Расчёт дефлегматора конденсации смеси паров бензола и толуола

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

Расчёт дефлегматора конденсации смеси паров бензола и толуола

Содержание

Введение

1. Описание технологического процесса

2. Расчет

2.1 Исходные данные

2.2 Свойства конденсируемой паровой смеси и конденсата

2.3 Расчет и выбор конденсатора

2.4 Выбор диаметров патрубков

Заключение

Список литературы

Введение

Перенос энергии в виде тепла, происходящий между телами, имеющими разную температуру, называется теплообменом [2]. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур между более нагретым и менее и нагретым телами, при наличии которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого -- возрастает.

Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями [2].

Теплопередача [2] - наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов -- нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания -- и имеют большое значение для проведения многих массообменных процессов, а также реакционных процессов химической технологии, протекающих с подводом или отводом тепла.

Различают три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение [2].

Расчет теплообменной аппаратуры включает [2]:

1.Определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), т.е. количества тепла Q, которое должно быть передано за определенное время ( в непрерывно действующих аппаратах за 1 сек или за 1 час, в периодически действующих - за одну операцию) от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.

2.Определение поверхности теплообмена F аппарата, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. Величина поверхности теплообмена определяется скоростью теплопередачи, зависящей от механизма передачи тепла - теплопроводностью, конвекцией, излучением и их сочетанием друг с другом. Поверхность теплообмена находят из основного уравнения теплопередачи.

В химической промышленности широко распространены тепловые процессы - нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах (теплообменниках).

Теплообменниками [2] называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда, и отдающие тепло, принято называть нагревающими агентами, а теплоносители с более низкой температурой, чем среда, от которой они воспринимают тепло, -охлаждающими агентами.

В качестве охлаждающих агентов для охлаждения до обыкновенных температур (10-30 °С) применяют в основном воду и воздух.

Конденсация пара может быть осуществлена путем охлаждения пара или путем охлаждения и сжатия одновременно. По способу охлаждения различаю конденсаторы смешения и поверхностные конденсаторы.

В конденсаторах смешения [2] пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой и получаемый конденсат смешивается с последней, конденсацию в таких аппаратах обычно проводят в тех случаях, когда конденсируемые пары не представляют ценности. При этом для улучшения теплообмена между водой и паром поверхность соприкосновения между ними увеличивают путем распределения воды в паровом пространстве в виде капель, струек и т.д.

В поверхностных конденсаторах [2] тепло отнимается от конденсирующего пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на внешних или внутренних поверхностях труб, омываемых с другой стороны водой или воздухом. Таким образом, получаемый конденсат и охлаждающий агент отводят из конденсатора раздельно, и конденсат, если он представляет ценность, может быть использован. Так поверхностные конденсаторы зачастую применяют в тех случаях, когда сжижение и охлаждение конечного продукта, получаемого, например, в виде перегретого пара, является завершающей операцией производственного процесса.

Вместе с тем поверхностные конденсаторы более металлоемки, чем конденсаторы смешения, а следовательно более дороги и требуют больших расходов охлаждающего агента. Последнее объясняется тем, что стенка, разделяющая участвующие в теплообмене среды, оказывает добавочное термическое сопротивление. Это вызывает необходимость повышения средней разности температур.

В качестве поверхностных конденсаторов наиболее часто применяют трубчатые и оросительные холодильники-конденсаторы.

1. Описание технологического процесса

На рис. 1. представлена технологическая схема конденсации газопаровой смеси.

Рисунок 1. Технологическая схема: Д1- Д3 - дефлегматоры; Р - распределитель; Х - холодильник; Е - ёмкость для готового продукта; Н1 и Н2 - насосы ; D1 и D₂- дистиллят; ВР_1-8 и ВЗ_1-9 - регулировочные и запорные вентили; КР - ректификационная колонна; В4 - вода оборотная (подача); В5 - вода оборотная; Т7 - пар; Т8 - конденсат; В5 - вода оборотная; К3 - канализация.

Паро-газовая смесь из ректификационной колонны подается в конденсатор-дефлегматор (Д1), где происходит конденсация 1/3 смеси. Из конденсатора дистиллят направляется обратно в колонну на третью тарелку, а 2/3 оставшейся смеси направляются в следующий конденсатор-дефлегматор (Д2) для конденсации еще 1/3 смеси. Полученный дистиллят направляется уже на вторую тарелку. Оставшуюся 1/3 смеси направляют в третий конденсатор-дефлегматор (Д3), где она уже полностью конденсируется и полученный дистиллят подается в распределитель (Р), откуда одна его часть направляется обратно в колонну, уже на первую тарелку, а вторая часть направляется в холодильник (X) для дальнейшего охлаждения. Охлажденный дистиллят из холодильника подается в емкость готового продукта (Е). Для конденсации паро-газовой смеси и охлаждения конденсата используется холодная вода (В4), подаваемая с помощью центробежного насоса (Н1). Вода из конденсатора и холодильника (В5) сливается в канализацию (КЗ). Регулирование подачи и слива воды осуществляется при помощи запорных и регулировочных вентилей (ВЗ_1-9 и ВР_1-8).

2. Расчет [1]

2.1 Исходные данные

Расход паров ( G_D) 5000 кг/ч или 1,39 кг/с;

Охлаждаемая смесь паров: бензол-толуол;

Массовая концентрация легколетучего компонента в дистилляте:

= 98 %;

Массовая концентрация легколетучего компонента в кубовой жидкости: 2%;

Рабочее число флегмы: R=1,8951;

Начальная температура охлаждающей воды 18 ⁰С;

Конечная температура охлаждающей воды 35 ⁰С.

2.2 Свойства конденсируемой паровой смеси и конденсата

Расход тепла, отдаваемого охлаждающей воде в дефлегматоре конденсаторе, находим по уравнению:

где Q_Д - расход тепла, Вт;

R - рабочее число флегмы;

G_D - расход паров;

r_D - удельная теплота парообразования дистиллята.

Удельная теплота рассчитывается по уравнению:

где - массовая концентрация легколетучего компонента в дистилляте;

r_б и r_т - удельные теплоты парообразования бензола и толуола при температуре пара в дистилляте, Дж/кг.

Переводим массовую концентрацию дистиллята в мольную по формуле:

где M_б - молекулярная масса бензола, кг/моль;

М_т - молекулярная масса толуола, кг/моль;

x_D - массовая концентрация летучего компонента.

Методом интерполирования определим температуру пара в дистилляте, при x_D =0,983 (табл. 1):

Таблица 1. Зависимость от температуры мольных долей бензола в жидкости и в равновесном с ней паре [1]

t, °С,	xD
80	1
84	0,922

Определяем удельные теплоты парообразования бензола и толуола при 80,87 ⁰С (табл. 2)

Таблица 2. Удельные теплоты парообразования бензола и толуола [1]

Вещество	tпара, °С,	rпара, кДж/кг
Бензол	60 100	408,5 379,2
Толуол	60 100	388,8 368,7

Температура конденсации бензола под атмосферным давлением, при его температуре 80,87⁰С. Температурная схема конденсатора:

Так как Дt₁/ Дt₂<2 (62,87/45,87=1,37), то средняя разность температур:

Средняя температура охлаждающей воды:

t_ср=t_конд - Дt_ср=80,87 - 54,37=26,5 ⁰С

2.3 Расчет и выбор конденсатора

Тепловая нагрузка (расход передаваемого тепла):

где r - теплота конденсации бензола при 80,87 ⁰С

Расход охлаждающей воды:



где с_В - удельная теплоемкость воды при 26,5 ⁰С (табл. 3)

Таблица 3. Физические свойства воды (на линии насыщения) [1]

t, °С,	сВ, Дж/(кг·К)
20	4190
30	4180

Выбираем трубы теплообменника диаметром 25Ч2 мм [3]. Задаемся значением критерия Re для воды Re=15000 (развитое турбулентное течение) и определяем требуемое число труб из выражений:

,

,

откуда

где м - динамический коэффициент вязкости воды при 26,5 ⁰С (табл. 4)

Таблица 4. Динамические коэффициенты вязкости воды [1]

Температура, 0С	Динамический коэффициент вязкости, мПа·с
26	0,8737
27	0,8545

Обращаясь к таблице XXXIV [1], видим, что ближайшее число труб у шестиходового теплообменника - n=34·6=204

Что бы проверить правильность выбора теплообменника оценим ориентировочно величину требуемой поверхности теплопередачи. Ориентировочное среднее значение коэффициента теплопередачи в конденсаторах паров органических веществ К=550 Вт/(м²·К) [1]. Тогда требуемая площадь поверхности конденсатора:

Определяем коэффициент теплоотдачи для воды б_В.

Значение критерия Re: дефлегматор конденсация бензол толуол

Развитое турбулентное течение.

Воспользуемся номограммой [1], полагая , так как температура жидкости и стенки не сильно отличаются. Значения критерия Pr для воды 26,5 ⁰С находим по таблице (табл. 5)

Таблица 5. Физические свойства воды (на линии насыщения) [1]

t, 0C	Pr
20	7,02
30	5,42

По номограмме [1] находим Nu=98.

Необходимо проверить значение поправочного коэффициента е_l, который учитывает влияние на коэффициент теплоотдачи отношение длины трубы к её диаметру

где L - длина трубы;

d - диаметр трубы.

При таком соотношении и значении Re=15836,7 е_l=1, значит коэффициент Nu выбран правильно.

Тогда

где л - коэффициент теплопроводности воды при 26,5 ⁰С (табл. 6)

Таблица 6. Физические свойства воды (на линии насыщения) [1]

t, 0C	л, Вт/(м·К)
20	0,599
30	0,618

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи для конденсирующегося пара бензола в горизонтальном теплообменнике б_б по уравнению:



где е - усредненный для всего пучка коэффициент, зависящий от расположения труб в пучке и от числа труб n, в каждом вертикальном ряду.

Что бы определить значение е, находим ближайшее стандартное общее число труб (без учета сегментов) - 217 труб и определяем число вертикальных рядов - 8 [1]. Для найденных данных е - 0,71, при шахматном расположении труб [1].

Значения физико-химических констант жидкого бензола берем при температуре конденсации 80,87 ⁰С:

л = 0,1387 Вт/(м·К) - определяем по номограмме [1];

м = 0,315·10^-3 Па·с - определяем по номограмме [1];

с = 814,3 кг/м³ - определяем по таблице 7

Таблица 7. Физико-химические свойства жидкого бензола в зависимости от температуры [1]

t, 0C	с, кг/м3
80	815
100	793

Термическое сопротивление стальной стенки трубы:

где л_ст=46,5 Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности стали [1].

Тепловая проводимость загрязнения со стороны бензола [1]:

Тепловая проводимость загрязнения со стороны воды [1]:

Суммарное термическое сопротивление стенки и загрязнений:

Коэффициент теплопередачи К считаем, как для плоской стенки, поскольку отношение больше 0,5:

Требуемая площадь поверхности конденсатора:

С запасом 20%:

Близкую поверхность (31 м²) имеет теплообменник с длинной труб Н=2 м и с внутренним диаметром кожуха D=600мм.

Определяем температуру стенки с обеих сторон:



Физико-химические константы жидкого бензола при 64,6 ⁰С:

л = 0,137 Вт/(м·К) - определяем по номограмме [1];

м = 0,38·10^-3 Па·с - определяем по номограмме [1];

с = 831,17 кг/м³ - определяем по таблице 8

Таблица 8. Физико-химические свойства жидкого бензола в зависимости от температуры [1]

t, 0C	с, кг/м3
60	836
80	815

Коэффициент теплоотдачи для конденсирующегося пара бензола рассчитаем по уравнению:

где r - удельная теплота парообразования бензола при 64,6 ⁰С (табл. 9)

Таблица 9. Удельная теплота парообразования бензола [1]

tпара, °С,	rпара, кДж/кг
60	408,5
100	379,2



Коэффициент теплоотдачи для воды с учетом множителя , равного , где 5,1 - критерий Pr_ст для воды при температуре 37 ⁰С [1]. Таким образом

Коэффициент теплопередачи:

Требуемая поверхность теплообмена:

Определяем запас:

где ДS - разность между выбранной и рассчитанной площадью, м²,

S_р - рассчитанная площадь, м².

2.4 Выбор диаметров патрубков

Рассчитаем диаметр патрубка для поступающего пара:

Так как содержание толуола в паре довольно мало, для расчета диаметра патрубка принимаем плотность пара равной плотности бензола при t=80,87 ⁰С

Скорость пара при атмосферном давлении принимаем равной 13м/с [1].

Рассчитаем площадь сечения патрубка:

Принимаем ближайшее стандартное значение диаметра патрубка 426Ч11 [3], внутренний диаметр 404 мм.

Диаметр патрубка для выходящего пара:

Так как в дефлегматоре конденсируется 1/3 пара, расчет диаметра патрубка выходящего пара ведется для оставшейся части пара (2/3):



Скорость пара при атмосферном давлении принимаем равной 13м/с [1].

Принимаем ближайшее стандартное значение диаметра патрубка 325Ч12 [3], внутренний диаметр 301 мм.

Расчет диаметра патрубка для флегмы:

Так как в дефлегматоре конденсируется только 1/3 пара, при расчете диаметра патрубка для стекающей флегмы необходимо учитывать коэффициент 1/3:

Плотность толуола в флегме определяем методом интерполирования, пользуясь табличными данными [1]:

Скорость жидкости, стекающей самотеком, принимаем равной 0,3 м/с [1].

Площадь сечения патрубка:



Принимаем ближайшее стандартное значение диаметра патрубка 89Ч4 [3], внутренний диаметр 81 мм.

Заключение

В результате произведённых расчётов выбрано стандартное оборудование - дефлегматор для конденсации смеси паров бензола и толуола.

Выбор стандартного оборудования позволяет сократить время на приобретение запасных частей, взамен тем частям оборудования, которые вышли из строя в результате внезапной поломки или в результате их износа.

Также экономически выгоднее приобретение запасных частей для стандартного оборудования, нежели затрачивать средства на заказ нестандартных частей.

Выбранный стандартный дефлегматор с площадью поверхности теплообмена равной 31 м² (рассчитанная составляет 19,8 м²) подходит для проведения процесса конденсации смеси паров бензола и толуола, согласно заданию, но с допустимой перегрузкой (2%). Если бы был выбран аппарат с большей поверхностью теплообмена, то он работал бы неэффективно из-за не использования всей площади поверхности и возникающих при этом энергетических затратах.

Список литературы

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

Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия. - 1973. 754 с.

Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Дытнерского Ю.И., М. : Химия. - 1991. - 496 с.

Размещено на Allbest.ru

...