Расчет флегмового числа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Космынина Мария



В тарельчатую ректификационную колонну, работающую под атмосферным давлением, поступает бинарная жидкая смесь при температуре кипения.

В таблице приведены: расход исходной смеси, концентрации в потоке питания, в дистилляте и кубовом остатке.

№	Смесь	F, кг/с	xW (мольн)	xF (мольн)	xP (мольн)
8	Хлороформ - Тетрахлорметан	0,9	0,045	0,55	0,97

Тарелки ректификационной колонны - ситчатые;

Тепловые потери в колонне и теплообменниках малы, ими можно пренебречь;

Теплоты смешения равны нулю.

Определить:

1. Флегмовое число R двумя способами

2. Привести выводы:

а) сравнить 2 метода определения R и результаты расчета

б) оценить вклад отдельных статей расходов по второму методу

Расчет:

Расход смеси F = 0,9 * 3600 кг/ч = 3240 кг/час.

,

,

,

MF смеси = 119,377 • 0,55 + 153,822 • (1 - 0,55) = 134,9 кг смеси/кмоль смеси

MP смеси = 119,377 • 0,97 + 153,822 • (1 - 0,03) = 120,4 кг смеси/кмоль смеси

MW смеси = 119,377 • 0,045 + 153,822 • (1 - 0,045) = 152,3 кг смеси/кмоль смеси

Плотность жидкости - справочные данные (ChemCAD), плотность пара - по формуле:

,

Равновесный состав пара при TP = 61,4 оС (по диаграмме T-x,y):

xPпар = 0,98 (мольн. доля CHCl3), xPпар = 0,9744 (масс. доля CHCl3).

CHCl3 жид = 1413,12 кг/м3 (при TP = 61,4 оС)	CHCl3 пар = 4,35 кг/м3 (при TP = 61,4 оС)
CCl4 жид = 1514,86 кг/м3 (при TP = 61,4 оС)	CCl4 пар = 5,61 кг/м3 (при TP = 61,4 оС)
x= 1413,12*0,97 + 1514,86*0,03 кг/м3 = 1416,17 кг/м3 (при TP = 61,4 оС)	y = 4,35 * 0,9744 +5,61 * (1 - 0,9744) = 4,38 кг/м3 (при TP = 61,4 оС)

Теплоёмкость С, Дж/кг*К	T F = 66,9 оС	TP = 61,4 оС	TW = 75,9 оС
Жидкость	CHCl3	991	985	1000
	CCl4	887	879	904
Пар	CHCl3	582	578	588
	CCl4	568	564	573

cF =0,4868•991+(1 - 0,4868)•887 = 937 Дж/кг К (T F = 66,9 оС),

cP = 0,9617•985+(1 - 0,9617)•879 = 981 Дж/кг К (TP = 61,4 оС),

cW = 0,0353•1000+(1 - 0,0353)•904 = 908 Дж/кг К (TW = 75,9 оС)

Справочные данные:

1. rP = r CHCl3 * xP (масс.) + r CCl4 * (1 - xP (масс.)) = 247,03 * 0,9617 + 198,82 * 0,9617 = = 245,18 (кДж смеси/кг смеси)



При температуре кипения смеси Ткип = TP = 61,4 оС = 334,55 ?К :

ДHисп(CHCl3) = 29490 кДж/кмоль (ChemCAD)

ДHисп(CCl4) = 30583 кДж/кмоль (ChemCAD)

r CHCl3 = 29490 / 119,377 = 247,03 кДж/кг

r CCl4 = 30583 / 153,822 = 198,82 кДж/кг

Задаемся ориентировочно KT (кип) = 550 Вт/м2К; KT (дефл) = 450 Вт/м2К

Находим по T-x,y диаграмме (линия жидкости): T F = 66,9 оС, TP = 61,4 оС, TW = 75,9 оС, температура водяной кипятильник теплообменник

Оборотная вода в дефлегматоре нагревается от 25 до 35 оС

Температура водяного греющего пара в кипятильнике выше температуры TW на 25 - 37 градусов. Примем TW = 76 + 37 = 113 оС, соответственно r гр пара = 2230 кДж/кг.

Средний коэффициент полезного действия тарелки - 0,75

Время работы 350 дней/год

2. Стоимость

Пара 3,31 $/1000 кг

Охлаждающей воды 0,0238 $/1000 кг

Электроэнергии 0,05 $/кВтчас

Стоимость трубопроводов с арматурой и изоляцией примем равной 60 % стоимости оборудования Коэффициент амортизации составляет 0,2 года-1 для всего оборудования

Стоимость теплообменников и колонны приведены в таблице 1

Таблица 1

Ректификационная колонна с ситчатыми тарелками	Кожухотрубный теплообменник - дефлегматор	Кожухотрубный теплообменник - кипятильник
D, м	Стоимость, $/тарелку	А, м2	Стоимость, $	А, м2	Стоимость, $
1,5	2640	75	21100	90	37200
1,75	3170	95	24600	130	45700
2,0	3910	110	27000	165	52700
2,25	4730	130	29800	200	59100
2,5	5680	150	32250	240	65200

РЕШЕНИЕ:

Общие затраты на установку ректификации складываются из стоимости оборудования (ректификационной колонны, кипятильника и дефлегматора) и эксплуатационных затрат (затрат на пар, оборотную воду и электроэнергию).

Находим Rmin = 2,337 (в программе RAB1). Ropt = 3,418 (в программе RAB1). Для расчёта используем Ropt = 3,418.

Из материального баланса колонны:

,

P = F - W = 3240 - 1661 = 1579 кг/час ( = 1579 / 120,4 кмоль/час = 13,11 кмоль/час);

расход пара G = P(R+1) = 1579 * (3,418 + 1) кг/час = 6976,38 кг/час ( = 6976,38 / 120,4 кмоль/час = 57,94 кмоль/час).

Стоимость колонны

Определяем число теоретических тарелок по Рис.1. N теор = 24.

Находим число действительных тарелок N действ = N теор/ = 24/0,75 = 32.

Рассчитываем скорость паров в верхней части колонны с ситчатыми тарелками:

,



Объемный расход паров в верхней части колонны

V = 43,76 кмоль/час*22,4 м3/кмоль*(273,15+61,4)/273,15= 1200,56 м3/час = 0,3335 м3/с

Диаметр колонны D:

,

Из табл.1 стоимость одной тарелки 1700 $ (после аппроксимации, для D=0,7м, полиномиальная зависимость).

Стоимость колонны в год (включая трубопроводы)

Сколон = 170032(1+0,6) 0,2 = 17408 $/год

1. Стоимость кожухотрубного теплообменника - дефлегматора

В дефлегматоре полностью конденсируется пар, выходящий из колонны

Qдефл = GrP = 6976,38 кг/час245,18 кДж/кг = 475,13 кВт

Поверхность теплопередачи:

,

,

Стоимость дефлегматора в год (включая трубопроводы)

(при линейной зависимости стоимости дефлегматора от площади)

,



2. Стоимость кожухотрубного теплообменника - кипятильника

При расчете тепловой нагрузки кипятильника используем тепловую нагрузку дефлегматора:

,

Поверхность теплопередачи:

,

Стоимость кипятильника в год (включая трубопроводы) (при линейной зависимости)

,

4. Стоимость воды, подаваемой в дефлегматор

,

Стоимость воды:

,

5. Стоимость водяного греющего пара, подаваемого в кипятильник

Расход пара:

,

Стоимость пара:

,

6. Стоимость электроэнергии, затрачиваемой на перекачивание воды по трубному пространству кожухотрубного теплообменника:

Из пособия по курсовому проектированию табл 2.9 выберем теплообменник с площадью близкой к A = 23,37 м2:

Теплообменник A = 40 м2, d = 25х2 мм (21 мм), dэ = 0,021 м, N = 257, z = 1, L=2

Напор насоса при перекачивании воды по трубному пространству кожухотрубного теплообменника (см. соответствующую лекцию):

21 мм

J = 2,8

,

,

,

Мощность насоса (при н = 0,5)



,

Стоимость электроэнергии на перекачивание воды:

,

7. Годовые затраты при R = 2,337

,

8. Результаты расчета. Число тарелок считается в программе RAB7.

Повторяем расчет при различных значениях R.

Результаты вносим в таблицу и строим график

Таблица 2

R	Затраты по статьям, $/год	Общие затраты, $/год	Капит. затраты	Экспл. затраты
	Колонна	Дефлег.	Кипят.	Вода	Пар	Элект.
2,338	60 928	4346	7793	6166	16194	572	95 999	73 067	22932
2,339	54 400	4346	7794	6168	16199	572	89 478	66 539	22939
2,35	42 976	4346	7797	6188	16252	577	78 136	55 119	23018
2,36	39 168	4346	7800	6207	16300	582	74 403	51 314	23089
2,4	34 272	4346	7813	6281	16493	602	69 807	46 431	23376
2,5	28 288	4346	7845	6465	16976	654	64 574	40 478	24095
2,8	21 760	4346	7940	7020	18424	826	60 315	34 045	26270
3	20 672	4346	8003	7389	19389	956	60 755	33 020	27734
3,2	19 040	4346	8066	7759	20355	1098	60 663	31 452	29211
3,418	18 496	4346	8135	8161	21407	1267	61 812	30 977	30836
3,6	17 408	4346	8193	8497	22286	1421	62 151	29 946	32204
3,8	16 864	4346	8256	8867	23251	1604	63 187	29 465	33722
4	16 320	4346	8319	9236	24217	1801	64 239	28 985	35254
4,5	15 232	4346	8477	10160	26630	2361	67 206	28 055	39151
5	14 688	4346	8635	11084	29044	3023	70 819	27 669	43150
6	14 144	4346	8952	12931	33871	4683	78 926	27 441	51485

Рис.2. Зависимость общих затрат от флегмового числа R.

Графики построены по данным таблицы 2.

Из Рис.2 следует, что минимальные общие затраты наблюдаются при флегмовом числе R=2,8.

Поэтому ответ: оптимальное флегмовое число R=2,8.

Вывод

1. В первом методе расчёт флегмового числа производился с использованием коэффициентов избытка флегмы в [1], и оптимальное флегмовое число составило R1opt =3,418 . Во втором методе оптимальное флегмовое число определялось в соответствии с минимальными затратами на установку в $/год, R2opt =2,8. В первом случает Ropt больше, чем во втором; при R2opt =3,418 переплата составит 1495 $/год, или 2,5%. Таким образом, расчёт с использованием второго метода даёт экономию для предприятия. (можно сказать, что стоимость углубленного инженерного расчёта, или заработная плата технолога может составлять определённый процент от этой суммы)

2. Оценка второго метода по статьям затрат.

Рассчитаем долю каждого вида затрат в процентах.

Таблица 3

R	Затраты по статьям, %	Общие затраты, %	Капит. затраты	Экспл. затраты
	Колонна	Дефлегм.	Кипят.	Вода	Пар	Электр
2,338	63,47	4,53	8,12	6,42	16,87	0,60	100,00	76,11	23,89
2,339	60,80	4,86	8,71	6,89	18,10	0,64	100,00	74,36	25,64
2,35	55,00	5,56	9,98	7,92	20,80	0,74	100,00	70,54	29,46
2,36	52,64	5,84	10,48	8,34	21,91	0,78	100,00	68,97	31,03
2,4	49,10	6,23	11,19	9,00	23,63	0,86	100,00	66,51	33,49
2,5	43,81	6,73	12,15	10,01	26,29	1,01	100,00	62,69	37,31
2,8	36,08	7,20	13,16	11,64	30,55	1,37	100,00	56,45	43,55
3	34,03	7,15	13,17	12,16	31,91	1,57	100,00	54,35	45,65
3,2	31,39	7,16	13,30	12,79	33,55	1,81	100,00	51,85	48,15
3,418	29,92	7,03	13,16	13,20	34,63	2,05	100,00	50,11	49,89
3,6	28,01	6,99	13,18	13,67	35,86	2,29	100,00	48,18	51,82
3,8	26,69	6,88	13,07	14,03	36,80	2,54	100,00	46,63	53,37
4	25,41	6,76	12,95	14,38	37,70	2,80	100,00	45,12	54,88
4,5	22,66	6,47	12,61	15,12	39,62	3,51	100,00	41,74	58,26
5	20,74	6,14	12,19	15,65	41,01	4,27	100,00	39,07	60,93
6	17,92	5,51	11,34	16,38	42,91	5,93	100,00	34,77	65,23

При небольших значениях флегмового числа основную долю в общих затратах составляет стоимость самой колонны. По мере возрастания флегмового числа, растут эксплуатационные затраты, которые в определённый момент (примерно при R2opt =3,5) становятся больше капитальных. Для небольших значений Ropt приоритет затрат следующий: на колонну, на греющий пар, на кипятильник, на оборотную воду, на дефлегматор и на электроэнергию. Для больших значений: на греющий пар, на колонну, на оборотную воду, на кипятильник, на электроэнергию и на дефлегматор. В обоих случаях основной вклад вносят затраты на колонну и на греющий пар, менее значимыми являются затраты на кипятильник и на оборотную воду, и мало влияют на общую стоимость затраты на дефлегматор и на электроэнергию. Таким образом, основные пути снижения затрат - это уменьшение стоимости колонны, повышение эффективности тарелок, использование более дешёвых насадок и материалов обечайки, а также использование более дешёвого теплоносителя для кипячения исходной жидкости (допустим, горячей воды вместо пара, так как температура кипения исходной смеси меньше 100 градусов). Для случая R2opt =2,8 имеет смысл пересмотреть линии теплообмена, вид теплообменников и по возможности использовать рецикл оборотной воды.



Использованная литература

1) Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е. М.: Химия, 1973,750 с.

2) Справочные данные из базы данных ChemCAD

3) В.П. Белоусов, А.Г. Морачевский, А.Г. Панов «Тепловые свойства растворов неэлектролитов», 1981

Размещено на Allbest.ru