Технологический расчет теплообменника-кипятильника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Физико-химические свойства метилового спирта

1.1 Физико-химические свойства толуола

2. Общая часть

2.1 Научные основы процесса ректификации

2.2 Технологическая схема ректификационной установки периодического действия

2.3 Устройство и принцип работы кипятильника

3. Технологический расчет установки

3.1 Материальный баланс

3.2 Тепловой расчет

4. Конструктивный расчет кипятильника

4.1 Исходные данные для расчета

4.2 Физические свойства конденсата греющего пара

4.3 Физические свойства кубовой смеси и ее составных компонентов

4.4 Определение ориентировочной поверхности кипятильника

4.5 Уточняющий расчет поверхности теплопередачи кипятильника

4.6 Определение диаметра штуцеров

4.7 Выбор фланцевых соединений к штуцерам

5. Гидравлический расчет теплообменника-кипятильника

Выводы

Список литературы



1. Физико-химические свойства метилового спирта

Метанол (метиловый спирт, древесный спирт, карбинол, метилгидрат, гидроксид метила) - CH3OH, простейший одноатомный спирт, бесцветная ядовитая легкоподвижная жидкость. Метанол - это первый представитель гомологического ряда одноатомных спиртов.

Впервые метанол был выделен в 1864 году из продуктов сухой перегонки древесины Ж. Дюма и Э. Пелиго, которые, сопоставив его свойства со свойствами винного спирта, дали первые представления о классе спиртов (1835). В 1857 году М. Бертло синтезировал метанол омылением метилхлорида. Синтетический метанол начали получать с 1923 года.

Метанол смешивается во всех отношениях с водой, этиловым спиртом, эфиром, ацетоном, бензолом; при смешении с водой происходит сжатие и разогревание; образует азеотропные смеси с ацетоном (tкип 55,7°С; 12% метанола), бензолом ( tкип 57,5°С; 39% метанола), CS2 (tкип 37,65°С; 14% метанола), ССl4 (tкип 55,7°С; 20,66 % метанола) и многими другими соединениями. Горит синеватым пламенем. Является сильный растворителем, вследствие чего во многих случаях может заменять этиловый спирт.

В промышленности метанол получают главным образом каталитической реакцией из синтез-газа:

СО2 + ЗН2 СН3ОН + Н2О + 49,53 кДж

Сырьем для производства метанола служат главным образом природный газ и отходы нефтепереработки, а также коксующийся уголь, газы производства ацетилена пиролизом природного газа и др. До 1960-х гг. метанол синтезировали только на цинкхромовом катализаторе при 300-400 °С и давлении 25-40 МПа. Впоследствии распространение получил синтез метанола на медьсодержащих катализаторах (медьцинкалюмохромовом, медьцинкалюминиевом или др.) при 200-300 °С и давлении 4-15 МПа.

По химическим свойствам метанол - типичный одноатомный алифатический спирт: сочетает свойства очень слабого основания и еще более слабой кислоты. С щелочными металлами образует метилаты, например CH3ONa, с кислотами - сложные эфиры (реакция ускоряется в присутствии сильных минеральных кислот), например с HNO2 дает метил-нитрит CH3ONO (количественно), с H2SO4 при температуре ниже 100°С-метилсульфат CH3OSO2OH, с карбоновыми кислотами-RCOOCH3. Окисляется кислородом воздуха (катализаторы: Ag, Сu, оксиды Fe, Mo, V и др.) при 500-600 °С до формальдегида:

СН3ОН + 0,5О2 НСНО + Н2О

При пропускании паров метилового спирта над медьсодержащим катализатор образуется метилформиат:

2СН3ОН НСООСН3 + 2Н2.

Последний получается также при взаимодействии метанола и СО в присутствии метилатов щелочных металлов, а в присутствии родиевого катализатора и СН3I они дают уксусную кислоту. При взаимодействии со смесью СО и Н2 метиловый спирт превращается в этанол и др. спирты. Он разлагается водяным паром на катализаторе: СН3ОН + Н2О ЗН2 + + СО2. После очистки от СО2 получают Н2 98%-ной чистоты. Таким способом производят Н2 в передвижных установках небольшой мощности. [1]

Ниже приведены основные физико-химические свойства метилового спирта (таблица 1.1). [2]



Таблица 1.1 - Физико-химические свойства метилового спирта

Название параметра, размерность	Значение параметра
tкип,	64,7
Молекулярная масс, кг/кмоль	32,02
Давление насыщенного пара, мм. рт. ст	97,7
Плотность, кг/м3	791,5
Динамический коэффициент вязкости, Па	0,584
Теплота парообразования, кДж/кг	1173,2
Теплоемкость, кДж/кг	2,47
Коэффициент теплопроводности, Вт/м	0,212
Поверхностное натяжение, Н/м	22,6

1.1 Физико-химические свойства толуола

Толуол (метилбензол) - С6Н5СН3, представляет собой бесцветную подвижную летучую жидкость с резким запахом, проявляет слабое наркотическое действие. Относится к аренам. Смешивается в неограниченных пределах с углеводородами, многими спиртами и эфирами, не смешивается с водой. Показатель преломления света 1,4969 при 20 °C. Горюч, сгорает коптящим пламенем.

Толуол получен впервые П. Пельтье в 1835 при перегонке сосновой смолы. В 1838 выделен А. Девилем из бальзама, привезенного из города Толу в Колумбии, в честь которого получил свое название.

По химическими свойствам толуол - типичный представитель ароматическая углеводородов. Легко образует комплексы с переносом заряда: с переходными металлами (Со, Мо и др.) комплексы "сэндвичевого" типа, с трикарбонилхромом - "зонтичного" типа, а также со многими органическими акцепторами электронов (тринитробензол и другими). В реакции электрофильного замещения (нитрование, галогенирование. сульфирование и др.) вступает легче бензола, образуя моно-, ди- и тризамещенные, главным образом по пара- и орто-положениям. При окислении по метильной группе, в зависимости от условий, основные продукты реакции -бензиловый спирт (окислитель -О2), бензальдегид(Сr2О3) или бензойная кислота (О2, Вr2, бензоаты Со и Мn). При галогенировании в боковую цепь под действием УФ облучения превращается в смесь бензилхлорида. a,a-дихлортолуола (бензальхлорид) и (трихлорметил)бензола (бензотрихлорид); процесс сопровождается хлорированием в ядро. Гидрирование толуола на цеолитных и оксидных (Сr2О3, МоО3, СоО) катализаторах при высоких температурах (600-800 °С, давление 3,5-6 МПа) приводит к образованию бензола (промышленный метод, до 2 млн. т/год в США), гидрирование в присутствии Ni, Pt и других в жидкой (10-30 МПа, 100-200 °С) или газовой (0,1 МПа, 110-180°С) фазе - к метилциклогексана.

Получают толуол преимущественно из нефти при вторичной ее переработке: риформинге низкокипящих продуктов, полученных при прямой перегонке нефти или каталитическом крекинге, пиролизе, газойля и рафинатов риформинга, направленном одновременно на получение непредельных и ароматических углеводородов. Очистку нефтяного толуола осуществляют методом экстракции (экстрагенты ди- и триэтиленгликоли, N-метилпирролидон, ДМФА) или экстрактивной ректификации.

Каменноугольный толуол, образующийся в процессе коксования, извлекают из коксового газа в виде компонента сырого бензола, подвергают сернокислотной очистке (для удаления непредельных и серосодержащих соединений) и выделяют ректификацией. Чистоту и качество толуола контролируют методами ГЖХ. Значительное количество толуола получают как побочный продукт при синтезе стирола из бензола и этилена.

Основное количество толуола перерабатывают в бензол, фенол, капролактам, толуилендиизоцианаты; остальное кол-во используют в качестве растворителя для пластических масс, нитроцеллюлозных, алкидных лаков и эмалей, высокооктанового компонента моторных топлив, исходного вещества для получения многочисленных производных (в том числе галоген-, сульфо- и нитропроизводных). [3]

Ниже приведены основные физико-химические свойства метилового спирта (таблица 1.2). [2]

Таблица 1.2 - Физико-химические свойства толуола

Название параметра, размерность	Значение параметра
tкип,	110,4
Молекулярная масс, кг/кмоль	92,14
Давление насыщенного пара, мм. рт. ст	22,3
Плотность, кг/м3	866
Динамический коэффициент вязкости, Па	0,586
Теплота парообразования, кДж/кг	407,7
Теплоемкость, кДж/кг	1,59
Коэффициент теплопроводности, Вт/м	0,139
Поверхностное натяжение, Н/м	28,5

Таким образом, компоненты смеси метанол-толуол хорошо растворимы, термически стойкие, имеют значительную разность температур кипения (метанол - низкокипящий компонент, толуол - высококипящий).

Экстракцию, которая используется для разделения компонентов сильно разбавленных, термически нестойких и тех компонентов смесей с близкими по значению температурами кипения, принимать нецелесообразно.

Простой перегонкой невозможно достичь заданного состава дистиллята () из исходной смеси ().

Исходя из этого, для разделения смеси метанол-толуол принимаем более сложный метод перегонки - ректификацию.



2. Общая часть

2.1 Научные основы процесса ректификации

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно НК, которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно ВК переходящий в жидкость. Такой двусторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить, в конечном счете, пары, представляющие собой почти чистый НК. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (ректификат) и флегму -- жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым ВК.

Сущность процессов, из которых складывается ректификация, и получаемые при этом результаты можно проследить с помощью t-x-у диаграммы.

Нагрев исходную смесь состава х1 до температуры кипения получим находящийся в равновесии с жидкостью пар (точка b). Отбор и конденсация этого пара дают жидкость состава х2 обогащенную НК (х1>х2). Нагрев эту жидкость до температуры кипения t2 получим пар (точка d), конденсация которого дает жидкость с еще большим содержанием НК, имеющую состав х3, и т. д. Проводя таким образом последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой практически чистый НК.

Аналогично, исходя из паровой фазы, соответствующей составу жидкости х4 путем проведения ряда последовательных процессов конденсации и испарения можно получить жидкость (остаток), состоящую почти целиком из ВК.

В простейшем виде процесс многократного испарения можно осуществить в многоступенчатой установке, в первой ступени которой испаряется исходная смесь. На вторую ступень поступает на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров в первой ступени, в третьей ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени (после отбора из последней паров) и т. д. Аналогично может быть организован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующую ступень поступают для конденсации пары, оставшиеся после отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущей ступени.

При достаточно большом числе ступеней таким путем можно получить жидкую или паровую фазу с достаточно высокой концентрацией компонента, которым она обогащается. Однако выход этой фазы будет мал по отношению к ее количеству в исходной смеси. Кроме того, описанные установки отличаются громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую среду.

Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты достигается в процессах ректификации, проводимых обычно в более компактных аппаратах - ректификационных колоннах.

Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.

При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается НК, а жидкость -- ВК. Многократное контактирование приводит к практически полному разделению исходной смеси.

Таким образом, отсутствие равновесия (и соответственно наличие разности температур фаз) при движении фаз с определенной относительной скоростью и многократном их контактировании являются необходимыми условиями проведения ректификации. [4]

2.2 Технологическая схема ректификационной установки периодического действия

Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно.

В производствах небольшого масштаба используются ректификационные установки периодического действия (рис. 2.2).

Исходную смесь загружают в куб 1, снабженный нагревательным устройством 2. Смесь подогревается до кипения, и ее пары поступают под нижнюю ректификационной колонны, которая заполнена насадкой 3. Поднимаясь по колонне, пары обогащаются НК (метанолом), которым обедняется стекающая вниз флегма, поступающая из дефлегматора 4 через распределитель 5 на верхнюю часть насадки 3. Пары из колонны направляются в дефлегматор 4, которые поступают из колонны 2, где они полностью или частично конденсируются. В случае полной конденсации жидкость разделяется с помощью делителя 5 на флегму и дистиллят. Конечный продукт (дистиллят) охлаждают в холодильнике 6 и направляют в сборники 7. [4]



2.3 Устройство и принцип работы кипятильника

Кожухотрубчатые теплообменники относят к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. На рисунке 2.3 кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции, который состоит из корпуса, или кожуха 1, и приваренных к нему трубных решеток 2.В трубных решетках закреплении пучок труб 3. К трубным решеткам крепятся (на прокладках и болтах) крышки 4.

В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред I движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая II - в межтрубном пространстве.

Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют сверху вниз, а среду, отдающую тепло, - в противоположном направлении. [4]



3. Технологический расчет установки

3.1 Материальный баланс

Расчет расхода дистиллята и кубового остатка

Расходы дистиллята и кубового остатка находим из уравнения материального баланса [4]:

где GF, GP, GW - массовый расход исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, соответственно, кг/опер;

- массовая доля низкокипящего компонента (метилового спирта) в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке, соответственно.

Подставляя уравнение (3.1) в (3.2), находим:

кг/опер,

или кг/с.

кг/опер,

или кг/с,

кг/с,

где ф - продолжительность операции перегонки; ф=6 часов.

Пересчет массовых концентраций в молярные

Так как в законах фазового равновесия приведены молярные концентрации, а составы смесей заданы в массовых процентах, то для дальнейших расчетов их необходимо привести к одной размерности.

Молярные концентрации исходной смеси xF, дистиллята xР, и кубового остатка xW находим по формуле [2]:

где xа - молярная концентрация легколетучих компонента в смеси;

- массовая концентрация (массовый процент) легколетучего компонентов смеси;

Ма, Мв - молярные массы компонентов смеси.

Ма = Мм.с = 32 кг/кмоль;

Мв= МТ = 92 кг/кмоль.

Тогда моль,

моль,

моль.

Температурный режим работы колонны

Температурный режим определяем графическим способом с помощью изобарной диаграммы, которую строим в координатах t - х, у

t - температура смеси;

х, у - концентрации низкокипящего компонента в жидкости и равновесной с ней паровой фазе (мол.%), которые найдены в таблице 3.1 [5] и приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.1 - Расчет равновесия смеси метанол-толуол

t,	Рм, мм.рт.ст	Рт, мм.рт.ст	П, мм.рт.ст	х=	у*= х
64,7	760	174	760	х=	у*= 1=1
70	927	204	760	х=	у*= 0,77=0,94
80	1341	299	760	х=	у*= 0,44=0,78
90	1897	408	760	х=	у*= 0,24=0,6
100	2621	571	760	х=	у*= 0,09=0,31
110,6	3710	760	760	х=	у*= 0=0

Таблица 3.2 - Равновесный состав системы метанол-толуол

х	1	0,77	0,44	0,24	0,09	0
у	1	0,94	0,78	0,6	0,31	0
t	64,7	70	80	90	100	110,6

Рисунок 3.1 - Изобарная диаграмма t-х, у смеси метанол-толуол

По заданному составу компонентов находим:

температуру кипения исходной смеси:

tF = 780С при xF = 48,94%;

температуру кипения кубового остатка:

tW = 1020C при xW = 8,3%;

температуру кипения дистиллята:

tP = 670C при xP = 87,02%.

Расчет флегмового числа

Процессы периодической ректификации могут осуществляться при постоянном флегмовом числе R или при постоянном составе дистиллята.

В первом случае в ходе протекания процесса дистиллят обогащается низкокипящим компонентом и его отбирают в виде фракций.

Достичь постоянного состава дистиллята можно путем увеличения в времени подачи флегмы .

Принимаем работу периодически действующей ректификационной установки с постоянным составом дистиллята. Флегмовое число при этом постоянно увеличивается и наибольшее его значение будет в конечный момент перегонки, когда состав жидкости в кубе достигает заданной величины xW [4]. спирт кипятильник конденсат штуцер

где в - коэффициент избытка флегмы;

в = (1,45); принимаем в = 3.

Rmin - минимальное флегмовое число, которое рассчитывается согласно выражению [4]:

где - молярная доля низкокипящего компонента в паре, равновесного с кубовым остатком состава xw. Находим по рис. 3.1.

При xw=0,083=8,3%, =0,27.

Рабочее флегмовое число:

R=33, 21=9,63

Среднее значение минимального флегмового числа для всего процесса определяется по формуле:

где б' - средняя относительная летучесть по колонне.

,

где Рнк, Рвк - давление насыщенного пара, низко- и высококипящего компонентов в интервале их температур кипения.

n- количество значений температур.

Давление насыщенного пара компонентов приведены в таблице 3.2. [2]

Тогда

,



Таблица 3.3 - Давление насыщенного пара метилового спирта и толуола

Жидкость	Давление, мм рт.ст.
	t=700С	t=800С	t=900С	t=1000С	t=110,60С
Метиловий спирт	927	1341	1897	2621	3710
Толуол	204	299	408	571	760
	4,54	4,48	4,65	4,6	4,88

Среднее рассчитанное флегмовое число:

Средняя концентрация жидкости в мольных долях

Средний состав жидкости в мольных долях:

Средний состав пара находим из уравнения рабочей линии:

Плотность пара

Находим из выражения:



где Мср - средняя мольная масса пара.

Мср = Мсп · yср + Мв(1-yср) = 32 · 0,629 + 92 (1-0,629) = 54,26 кг/кмоль;

Тср - средняя температура пара.

Находим tср за рис. 3.1 зависимо от yср:

при yср = 0,629; tср = 870С,

Т0 - абсолютная температура, К;

Р0 - атмосферное давление, Па;

Р - давление в колонне, Па.

Тогда, кг/м3.

Плотность смеси

Плотность смеси находим из выражения:

где см.с, св - плотность метилового спирта и толуола при tср=870;

см.с = 728,3 кг/м3;

сТ = 801 кг/м3 [2].

Тогда



,

Расход пара, который поднимается по колонне

Находим из выражения

где ф - продолжительность операции; ф = 6 часов.

Тогда

м3/с.

Массовый расход пара

кг/с.

Расход жидкости, которая стекает по колонне

Находим из выражения:

3.2 Тепловой расчет

Расход тепла на подогрев смеси

Принимаем начальную температуру смеси tп = 200С.

Тогда

кДж/опер

где СF - теплоемкость исходной смеси при средней температуре tFcp:

кДж/кг·К,

где См.с - теплоемкость метилового спирта [2], См.с = 2,56 кДж /кгК;

СТ - теплоемкость толуола [2]; СТ = 1,72 кДж / кгК;

- массовая доля НК (метилового спирта) в смеси; =0,25.

СF= 0,25 ·2,56 + (1-0,25)·1,72 = 1,93 кДж/кг К.

Тепловые потери принимаем 3ч5% от Qнагр.

Тогда

Qнагр.=[16000·1,72 (78-20)] 1,03 = 2,07106 кДж/опер.

Расход тепла на процесс перегонки

где Rср - среднее флегмовое число для всего процесса, Rср = 4,6;

rP - удельная теплота парообразования дистиллята.



кДж/кг ,

де rм.с,, rТ - удельная теплота парообразования метилового спирту и толуола при t р= 670С;

rмс,=1083,9 кДж/кг;

rТ= 383,3 кДж/кг;

rр = 0,97·1085,5+(1-0,97) ·2341 = 1123,1 кДж/кг;

Сср - средняя теплоемкость дистиллята;

Сср = Смс · +Ст (1- ) кДж/кг·К;

Смс, Св - теплоемкость метилового спирту и толуола при tр=670С;

Смс = 2,76 кДж/кг·К;

Ст = 1,8 кДж/кг·К [2];

Сср =2,76 ·0,7 + 1,8 (1-0,7)= 2,47 кДж/кг·К;

tср - средняя температура пара, который поднимается из куба в колонну, и изменяется от tF в начале процесса до tW у конце:

,

где tW - температура кипения жидкости в кубе; tW = 1020С;

- тепловые потери; принимаем =3 ч5% от Qнагр.;

Qпер. = 4923·(4,6+1)[873,72+2,47(90-78)]·1,03 =25,65·106 кДж/опер.



Расход греющего пара на перегонку

Находим из выражения [5]:

кг/опер.,

где Q - общая потеря тепла, кДж/опер.;

Q = Qнагр.+ Qпер = 2,07•106 + 25,65·106 = 27,72·106 кДж/опер.;

Іг.п, Ік - теплосодержание греющего пара та конденсата при

tг.п. = tW +(15 ч200С) = 102+20 = 1220С;

Іг.п =2713,8 кДж/кг; Ік = 512,62 кДж/кг. [2]

Тогда

кг/опер.,

кг/с.

Тепловая нагрузка дефлегматора

При частичной конденсации пара, который выходит из колонны, количество тепла, которое забирает охлаждающая вода:

Qд= Gp Rcp rp

Тогда



Qд= 4923,0774,6873,72=19,8106 кДж/опер.

Тепловая нагрузка холодильника дистиллята

Количество тепла, которое забирает охлаждающая вода:

де СР - теплоемкость дистиллята при:

,

Теплоемкости компонентов при tср = 460С.

См.с = 2,62 кДж/кг·К;

СТ = 1,72 кДж/кг·К [9];

СР = 0,7·2,62 + (1-0,7)·1,72 = 2,35 кДж/кг·К;

tрк= конечная температура дистиллята; принимаем tрк=250С.

Тогда QР = 4923,077 · 2,35(67-25) = 485908 кДж/опер.

Тепловая нагрузка холодильника кубового остатка

Количество тепла, которое забирает охлаждающая вода:

кДж/опер

где СW - теплоемкость кубового остатка при:



,

, кДж/кг·К

Теплоемкость компонентов при tWср = 63,50С.

См.с = 2,7 кДж/кг·К; СТ = 1,76 кДж/кг·К [2];

СW = 0,05 · 2,7 + (1-0,05) · 1,76= 1,24 кДж/кг·К.;

t Wк -конечная температура кубового остатка, принимаем t Wк=250С.

Тогда

кДж/опер.

Расход охлаждающей воды в дефлегматоре

Находим из теплового баланса дефлегматора, по охлаждающей воде:

Qд = Qв или Qд = Gв1 ·Св (tвк -tвп ).

Откуда расход води:

, кг/опер.,

де Св - теплоемкость воды; Св = 4,18 кДж/кг·К;

tвк - tвп - конечная и начальная температуры охлаждающей води;

принимаем tвк = 450С; tвп = 200С.

Тогда



кг/опер.,

м3/с,

де св - плотность води при

, св =996 кг/м3 [2].

Расход охлаждающей воды в холодильнике дистиллята

Находим из теплового баланса:

QР = Gв2 ·Св (tвк -tвп )· кДж/опер.

Откуда

кг/опер.,

м3/с.

Расход охлаждающей воды в холодильнике кубового остатка

Находим их теплового баланса:

QW = Gв3 ·Св (tвк - tвп), кДж/опер

кг/опер.,

м3/с.



Общая тепловая загрузка кипятильника

Находим из теплового баланса [4]:

Qкип=,

Р - количество дистиллята, кг;

R - рабочее флегмовое число;

I, iF, iФ, iw - энтальпия паров, выходящих из колонны, исходной смеси, флегмы и кубового остатка соответственно, кДж/кг;

бn - тепловые потери в окружающую среду (3 - 5 от Qкип).

I= iФ+rф,

где rф - теплота испарения флегмы, кДж/кг.

Так как состав флегмы равен составу дистиллята, то принимаем iФ=iр; rф= rр.

Из теплового баланса ректификационной колонны rр=873,72 кДж/кг.

iF (iФ, iw)=СF (Сp, Сw) tF (tp, tw)

где СF, Сp, Сw - теплоемкости исходной смеси при температуре кипения tF, дистиллята tр и кубового остатка tw, соответственно, кДж/кг.

, кДж/кг К,

Теплоемкость компонентов при tWср = 780С.

См.с=2,81 кДж/кг КСт=1,82 кДж/кг К [2];



- массовая доля НК (метилового спирта) в смеси; =0,25.

СF= 0,25 ·2,81 + (1-0,25)·1,82 = 2,07 кДж/кг К.

iF=2,0778=161,5 кДж/кг.

.

Теплоемкость компонентов при tWср = 670С.

См.с=2,76 кДж/кг К; Ст= кДж/кг К [2];

- массовая доля НК (метилового спирта) в смеси; =0,7.

Ср= 0,7 ·2,76 + (1-0,7)·1,8 = 2,33 кДж/кг К

Тогда

iF=2,3367=156,11 кДж/кг

, кДж/кг·К.

Теплоемкость компонентов при tWср = 1020С.

См.с = 2,93 кДж/кг·К; Ст = 1,86 кДж/кг·К [2];

СW = 0,08 · 2,93 + (1-0,08) · 1,86= 1,91 кДж/кг·К.;

iF=1,91102=194,8 кДж/кг

I=165,43+873,72=1039,15 кДж/кг

Тогда, пользуясь рассчитанными данными, получаем:

Qкип==46111996 Дж=2134,8103 Вт

4. Конструктивный расчет кипятильника

4.1 Исходные данные для расчета

- состав кубовой жидкости (остатка): содержание толуола =95% (мас.), содержание метанола = 5% (масс.);

- массовый расход кубовой жидкости GW = 0,513 кг/с (из материального баланса ректификационной установки );

- температура кипения кубовой жидкости tW=102 (по температурному режиму ректификационной установки);

- общее тепловое нагрузки кипятильника Qкип = 2134,8• 103Вт (из теплового баланса ректификационной установки);

- давление греющего водяного пара при tг.п=122 Рг.п = 0,212 МПа ? 2,16 кгс/см2 (принимаем)[2];

- плотность греющего водяного пара сп.о =1,1903 кг/м3; [2]

- температура греющей водяного пара tг.п = 122оС; [2]

- массовый расход водяного греющего водяного пара Gг.п. = 0,5829 кг/ с (из теплового баланса);

- плотность пара, образующегося при кипении кубовой жидкости при атмосферном давлении сп.о = 1,83 кг/м3;

- плотность пара, образующегося при кипении кубовой жидкости при незначительном избыточном давлении ДР = 0,001 атм, составляет

сп = 1,8318 кг/м3 (из технологического расчета ректификационной установки).

4.2 Физические свойства конденсата греющего пара

Физические свойства конденсата греющего пара определяются при температуре его конденсации tг.п = 122оС, согласно таблице ХХХIХ [2] и сведены в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 - Физические свойства конденсата

Название параметра, символ	Значение параметра, размерность
Плотность, с	941,4 кг/м3
Динамический коэффициент вязкости, µ	0,000227 Па•с
Коэффициент теплопроводности, л	0,686 Вт/м•К
Поверхностное натяжение, у	0,0545 кг/с2
Теплоемкость, С	4,31 кДж/кг•К
Удельная теплота парообразования (конденсации) r г.п	2201,8 кДж/кг

4.3 Физические свойства кубовой смеси и ее составных компонентов

Кубовая жидкость (остаток), которая кипит в трубках теплообменника, согласно с заданием, имеет в своем составе массовую долю метанола = 0,05 и массовую долю толуола =0,95. Физические свойства жидкостной смеси являются аддитивными и определяются соответствующими уравнениями.

Теплопроводность кубовой смеси:

лw=лм.с + лт

где лм.с, лт - теплопроводности компонентов метанола и толуола, соответственно, лм.с=0,1977 Вт/мК, лт=0,1279 Вт/мК рис. Х [2];

, - массовая доля метилового спирта и толуола в кубовом остатке, соответственно.

лw=0,19770,05+0,12790,95=0,1310 Вт/мК

Плотность кубовой смеси [2]:



,

где , - плотность метанола и толуола, соответственно. [2]

Откуда

= 781,74 кг/м3

Динамический коэффициент вязкости кубовой смеси

где - коэффициент динамической вязкости метанола и толуола соответственно, ;

, - массовая доля метилового спирта и толуола в кубовом остатке, соответственно.

= 0,05

Откуда

= 0,467

Удельная теплота испарения кубовой смеси



,

где rм.с, rT - удельная теплота испарения бензола и толуола, соответственно, кДж/кг. [2]

,

Теплоемкость кубовой смеси

где См.с, СТ - теплоемкость метанола и толуола, соответственно, при температуре кипения кубовой жидкости tW = 102:

См.с = 2,93 • 103Дж/кг • К;

СТ = 1,84 • 103Дж/кг • К, (рис. XI, [2]).

,

Поверхностное натяжение кубовой смеси

,

где , - поверхностное натяжение метанола и толуола, соответственно, при температуре кипения кубового остатка tW=102(табл. ХХІV [6]):

Откуда

,

4.4 Определение ориентировочной поверхности кипятильника

Процесс теплопередачи в кипятильнике проходит при постоянных температурах теплоносителей (рис. 2.1) и представлен основным уравнением теплопередачи для этого случая:

Таблица 4.2 - Физические свойства бензола, толуола и кубового остатка при температуре кипения tW = 102

Вещество	Плотность, с кг/м3	Теплопроводность, л Вт/кгК	Динамический коэффициент вязкости, Пас	Удельная теплота испарения, r Дж/кг	Теплоемкость, С кДж/ кгК	Поверхностное нятяжение,у кг/с2
Метанол	711,8	0,1977	0,23710-3	1007,8103	2,93103	15,4910-3
Толуол	185,8	0,1279	0,45110-3	367,46103	1,84103	19,1910-3
Кубовый остаток	781,74	0,1314	0,46710-3	399,48103	1,894103	18,9810-3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок Схема процесса теплоотдачи в кипятильной трубе теплообменника

где Q - общее тепловая нагрузка теплообменника-кипятильника, Дж;

F-поверхность теплопередачи (поверхность труб), м2;

(t1-t2)=(tг.п-tw) - средняя разность температур между теплоносителями, 0C;

К - суммарный коэффициент теплопередачи Вт/м2 • К;

- время процесса, с.

Согласно этим случаем теплопередачи составляем температурную схему процесса и определяем среднюю разность температур между греющим водяным паром и кубовой жидкостью Дtсер (рис. 4.2).

Дtсер=122-102=200С

Расчет аппарата проводим в соответствии с общей схемой технологического расчета теплообменных аппаратов [6], согласно этим принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи от водяного пара, который конденсируется, в кипящей органической жидкости Кор = 800 Вт/м2 • К, (табл. 2.1 [6]).

Тогда ориентировочное значение поверхности теплопередачи для теплообменника-кипятильника, который определяется в соответствии уравнению:

где Qк - общее тепловая нагрузка аппарата, Qк = 2134,2 • 103Вт.

Fор= м2



По значению ориентировочной поверхности теплопередачи принимаем один из вариантов кожухотрубчатого теплообменника-кипятильника табл. 2.3 [6].

Таблица 4.3 - Параметры нормализованного кожухотрубчатого теплообменника-кипятильника

Вариант теплообменника	Нормализованная поверхность F, м2	Диаметр кожуха D, мм	Количество труб n	количество ходов z	Диаметр труб d3, мм	Длина труб Н, м
1	135	800	717	1	202	3

4.5 Уточняющий расчет поверхности теплопередачи кипятильника

Уточняющий расчет поверхности теплопередачи аппарата Fр проводим согласно уравнению:

где q - удельная тепловая нагрузка кипятильника, Вт/м2, определяется методом последовательных приближений на основе уравнения (4.11)

Для определения f (q) необходимо рассчитать коэффициенты А и В.

Присвоим индекс «1» физическим свойствам конденсата водяного греющего пара, а индекс «2» физическим свойствам кипящей кубовой жидкости.

Для первого приближения определяем ориентированное значение удельной тепловой нагрузки:

q==15813,3 Вт/м2

Для определения коэффициента теплопередачи б, от греющей водяного пара к наружной поверхности труб теплообменника-кипятильника высотой H (процесс конденсации рис. 4.1) воспользуемся уравнением:

Приняв, что

Используя физические свойства конденсата греющего водяного пара (табл. 4.1), определим численное значение коэффициента А.

А

Для определения коэффициента теплоотдачи б2 для кипящей в трубах кубовой жидкости (процесс пузырькового кипения) пользуемся уравнением:



Приняв, что

Используя физические свойства кубовой жидкости и созданного при ее кипении пара (табл. 4.2), определим численное значение коэффициента В.

В=7803,59

Принимая толщину кипятильных труб теплообменника дст = 2 мм = 0,002 м, материал - нержавеющая сталь с коэффициентом теплопроводности , табл. ХХVІІІ [2] и термическое сопротивление загрязнений кубовой жидкости [2] (термическим сопротивлением со стороны греющего пара можно пренебречь) определяем суммарное термическое сопротивление стенки и загрязнений:

,

Тогда согласно уравнению (4.11), имеем:

f(q1)=

Примаем второе ориентированное значение удельной тепловой нагрузки кипятильника q = 16400 Вт/м2, тогда получим:

f(q2)=,

Значение не является удовлетворительным, поэтому принимаем q3=17000 Вт/м2

f(q3)=,

Четвертое, уточненное значение удельной тепловой нагрузки q4 находится аналитическим путем по уравнению (4.17):

q4=1700 Вт/м2

Рассчитываем точность определения корня уравнения:

f(q4)=

Значение не является удовлетворительным, поэтому принимаем пятое уточненное значение удельной тепловой нагрузки q5 находится аналитическим путем по уравнению (4.18):

q5=16602,4 Вт/м2

Рассчитываем точность определения корня уравнения.

f(q5)=

Значение не является удовлетворительным, поэтому принимаем шестое уточненное значение удельной тепловой нагрузки q6 находится аналитическим путем по уравнению (4.19):

q5=16602,4 Вт/м2

Рассчитываем точность определения корня уравнения:

f(q6)=

Такую точность можно считать достаточной, а шестое значение удельной тепловой нагрузки q3 = Вт/м2 считать действительным тепловой нагрузкой.

Тогда расчетная поверхность теплопередачи теплообменника-кипятильника, которая удовлетворяет процессу кипения кубовой жидкости составляет:

Fp=128,8 м2

В выбранном теплообменнике запас поверхности составляет:

,

,

Масса аппарата составляет М1 = 3520 кг [7].

В расчетном аппарате принято пузырьковый режим кипения жидкости.

Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, соответственно, равны:

.

,

,

Таким образом значение Крас = 828,4 Вт/м2•К соответствует принятому ориентировочном значению Кор = 800 Вт/м2 •К.

4.6 Определение диаметра штуцеров

Диаметры штуцеров для подвода и отвода теплоносителей определяются из уравнения объемного расхода [2]:

d1=

где G - массовый секундный расход теплоносителя, кг/с;

с - плотность теплоносителя, кг/м3;

щ - средняя скорость движения теплоносителя, м/с, принимаем для жидкостей;

щ = 0,5 ч 3,0 м/с, для газов (пара) = 15 ч 40 м/с [4];

V - объемный секундный расход теплоносителя, м3/с.

Диаметр штуцера для подвода греющего пара:

d1==0,1792 м= 180 мм



Диаметр штуцера для выхода конденсата греющего пара:

d2==0,04 м= 40 мм

Диаметр штуцера для подвода кубового остатка:

d3==0,03 м = 30 мм

Диаметр штуцера для выхода пара кубовой жидкости:

d4==0,1568 м=157 мм

4.7 Выбор фланцевых соединений к штуцерам

По условиям диаметров штуцеров (Госстандарт 1255-67) подбираются к ним фланцы стальные плоские, тип I, приварные встык с гладкой поверхностью уплотнения для труб и трубопроводной арматуры [8] и их соединительные размеры приведены в таблице 4.4.

Эскиз фланца приведен на рис. 4.4.

Рисунок Эскиз фланца (тип Й)



Таблица 4.4 - Технические характеристики фланцев, стальных, плоских, приварных с соединительным выступом

Ру, МПа	dрозр., мм	d, мм	Dф, мм	Dб, мм	D1, мм	dб, мм	z, шт.	h, мм	М, кг
0,212	180	219	315	280	285	М 16	8	15	4,73
0,212	40	45	130	100	80	М 12	4	10	0,95
0,212	30	38	120	90	70	М 12	4	10	0,79
0,212	157	159	260	225	202	М 16	8	13	3,45



5. Гидравлический расчет теплообменника-кипятильника

Расчет гидравлического сопротивления, необходим для определения затрат энергии на перемещение жидкости или пара и выбора гидравлической машины.

Общие потери давления в трубном пространстве аппарата составляют:

где ДРу - давление, необходимое для преодоления сил поверхностного натяжения, Па;

ДРст - гидростатическое давление столба жидкости, Па;

ДРпот - потеря напора за счет трения и местных сопротивлений в трубном пространстве, Па.

В гидравлическом расчете использованы физические свойства кубовой жидкости, приведены в подразделе 4.3, таблица 4.2 и технические характеристики кипятильника таблица 4.3.

ДРу определяем по выражению:

где у - поверхностное натяжение раствора, у = 0,01898 Н м;

dв - внутренний диаметр кипятильных трубки, 0,016 м.

ДРу=

Гидростатическое давление столба жидкости



где сж - плотность кубовой жидкости 781,74 кг/м3;

Н - высота труб, Н = 3,0 м.

ДРст=781,749,813=23006,6 Па

Потеря напора за счет трения и местных сопротивлений

где л-коэффициент гидравлического трения определяется в зависимости от режима движения раствора;

Уо - сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Режим движения кубовой жидкости в трубах определяем по критерию Рейнольдса:

где щоб - скорость подъема пузырьков, м/с;

dо - диаметр пузырька кипящей жидкости, м.

Принимаем, что dо = 0,005 м [8].

сж - плотность кубовой жидкости 781,74 кг/м3;

м - вязкость раствора, 0,46710-3 Па•с.

Скорость подъема пузырьков определяем по формуле:



щоб=0,70,0495 м/с

Тогда значение критерия Рейнольдса в трубках составит:

Re==414,3

Из этого можно сделать вывод, что режим движения раствора - ламинарный, следовательно, л определяем по формуле, рекомендуется для ламинарного режима:

Сумма коэффициентов местных сопротивлений составляет:

где Уовх - сумма коэффициентов местных сопротивлений при входе раствора в трубы, для одной трубы; [2]

Уовых - сумма коэффициентов местных сопротивлений при выходе раствора из труб, для одной трубы; [2]

Число труб кипятильника составляет: n=717.

Тогда



Скорость движения кубовой жидкости в трубах рассчитывается по формуле:

,

где - объемный расход кубовой смеси, м3/с;

S - площадь сечения одной трубы, м2;

- массовый расход кубовой жидкости, кг/с;

- плотность кубовой жидкости, кг/м3;

- диаметр трубы, м;

- число труб кипятильника.

Тогда

,

ДРпот=7, 74 Па

Общее гидравлическое сопротивление кипятильника составляет

,



Выводы

В результате технологического и конструктивного расчета получены такие размеры теплообменника кипятильника - вспомогательного устройства ректификационной колонны периодического действия:

-диаметр кожуха кипятильника dн=800 мм;

- диаметр штуцера для подвода греющего пара d1 = 180 мм

- диаметр штуцера для выхода конденсата греющего пара d2 = 40 мм

- диаметр штуцера для подвода кубового остатка d3 = 30 мм

- диаметр штуцера для выхода пара кубовой жидкости d4 =157 мм

Поверхность теплообмена рассчитанная Fp128,8 м2.

Поверхность теплообмена нормализованная Fн=135 м2.

Производительность по дистилляту - 4923,077 кг/опер.

Производительность по кубовой жидкости - 11077 кг/опер.



Список литературы

1. Химическая энциклопедия: в 5 т. Т. 3. Меди-Полимерные / под ред. И. Л. Кнулянца. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. - 639 с.

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

3. Химическая энциклопедия: в 5 т. Т. 4. Полимерные - Трипсин / под ред. Н. С. Зефирова. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. - 639 с.

4. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А. Г. Касаткин. - М.: Химия, 1971. - 784 с.

5. Плановский А.Н., Рамм В.М., Коган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1968. - 848 с.

6. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / под ред. Дытнерского Ю.И., 2-е изд.,. - М.: Химия, 1991

7. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник - Л.: Машиностроение, 1971.- 748с.

8. Иоффе И.А. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1991. - 352 с.

9. Методичні вказівки довиконання курсового проекту на тему «Розрахунку насадкової ректифікаційної колони періодичної дії. Проектування насадкової колони» з курсу «Основні процеси та апарати хімічної технології» для студентів IІІ-ІV курсів / Укл.: В. М. Задорожній, В. І. Зражевський, С. О. Опарін. - Дніпропетровськ: УДХТУ, 2010. - 38 с.

10. Методичні вказівки до виконання курсового проекту на тему «Розрахунок та проектування теплообмінника-кип'ятильника - допоміжного обладнання ректифікаційної колони безперервної дії» з курсу «Основні процеси та апарати хімічної технології» для студентів IV-V курсів усіх спеціальностей і форм навчання / Укл.: О.С. Смірнова, С.О. Опарін, Т.В. Гриднєва. - Дніпропетровськ: ДВНЗ УДХТУ, 2011. - 58 с.

Размещено на Allbest.ru

...