Расчет ректификационной колонны для разделения жидкой бинарной смеси этанол-бутиловый спирт

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию.

Государственное образовательное учреждение профессионального высшего образования

Сибирский государственный технологический университет

Факультет полимерных композиций и топлива

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА

Расчет ректификационной колонны для разделения жидкой бинарной смеси этанол-бутиловый спирт

Разработал:

Студент группы 63-4

Владимирова Е.Н.

Красноярск 2006

Задание на расчетно-графическую работу

Рассчитать установку непрерывного действия для разделения жидкой бинарной смеси - этанол - бутиловый спирт. Производительность колонны G_D = 1,2 кг/с. Содержание этилового спирта x_D = 95 % (мольн), исходной смеси x_F = 22 % (мольн), кубовом остатке x_W = 5% (мольн). Давление в колонне атмосферное. Тип тарелки - насадочная.

Равновесные составы жидкости и пара смеси метиловый спирт - этиловый спирт.

Таблица 1

х, % мольн	у, % мольн	t, оС	P, мм рт ст
0,0	0	117,6	760
3,45	12,50	115,0
6,85	22,85	112,5
10,55	32,70	110,0
14,50	41,60	107,5
18,80	49,60	105,0
28,40	63,45	100,0
39,90	74,95	95,00
53,65	84,30	90,00
61,60	88,30	87,50
70,30	91,69	85,00
79,95	95,08	82,50
90,80	97,98	80,00
100	100	78,30

• Содержание
• Задание на расчетно-графическую работу
• Реферат
• Введение
• 1. Расчет колонны
• 1.1 Материальный баланс
• 1.2 Расчет скорости пара и диаметра колонны
• 1.3 Расчет диаметра колонны
• 1.4 Определение высоты колонны
• 1.5 Гидравлический расчет колонны
• 1.5.1 Сопротивление верхней части колонны
• 1.5.2 Сопротивление нижней части колонны
• 1.6 Тепловой расчет ректификационной колонны
• 1.6.1 Расчет тепловой изоляции колонны
• 2. Расчет вспомогательного оборудования
• 2.1 Кипятильник
• 2.2 Определение коэффициента теплопередачи
• 2.3 Дефлегматор
• 2.4 Холодильник для дистиллята
• 2.5. Холодильник для кубового остатка
• 2.6. Подогреватель
• Заключение
• Список использованной литературы
• Приложение
• Реферат
• В данной расчетно-графической работе мы произвели расчет ректификационной колонны непрерывного действия, работающей под атмосферным давлением с насадочными тарелками.
• Введение
• Простая перегонка.
• Фракционная перегонка. Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и конденсируются. Процесс осуществляют периодическим или непрерывным способом.
• Если простая перегонка проводится периодически, то в ходе отгонки НК содержание его в кубовой жидкости уменьшается. Вместе с тем, изменяется во времени и состав дистиллята, который обедняется НК по мере протекания процесса. В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих различный состав. Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава, называется фракционной, или дробной, перегонкой.
• Ректификация - разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате противоточного взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси.
• Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости.
• Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).
• Непрерывно действующие установки. Ректификационная колонна имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится вне колонны, т. е. является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара.
• Влияние агрегатного состояния и температуры исходной смеси на работу колонны.
• При выборе оптимальных условий работы ректификационной установки необходимо учитывать расход тепла и основные параметры (температуру и давление) теплоносителей -- греющего пара и охлаждающей воды, а также требуемые размеры как самой колонны, так и соединенных с ней теплообменных аппаратов (кипятильника, нагревателя исходной смеси, дефлегматора и холодильника паров). Все эти факторы взаимосвязаны и зависят, в частности, от температуры и агрегатного состояния подаваемой на разделение смеси.
• Исходная смесь может поступать в колонну не только в жидком, но и в парообразном состоянии или в виде смеси жидкости и пара.
• При прочих равных условиях -- заданны составах дистиллята у_D и остатка x_W, давлении Р в колонне и др. -- подвод тепла в колонну минимален в случае подачи в нее жидкой исходной смеси, предварительно нагретой до температуры кипения t_K на питающей тарелке.
• Кипятильник, или куб предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадку или нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверхность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.
• В периодически действующих колоннах куб является не только испарителем, но и емкостью для исходной смеси. Поэтому объем куба должен быть в 1,3--1,6 раза больше его единовременной загрузки (на одну операцию). Обогрев кипятильников наиболее часто производится водяным насыщенным паром.
• Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода). Однако вопрос о направлении конденсирующихся паров и охлаждающего агента внутрь или снаружи труб следует решать в каждом конкретном случае, учитывая желательность повышения коэффициента теплопередачи и удобство очистки поверхности теплообмена.
• Рисунок 1 - Схема непрерывно действующей ректификационной установки.

Исходная смесь поступает со склада в емкость Е1. На емкости устанавливают прибор для измерения уровня, который показывает и сигнализирует о предельном верхнем и нижнем его значении. При достижении верхней отметки прекращают подачу исходной смеси в емкость, при достижении нижней - возобновляют.

Из емкости Е1 жидкостная смесь окачивается центробежным насосом Н1. Насос продублирован на случай отказа запасным насосом Н2. Также предусмотрена обводная (байпасная) линия, работающая в случае останова установки на ремонт или профилактику, которая служит для спуска жидкости из трубопровода.

В установке предусмотрено рациональное использование тепла. Тепло отходящих потоков используется для нагревания всходящих, то есть нагревают исходную смесь за счет тепла жидкости, удаляющейся из нижней части колонны, так называемого кубового остатка. Данный теплообмен осуществляется в рекуператоре Х1.

Это теплообменный кожухотрубчатый аппарат, в одно пространство которого подается насосом исходная смесь, а в другое - кубовый остаток.

После выхода из рекуператора исходная смесь нагревается, но не до температуры кипения. Дальнейший нагрев смеси осуществляют в подогревателе П. В трубное пространство этого кожухотрубчатого теплообменника поступает, подогретая исходная смесь, а в межтрубное - греющий пар, подаваемый по трубопроводу из котельной. Пар, конденсируясь, отдает свое тепло исходной смеси, нагревая ее до температуры кипения.

Температура исходной смеси регулируется специальным прибором. Далее кипящая смесь поступает в колонну на ректификацию.

В колонне пары исходной смеси идут вверх, обогащаясь метиловым спиртом, а жидкая фаза идет на орошение нижней части.

Жидкость, выводимая из нижней части колонны, частично отводится в емкость Е2, проходя при этом через рекуператор Х1 (см. выше), а частично подается в кипятильник К, который нагревает остаток до температуры кипения и полностью испаряет его. После выхода из кипятильника кубовый остаток полностью переходит в пар. Нагрев осуществляют греющим паром, поступающим из котельной.

Сконденсировавшиеся пары греющего пара из подогревателя и кипятильника удаляют с помощью конденсатоотводчиков КО2 и КО1 соответственно. Для обеспечения непрерывной работы установки при ремонте и осмотре водоотводчиков их снабжают обводной (байпасной) линией.

Пар из кипятильника поднимается вверх по колонне, соединяется с парами исходной смеси, и, все более обогащаясь этанолом, выходит через верхний штуцер. Затем он направляется на конденсацию в дефлегматор Д.

В дефлегматоре пары этанола конденсируются за счет охлаждающей воды.

Конденсат поступает в емкость Е4. Здесь он делится на два потока: жидкость, отбираемую на орошение колонны - флегму и готовый продукт - дистиллят. Флегма закачивается в колонну насосом Н7, который продублирован насосом Н8. Для спуска жидкости при останове установки предусмотрена обводная (байпасная) линия.

Флегма, поданная в колонну на орошение, смешивается с исходной смесью и стекает по тарелкам в куб колонны.

Дистиллят, протекая по трубопроводу, подводится к холодильнику Х2, где он охлаждается до нужной температуры холодной водой. Охлажденный дистиллят поступает в емкость Е3. Здесь также установлен прибор для измерения уровня, включающий насос Н6 при достижении количеством готового продукта - этанола - заданной отметки.

пар колонна кипятильник тепловой

1. Расчет колонны

1.1 Материальный баланс

Массовый расход дистиллята G_D=1.2 кг/с (см. задание)

X_D =95 мольн.

X_F=22 мольн.

X_W=5 мольн.

Для дальнейших расчетов необходимо концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка выразить в массовых долях.

масс

масс

масс

М_А, М_В- молекулярные массы соответственно этанола и бутилового спирта.

Массовый расход кубового остатка-G_W и массовый расход смеси -G_F найдем из уравнений материального баланса

-по потокам

-по низкокипящему компоненту

Из этой системы уравнений находим

Относительный мольный расход питания

кг/с

Производительность колонны по дистилляту D и кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса колонны:

F=D+W;

Отсюда находим:

D=F-W=5.3-4.61=0.69 кг/с

Кривая равновесия РИС 3 точек перегиба не имеет.

Определяем минимальное число флегмы

где Y_F^*=0.53-мольная доля этанола в паре, равновесном с жидкостью питания, определяется по диаграмме Y*-X

Рабочее число флегмы

Уравнения рабочих линий

1. Верхней (укрепляющей) части колонны

Y=0.68x+0.31

2. Нижней (исчерпывающей) части колонны

Y=2.385x-0.07

Расчет скорости пара и диаметра колонны

Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров -- диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит, от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа и размеров насадок.

При проведении процессов вакуумной ректификации с целью снижения гидравлического сопротивления выбирают специальные виды насадок, обладающих большим свободным объемом. Наиболее правильно выбор оптимального типа и размера насадки может быть осуществлен на основе технико-экономического анализа общих затрат на разделение в конкретном технологическом процессе

Ориентировочный выбор размера насадочных тел можно осуществить исходя из следующих соображений. Чем больше размер элемента насадки, тем больше ее свободный объем (живое сечение) и, следовательно, выше производительность. Однако вследствие меньшей удельной поверхности эффективность крупных насадок несколько ниже. Поэтому насадку большого размера применяют, когда требуются высокая производительность и сравнительно невысокая степень чистоты продуктов разделения.

В ректификационных колоннах, работающих при атмосферном давлении , для разделения агрессивных жидкостей, а также в тех случаях, когда не требуется частая чистка аппарата, обычно применяют керамические кольца Рашига.

Для данного случая примем насадку из керамических колец Рашига размером 50х50х5мм. Удельная поверхность насадки д=87.5, Свободный объем V_св=0,785 м³/м³, насыпная плотность 530 кг/м³.

В соответствии с проведенным выше расчетом имеем R=2.1

Дальнейший расчет насадочной колонны ведется отдельно как для верхней части колонны, так и для нижней. Это объясняется тем, что объемный расход и скорости пара для обеих частей колонны будут различны.

1.2 Определение скорости пара в колонне

Выбор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давлении, рабочую скорость можно принять на 20-30% ниже скорости захлебывания

Предельную фиктивную скорость пара щ_п, при которой происходит захлебывание насадочных колонн, определяют по уравнению:

,

где с_x, с_y-средние плотности жидкости и пара, кг/м³;

м_х - вязкость жидких смесей этанола и бутилового спирта

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней части колонны определяют из соотношений:

,

где М_D и М_F-мольные массы дистиллята и исходной смеси; М_В и М_Н- средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Мольная массу дистиллята

Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны

где М_э и М_б.с- мольные массы этанола и бутилового спирта;

Х_ср.в и Х_ср.н- средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:

Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны

Мольная масса исходной смеси М_F

Отсюда

Рассчитываем средние концентрации низкокипящего компонента в паре:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

Средние температуры пара определяем по диаграмме t - x,y (рис.4):

а) при =0,71

б) при=0,252

Средние мольные массы паров в верхней и нижней части колонны

а)

б)

Средние массовые потоки пара в верхней G_В и нижней G_Н частях колонны соответственно равны:

Плотности пара в колонне:



Средняя плотность жидкости в колонне:

Плотности жидких этанола и бутилового спирта близки. Температура в верху колонны при y_D = 0,95 равняется 82,5^оС, а в кубе - испарителе при х_w = 0,05 она равна 116,6 ^оС.

Плотность жидкого этанола при 82,5^оС с_э. = 735 кг/м³, а жидкого этилового спирта при 116,6 ^оС с_б.с. = 743 кг/м³.

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

с_ж = (735+743)/2=739 кг/м³

Вязкость жидких смесей м_х находим по уравнению:

где м _э, м_б.с-вязкости жидких этанола и бутилового спирта при температуре смеси

Для верхней части колонны при температуре 82,5⁰С с.516 т.9, [1]

м_э=0,435мПа*с

м_б.с=0,76мПа*с

Для нижней части колонны при температуре 116,6⁰С с.516 т.9, [1]

м_э=0,287мПа*с

м_б.с=0,46мПа*с

Тогда вязкость жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

Предельная скорость паров в верхней части колонны щ_П.В щ_П.Н

щ_П.В=2,31м/с

Предельная скорость паров в нижней части колонны щ_П.Н

щ_П.Н=1,64м/с

Примем рабочую скорость щ на 30% ниже предельной:

щ_.В=0,7*2,31=1,617м/с

щ_.Н=0,7*1,64=1,148м/с

1.3 Расчет диаметра колонны

Диаметр ректификационной колонны определим из уравнений расхода



Отсюда диаметры верхней и нижней части колонны равны:

Рационально принять стандартный диаметр обечайки d=1,4м одинаковым для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне равны:

Что составляетщ_.В=55,81%

щ_.Н=81,4%

от предельных скоростей.

1.4 Определение высоты колонны

Высота насадки рассчитывается по уравнению:

Эквивалентную высоту насадки h_э рассчитываем по уравнению:



Вязкости паров этанола и бутилового спирта находим из номограммы с 9, №4 [4] при средней температуре пара в верхней и нижней частях колонны:

t_ср.В=97⁰C

t_ср.Н =112⁰C

м_э.В=м_э.Н=

м_б.с.В=м_б.с.Н=

Тогда вязкость паров для верхней и нижней частях колонны м_П.В(м_П.Н)= м_см.

;

;

;

;

где

Число ступеней изменения концентрации в пределах от х_D=0.95 до х_F=0,22 найдем m_нижн m_верхн

Эквивалентная высота насадки h_э в верхней части колонны:

Эквивалентная высота насадки h_э в нижней части колонны:

Число теоретических тарелок из РИС 3 n_т=7 (4 в верхней части колонны и 3 в нижней части)

Высота насадки в верхней и нижней частях колонны, соответственно, равны:

Общая высота насадки в колонне равна:

С учетом того, что высота слоя насадки в одной секции Z=3м, общее число секций в колонне составляет 6 (4 секции в верхней части и 2 в нижней части).

Общую высоту ректификационной колонны определяют по уравнению:

,

где Z-высота насадки в одной секции, м; n-число секций; h_p-высота промежутков между секциями насадки, в которых устанавливают распределители жидкости, м; Z_в и Z_н соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстоянием между днищем колонны и насадкой, м.

Значения Z_в и Z_н выбирают в соответствии с рекомендациями с 235 [2]:

Для колонны диаметром 1200-2200мм Z_в=1000мм и Z_н=2000мм.

Тогда

1.5 Гидравлический расчет колонны

В соответствии с рассчитанным выше диаметром колонны по приложениям (стр.220-221 [2]) подбираем стандартную колонну и тарелки. Принимаем к установке колонный аппарат диаметром 1400 мм; колонна компонуется из распределительных тарелок типа ТСН-111 и перераспределительных тарелок типа ТСН-11. Основные параметры тарелок приведены в таблице 1 и 2.

Таблица 1 - Техническая характеристика распределительных тарелок типа ТСН-111

Диаметр колонны D, мм	Рабочее сечение колонны, м2	Сечение слива, м2	Мах допустимая нагрузка по жидкости, м3/м2*ч	Число отверстий для слива жидкости n1	Масса тарелки, кг. (ориентировочно)
					Из углеродистой стали	Из легированной стали
1400	0,754	0,1249	250	22	35,8	24,5

Таблица 2-Техническая характеристика перераспределительных тарелок типа ТСН-11

Диаметр колонны D, мм	Рабочее сечение колонны, м2	Сечение слива, м2	Мах допустимая нагрузка по жидкости, м3/м2*ч	Число отверстий для слива жидкости n1	Масса тарелки, кг. (ориентировочно)
					Из углеродистой стали	Из легированной стали
1400	0,754	0,144	320	6	48,8	24,6

Гидралическое сопротивление насадочных колонн для систем газ-жидкость и пар-жидкость в точке инверсии может быть рассчитано по следующей формуле:

где -перепад давлений при наличии орошения в точке инверсии для той же скорости газа, как и при сухой насадке (на 1м ее высоты), ; -отношение массовых расходов жидкости и газа (пара),кг/кг; -плотность пара, -плотность жидкости, кг/м³;

-вязкость жидкости, н*сек/м²;

-вязкость пара, н*сек/м²;

-сопротивление сухой насадки (на 1м ее высоты), н/(м²*м).

Последнюю величину при Re>400 можно вычислить по уравнению:

,

где щ_п - скорость пара, отнесенная к полному сечению колонны, м/сек;

у - удельная поверхность насадки, м²/м³;

V_св- свободный объем насадки, м³/м³

1.5.1 Сопротивление верхней части колонны

Определяем число Рейнольдса:

Эквивалентный диаметр насадки:

Режим движения- турбулентный.

Для турбулентного режима коэффициент сопротивления сухой насадки в виде беспорядочно рассыпанных колец Рашига определяется по формуле:

Потеря давления на 1 м высоты сухой насадки:

Сопротивление орошаемой насадки в верхней части колонны:

Сопротивление слоя насадки верхней части колонны:

1.5.2 Сопротивление нижней части колонны

Определяем число Рейнольдса:

Эквивалентный диаметр насадки:

Режим движения- турбулентный.

Потеря давления на 1 м высоты сухой насадки:

Сопротивление орошаемой насадки в нижней части колонны:

Сопротивление слоя насадки нижней части колонны:

Общее сопротивление колонны равно

1.6 Тепловой расчет ректификационной колонны

Расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью от конденсирующего пара в кубе-испарителе колонны



где -расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, Вт; -тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт;

-теплоемкость исходной смеси, дистиллята, кубовой жидкости, соответственно, Дж/кг*К.

Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:

,

где -теплоемкости компонентов при соответствующих температурах; -массовые доли компонентов.

Температура смеси t_F=113⁰C, кубового остатка t_W=116,6⁰C и дистиллята t_D=82,5⁰C; теплоемкости этанола и бутилового спирта при этих температурах определяем по номограмме Х1, с.562 [1] (А-этанол, В- бутиловый спирт)

Теплоемкости смесей:

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

-удельная теплота конденсации дистиллята, Дж/кг; r_А , r_В- удельная теплота конденсации компонентов А и В при температуре t_D=82,5⁰С, с.541,табл XLV[1]

Тепловые потери колонны в окружающую среду

,

где -температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем ; -температура воздуха в помещении, ;

б - суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(м²К):

-наружная поверхность изоляции колонны, определяем по формуле:



Потери тепла в окружающую среду:

Расход тепла в кубе колонны с учетом тепловых потерь:

Расход тепла в паровом подогревателе исходной смеси при средней температуре:

Теплоемкость исходной смеси при средней температуре:

где -теплоемкости этанола и бутилового спирта при t=66,5⁰С c.562. [1]

Расход воды в дефлегматоре при нагревании ее на 20⁰С

Расход воды в холодильнике дистиллята при нагревании ее на 20⁰С



Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании ее на 20⁰С

Общий расход воды в ректификационной установке:

или V=256,7м³/ч

Расход греющего пара в кипятильнике (давление р_абс=6,303ат, влажность 5%)

Расход греющего пара в подогревателе (давление р_абс=6,303ат, влажность 5%)

Общий расход пара в колонне:

1.6.1 Расчет тепловой изоляции колонны

В качестве изоляции берем асбест (л_из=0,151 Вт/м*К). Исходя из упрощенного соотношения (для плоской стенки) имеем:

где -толщина изоляции, м; -температура внутренней поверхности изоляции, принимаем ее ориентировочно на 10-20⁰С ниже средней температуры в колонне .

Определяем толщину изоляции

Проверяем температуру внутренней поверхности изоляции

Расхождение: 84,56-84,5=0,06⁰С<1⁰С

2. Расчет вспомогательного оборудования

Далее производим расчет поверхности всех теплообменников ректификационной установки.

2.1 Кипятильник

Температурные условия процесса. Согласно заданию температура конденсации греющего пара равна 160⁰С (р_абс=6,303атм).

Кубовый остаток кипит при

Следовательно, средняя разность температур:

160-116,6=43,4⁰С

Тепловая нагрузка

Выбор конструкции.

Кипятильники ректификационных колонн непрерывного действия по устройству сходны с кипятильниками выпарных аппаратов. При небольших поверхностях теплообмена куб колонны обогревается змеевиком или горизонтальной трубчаткой, пересекающей нижнюю часть колонны; при этом греющий пар пропускается по трубам.

При больших поверхностях теплообмена применяют выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

Определяем ориентировочно максимальную величину площади теплообмена по табл. 4.8 [1] для данного случая теплообмена (от конденсирующегося водяного пара к кипящей жидкости) принимаем значение минимального коэффициента теплопередачи К_min=300Вт/м²К.

Тогда максимальная поверхность теплообмена:



Предварительно выбираем для расчета выносной кипятильник кожухотрубчатый теплообменник с трубами диаметром 25х2мм, длиной труб- 4м,

2.2 Определение коэффициента теплопередачи

Принимаем среднее значение тепловой проводимости загрязнений стенок со стороны конденсирующегося водяного пара , со стороны кубового остатка (почти чистый этиловый спирт) .

Теплопроводность стали л=46,5Вт/м?К.

Таким образом

, м²К/Вт

Коэффициент теплопередачи со стороны конденсирующегося водяного пара определяем по формуле

, Вт/м²К

Где л - коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/м?К;

Н - высота кипятильных труб, м;

с - плотность конденсата, кг/м³;

r - удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

м - динамический коэффициент вязкости конденсата, Па*с

Коэффициент теплоотдачи для кипящего этилового спирта находим по формуле:

где коэффициент b определяется по формуле

где с - плотность паров этилового спирта при t_W рассчитывается по формуле:

где: с₀ - плотность паров этилового спирта при нормальных условиях

Коэффициент теплопередачи для кипящего этилового спирта равен:

Коэффициент теплопередачи:

Удельная тепловая нагрузка

Откуда

Это уравнение решаем графически, задаваясь значениями q , y-левая часть уравнения.

При q = 20000 Вт/м²у = 1,38

При q = 15000 Вт/м²у = -3,15

При у = 0 находим q = 20500 Вт/м²

Коэффициент теплопередачи



Рисунок 2 - Графическое определение удельного расхода тепла.

Площадь поверхности теплообмена

С запасом 15-20% принимаем по каталогу табл.4.12 стр.215 [1] одноходовой теплообменник.

Характеристика теплообменника

Поверхность теплообмена…………………………..176м²

Диаметр кожуха……………………………………...1000мм

Диаметр труб…………………………………………252мм

Длина труб……………………………………………3м

Количество труб……………………………………...747

Расчеты остальных теплообменников выполняются. Задаваясь ориентировочными значениями коэффициентов теплопередачи [1].

Расчеты остальных теплообменников выполняются. Задаваясь ориентировочными значениями коэффициентов теплопередачи [1].

2.3 Дефлегматор

В дефлегматоре конденсируется бутиловый спирт с небольшим количеством этанола. Температура конденсации паров дистиллята t_D=82,5⁰С

Температуру воды на входе в теплообменник примем 18⁰С, на выходе 38⁰С.

Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи

82,5⁰С 82,5⁰С

38⁰С 18⁰С

По табл. 4.8, с 172. [ 1] коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара органических веществ к воде находится в пределах (конденсаторы) 340-870 Вт/м²К

Принимаем наименьший коэффициент теплопередачи К=340 Вт/м²К

Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара

Поверхность дефлегматора находим из основного уравнения теплопередачи

Подбор теплообменника по каталогу табл. 4.12, с 215. [1]

В данном случае и во всех остальных осуществляем аналогично выше приведенному. Даются основные характеристики теплообменников.

Характеристика теплообменника

Поверхность теплообмена…………………………..176м²

Диаметр кожуха……………………………………...1000мм

Диаметр труб…………………………………………25х2мм

Длина труб……………………………………………3м

Количество труб……………………………………...747

2.4 Холодильник для дистиллята

В холодильнике происходит охлаждение дистиллята до температуры конденсации до 30⁰С.

82,5⁰С 30⁰С

38⁰С 18⁰С

Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от дистиллята в дефлегматоре пара

Принимаем К=300Вт/м²К

Поверхность теплообмена холодильника дистиллята находим из основного уравнения теплопередачи

Подбор теплообменника по каталогу табл. 4.12, с 215. [1]

В данном случае и во всех остальных осуществляем аналогично выше приведенному. По каталогу табл. 4.12с 215, [ 1] принимаем 6-тиходовой теплообменник

Характеристика теплообменника

Поверхность теплообмена…………………………..31м²

Диаметр кожуха……………………………………...600мм

Диаметр труб…………………………………………25х2мм

Длина труб……………………………………………2м

Количество труб……………………………………...196

2.5 Холодильник для кубового остатка

В холодильнике кубового остатка происходит охлаждение кубовой жидкости от температуры кипения до 30⁰С.

116,6⁰С 30⁰С

38⁰С 18⁰С

Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от кубовой жидкости

Принимаем К=250Вт/м²К

Поверхность теплообмена холодильника кубовой жидкости

Подбор теплообменника по каталогу табл. 4.12, с 215. [1] принимаем 6-тиходовой теплообменник.

Характеристика теплообменника

Поверхность теплообмена…………………………..301м²

Диаметр кожуха……………………………………...1000мм

Диаметр труб…………………………………………25х2мм

Длина труб……………………………………………4м

Количество труб……………………………………...958

2.6 Подогреватель

Служит для подогрева исходной смеси от t_н = 18-20^оС до температуры t_F = 72^oC. Исходная смесь подогревается водяным насыщенным паром с температурой 160^оС.

160⁰С 160⁰С

20⁰С 113⁰С

Принимаем К=120Вт/м²?К.

Поверхность теплообмена подогревателя находим из основного уравнения теплопередачи:

C запасом принимаем 4-х ходовой теплообменник с поверхностью F = 190м² по табл. 4.12, с 215 [1]

Характеристика теплообменника

Поверхность теплообмена…………………………..190м²

Диаметр кожуха……………………………………...800м

Диаметр труб…………………………………………252мм

Длина труб……………………………………………6м

Количество труб……………………………………...404

Заключение

В результате проведенного расчета мы определили:

Диаметр D = 1400мм и высоту колонны H = 23,5м.

Произвели гидравлический и тепловой расчет колонны.

Рассчитали и подобрали вспомогательное оборудование.

Список использованной литературы

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов под ред. чл. корр. АН России П.Г. Романкова. - 12 -е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987г. М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. - 576с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по пректированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2 - е изд., перераб. и дополн. М.: Химия 1991. - 496с.

3. А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. - 10 - е изд., стереотипное, доработанное. Перепеч. сизд. 1973г. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. - 753с.

4. Н.П. Романов, М.И. Курочкин « Расчеты и диаграммы по курсу ПАХТ », л; 1987-56 (с.9 номограмма №4 )

5. Массообменные процессы: Учебное пособие по курсу «Процессы и аппараты химических производств» Ч.2/ Л.И.Ченцова и др. Под общ. ред. Левина Б.Д.-Красноярск: СибГТУ, 2004.-237с

6. Борисова Т.В., Шайхатдинова М.К., Воронин С.М. Расчет ректификационной колонны с различными контактными устройствами. ПАХТ. Учебное пособие к курсовому проектированию для студентов всех форм обучения. - Красноярск: СибГТУ, 2001.-88с

Приложение А

Насадочные колонны получили широкое распространение в химической промышленности благодаря простоте их устройства, дешевизне изготовления и малому гидравлическому сопротивлению при пленочном режиме работы.

Недостатком работы насадочной колонны является неравномерность распределения пара и жидкости по поперечному сечению, а следовательно неодинаковая эффективность различных ее частей и низкая эффективность всей колонны в целом.

На эффективность работы насадочной колонны влияют массовые расходы пара, тип и степень смачиваемости насадки, отношение диаметра колонны к размеру насадки, высота слоя насадки, распределение потоков по сечению колонны.

При выборе насадки учитывают достоинства и недостатки различных типов для того, чтобы для данного конкретного случая наиболее эффективную. На заводах химической промышленности насадочные колонны заполняют главным образом кольцами, изготовленными из керамики. Эти кольца обладают высокой стойкостью к воздействию кислот, кислых газов и других химических агрессивных веществ.

Режимы работы насадочных колонн

При противоточном движении фаз в обычных насадочных колоннах можно наблюдать четыре характерных режима движения потоков: пленочный, промежуточный, турбулизации и эмульгирования.

Пленочный режим наблюдается при капельно-пленочном течении жидкости, когда плотность орошения и скорость газа являются небольшими. Жидкость в этом случае движется от элемента к элементу насадки в виде капель и пленок, мало смачивая насадку.

Промежуточный режим наблюдается при пленочно-струйном движении. Жидкость покрывает насадку в виде тонкой пленки, причем значительная доля поверхности остается несмоченной. Пленка и струи жидкости затормаживают поток газа с образованием отдельных вихрей.

При турбулизации жидкость стекает по насадке в виде пленки, но доля смоченной поверхности значительно возрастает и в пленку жидкости проникают вихри.

С повышением скорости газа увеличиваются турбулизация потоков и массоперенос конвективными токами. При этих гидродинамических условиях возникает режим эмульгирования. При режиме эмульгирования турбулентность становится настолько значительной, что происходит разрыв граничной между потоками поверхности4 газовые вихри, непрерывно возникая и перемещаясь, проникают в завихренную жидкость, в которой так же возникают и перемещаются жидкостные вихри. Интенсивность массообмена достигает максимальных значений.

С последующим увеличением скорости газа происходит накапливание жидкости в колонне, вся насадка затапливается и начинается выброс жидкости из колонны.

Размещено на Allbest.ru