Ректификационная установка непрерывного действия по разделению бинарной смеси бензол-толуол

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАУЧНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ'

Промышленная теплоэнергетика

Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий

Дипломная работа

Ректификационная установка непрерывного действия по разделению бинарной смеси бензол - толуол

Томск

2012



Содержание

Задание

Введение

1. Описание технологической схемы установки

2. Материальный баланс

3. Построение кривой равновесия, рабочих линий процесса, ступеней измерения концентрации

3.1 Определение мольных долей компонентов в жидкости и равновесном паре

3.2 Построение диаграммы равновесия

3.3 Определение флегмового числа

3.4 Определение теоретического числа тарелок

3.5 Определение действительного числа тарелок

4. Определение основных параметров колонны, контактного устройства, внутренних устройств

4.1 Определение основных параметров

4.2 Определение основных размеров колонны, контактного устройства, внутренних устройств

5. Гидравлический расчет

6. Общий тепловой баланс колонны

7. Конструктивный расчет теплообменников

7.1 Расчет охладителя кубового остатка

7.2 Расчет подогревателя исходной смеси

7.3 Расчет дефлегматора

7.4 Расчет охладителя дистиллята

7.5 Расчет испарителя

8. Выбор конструкционных материалов для изготовления основного аппарата

Заключение

Список использованной литературы

Задание

На курсовую работу по курсу

"Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий"

1. Тема работы: Ректификационная установка непрерывного действия. изготовление аппарат ректификационный кривая

Исходные данные: смесь: бензол - толуол. Производительность по исходной смеси 3*103 кг/ч.

Массовое содержание низкокипящего компонента в исходной смеси 20, в дистилляте 80, в кубовом остатке 5.

Тип колонны - колпачковая с капсульными колпачками. Давление греющего пара 3,5 бар, температура холодной воды на входе 7 на выходе 250 С.

2. Перечень обязательного расчетного и графического материала:

Расчет веса чистых компонентов.

Построение кривой равновесия, рабочих линий процесса, ступеней изменений концентрации.

Определение основных размеров колонны, контактного устройства, внутренних устройств.

Гидравлический расчет аппарата.

Общий тепловой баланс клоны.

Конструктивный расчет дефлегматора (конденсатора, подогревателя исходной смеси).

Конструктивный расчет испарителя (кипятильника).

3. Графическая часть:

Лист формата А2: технологическая схема установки.

Лист формата А1: колонна и разрезы.

4. Срок сдачи законченной работы__________

5. Дата выдачи задания

Руководитель:

Задание принял к исполнению:

25 ноября 2011г.

Оценка работы экз. комиссии

Введение

Целью расчёта ректификационной установки непрерывного действия является определение основных размеров оборудования, входящего в технологическую схему установки, размеров внутренних устройств ректификационного аппарата, мат. потоков и затрат тепла. При этом следует помнить, что ректификация представляет собой процесс разделения жидких смесей на компоненты, при котором происходит переход вещества из жидкой фазы в паровую и наоборот. В большинстве случаев ректификация осуществляется в противоточных колоннах с контактными элементами.

Ректификация является одним из способов получения бензола. Бензол (C6H6) -- ароматический углеводород - входит в состав бензина, широко применяется в промышленности, является исходным сырьём для производства лекарств, различных пластмасс, синтетической резины, красителей. В физическом весе пластмасс около 30%, в каучуках и резинах - 66%, в синтетических волокнах - до 80% приходится на ароматические углеводороды, родоначальником которых является бензол. Бензол входит в состав сырой нефти, но в промышленных масштабах по большей части синтезируется из других её компонентов. Ректификационные колонны обеспечивают получение бензола и толуола чистотой 99,9%, содержание толуола в смеси ксилолов не превышает 1,5%. Применяют при получении отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической, а также в химико-фармацевтической промышленностях.

Ректификационные аппараты можно классифицировать в зависимости от технологического назначения, давления и внутреннего устройства, обеспечивающего контакт между паром и жидкостью.

По технологическому назначению ректификационные аппараты на колонны атмосферно-вакуумных установок, термического и каталитического крекингов, вторичной перегонки нефтепродуктов, а также на колонны для ректификации газов, стабилизации легких нефтяных фракций [1].

В зависимости от применяемого давления аппараты подразделяются на вакуумные (для разделения смесей высококипящих веществ), атмосферные и работающие под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

В зависимости от внутреннего устройства различают аппараты тарельчатые, насадочные, пленочные и роторные (с вращающимися деталями). Наиболее широкое распространение в промышленности получили тарельчатые и насадочные колонны.

К современным ректификационным аппаратам предъявляются следующие требования: высокая разделительная способность и производительность, достаточная надежность и гибкость в работе, низкие эксплуатационные затраты, небольшой вес и, наконец, простота и технологичность конструкции [1].

Конструкция аппарата зависит от способа организации контакта фаз. Наиболее простое конструктивное оформление ректификационных аппаратов применяется при движении жидкости от одной ступени контакта к другой под действием силы тяжести. В этом случае контактные устройства (тарелки) располагаются одно над другим и разделительный аппарат выполняется в виде вертикальной колонны. В промышленной практике известны также разделительные аппараты, выполненные в виде горизонтальной емкости.

В зависимости от производительности и назначения ректификационные установки для разделения бинарных смесей делятся на установки непрерывного и периодического действия. Основным преимуществом установок непрерывного действия по сравнению с периодическим действием является возможность стабильных по составу продуктов и относительной простоте автоматизации процесса.

Наиболее широкое распространение получили тарельчатые колонны, применяемые для больших производительностей, широкого диапазона изменений нагрузок по пару и жидкости и обеспечивающие весьма четкое разделение смесей. Недостатком является относительно высокое гидравлическое сопротивление, однако в условиях ректификации это приводит лишь к некоторому увеличению давления и соответственно к небольшому повышению температуры кипения жидкости в кипятильнике колонны.

Ректификационная колонна, рассмотренная в курсовом проекте, относится к аппаратам непрерывного действия перекрестного тока.

Для заданного разделения любой исходной смеси на две части применяется схема полной ректификационной колонны. В таком аппарате сырье подается в середину колонны, дистиллят, обогащенный низкокипящими компонентами или фракциями, отбирается сверху, а остаток, обогащенный высококипящими компонентами или фракциями - снизу колонны.

Для создания жидкостного и парового орошения колонна имеет конденсатор вверху и кипятильник внизу. Секция колонны, расположенная выше ввода сырья, называется конденсационной (укрепляющей); секция, расположенная ниже ввода сырья - отгонной (исчерпывающей). Верхняя тарелка исчерпывающей секции колонны, на которую поступает жидкая часть сырья, называется тарелкой питания.

Кипятильник предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под нижнюю тарелку). Кипятильник имеет поверхность нагрева в виде змеевика или представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны.

Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливаются ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости. 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). В случае полной конденсации паров в дефлегматоре его устанавливают выше колонны, непосредственно на колонне или ниже верха колонны для того, чтобы уменьшить общую высоту установки.

Колпачковые тарелки имеют сотни модификаций. Достоинством их является удовлетворительная работа в широком диапазоне нагрузок по жидкости и пару, а также небольшая стоимость эксплуатации. Работают они по принципу слива. Как и во всех тарелках со сливными устройствами, на колпачковых тарелках наблюдается гидравлический уклон по направлению движения жидкости, что вызывает явление продольной неравномерности барботажа по тарелке.

Наибольшее распространение получили тарелки с круглыми (капсульными) колпачками (рис. 1).

При барботаже пара через жидкость различают три режима:

- пузырьковый режим - через слой жидкости проходят отдельные пузырьки газа или пара, образующие цепочку около стенки колонны;

- струйный режим - отдельные пузырьки газа сливаются в непрерывную струю;

- факельный режим - отдельные струи пара сливаются в общий поток, имеющий вид факела, при этом наблюдается захват жидкой фазы и переброс ее на выше лежащую тарелку, что отрицательно сказывается на работе колонны.

а б

Рис. 1. а - Схема многоколпачковой тарелки с круглыми колпачками.

б - Схема работы многоколпачковой тарелки



1. Описание технологической схемы установки

Технологическая схема ректификационной установки непрерывного действия представлена в графической части курсового проекта на листе 1.

Исходную смесь из емкости Е1 насосом Н1 подают в теплообменник О1, где она подогревается кубовым остатком, далее поступает в подогреватель П, где подогревается водяным паром до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну КР на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси хF.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка хW, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массового обмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой), получаемой в дефлегматоре Д путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике О2 и направляется в промежуточную емкость Е3.

Из кубовой части колонны непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике О1 и направляется в емкость Е2.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).



2. Материальный баланс

Целью расчета материального баланса является определение неизвестных расходов отдельных технологических потоков по известным составам и определяемым в производственных условиях расходам других технологических потоков.

Определим количество дистиллята и кубового остатка.

Уравнение материального баланса для всего количества смеси имеет вид [2, с.153]:

, (2.1)

Где

- количество исходной смеси, кг/ч;

- количество дистиллята, кг/ч;

- количество кубового остатка, кг/ч.

Уравнение материального баланса для низкокипящего компонента [2, с.153]

(2.2)

, где

- массовое содержание низкокипящего компонента в смеси; - массовое содержание низкокипящего компонента в дистилляте; - массовое содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке.

Тогда уравнение (2.2) примет вид:

Совместное решение уравнений (2.1) и (2.2) дает



3. Построение кривой равновесия, рабочих линий процесса, ступеней измерения концентрации

Определим теоретическое число тарелок, при котором обеспечивается полное физико-химическое равновесие между стекающей с тарелки жидкостью и поднимающимися парами при полном перемешивании жидкости на тарелке и равномерном распределении пара по ее сечению.

Расчет ведем графическим способом с построением ступеней изменений концентраций. Для проведения расчета по этому методу необходимо построить у-х-диаграмму.

3.1 Определение мольных долей компонентов в жидкости и равновесном паре

Мольные доли компонентов определим по формуле [2, c.154]:

, (3.1.)

Где - массовая доля низкокипящего компонента; - массовая доля высококипящего компонента; - молряная масса низкокипящего компонента; - молряная масса высококипящего компонента.

Молярные массы и температуры кипения компонентов - бензола и толуола [7, с.502, 998]:

молярная масса бензола - температура кипения бензола tк = 80,10С;

молярная масса толуола -; температура кипения толуола tк = 92,10С;

Определяем мольные доли компонентов в жидкости и равновесном паре х и у.

Мольная доля бензола в начальной смеси:

Мольная доля бензола в дистилляте:

Мольная доля бензола в кубовом остатке:

3.2 Построение диаграммы равновесия

На диаграмме равновесия (рис. 2) по данным таблицы 1 [3, с.784] строим кривую равновесия разделяемой смеси.

На у-х-диаграмме проводим диагональ ОК и вертикальные прямые:



Таблица 1. Равновесный состав фаз смеси бензол - толуол.

%,x	0	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	95	100
y,%	0	10,84	20,57	37,23	50,84	62,06	71,37	79,16	85,71	91,25	95,97	98,06	100
t,0С	110,61	108,36	106,22	102,24	98,61	95,3	92,25	89,44	86,84	84,43	82,19	81,12	80,1

Отмечаем точки W и N (пересечения диагонали соответственно с первой () и третьей () прямыми) и точку F1 пересечения второй прямой () с кривой равновесия. Найденной точке F1 соответствует концентрация бензола жидкости .

Рис.2 у-х-диаграмма.

Рис.3 Фазовая диаграмма

В качестве вспомогательной линии проводим на у-х-диаграмме равновесия прямую, предварительно рассчитав величину ОМ. Точку пересечения прямой MN c xF соединяем с точкой W, в результате чего получаем рабочую линию FW исчерпывающей части колонны, а соединяя с точкой N, получаем рабочую линию FN укрепляющей части колонны. По у-х-диаграмме определяем теоретическое число тарелок (ступеней изменения концентраций). Для этого строим ступенчатую линию, состоящую из горизонтальных и вертикальных отрезков, в пределах изменения х от хD до хW.

3.3 Определение флегмового числа

Рабочее (оптимальное) флегмовое число R определяет нагрузки ректификационной колонны по пару и по жидкости и наряду с производительностью колонны обуславливает геометрические размеры колонного аппарата и затраты теплоты на проведение процесса.

Исходным при выборе рабочего флегмового числа является минимальное его значение Rmin, которое определяется по формуле [8, с.250]:

(3.2)

Для приближенных расчетов принимают флегмовое число , где Rмин - минимально возможное число, которому соответствует бесконечно большое число тарелок [9, с.88].

Находим значение оптимального флегмового числа.



3.4 Определение теоретического числа тарелок

На у-х-диаграмме откладываем отрезок ОМ = В, причем

[2, с.154]

Согласно рис.2 количество ступеней, соответствует теоретическому числу тарелок , из них 3 шт. в исчерпывающей и 4 шт. в укрепляющей частях колонны.

3.5 Определение действительного числа тарелок

Для определения действительного числа тарелок необходимо определить коэффициент полезного действия тарелки [2, с.155].

Коэффициент полезного действия тарелки можно определить по уравнению

[2, с.155].

Для температуры кипения исходной смеси

спз. относительная летучесть определяется по формуле [2, с.155]:

Откуда

Вычислим КПД

Действительное число тарелок

Таким образом, в исчерпывающей части колонн будет 6 тарелок, в укрепляющей - 8, а всего 14 тарелок.



4. Определение основных параметров колонны, контактного устройства, внутренних устройств

4.1 Определение основных параметров

Для определения размеров колонны вычислим средние значения основных параметров паровой смеси и жидкости в колонне.

Количество поднимающихся паров [2, с.156]

(4.1)

Количество стекающей жидкости в исчерпывающей части колонны равно количеству флегмы и составляет [2, с.156]:

(4.2)

Количество стекающей жидкости в исчерпывающей части колонны

(4.3)

По рабочей линии у-х-диаграммы определяем состав пара в точке F

уF=0,32,

соответствующий составу исходной смеси, затем находим среднюю мольную долю пара в верхней части колонны.

Средняя мольная доля пара в нижней части колонны

Средняя мольная доля пара в колонне

По фазовой t-x-диаграмме (рис.3) находим, что величине уср = 0,378 соответствует температура пара tп = 1020С. Находим среднюю плотность пара при tп = 1020С и р = 100 кПа по уравнению состояния [2, с.156]:

, кг/м3 (4.5)

где R=8481- универсальная газовая постоянная, кг*м/моль*К, Мп - средняя молекулярная масса пара, имеющая концентрацию уср, определяется по соотношению:

,

где хб - мольная доля бензола в жидкости при уср = 0,378, значение которой подсчитываем по формуле:

Откуда

По уравнению (4.5):

, кг/м3

Объемный расход пара [2, с.157]:

, м3/с

Средняя мольная доля жидкости в верхней части колонны [2, с.157]:

Плотность жидкости в верхней части колонны [2, с.157]:

,

кг/м3

Средняя мольная доля жидкости в нижней части колонны [2, с.157]:

Плотность жидкости в нижней части колонны [2, с.157]:

,

кг/м3

Средняя плотность жидкости в колонне [2, с.157]:

, кг/м3

Объемный расход жидкости в верхней части колонны [2, с.157]:

Объемный расход жидкости в нижней части колонны [2, с.157]:

4.2 Определение основных размеров колонны, контактного устройства, внутренних устройств

Определим основные размеры колонны с капсульными колпачками. Для уменьшения уноса жидкости с поднимающимися парами желательно иметь большее расстояние между тарелками, но в этом случае возрастает общая высота колонны.

Задаемся Нт (расстояние между тарелками) = 300 мм. Определяем предельно допустимую скорость пара в колонне м/с по рис. 3-9 [4, с.157].

Рабочую скорость принимаем , м/с.

Определяем сечение колонны [2, с.158]:

, м2

Таким образом, диаметр колонны

, м2

Исходя из таблицы [4, с.172], принимаем Dк=1000 мм, количество колпачков nк=27.

Активная высота колонны:

, м

Табл. 2 Характеристика колонного аппарата с капсульными колпачками

Тип тарелки	Колонный аппарат	Диаметр колпачков	Число колпачков	Длина линии барботажа мм	Длина переливочного борта, мм	Диаметр переливочного борта, мм	Площадь сечения переливной сегментной трубы, м2	Площадь сечения паровых патрубков, м2	Fп/Fл*100%
	Внутренний диаметр, мм	Площадь поперечного сечения Fк, м2
ТСК - III	1000	0,785	100	27	8,50	585	----	0,026	0,0820	10,4

Истинная площадь поперечного сечения колонны, свободная для прохода пара равна [2, с.158]:

,

где S - общая площадь колонны; Sсл - площадь, занятая колпачками.

Соответственно, действительная скорость пара в свободном сечении колонны равна [2, с.158]:

По условиям разбивки колпачков согласно таблице 2 количество паровых патрубков равно 27. Выбираем круглые колпачки. При стандартных патрубках с внутренним диаметром площадь сечения одного патрубка равна:

Определим размеры колпачков. Поскольку при конструировании колпачков исходят из равенства площадей, имеем: , где S1 - площадь поперечного сечения газового патрубка; S2 - площадь между верхним краем газового патрубка и колпачком; S3 - площадь кольцевого пространства между газовым патрубком и колпачком; S4 - площадь сечения прорезей одного колпачка.

Площадь S2 можно определить по формуле [2, с.158]:

, м2

где h - расстояние от верхнего края патрубка до колпачка по вертикали.

Из равенства S1 = S2 имеем:

Далее из формулы [2, с.158]:

так как, исходя из равенства S1 = S3, при имеем

, м

Выбираем колпачки с внутренним диаметром 92 мм и наружным диаметром 100 мм, что соответствует данным из табл.2. Принимаем прямоугольные прорези шириной b = 4мм и высотой h = 20мм.

Площадь сечения одной прорези [2, с.159]:

При условии равенства проходных сечений для пара в патрубке и в прорезях колпачка определяем число прорезей в колпачке [2, с.159]:

шт



5. Гидравлический расчет

Гидравлический расчет проводится для определения наиболее экономичных диаметров труб, скоростей движения воды и потерь напора в трубах при пропуске расчетных расходов воды.

Определяем скорость пара в прорезях. Фактическое живое сечение в прорезях колпачков на одной тарелке составляет:

м2

Живое сечение прорезей

Тогда скорость пара в прорезях

, м/с

Находим скорость, соответствующую полному открытию прорезей

, м/с,

где, а - коэффициент, равный 1 для колпачковых тарелок; - коэффициент сопротивления.

, м/с

Поскольку , принятые компоновка и конструкция колпачков обеспечивают полное открытие прорезей.

Определим гидравлическое сопротивление тарелки , которое складывается из сопротивления сухой тарелки, сопротивления столба жидкости на тарелке, соответствующего глубине барботажа, и сопротивления , обусловленного силами поверхностного натяжения жидкости [2, с.159]:

Сопротивление сухой тарелки определим по формуле:

,

где - скорость пара в прорезях, м/с;

, Н/м2.

Зная периметр (длину сливного порога) П=0,585 м, определяем высоту уровня жидкости над сливным порогом по формуле производительность компонент температура

,

где к - отношение плотности пены к плотности чистой жидкости (при расчетах принимают к=0,5).

Для верхней части колонны

Для нижней части колонны

Сопротивление столба жидкости на тарелке вычисляем по формуле [2, с.160]:

Для верхней части колонны

Для нижней части колонны

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, вычисляем по формуле:

,

где - поверхностное натяжение жидкости, Н/м; dэ - эквивалентный диаметр прорези в колпачковой тарелке, м:

, м

Величина поверхностного натяжения находится по таблице; для верхней части колонны при tж = 970С, ,дин/см, ,дин/см; для нижней части колонны при tж = 1050С, ,дин/см, ,дин/см. Тогда

, дин/см

, дин/см

Откуда

, Н/м2

, Н/м2

Общие сопротивления тарелок:

, Н/м2;

, Н/м2;

, Н/м2.



6. Общий тепловой баланс колонны

Определим расход пара на подогрев смеси в теплообменнике и на испарение в колонне из уравнения теплового баланса:

,

где Q1 - количество тепла, вносимое начальной смесью, кДж/ч;

Q2 - количество тепла, вносимое в колонну греющим паром, кДж/ч;

Q3 - количество тепла, вносимое флегмой, кДж/ч;

Q2 - количество тепла, уносимое парами, кДж/ч;

Q2 - количество тепла, уносимое с кубовыми остатками, кДж/ч;

Q2 - тепло, затрачиваемое на подогрев исходной смеси, кДж/ч.

По фазовой диаграмме (рис.3) находим температуру кипения исходной смеси:

;

температуру кипения дистиллята:

температуру кипения остатка:

Количество тепла, вносимое начальной смесью, определяем по формуле [4, с.166]:

где сб - удельная теплоемкость бензола при tF = 1020C равна 2,01 кДж/ (кг К);

ст - удельная теплоемкость толуола при tF = 1020C равна 1,88 кДж/ (кг К).

Количество тепла, вносимое в колонну греющим паром [2, с.166]:

,

где GП - расход греющего пара, кг/с, i и ir - энтальпия водяного пара и его конденсата при атмосферном давлении. При давлении 3,5 бар, энтальпия водяного пара i = 2632,5, кДж/кг, энтальпия конденсата ik = 584,3, кДж/кг.

Тепло, вносимое флегмой [2, с.166]:

,

где сФ - удельная теплоемкость флегмы, кДж/кг.

Тепло, уносимое парами, поднимающимися с верхней тарелки в дефлегматор, определяется [2, стр.166]:

, кВт,

где r - удельная теплота парообразования, кДж/(кг*К).

Тепло, уносимое с кубовыми остатками по [4, с.167]:

, кВт

Тепло, затрачиваемое на подогрев исходной смеси от первоначальной температуры до температуры кипения , определяемое по формуле [2, с.167]. Подогрев смеси от температуры исходной смеси до температуры осуществляется за счет тепла кубового остатка.

Расход греющего пара с учетом 5% потерь в окружающую среду [2, с.167]:



7. Конструктивный расчет теплообменников

7.1 Расчет охладителя кубового остатка

Табл. 3 Теплофизические свойства смеси при tcp = 770C

	л, Вт/мК	с, кг/м3	м, Па*с	cp, кДж/кгК
Бензол	0,128	820,775	0,000336	0,453
толуол	0,120	813,5	0,000336	0,43
смесь	0,1209	813,86	0,000336	0,431

Табл. 4 Теплофизические свойства воды при tcp = 300C

л, Вт/мК	с, кг/м3	м, Па*с	у, кг/с2	сп, кг/м3	сп0, кг/м3	Рr	cp, кДж/кгК
0,591	782,2	0,0007997	0,0176	2,706	2,706	8,3	1,768

Определение тепловой нагрузки

В теплообменнике кубовый остаток с температурой подогревает исходную смесь температурой до температуры , при этом температура кубового остатка снижается до температуры . Расход охлаждающего теплоносителя G1 = 2400 кг/ч = 0,67 кг/с, нагреваемого теплоносителя

G2 = 3000 кг/ч = 0,83 кг/с.

Определение производительности

Определим производительность теплообменника по формуле

, кВт

Определение среднего температурного напора

Рис. 4 Q-t - диаграмма

, 0С.

Определение поверхности теплообмена

Задаваясь числом Re1 = 8 000, определим соотношение n/z для охладителя из труб диаметром dн = 20Ч2 мм:

,

где n - общее число труб, z - число ходов по трубному пространству, d - внутренний диаметр труб, м.

Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В соответствии с табл. 2.9 соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значение у конденсаторов с диаметром кожуха

D = 159 мм,

диаметром труб 20Ч2 мм, числом ходов z = 1 и общим числом труб n = 19.

Действительное число Рейнольдса равно:

Коэффициент теплоотдачи от кубового остатка к исходной смеси определим по уравнению, пренебрегая поправкой (Pr/Prст)0,25.

Откуда

, Вт/(м2К).

Определим коэффициент теплоотдачи от исходной смеси к кубовому остатку:

,

где S, м2 - площадь сечения потока, принимается по таблице [11, с.51]

Сумма термических сопротивлений стенки из труб нержавеющей стали и загрязнений со стороны органических паров исходной смеси и кубового остатка равна:

Коэффициент теплопередачи

Требуемая поверхность теплопередачи

, м2

Окончательно из табл.2.3 [11, с.51] принимаем охладитель с диаметром кожуха D = 159 мм, диаметром труб 20Ч2 мм, числом ходов z = 1, общим числом труб n = 19, состоящий из 4-х секций с длиной труб L = 3 м, F = 3,5 м2 каждая. Коэффициент запаса:

7.2 Расчет подогревателя исходной смеси

Табл. 5 Теплофизические свойства пара при tcp = 1390C

л, Вт/мК	с, кг/м3	м, Па*с	Рr	r, кДж/кг
683	926,87	0,000196	8,3	2148.2

Табл. 6 Теплофизические свойства смеси при tcp = 740C

	л, Вт/мК	с, кг/м3	м, Па*с	сп0, кг/м3	r, кДж/кг	cp, кДж/кгК
Бензол	0,1255	807,85	0,000298	-	371750	1,95
толуол	0,117	801,5	0,000303	-	363140	1,84
смесь	0,1187	802,77	0,000302	4,75	370243,25	1,86

Определение тепловой нагрузки. В теплообменнике водяной пар с температурой подогревает исходную смесь температурой до температуры , при этом температура водяного пара конденсируется на поверхности стенок труб при той же температуре . Расход нагреваемого теплоносителя G2 = 3000 кг/ч = 0,83 кг/с.

Определение производительности и расхода пара. Определим производительность теплообменника по формуле

, кВт

Определение среднего температурного напора

Рис. 5 Q-t - диаграмма

, 0С.

Определение расхода водяного пара

Из уравнения находим расход пара G1:

, кг/с

Определение поверхности теплообмена

Задаваясь числом

Re = 8 000, определим соотношение n/z для дефлегматора из труб диаметром dн = 20Ч2 мм:

,

где

n - общее число труб,

z - число ходов по трубному пространству,

d - внутренний диаметр труб, м.

Ориентировочную поверхность теплообмена найдем из уравнения теплопередачи:

, м2,

где Q - производительность подогревателя, кг/с; К - коэффициент теплопроводности, Вт/(м2град.); Дt - средний температурный напор, град.

Для нахождения поверхности теплообмена, необходимо задать значение коэффициента теплопередачи. В соответствии с табл.2.1 [11, с.47] примем К = 150 Вт/(м2К).

, м2

Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В соответствии с табл. 2.9 соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значение у теплообменников с диаметром кожуха D = 273 мм, диаметром труб 25Ч2 мм, числом ходов z = 1 и общим числом труб n = 37.

Наиболее близкую к ориентировочной поверхность теплопередачи имеет нормализованный аппарат с длиной труб L = 2 м; F = 6 м2.

Действительное число Рейнольдса равно:

Коэффициент теплоотдачи к воде определим по уравнению, пренебрегая поправкой

(Pr/Prст)0,25.

Откуда

, Вт/(м2К).

Коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося на вертикальном пучке труб, определим по уравнению:

Где

Сумма термических сопротивлений стенки из труб нержавеющей стали и загрязнений со стороны смеси (загрязнениями со стороны водяного пара пренебрегаем) равна:

, м2К/Вт

Коэффициент теплопередачи

Требуемая поверхность теплопередачи

Как видно из табл.2.3 [11, с51] горизонтальный подогреватель с диаметром кожуха D = 273 мм, диаметром труб 25Ч2 мм, числом ходов z = 1, общим числом труб n = 37, с длиной труб L = 2 м; F = 6 м2 подходит с запасом:

7.3 Расчет дефлегматора

Табл.7 Теплофизические свойства паров кубовой жидкости при tcp = 880C

	л, Вт/мК	с, кг/м3	м, Па*с	у, кг/с2	сп, кг/м3	сп0, кг/м3	r, кДж/кг	cp, кДж/кгК
Бензол	0,1195	782,2	0,000242	0,0176	2,706	2,706	371750	2,05
толуол	0,112	778,1	0,000253	0,0184	3,52	3,52	363140	1,89
смесь	0,118	781,5	0,000244	0,018	2,848	2,848	370243,25	2,022

Табл. 8 Теплофизические свойства охлаждающей воды при tcp = 160C

л, Вт/мК	с, кг/м3	м, Па*с	у, кг/с2	сп, кг/м3	сп0, кг/м3	Рr	cp, кДж/кгК
0,591	782,2	0,0007997	0,0176	2,706	2,706	8,3	4,18

Определение тепловой нагрузки дефлегматора

Вычислим :

, кВт

Определение расхода воды

Из уравнения находим расход охлаждающей воды G1:

, кг/с

Определение среднего температурного напора

Температура паров, выходящих верхом колонны и поступающих в дефлегматор . Дефлегматор охлаждается водой с . В дефлегматоре вода нагревается до , а органические пары при температуре конденсируются и переходят в другое фазовое состояние (жидкость)

.

Рис. 6 Q-t - диаграмма

Определяем средний температурный напор:

, 0С.

Определение поверхности теплообмена

Поверхность теплообмена найдем из уравнения теплопередачи

, Вт,

Откуда

, м2,

где

Q - производительность дефлегматора, кг/с; К - коэффициент теплопроводности, Вт/(м2град.); Дt - средний температурный напор, град.

Для нахождения поверхности теплообмена, необходимо задать значение коэффициента теплопередачи. В соответствии с табл.2.1 [11, с.47] примем К = 500 Вт/(м2К).

, м2

Задаваясь числом Re2 = 5 000, определим соотношение n/z для дефлегматора из труб диаметром dн = 20Ч2 мм:

,

где n - общее число труб, z - число ходов по трубному пространству, d - внутренний диаметр труб, м.

Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В соответствии с табл. 2.3 [11, с.51] соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значение у теплообменников с диаметром кожуха D = 325 мм, диаметром труб 20Ч2 мм, числом ходов z = 1 и общим числом труб n=100.

Наиболее близкую к ориентировочной поверхность теплопередачи имеет нормализованный аппарат с длиной труб

L = 2 м; F = 12,5 м2.

Действительное число Рейнольдса равно:

При развитом турбулентном течении коэффициент теплоотдачи к воде определим по уравнению, пренебрегая поправкой (Pr/Prст)0,25 [11, с.49]:

Откуда

, Вт/(м2К).

Коэффициент теплоотдачи от органических паров, конденсирующихся в дефлегматоре, определим по уравнению:

Сумма термических сопротивлений стенки из труб нержавеющей стали и загрязнений со стороны воды и пара равна:

, м2К/Вт,

где - термическое сопротивление загрязнений со стороны охлаждающей воды среднего качества; - термическое сопротивление загрязнений со стороны органических паров, Вт/(м2град) [11, табл.2.1, с.47].

Коэффициент теплопередачи

,

Вт/(м2град). Требуемая поверхность теплопередачи

, м2

Как видно из табл.2.3 [11, с.49] вертикальный конденсатор с диаметром кожуха D = 325 мм, диаметром труб 20Ч2 мм, числом ходов z = 1, общим числом труб n = 100, с длиной труб L = 3 м; F = 19 м2 подходит с запасом:

7.4 Расчет охладителя дистиллята

Табл. 9 Теплофизические свойства дистиллята при

	л, Вт/мК	с, кг/м3	м, Па*с	у, кг/с2	сп, кг/м3	сп0, кг/м3	r, кДж/кг	cp, кДж/кгК
Бензол	0,1335	842,6	0,000418	0,0176	2,706	2,706	371750	0,435
толуол	0,1256	833,7	0,00044	0,0184	3,52	3,52	363140	0,42
смесь	0,134	841,04	0,000422	0,018	2,848	2,848	370243,25	0,432

Табл. 10 Теплофизические свойства воды при

л, Вт/мК	м, Па*с	Рr	cp, кДж/кгК
0,591	0,0007997	8,3	4,18

Определение тепловой нагрузки

В охладителе дистиллят с температурой охлаждается водой температурой до температуры , при этом температура воды повышается до температуры . Расход дистиллята G1 = 600 кг/ч = 0,1 7 кг/с.

Определим производительность теплообменника по формуле

,

где ср1 - удельная теплоемкость охлаждающего теплоносителя при



.

, кВт

Определение среднего температурного напора

Рис. 7 Q-t - диаграмма

, 0С.

Определение поверхности теплообмена

Для нахождения поверхности теплообмена, необходимо задать значение коэффициента теплопередачи. В соответствии с табл.2.1 [11, с.47] примем К = 100 Вт/(м2К).

, м2

Задаваясь числом Re2 = 1 500, определим соотношение n/z для охладителя из труб диаметром dн = 25Ч2 мм:

,

где:

n - общее число труб, z - число ходов по трубному пространству, d - внутренний диаметр труб, м.

Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В соответствии с табл. 2.3 [11, с.51] соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значение у дефлегматоров с диаметром кожуха D = 159 мм, диаметром труб 25Ч2 мм, числом ходов z = 1 и общим числом труб n=19.

Наиболее близкую к ориентировочной поверхность теплопередачи имеет нормализованный аппарат с длиной труб L = 3 м; F = 3,5 м2.

Действительное число Рейнольдса равно:

Коэффициент теплоотдачи к воде определим по уравнению, пренебрегая поправкой

(Pr/Prст)0,25.

Откуда

, Вт/(м2К).

Действительное число Рейнольдса для определения режима течения охлаждающей воды равно:



Коэффициент теплоотдачи к воде определим по уравнению, пренебрегая поправкой (Pr/Prст)0,25.

Коэффициент теплоотдачи от воды, охлаждающей дистиллят, определим по уравнению:

Сумма термических сопротивлений стенки из труб нержавеющей стали и загрязнений со стороны органической жидкости и воды соответственно равна:

, м2К/Вт

Коэффициент теплопередачи

Требуемая поверхность теплопередачи

Окончательно принимаем по табл.2.3 [11, с.51] горизонтальный охладитель, состоящий из двух секций, с диаметром кожуха D = 159 мм, диаметром труб 20Ч2 мм, числом ходов z = 1, общим числом труб n = 19, с длиной труб L = 3 м; общей площадью F = 7 м2. Коэффициент запаса:



7.5 Расчет испарителя

Согласно ГОСТ 15119-79 эти теплообменники могут быть только вертикальными одноходовыми, с трубками диаметром 25Ч2 мм. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе.

В кожухотрубчатых испарителях в трубном пространстве при атмосферном давлении и температуре t1 = 1090С кипит кубовый остаток, а в межтрубном пространстве конденсируется водяной пар.

Табл. 11 Теплофизические свойства испаряемого теплоносителя

	л, Вт/мК		с, кг/м3	м, Па*с	у, кг/с2	сп, кг/м3	сп0, кг/м3	r, кДж/кг	cp, кДж/кгК
Бензол	0,1195		782,2	0,000242	0,0176	2,706	2,706	371750	2,05
толуол	0,112		778,1	0,000253	0,0184	3,52	3,52	363140	1,89
смесь	0,118		781,5	0,000244	0,018	2,848	2,848	370243,25	2,022

Табл. 12 Теплофизические свойства пара

л, Вт/мК	с, кг/м3	м, Па*с	r, кДж/кг
0,683	926,87	0,000196	2148,2

Задаемся высотой труб Н = 2 м.

Для определения коэффициента теплоотдачи от пара, конденсирующегося на наружной поверхности труб высотой Н, используем формулу []:

,

где для вертикальных поверхностей

а = 1,21.

Коэффициент теплоотдачи к кипящей в трубах жидкости определим по формуле:

Из основного уравнения теплопередачи и уравнения аддитивности термических сопротивлений следует, что

Подставляя сюда выражения для и , можно получить одно уравнение относительно неизвестного удельного теплового потока:

Определение тепловой нагрузки

Тепловую нагрузку теплообменника:

398,16 кВт из теплового баланса

Определение расхода греющего пара

, кг/с

Определение средней разности температур

, 0С.

Определение поверхности теплообмена

Для нахождения поверхности теплообмена, необходимо задать значение коэффициента теплопередачи. В соответствии с табл.2.1 [11, с.47] примем К = 2000 Вт/(м2К).

, м2

По таблице [11, с.51] поверхность, наиболее близкую к ориентировочной, могут иметь теплообменники с диаметром кожуха D = 273 м и высотой труб

H = 2 м, n=61, z=1, F=7,5 м2.

Уточненный расчет поверхности теплопередачи

Примем в качестве первого приближения примем ориентировочное значение удельной тепловой нагрузки:

, Вт/м2.

Рассчитаем коэффициенты А и В:

Толщина трубки 20 мм, материал - нержавеющая сталь (л = 45 Вт/(мК)).

Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений (термическим сопротивлением со стороны греющего пара можно пренебречь) равна:

Тогда

Примем второе значение q2=63600, Вт/м2

Считаем коэффициент теплоотдачи:

, Вт/м2

Коэффициент теплопередачи

Вт/м2

Требуемая поверхность теплопередачи

, м2.

Коэффициент запаса:

8. Выбор конструкционных материалов для изготовления основного аппарата

Специфические условия работы химической аппаратуры характеризуются диапазоном давления от глубокого разряжения до избыточных давлений порядка 250 МН/м2 и выше, большим интервалом рабочих температур от -254оС до +1000оС и выше, а также агрессивностью воздействующей среды. В связи с этим предъявляются высокие требования к выбору конструкционных материалов проектируемой аппаратуры. Наряду с обычными требованиями высокой коррозионной стойкости в определенных агрессивных средах к конструкционным материалам одновременно предъявляются также требования высокой механической прочности, жаростойкости и жаропрочности, сохранения удовлетворительных пластических свойств при знакопеременных или повторных однозначных нагрузках (циклической прочности), малой склонности к старению и т. д. Для химической аппаратуры преимущественно применяются конструкционные материалы, стойкие и весьма стойкие в агрессивных средах.

Для правильного, наиболее целесообразного выбора материала или способа его защиты от коррозии необходимо знать природу и свойства материала, характеристику агрессивной среды, условия его эксплуатации.

Материал аппарата должен быть устойчив к воздействию как бензола, так и толуола. Этому требованию удовлетворяют стали: углеродистые, легированные (12Х13, 12Х17, 12Х25, 12Х28, 12Х21Н5Т, 12Х18Н10Т, 12Х17Н13М2Т, ОХ23Н28М3Д3Т).

Принимаем для деталей колонны, соприкасающихся со смесью бензол-толуол, сталь, легированную 12Х13 ГОСТ 5632-72. При этом скорость коррозии составляет 0,1 мм/год. Для деталей, не соприкасающихся со смесью, подойдет сталь Ст 3 ГОСТ 380-71.



Заключение

В данной курсовой работе был проведен расчет ректификационной установки по разделению бинарной смеси бензол - толуол по заданным параметрам (производительности, содержанию легкокипящего компонента в исходной смеси, кубовом остатке и дистилляте, давлению греющего пара, температурам холодной воды на входе и выходе и температуре исходной смеси) были определены:

· тип тарелок ТСК - III c диаметром колонны 1000 мм и активной высотой 3,9 м;

· количество дистиллята и кубового остатка;

· расход пара на подогрев и испарение смеси;

· расходы охлаждающей воды на дефлегматор и охладитель дистиллята;

· основные размеры ректификационной установки, число тарелок и колпачков.

По результатам конструктивных расчетов теплообменников были подобраны из стандартных конструкций по ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79:

1. Охладитель кубового остатка

2. Подогреватель исходной смеси

3. Дефлегматор

4. Охладитель дистиллята

5. Испаритель.

Контроль процесса должен осуществляться термометрами сопротивления, манометрами, расходомерами и указателями уровня.



Список использованной литературы

1. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. - М.: Химия, 1971. - 296 с.

2. Лебедев П.Д., Щукин А.А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. (Курсовое проектирование). Учеб. пособие для энергетических вузов и факультетов. - М.: Энергия, 1970. - 480 с.

3. В.Б. Коган, В.М. Фридман, В.В. Кафаров. Равновесие между жидкостью и паром. Справочное пособие. - Москва - Ленинград, Издательство "Наука", 1966.

4. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. Учебник для студентов технических вузов. Изд. 2-е перераб. М., "Энергия", 1972

5. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - 10-е изд., перераб, и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.

6. Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. - М.: Издательство стандартов, 1969. - 408 с.

7. Справочник химика. Основные свойства неорганических и органических соединений. Изд. 3-е испр. - Издательство "Химик" Ленинградское отделение, 1971, Т.2.

8. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1991.

9. Заврин В.Г. Тепломассообменное оборудование предприятий. Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. - Томск, 2004. - 163 с.

10. Н.Б. Варгафтик. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М., Государственное издательство физико-математической литературы, 1963.

11. 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, 3-е изд., стереотипное. М.: ООО ИД "Альянс", 2007.

12. Проектирование. Монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок. Учеб.пособие для вузов/А.М. Бакластов, В.А. Горбенко, П.Г. Удыма. Под ред. А.М. Бакластова. - М.: Энергоиздат, 1981.

Размещено на Allbest.ru

...