смесью, определяется по диаграмме .

Для нашего случая = 0,47.

Подставляя значения в формулу (5) получим

Оптимальное флегмовое число найдем из условия получения минимального объема колонны, пропорционального произведению , где - число ступеней изменения концентрации (теоретическое число тарелок).

Расчет оптимального флегмового числа выполняем следующим образом:

а) задаемся рядом значений коэффициента избытка флегмы в пределах от 1,1 до 5,0. Определяем рабочее флегмовое число по формуле

(6)

Величину отрезка найдем по формуле

(7)

б) при каждом значении определяем число теоретических тарелок и величину произведения .

Результаты расчета сводим в таблицу 2

Таблица 2 Данные для расчета оптимального флегмового числа

	R	В
1,10	3,57	0,19	32	146,24
1,20	3,9	0,175	25	122,5
2,00	6,5	0,115	15	112,5
2,80	9,1	0,085	19	191,9
3,60	11,7	0,067	20	254

в) по данным таблицы 2 строим график зависимости и находим минимальное значение величины . Ему соответствует флегмовое значение R = 6,5

Эту величину и принимаем в дальнейших расчетах за оптимальное рабочее число флегмы. Число ступеней изменения концентраций (число теоретических тарелок) при этом равно 15.

Рисунок 3 Определение оптимального флегмового числа

2.4 Определение средних концентраций низкокипящего компонента в жидкости и паре

Средняя массовая концентрация хлороформа в бензоле

а) в верхней части колонны :

(8)

Подставляя значения в формулу (8) получим

б) в нижней части колонны

(9)

Подставляя значения в формулу (9) получим

Средняя мольная концентрация хлороформа в бензоле

а) в верхней части колонны

(10)

Подставляя значения в формулу (10) получим

б) в нижней части колонны

(11)

Подставляя значения в формулу (11) получим

Средние температуры жидкости определяем по диаграмме t - Х - У(рисунок 2)

при = 0,60 = 73,1 ?С

при = 0,20 = 80,4 ?С

Средние концентрации метанола в паре

а) в верхней части колонны

(12)

Где - мольный состав исходной смеси в паровой фазе, определяется по диаграмме t - Х - У (рисунок 2)

- мольный состав дистиллята в паровой фазе, определяется по диаграмме t - Х - У (рисунок 2)

Принимаем = = 0,80

Подставляя значения в формулу (12) получим

б) в нижней части колонны

 (13)

Где - мольный состав кубового остатка в паровой фазе, определяется по диаграмме t - Х - У (рисунок 2)

Принимаем = = 0,05

Подставляя значения в формулу (13) получим

Средние температуры пара определяем по диаграмме t -Х - У(рисунок 2)

при = 0,64 = 74,5 ?С

при = 79 ?С

2.5 Определение средних плотностей жидкости и пара

Средняя плотность жидкости по высоте колонны , кг/м3 определяется по уравнению

(14)

где , - плотности низкокипящего и высококипящего компонентов при средней температуре в колонне, кг/м3

Плотность хлороформа = 1407,8 кг/м3,бензола = 823,5 кг/м3 при температуре = 73,1 ?С, при = 80,4 ?С плотность хлороформа = 1378,9 кг/м3, бензола = 817,3 кг/м3 таблица IV, с.512 [1]

Подставляя значения в формулу (14) получим

а) в верхней части колонны

кг/м3

б) в нижней части колонны

кг/м3

в) для колонны в целом

кг/м3

Средняя плотность пара по высоте колонны , кг/м3.

а) в верхней части колонны , кг/м3, определяется по формуле

(15)

Где - средняя мольная масса пара в верхней части колонны, кг/кмоль;

- давление в колонне, мм.рт.ст;

- атмосферное давление, ммрт.ст;

- температура, 273К;

- средняя температура пара в верхней части колонны, К;

Средняя мольная масса пара в верхней части колонны , кг/кмоль, определяется по формуле

(16)

Подставляя значения в формулу (16) получим

кг/кмоль

Подставляя значения в формулу (15) получим

кг/м3

б) в нижней части колонны , кг/м3, определяется по формуле

(17)

Где - средняя мольная масса пара в нижней части колонны, кг/кмоль;

- средняя температура пара в нижней части колонны, К;

Средняя мольная масса пара в нижней части колонны , кг/кмоль, определяется по формуле

(18)

Подставляя значения в формулу (18) получим

кг/кмоль

Подставляя значения в формулу (17) получим

кг/м3

в) средняя плотность пара для колонны в целом , кг/м3, определяется по формуле

(19)

Подставляя значения в формулу (19) получим

кг/м3

2.6 Определение скорости пара и диаметра колонны

Рекомендуемую скорость пара в колонне , м/с, рассчитывают по уравнению

(20)

Где С - коэффициент. зависящий от конструкции тарелок, расстояние между тарелками, рабочего давления в колонне. Нагрузки колонны по жидкости

, - плотности жидкости и пара, для колоны в целом, кг/м3

Коэффициент С для ректификационных колонн, работающих при атмосферном давлении и средних нагрузках по жидкости, в зависимости от расстояния между тарелками определяется по графику, представленному на рисунке 4.8 []. Принимаем расстояние h = 450 мм, тогда для колпачковых тарелок С = 630.

Подставляя значения в формулу (20) получим

м/с

Диаметр колонны , м, определяется по формуле

(21)

Где - объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре, м/с3, находится по формуле

( 22)

Где - мольная масса дистиллята, кг/кмоль, находится по формуле

(23)

Подставляя значения в формулу (23), получим

кг/кмоль

Подставляя значения в формулу (22), получим

м/с3

Подставляя значения в формулу (21) получим

м

По каталогу - справочнику “Колонные аппараты” принимаем стандартный диаметр колонны = 1, м.

Действительная скорость пара , м/с, определяется по формуле

(24)

Подставляя значения в формулу (24) получим

м/с

2.7 Определение числа действительных тарелок и высоты колонны

Высоту колонны определяют графо - аналитическим методом, т.е последовательно рассчитываем коэффициенты массоотдачи, массопередачи, коэффициенты полезного действия тарелок; строим кинетическую кривую и определяем число действительных тарелок.

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе , кмоль/м2•с, определятся по формуле

(25)

Где - коэффициент диффузии паров компонента А в парах компонента В, м/с2;

- критерий Рейнольдса для паровой фазы.

Коэффициент диффузии паров , м/с2, определяется по формуле

Принимаем = 37 см3/моль, = 14,8 см3/моль.

Подставляя значения в формулу (26), получим

а) в верхней части колонны

м/с2

б) в нижней части колонны

м/с2

Критерий Рейнольдса для паровой фазы определяется по формуле

(27)

Где - динамический коэффициент вязкости пара, Па•с, рассчитывается по формуле

(28)

Где , - динамические коэффициенты вязкости компонентов А и В, Па•с.

Динамические коэффициенты вязкости

а) в верхней части колонны , Па•с, при = 92 ?С составляют

= 0,0114 Па•с, = 0,0114 Па•с.

Подставляя значения в формулу (28) получим

Па•с

б) в нижней части колонны , Па•с, при = 75,5 ?С составляют

= 0,012 Па•с, = 0,012 Па•с.

Па•с

Подставляя значения в формулу (27) получим

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Подставляя значения в формулу (25) получим

а) в верхней части колонны , кмоль/м2•с

кмоль/м2•с

б) в нижней части колонны , кмоль/м2•с

кмоль/м2•с

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе , кмоль/м2•с, определяется по формуле

(29)

Где - коэффициент диффузии в жидкости, м2/с

- средняя мольная масса жидкости в колонне, кг/кмоль

- диффузионный критерий Прандтля.

Коэффициент диффузии пара в жидкости , м2/с, (при соответствующей температуре) связан с коэффициентом диффузии при 20 ?С , м2/с,

следующей приближенной зависимостью

(30)

Где - температурный коэффициент;

- температура в верхней или нижней части колонны, ?С.

Коэффициент диффузии метанола в воде при 20 ?С , м2/с, определяется по формуле

(31)

Где - динамические коэффициенты вязкости жидкости, мПа•с;

- коэффициенты, зависящие от свойств низкокипящего и высококипящего компонентов.

Динамические коэффициенты вязкости жидкости , мПа•с, определяется по формуле

(32)

Где , - коэффициенты динамической вязкости компонентов А и В при соответствующей температуре, мПа•с, [2 с.516]

Принимаем = 0,584 мПа•с, = 1,0 мПа•с при = 20 ?С.

Подставляя значения в формулу (32) получим

а) в верхней части колонны , мПа•с

мПа•с

б) в нижней части колонны , мПа•с

мПа•с

Принимаем А = 1,19, В = 2, С = 4,7 по [1 с.289]

Подставляя значения в формулу (31) получим

а) в верхней части колонны , м2/с

м2/с

б) в нижней части колонны , м2/с

м2/с

Температурный коэффициент , определяется по формуле

(33)

Где - плотность жидкости, кг/м3

Принимаем из [1 с.512] = 792 кг/м3, = 998 кг/м3

Подставляя значения в формулу (33), получим

a) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Подставляя значения в формулу (30) получим

a) в верхней части колонны

м2/с

б) в нижней части колонны

м2/с

Рассчитываем коэффициент динамической вязкости жидкости в верхней и нижней части колонны при средней температуре по формуле (32)

a) в верхней части колонны, Па•с, при t =69,5оС

Принимаем по [1 с.516] = 0,322 мПа•с, = 0,416 мПа•с.

Па•с

б) в нижней части колонны, Па•с, t=80,5оС

Принимаем по [1 с.516] = 0,289 мПа•с, = 0,355 мПа•с.

Па•с

Диффузный критерий Прандтля определяется по формуле

(34)

Подставляя значение в формулу (34), получим

a) для верхней части колонны

б) для нижней части колонны

Средняя мольная масса жидкости в колонне , кг/кмоль, определяется по формуле

(35)

Подставляя значение в формулу (34), получим

a) для верхней части колонны , кг/кмоль

кг/кмоль

б) для нижней части колонны , кг/кмоль

кг/кмоль

Подставляя значения в формулу (29), получим

a) для верхней части колонны , кмоль/м2•с

кмоль /м2•с

б) для нижней части колонны , кмоль/м2•с

кмоль /м2•с

Коэффициент массопередачи , кмоль /м2,•определяется по формуле

(36)

Где m - среднее значение тангенса угла наклона

Для определения угла наклона разбиваем ось х на участки и для каждого из них находим среднее значение тангенса как отношение разности координат (у*-у) к разности абцисс (х*--х) в том же интервале, т.е.

(37)

Подставляя значения в формулу (37), получим

Подставляя значения коэффициентов массоотдачи вn и вж, в формулу (36) получим

кмоль /м2

кмоль /м2

кмоль /м2

кмоль /м2

кмоль /м2

кмоль /м2

Число единиц переноса , определяется по формуле

(38)

Где - отношение рабочей площади к свободному сечению колонны

Принимаем = 0,8

Подставляя значения в формулу (38), получим

Коэффициент обогащения тарелки (коэффициент полезного действия тарелки) , определяется по формуле

(39)

Подставляя значения в формулу (39), получим

Результаты приведенных выше расчетов, начиная тангенса угла наклона необходимых для построения кинетической кривой, приведены в таблице 3

Таблица 3 Параметры, необходимых для построения кинетической кривой

		0,15		0,40	0,70
	8	2,2	1,2	0,7	0,5	0,4
	0,01	0,03	0,05	0,07	0,08	0,1
	0,12	0,37	0,61	0,82	0,94	1,17
	0,11	0,31	0,46	0,56	0,61	0,69
, мм	16	22	12	13	8	2
, мм	1,76	6,82	5,52	7,28	4,88	1,38

Измеряем полученные отрезки , и так далее и делим их в отношении , то есть определяем величину отрезков , …. Через найденные для каждого значения точки проводим кинетическую кривую (рисунок ), отображающую степень приближений фаз на тарелках к равновесию.

Число реальных тарелок находим путем построения ступенчатой линии между кинетической кривой и рабочими линиями в пределах от до . Получаем 21 тарелку (10 в нижней части колонны, 11 в верхней), которые и обеспечивают разделение смеси в заданных пределах изменения концентраций. Исходная смесь подается на 21 тарелку сверху.

Общая высота колонны , м, определяется по формуле

(40)

Где - расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны,

(высота сепарационного пространства), м;

- расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны,

(высота кубовой части), м;

- высота тарельчатой части колонны, м.

Высота тарельчатой части колонны , м, определяется по формуле

(41)

Где - расстояние между тарелками, м;

- действительное число тарелок.

Принимаем = 0,45м.

Подставляя значения в формулу (41), получим

м

Принимаем = 1м, = 2 м.

Подставляя значения в формулу (40), получим

м

В соответствии с рассчитанным выше диаметром колонны по каталогу - справочнику [2] подбираем стандартную колонну и тарелки.

Принимаем к установке колонный аппарат диаметром 1600мм; колонна компонуется из однопоточных неразборных нормализированных ситчатых тарелок типа ТС ОСТ 26-805-73. Основные технические параметры приведены ниже:

Диаметр колонны Д, мм…………………………………1600

Свободное сечение колонны, м2…………………………0,785

Тип тарелки………………………………………………..ТС

Рабочее сечение тарелки, м2……………………………...0,713

Диаметр отверстия d,мм…………………………………..4

Шаг между отверстиями t, мм…………………………....10

Относительное свободное сечениеFс,%.............................5

Сечение перелива, м2………………………………………0,036

Относительная площадь перелива, %................................4,6

Периметр сливной перегородки Lс,м……………………..0,8

Масса, кг…………………………………………………....41,5

3. Гидравлический расчет колонны

Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстий d=4мм, высота сливной перегородки hn=40мм. Суммарная площадь отверстий - свободное сечение тарелки 10% от общей площади тарелки.

Гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны , Па, рассчитывается по уравнению

(42)

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки , Па, определяется по формуле

(43)

Где ж - коэффициент сопротивления тарелки: для ситчатых тарелок со свободным сечением отверстий 7-10%

щ0 - скорость пара в отверстиях тарелки, м/с, определяется по формуле

(44)

Скорость пара в отверстиях тарелки

Подставляя значения в формулу (44), получим

м/с

Принимаем ж=1,82

Подставляя значения в формулу (43), получим

а) верхняя часть колонны , Па:

Па

б) нижняя часть колонны, Па:

Па

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения , Па, определяется по формуле

(45)

Где у - поверхностное натяжение в верхней и нижней частях

колонны при средней температуре жидкости, Н/м, определяется

(46)

Подставляя значения в формулы (45) и (46), получим для верхней части колонны;

Н/м

Па

Подставляя значения в формулы (45) и (46), получим для нижней части колонны:

Н/м

Па

Периметр сливной перегородки , м, определяется по формуле

(47)

Где - угол выреза сливной перегородки.

Принимаем = 40?

Подставляя значения в формулу (47), получим

м

Объемный расход жидкости в верхней части колонны , м3/с, определяется по формуле

(48)

Подставляя значения в формулу (48), получим

м3/с

Объемный расход жидкости в нижней части колонны , м3/с, определяется по формуле

(49)

Где - мольная масса исходной смеси, кг/кмоль, находится

(50)

Подставляя значения в формулу (50), получим

кг/кмоль

Подставляя значения в формулу (49), получим

кг/кмоль

Находим высоту слоя над сливной перегородкой , м, определятся по формуле

(51)

Подставляя значения в формулу (51), получим

а) в верхней части колонны ,м:

м

б) в нижней части колонны , м:

м

Высота парожидкостного слоя в тарелке ,м, определяется по формуле

(52)

Подставляя значения в формулу (52), получим

а) в верхней части колонны , м:

м

б) в нижней части колонны , м

м

Сопротивление парожидкостного слоя , Па, определяется по формуле

(53)

Подставляя значения в формулу (53), получим

а) в верхней части колонны , Па

Па

б) в нижней части колонны , Па

Па

Общее гидравлическое сопротивление тарелки , Па, определяется по формуле

(54)

Подставляя значения в формулу (54), получим

а) верхней части колонны , Па

Па

б) нижней части колонны , Па

Па

Проверим, соблюдаются ли при расстоянии между тарелками =0,45м необходимое для нормальной работы тарелок условие:

(55)

Для тарелок нижней части колонны у которых гидравлическое сопротивление ДР больше, чем у тарелок верхней части:

м

Подставляя значения в условие (55), получим

0,45 > 0,16

Следовательно, принятое расстояние между тарелками достаточно для создания гидравлического затвора.

Определим минимальную скорость пара в отверстиях , м/с, необходимую для равномерной работы тарелки по формуле

(56)

Подставляя значения в формулу (56), получим

м/с

Общее гидравлическое сопротивление колонны с ситчатыми тарелками , Па, определяется по формуле

(57)

Подставляя значения в формулу (57), получим

Па

4. Тепловой расчет ректификационной колонны

Расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью от конденсирующего пара в кубе-испарителе колонны , Вт, определяется по формуле

, (58)

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;

, , - температура исходной смеси, дистиллятора, кубовой жидкости, соответственно, t 0C.

Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле

(59)

где , - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах, Дж/кг•К;

, - массовые доли компонентов.

Температура кипения смеси - = 88 0C, = 65 0C, = 97 0C. Теплоемкости метилового спирта при температурах определяются по номограмме [2 с.562].

= 88 0C =2,85•103Дж/кг•К, =4,19•103 Дж/кг•К

= 65 0C =2,73•103Дж/ кг•К, =4,19•103 Дж/кг•К

= 97 0C =2,93•103Дж/ кг•К, =4,19•103 Дж/кг•К

Подставляя значения в формулу (59), получим

Дж/кг•К

Дж/кг•К

Дж/кг•К

Количества тепла, отнимаемого охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара , определяется по формуле

(60)

где - массовый расход дистиллятора, кг/с;

- флегмовое число;

- удельная теплота конденсации дистиллята, Дж/кг

Удельная теплота конденсации дистиллята , Дж/кг, определяется по формуле

(61)

где , - удельная теплота конденсации компонентов А и В при = 65 0C, Дж/кг

Принимаем по таблице [2 с 541] удельную теплоту = 84,44 Дж/кг, = 2346,42 Дж/кг.

Подставляя значения в формулу (61), получим

кДж/кг

Подставляя значения в формулу (60) ,получим

Вт

Тепловые потери колонны в окружающую среду , кВт, определяется по формуле

(62)

где - суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(м2•к);

- наружная поверхность изоляции колонны, м2;

- температура наружной поверхности стенки колонны 0С;

- температура воздуха в помещении 0.

Суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением , Вт/(м2•к), определяется по формуле

(63)

Подставляя значение в формулу (63), получим

Вт/м2•к

Наружная поверхность изоляции колонны , м2, определяется по формуле

(64)

Подставляя значение в формулу (64), получим

м2

Принимаем = 40 0С, = 20 0С.

Подставляя в формулу (62), получим

Вт

Расход тепла в кубе колонны с учетом тепловых потерь , Вт, получим , подставив значения в формулу (58),

Расход греющего пара давление , кг/с, определяется по формуле

(65)

Подставляя значения в формулу (65), получим

кг/с

Расход тепла в паровом подогревателе исходной смеси , Вт, рассчитывается по формуле

(66)

Где - теплоемкость исходной смеси при средней температуре, Дж/кг•К ,

Среднею температуру найдем по формуле , 0С

(67)

Подставляя значения в формулу (67), получим

0С

Теплоемкость исходной смеси при средней температуре , Дж/кг•К , определяется по формуле

(68)

Где , - теплоемкости бензола и толуола при температуре t1=540C

Принимаем = 2640 Дж/кг•К, = 4190 Дж/кг•К по таблице [2.c.562].

Подставляя значения в формулу (68), получим

Дж/кг•К

Подставляя значения в формулу (66), получим

Вт

Расход греющего пара в подогревателе исходной смеси , кг/с, определяется по формуле

(69)

Подставив значения в формулу (69), получим

кг/с

Общий расход пара , кг/с, определяется по формуле

=+ (70)

Подставив значения в формулу (70), получим

кг/с

Расход воды в дефлегматоре , кг/с, при нагревании ее на 200С определяется по формуле

(71)

Подставляем значения в формулу (71) и получим

кг/с

Расход воды в холодильнике дистиллята , кг/с, при нагревании ее на 200С определяется по формуле

(72)

Подставив значения в формулу (72) получим

кг/с

Расход воды в холодильнике кубового остатка , кг/с, при нагревании ее на 200С определим по формуле

(73)

Подставив значения в формулу (73), получим

кг/с

Общий расход воды , кг/ч определяется по формуле

(74)

Подставив значения в формулу (74) получим

кг/ч

Расчет тепловой изоляции колонны

В качестве изоляции берем асбест (л=0,151 Вт/(мК)). Исходя из упрощенного соотношения (для плоской стенки) имеем

(75)

Где - толщина изоляции, м;

- температура внутренней поверхности изоляции;

Принимаем ориентировочно на 100С - 200С ниже средней температуры в колонне - = 600С.

Определяем толщину изоляции , м, по формуле

(76)

Подставив значения в формулу (76) получим

м

Проверяем температуру внутренней поверхности 0С, по формуле

(77)

Подставив значения в формулу (77) получим

0С

Расхождение: 0С

0,030С<10С

5. Расчет вспомогательного оборудования

Далее производим расчет поверхности всех теплообменников ректификационной установки. Приводим пример полного расчета поверхности кубового испарителя для кипятильника ректификационной установки.

5.1 Кипятильник (куб-испаритель)

Температурные условия процесса.

Кубовой остаток кипит при 97 0С. Согласно заданию температура конденсации греющего пара равна 1200С ( = 1,94 атм). Следовательно, средняя разность температур, определяется по формуле

(78)

Подставив значения в формулу (78) получим

0С.

Определяем максимальную величину площади теплообмена , м2. По [2, с 172] для данного случая теплообмена (от конденсации водяного пара к кипящей жидкости) принимаем значение минимального коэффициента теплопередачи . Тогда максимальная поверхность теплообмена определяется по формуле

(79)

Подставив значения в формулу (79), получим

м2

Определение коэффициента теплопередачи.

Принимаем среднее значение тепловой проводимости загрязнении стенок : со стороны конденсирующего водяного пара Вт/м2 К, со стороны кубового остатка Вт/м2 К.

Теплопроводность стали л=46,5 Вт/м К.

Таким образом, термическое сопротивление стенки и ее загрязнений , , определяется по формуле

(80)

Подставим значения в формулу (80) получим

Коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося пара , Вт/м2•К , определяем по формуле

(81)

Где - коэффициент теплопроводности конденсата Вт/м•К;

-высота кипятильных труб, м;

- плотность конденсата, кг/м3;

- удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

- динамический коэффициент вязкости конденсата, Па•с

Значение коэффициентов теплопроводности, динамической вязкости, плотности определяется [2, с. 537].

Принимаем = 0,68 Вт/м•К, = 231•10-6 Па•с, = 940 кг/м3.

Подставляя значения в формулу (81), получим

Вт/м2•К

Коэффициент теплоотдачи для кипящего метанола , Вт/м2•К , определяем по формуле

(82)

Где - коэффициент теплопроводности метанола Вт/м•К;

- плотность кипящего метанола, кг/м3;

- динамический коэффициент вязкости кипящего метанола,Па•с

- поверхностное натяжение метанола.

Коэффициент ,определяется по формуле

(83)

Где - плотность паров метанола при , кг/м3 определяется по формуле

(84)

Где - плотность паров метанола при нормальных условиях, кг/м3;

- температура при нормальных условиях, К;

Т - температура кипения метанола, К;

Р,Р0 - давление в кипятильнике при рабочих и нормальных условиях

Плотность паров метанола при нормальных условиях , кг/м3, определяется по формуле

(85)

Где : М - мольная масса толуола,

Подставляя значения в формулу (85), получим

кг/м3

Подставляя значения в формулу (84), получим

кг/м3

Подставляя значения в формулу (83), получим

Значение коэффициентов теплопроводности, динамической вязкости, плотности определяется из таблиц [2].

Принимаем = 0,20 Вт/м•К, = 0,22•10-3 Па•с, = 717,3 кг/м3,

= 15,99•103 Н/м.

Подставляя значения в формулу (82), получим

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле :

(86)

Подставляя значения в формулу (86), получим

Удельная тепловая нагрузка определяется по формуле

(87)

Подставляя значения в формулу (87), получим

Откуда

Это уравнение решаем графически, задаваясь значениями q (рис), где y - левая часть уравнения.

При q = 2000 Вт/м2 y = 4,42

При q = 1000 Вт/м2 y = -1,42

При y = 0 находим q = 1250 Вт/м2

Коэффициент теплопередачи , Вт/м2•К, определяется по формуле

(88)

Подставляя значения в формулу (88), получим

Вт/м2•К

Коэффициент поверхности теплообмена , м2, определяется по формуле

(89)

Подставляя значения в формулу (89), получим

м2

С запасом 15-20% принимаем по каталогу [2,с.51] 4 - ходовой теплообменник.

Характеристика теплообменника:

поверхность теплообмена - 397 м2

диаметр кожуха - 1200 мм

диаметр труб - 20х2 мм

длина труб - 4м

количество труб - 1580

5.2 Дефлегматор

В дефлегматоре конденсируется вода с небольшим количеством метанола. Температура конденсации пара дистиллятора = 65 0С. Температуру воды на входе в теплообменник примем 18 0С, на выходе 38 0С.

Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи:

65>65

38>18

0С

По таблице [2.с,172] коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара органических веществ к воде находиться в пределах 240-870 Вт/м2•К.

Принимаем наименьший коэффициент теплопередачи К=340 Вт/м2•К

Количества тепла, отнимаемого охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара:

= 410905 Вт.

Поверхность дефлегматора , м2, находим из основного уравнения теплопередачи (89)

Подставляя значения в формулу (89), получим

м2

С запасом принимаем по каталогу [2,с.51] 2 - ходовой теплообменник с поверхностью.

Характеристика теплообменника:

поверхность теплообмена - 38 м2

диаметр кожуха - 600 мм

диаметр труб - 25х2 мм

длина труб - 2 м

количество труб - 240

5.3 Холодильник для дистиллята

В холодильнике происходит охлаждение дистиллята от температуры конденсации до 30 0С. Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи:

65>30

38>18

0С

Количества тепла, отнимаемого охлаждающей водой от дистиллята в дефлегматоре, определяется по формуле

(90)

Подставляя значения в формулу (90), получим

Вт

Поверхность дефлегматора , м2, находим из основного уравнения теплопередачи (89).

Принимаем коэффициент теплопередачи К = 300 Вт/м2•К

Подставляя значения в формулу (89), получим

м2

С запасом принимаем по каталогу [2,с.51] 1 - ходовой теплообменник с поверхностью.

Характеристика теплообменника:

поверхность теплообмена - 25 м2

диаметр кожуха - 325 мм

диаметр труб - 20х2 мм

длина труб - 4 м

количество труб - 400

5.4 Холодильник для кубового остатка

В холодильнике кубового остатка происходит охлаждение кубовой жидкости от температуры кипения до 30 0С. Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи:

97>30

38>18

0С

Количества тепла, отнимаемого охлаждающей водой от кубовой жидкости, определяется по формуле

(91)

Подставляя значения в формулу (91), получим

Вт

Поверхность теплообмена холодильника кубовой жидкости , м2, находим из основного уравнения теплопередачи (89).

Принимаем коэффициент теплопередачи К = 250 Вт/м2•К

Подставляя значения в формулу (89), получим

м2

С запасом принимаем по каталогу [2,с.51] 4 - ходовой теплообменник с поверхностью.

Характеристика теплообменника:

поверхность теплообмена - 95 м2

диаметр кожуха -800 мм

диаметр труб - 25х2 мм

длина труб - 3 м

количество труб - 404

5.5 Подогреватель

Служит для подогрева исходной смеси 20 0С до температуры = 88 0C. Исходная смесь подогревается водяным насыщенным паром с температурой 120 0С. Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи:

120>120

20>88

0С

Поверхность теплообмена подогревателя , м2, находим из основного уравнения теплопередачи (89).

Принимаем коэффициент теплопередачи К = 120 Вт/м2•К

Подставляя значения в формулу (89), получим

м2

С запасом принимаем по каталогу [2,с.51] 2 - ходовой теплообменник с поверхностью.

Характеристика теплообменника:

поверхность теплообмена - 113 м2

диаметр кожуха -600 мм

диаметр труб - 25х2 мм

длина труб - 6 м

количество труб - 240

Заключение

В данном курсовом проекте приведен расчет ситчатой ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метанол - вода, работающей под атмосферным давлением, и определены ее основные геометрические размеры - диаметр колонны D = 1,6м, высоты тарельчатой м и рабочей части м.

Был осуществлен тепловой расчет установки, определены расход греющего пара и расход охлаждающей воды.

К установке непрерывного действия осуществлен подбор вспомогательного оборудования: подогревателя, куба - испарителя, дефлегматора, холодильников. Вспомогательное оборудование принято по ГОСТу.

К данной пояснительной записке прилагаются чертежи: ”Схема тарельчатой ректификационной установки непрерывного действия”, ”Чертеж общего вида колонны”.

Список использованных источников

1. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. - Л.: Химия, 1981. - 512с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.Л. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1981. - 568 с.

3. Ченцова Л.И., Шайхутдинова М.Н., Ушанова В.М. и др. Массообменные процессы: Учебное пособие по курсу “Процессы и аппараты химических производств” Ч.2. - Красноярск: СибГТУ, 2004. - 237 с.

Размещено на Allbest.ru