Курсовая работа: Полный расчет ректификационной колонны

По данным таблицы строим график зависимости и определяем площадь под графиком с помощью метода трапеций для нижней и верхней части колонны, равную числу единиц переноса (приложение 4):

n0yн=3.029

n0yв=5.51

Определим высоту единиц переноса с помощью сведущих формул:

а) критерий Рейнольдса для пара и жидкости в верхней и нижней части колонны:

б) критерий Прандтля для пара и жидкости в верхней и нижней части колонны:

в) приведенная толщина жидкой пленки для верхней и нижней части колонны:

г) высота единиц переноса в газовой фазе для верхней и нижней части колонны:

д) высота единиц переноса в жидкой фазе для верхней и нижней части колонны:

Тогда высота единиц переноса равна:

Определим высоту слоя насадки по формуле:

Тогда общую высоту аппарата определим по формуле:

2.4 Ориентировочный расчет теплообменников

Произведем ориентировочные расчеты пяти теплообменников: куба-испарителя, подогревателя, дефлегматора и двух холодильников (дистиллята и кубового остатка).

2.4.1 Куб-испаритель

Исходные данные: Qk=3924.32кВт, tw=71ْC

Δt=tгп-tw

Пусть Δt=30ْC, тогда:

tгп= Δt+ tw=101ْC,

при tгп= 101ْC,

pгп=1.0728кгс/см2, rгп=2257.6 кДж/кг

пусть коэффициент теплопередачи Кор=800Вт/(м2.К)

Определим поверхность теплообмена по формуле:

м2

По ориентировочной поверхности теплообмена выбираем стандартный куб-испаритель с внутренним диаметром кожуха D=1000 мм, числом труб n=747, с поверхностью теплообмена F=176 м2 и длиной труб l=3м.

2.4.2 Подогреватель

Исходные данные: кг/с, xF=0.48, tF=58.4 ْC, tнач=20 ْC, .

Определим среднюю температуру:

Δtм=tгп-tF=101-58.4=42.6 ْC

Δtб=tгп-tнач=101-20=81 ْC

ْC

tср=tгп- Δtср=41.23 ْC

Определим вязкость смеси:

мПа.с

Определим теплоемкость смеси:

Определим количество теплоты в подогревателе:

Вт

Пусть Кор=300Вт/(м2.К), тогда

м2

0.01161<Sтр<0.0232

Исходя из сделанных расчетов можем выбрать стандартный четырехходовой подогреватель с внутренним диаметром кожуха D=600 мм, числом труб n=334, длиной труб l=3м, проходным сечением одного хода Sт=1.6.10-2м и числом рядов труб nр=18.

Определим расход греющего пара по формуле:

кмоль/с

2.4.3 Дефлегматор

Исходные данные: QD=3703,486 кВт, tD=56 ْC, tвнач=15 ْC, tвкон=40 ْC

Определим среднюю температуру:

Δtм=tD-tвкон=16 ْC

Δtб=tD-tвнач=41 ْC

ْC

tср=tD- Δtср=29.32 ْC

Определим теплофизические свойства воды при tср=29.32 ْC:

· λ =0.6167Вт/(м.К)

· μ=0.8125 мПа.с

· ρ=996.14кг/м3

· β=3.12.10-4 1/К

· с=4189Дж/кгК

Пусть Кор=500Вт/(м2.К), тогда

м2

кг/с

0.03<Sтр<0.07

Исходя из сделанных расчетов выбираем: стандартный четырехходовой дефлегматор 20x2 с внутренним диаметром кожуха D=1000 мм, числом труб n=1072, длиной труб l=4м, проходным сечением одного хода Sт=5.1.10-2м, числом рядов труб nр=34 и стандартный шестиходовой дефлегматор 25x2 с внутренним диаметром кожуха D=1200 мм, числом труб n=958, длиной труб l=4м, проходным сечением одного хода Sт=5.2.10-2м, числом рядов труб nр=32.

2.4.4 Холодильник дистиллята

Исходные данные: кг/с, tD=56 ْC, tвкон=25 ْC, tвнач=15 ْC, t1кон=25 ْC.

Определим среднюю температуру:

Δt1=tD-tвкон=31 ْC

Δt2=t1кон-tвнач=10 ْC

δt1=tD-t1кон=31 ْC

δt2=tвкон-tвнач=10ْC

ْC

так как δt1>δt2, то

ْC

Определим теплофизические свойства воды при tсрв=20 ْC:

· с=4190Дж/кгК

· μ=1.005 мПа.с

t1ср=tвср+ Δtср=20+15.03=35.03 ْC

Определим теплоемкость дистиллята при t1ср:

Вт

кг/с

Пусть Кор=300Вт/(м2.К), тогда

м2

0.0034<Sтр<0.0068

Определим вязкость смеси при t1ср=35.03 ْC

мПа.с

0.013<Sмтр<0.039

Исходя из сделанных расчетов можем выбрать стандартный четырехходовой холодильник c 25x2 внутренним диаметром кожуха D=600 мм, числом труб n=206, длиной труб l=2м,с расстоянием между перегородками в межтрубном пространстве h=300мм, проходным сечением одного хода Sт=1.8.10-2м и числом рядов труб nр=14.

2.4.5 Холодильник кубового остатка.

Исходные данные: кг/с, tw=56 ْC, tвкон=25 ْC, tвнач=15 ْC, t1кон=25 ْC.

Определим среднюю температуру:

Δt1=tw-tвкон=71-25=46 ْC

Δt2=t1кон-tвнач=25-15=10 ْC

δt1=tw-t1кон=71-25=46 ْC

δt2=tвкон-tвнач=25-15=10ْC

ْC

так как δt1>δt2, то

ْC

Определим теплофизические свойства воды при tсрв=20 ْC:

· с=4190Дж/кгК

· μ=1.005 мПа.с

t1ср=tвср+ Δtср=20+19.24=39.24 ْC

Определим теплоемкость дистиллята при t1ср:

Вт

кг/с

Пусть Кор=300Вт/(м2.К), тогда

м2

0.003<Sтр<0.006

Определим вязкость смеси при t1ср=39.24 ْC

мПа.с

0.0073< Sмтр<0.022

Исходя из сделанных расчетов можем выбрать стандартный двухходовой холодильник 20x2 c внутренним диаметром кожуха D=400 мм, числом труб n=166, длиной труб l=3м, с расстоянием между перегородками в межтрубном пространстве h=250мм, проходным сечением одного хода Sт=1.7.10-2м и числом рядов труб nр=14.

2.5 Подробный расчет дефлегматора

В данном разделе подробно рассчитаем один из теплообменников – дефлегматор, выбранный в ориентировочном расчете.

Дефлегматор-аппарат, предназначенный для конденсации паров и подачи флегмы в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве, которого обычно конденсируется пары, а в трубах движется охлаждающий агент – вода.

В качестве хладагента используем воду среднего качества со средним значением тепловой проводимости загрязнений стенок , а тепловая проводимость загрязнений стенок органическими парами .

Толщину слоя загрязнения примем равной 2мм. В качестве материала труб выберем нержавеющую сталь с коэффициентом теплопроводности .

Тогда термическое сопротивление загрязнений труб

Расчет коэффициентов теплоотдачи.

Исходные данные: , tD=56 ْC, t2ср=29.32 ْC, , дефлегматор с внутренним диаметром кожуха D=1000 мм, числом труб n=1072, длиной труб l=4м, проходным сечением одного хода Sт=5.1.10-2м и числом рядов труб nр=34, в среднем по 31-32 трубе в ряду.

1. Задаемся температурой стенки ْC

Тогда

Δt=tD-tст1=56-45=11 ْC

tпл=(tкон+tст1)/2=(56+45)/2=50.5 ْC

Далее необходимо определить поверхностные плотности теплового потока и сопоставить их, если разница между ними будет меньше 5 %, то можно считать, что процесс установившийся и температура стенки подобранна правильно.

где - коэффициенты теплоотдачи от стенки 1 и 2;

где =0,55- множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали;

теплопроводность смеси, Вт/(м.К);

-плотность смеси, кг/м3;

теплота конденсации, Дж/кг;

- скорость свободного падения, м/с;

-вязкость смеси, мПа.с;

- наружный диаметр труб, м.

Коэффициент может быть существенным для вязких конденсатов, а для воды в первом приближении его не учитывают.

Определим теплопроводность, плотность, вязкость при определяющей температуре t=50.5 ْC и теплоту конденсации при температуре конденсации:

кДж/кг

где - теплоты испарения ацетона и четыреххлористого углерода,.

где исходные данные: A1 =72.18; t 1кр=235.1; A2=25.64; t2кр=283.4

;

мПа.с

кг/м3

Вт/мК

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Примем что

Определим температуру второй стенки по формуле:

Определим коэффициент теплопроводности для воды при t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим коэффициент теплопроводности для воды при t=34.23 ْC:

Определим вязкость жидкости для воды при t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Па

Аналогично определим вязкость воды при t=34.23 ْC:

Па

Определим теплоемкость воды t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим теплоемкость воды при t=34.23 ْC:

Определим критерий Рейнольдса по формуле:

где - вязкость смеси, Па.с;

G- расход воды, кг/с;

z- число ходов, z=4;

d- внутренний диаметр труб, м;

Nтр- количество труб.

Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах tср=29.32ْС, tст=34.23ْС:

где с- теплоемкость воды, Дж/кгК;

теплопроводность воды, Вт/(м.К);

-вязкость воды, мПа.с.

Определим критерий Нуссельта по формуле:

Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи второй стенки по формуле:

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Сопоставим q1 и q2, т разность выразим в процентах:

Выбранная температура стенки наугад не подходит.

2. Выбираем новую температуру стенки tст1=44ْС и проводим расчеты аналогично расчетам при температуре стенки ْC

Тогда

Δt=tD-tст1=56-44=12 ْC

tпл=(tкон+tст1)/2=(56+44)/2=50 ْC

Необходимо определить поверхностные плотности теплового потока и сопоставить их, если разница между ними будет меньше 5 %, то можно считать, что процесс установившийся и температура стенки подобранна правильно.

где - коэффициенты теплоотдачи от стенки 1 и 2;

где =0,55- множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали;

теплопроводность смеси, Вт/(м.К);

-плотность смеси, кг/м3;

теплота конденсации, Дж/кг;

- скорость свободного падения, м/с;

-вязкость смеси, мПа.с;

- наружный диаметр труб, м.

Коэффициент может быть существенным для вязких конденсатов, а для воды его не учитывают.

Определим теплопроводность, плотность, вязкость при определяющей температуре t=50 ْC и теплоту конденсации при температуре конденсации:

кДж/кг

где - теплоты испарения ацетона и четыреххлористого углерода,.

где исходные данные: A1 =72.18; t 1кр=235.1; A2=25.64; t2кр=283.4

;

мПа.с

кг/м3

Вт/мК

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Примем, что

Определим температуру второй стенки по формуле:

Определим коэффициент теплопроводности для воды при t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим коэффициент теплопроводности для воды при t=32.5 ْC:

Определим вязкость жидкости для воды при t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Па

Аналогично определим вязкость воды при t=32.5 ْC:

Па

Определим теплоемкость воды t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим теплоемкость воды при t=32.5 ْC:

Определим критерий Рейнольдса по формуле:

где - вязкость смеси, Па.с;

G- расход воды, кг/с;

z- число ходов, z=4;

d- внутренний диаметр труб, м;

Nтр- количество труб.

Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах tср=29.32ْС, tст=32.5ْС:

где с- теплоемкость воды, Дж/кгК;

теплопроводность воды, Вт/(м.К);

-вязкость воды, мПа.с.

Определим критерий Нуссельта по формуле:

Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи второй стенки по формуле:

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Сопоставим q1 и q2, т разность выразим в процентах:

Выбранная температура стенки наугад не подходит.

3. Используя графический метод, определяем температуру стенки в третьем приближение-

ْC (графическое решение приведено в приложение 5).

Проводим расчеты аналогичные расчетам, выполненным в пункте 2.

Δt=tD-tст1=56-44.8=11.2 ْC

tпл=(tкон+tст1)/2=(56+44.8)/2=50.4 ْC

где - коэффициенты теплоотдачи от стенки 1 и 2;

где =0,55- множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали;

теплопроводность смеси, Вт/(м.К);

-плотность смеси, кг/м3;

теплота конденсации, Дж/кг;

- скорость свободного падения, м/с;

-вязкость смеси, мПа.с;

- наружный диаметр труб, м.

Коэффициент может быть существенным для вязких конденсатов, а для воды его не учитывают.

кДж/кг

где - теплоты испарения ацетона и четыреххлористого углерода,.

где исходные данные: A1 =72.18; t 1кр=235.1; A2=25.64; t2кр=283.4

;

мПа.с

кг/м3

Вт/мК

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Примем что

Определим температуру второй стенки по формуле:

Определим коэффициент теплопроводности для воды при t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим коэффициент теплопроводности для воды при t=33.89 ْC:

Определим вязкость жидкости для воды при t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Па

Аналогично определим вязкость воды при t=33.89 ْC:

Па

Определим теплоемкость воды t=29.32 ْC с помощью интерполяции справочных данных:

Аналогично определим теплоемкость воды при t=33.89 ْC:

Определим критерий Рейнольдса по формуле:

где - вязкость смеси, Па.с;

G- расход воды, кг/с;

z- число ходов, z=4;

d- внутренний диаметр труб, м;

Nтр- количество труб.

Определим критерий Прандтля для потока и стенки при температурах tср=29.32ْС, tст=32.5ْС:

где с- теплоемкость воды, Дж/кгК;

теплопроводность воды, Вт/(м.К);

-вязкость воды, мПа.с.

Определим критерий Нуссельта по формуле:

Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи второй стенки по формуле:

Тогда

Тогда поверхностная плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Сопоставим q1 и q2, т разность выразим в процентах:

Температура стенки подобрана верно.

Определим коэффициент теплоотдачи по формуле:

Зная коэффициент теплоотдачи, определим поверхность теплообмена по формуле:

Таким образом, рассчитанное значение коэффициента теплоотдачи больше выбранного нами коэффициента теплоотдачи в ориентировочном расчете дефлегматора, а поверхность теплообмена меньше, чем ориентировочная поверхность теплообмена дефлегматора. Значение поверхности теплообмена стандартного дефлегматора F=269 м2, следовательно дефлегматор выбран с запасом поверхности теплообмена 13%.

Вывод

В данной курсовой работе мы произвели расчет ректификационной колонны для разделения смеси: ацетон-четыреххлористого углерода при атмосферном давлении. В качестве ректификационной колонны используется аппарат насадочного типа с кольцами Рашига 50мм, обеспечивающий перекрестное движение пара и жидкости, высотой H=6.43м и диаметром D=2м.

Был произведен ориентировочный расчет пяти теплообменников: дефлегматора, подогревателя, куба испарителя и двух холодильников (дистиллята и кубового остатка); в результате чего были выбраны:

- стандартные куб испаритель с трубами 25x2мм, исполнения 2 по ГОСТ 15119-79 с внутренним диаметром кожуха D=1м, числом труб n=747, длиной труб l=3м и поверхностью теплообмена F=176 м2;

- четырехходовой подогреватель по ГОСТ 15121-79 с внутренним диаметром кожуха D=0.6м, числом труб n=334, числом рядов труб np=18, длиной труб l=3м, с проходным сечением одного хода Sт=0.016м2, поверхностью теплообмена F=63 м2;

- двухходовой холодильник кубового остатка с трубами 20x2мм по ГОСТ 15122-79 с внутренним диаметром кожуха D=0.4м, с числом труб n=166, длиной труб l=3м, числом рядов труб np=14, с расстоянием между перегородками в межтрубном пространстве h=0.25м, поверхностью теплообмена F=31м2;

- четырехходовой холодильник дистиллята с трубами 25x2мм по ГОСТ 15122-79 с внутренним диаметром кожуха D=0.6м, с числом труб n=206, длиной труб l=2м, числом рядов труб np=14, с расстоянием между перегородками в межтрубном пространстве h=0.3м, поверхностью теплообмена F=32м2;

- четырехходовой дефлегматор с трубами 20x2мм по ГОСТ 15121-79 с внутренним диаметром кожуха D=1м, числом труб n=1072, длиной труб l=4м, поверхностью теплообмена F=269м2, с числом рядов np=34 и проходным сечением одного хода Sтр=0.051м;

- шестиходовой дефлегматор с трубами 25x2мм по ГОСТ 15121-79 с внутренним диаметром кожуха D=1.2м2, числом труб n=958, длиной труб l=4м, поверхностью теплообмена F=301м2, с числом рядов np=32 и проходным сечением одного хода Sтр=0.052м.

Подробно рассчитаны два дефлегматора: четырехходовой – вручную, шестиходовой – с помощью ЭВМ (приложение 6).

Выбор дефлегматора зависит от конкретных критериев. В случае необходимости получения более высокой скорости протекания процесса необходимо использовать шестиходовой дефлегматор, так как скорость возрастает в число раз равное числу ходов, а в случае, когда в качестве основного критерия применяется минимизация затрат – четырехходовой.

Для изготовления аппарата выбрана нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т по ГОСТ 5949-75 с коэффициентом теплопроводности .

Список использованной литературы

1. 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-ое изд. перераб. и дополнен. М: Химия, 1991 – 496 с.

2. Справочник химика том V, под ред П.Г.Романкова, 2-ое изд. перераб. и дополнен.Л Химия, 1968-975с.

3. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии /Учебное пособие/, К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков, 9-ое изд. перераб. и дополнен. Л. Химия,1987-575с.

4. Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные /Метод указания/. ЛТИ им. Ленсовета – Л.: 1989, 40 с.

МЕНЮ

Курсовая работа: Полный расчет ректификационной колонны

ИНТЕРЕСНОЕ