Проектирование ректификационной установки для разделения смеси метиловый спирт - вода

 

 

1 – горячий теплоноситель (пар)

2 – холодный теплоноситель  (С₂Н₅ОН+Н₂О)

 

t_cp1 = 126.25°C

t_cp2 = 126.25 – 75.44 = 50.81°C

 

Определим теплоемкость смеси при t_cp2:

с_А2 = 2.542 кДж/кгК  

с_В2 = 4.18 кДж/кгК

кДж/кгК

 

кВт

К^ор_min = 650 Вт/м²К

  М²                                                                                                                           

Расход пара:

кг/с

Запас поверхности:

По ориентировочной  поверхности теплообмена выбираем по ГОСТ 9830-79 подогреватель с длиной труб l = 6м, диаметром кожуховой трубы d_кож = 133x6 мм, диаметром теплообменной трубы dт/о = 89x5 мм, с площадью проходного сечения внутри теплообменной трубы S_т/о = 49·10^-4 м², в кольцевом пространстве трубы S_т/о = 52.8·10^-4 м² с поверхностью теплообмена F = 13.2 м² (запас поверхности 17.2%)

 

3.5.3. Дефлегматор водяной

 

Исходные данные: Qд = 5202.899 кВт, t_D = 66.97°С, t_B^H = 15°С,

t_B^K = 20°С

Δt_м = 66.97 – 20 = 46.97°С

Δt_б = 66.97 – 15 = 51.97°С

 

 

1 – пар, конденсирующийся в межтрубном пространстве

2 – вода, нагревающаяся в трубном пространстве

 

t_cp1 = 66.97°C

t_cp2 = 66.97 – 49.43 = 17,54°C

 

Теплоемкость воды при t_cp2:

 кДж/кгК

 

К^ор = 650 Вт/м²К

                                                                                              

 м²

Расход воды:

кг/с

Запас поверхности:

По ориентировочной  поверхности теплообмена выбираем по ГОСТ 15121-79 четырехходовой конденсатор (дефлегматор) с длиной труб l = 6 м, диаметром кожуха D = 800 мм, с диаметром труб 25x2 мм, с поверхностью теплообмена F = 190 м² (запас поверхности 17.3%)

 

 

 

 

 

 

 

3.5.4. Холодильник дистиллята

 

Исходные данные: G_D = 3.006 кг/с, х_D = 0.9 (масс), t_D = 66.97°С,

t_B^H = 15°С, t_B^K = 20°С, t₁^K = 25°С

 

Δt_м = 25 – 15 =10 °С

Δt_б = 66.97 – 20 = 46.97°С

1 – дистиллят, охлаждающийся в межтрубном пространстве

2 – вода, нагревающаяся  в трубном пространстве

 

t_cp1 = 17.5 + 23.89 = 41.39°C

t_cp2 = 15 + 20/2 = 17.5°C

 

Определим теплоемкость дистиллята при t_cp1:

с_А2 = 2.518 кДж/кгК  

с_В2 = 4.18 кДж/кгК

кДж/кгК

 

кВт

К^ор = 400 Вт/м²К

                                                                                              

 м²

Расход воды:

кг/с

Запас поверхности:

По ориентировочной  поверхности теплообмена выбираем по ГОСТ 15122-79 двухходовой холодильник с длиной труб l = 4 м, диаметром кожуха D = 400 мм, с диаметром труб 20x2 мм, с поверхностью теплообмена F = 42.0 м² (запас поверхности 18.5%)

 

 

3.5.6. Холодильник кубового остатка

 

Исходные данные: G_W = 0.884 кг/с, х_W = 0.02 (масс), t_W = 99.02°С,

t_B^H = 15°С, t_B^K = 20°С, t₁^K = 25°С

 

Δt_м = 25 – 15 =10 °С

Δt_б = 98.02 – 20 = 78.02°С

1 – кубовый остаток, охлаждающийся в межтрубном пространстве

2 – вода, нагревающаяся  в трубном пространстве

 

t_cp1 = 17.5 + 33.11 = 50.61°C

t_cp2 = 20 + 15/2 = 17.5°C

 

Определим теплоемкость дистиллята при t_cp1:

с_А2 = 2.542 кДж/кгК  

с_В2 = 4.18 кДж/кгК

кДж/кгК

 

кВт

К^ор = 400 Вт/м²К

                                                                                              

 м²

Расход воды:

кг/с

Запас поверхности:

По ориентировочной поверхности теплообмена выбираем по ГОСТ 15122-79 одноходовой холодильник с длиной труб l = 3 м, диаметром кожуха D = 400 мм, с диаметром труб 25x2 мм, с поверхностью теплообмена F = 26 м² (запас поверхности 28.6%)

 

 

3.6. Подробный расчет парового подогревателя исходной смеси

 

В данном разделе подробно рассчитывается один из теплообменников  – паровой подогреватель исходной смеси, выбранный в ориентировочном расчете.

Паровой подогреватель  исходной смеси представляет собой теплообменник «труба в трубе» в кольцевом пространстве которого конденсируется пар, а в трубном нагревается смесь состава метиловый спирт – вода.

Водяной пар (с содержанием  масла) со значением теплопроводности загрязнений стенок 1/r_загр= 5800 Вт/м2К, а тепловая проводимость загрязнений стенок органическими жидкостями 1/_rзагр = 5800 Вт/м2К.

Толщина стенки трубы  δ = 0.005 м.

В качестве материала  труб выберем нержавеющую сталь  с коэффициентом теплопроводности λ = 17.5 Вт/мК.

Тогда термическое сопротивление  стенки и загрязнений труб:

м²К/Вт (3.72)

 

Для теплообменника «труба в трубе»

d_тр = 89х5 мм

d_кож = 133х6 мм

s_тр = 49 10^-4 м²

s_кол = 52.8 10^-4 м²

 

Скорость и критерий Рейнольдса для смеси:

                                                                                                          (3.68)

Где V₂ – объемный расход смеси, м³/с

Где ρ_F – плотность смеси при t_cp2, кг/м³

Плотность воды при t_cp2 находим интерполяцией справочных данных

ρ₂ = 820.339 кг/м³

м3/с

м/с

Где μ₂ – динамический коэффициент вязкости смеси при tcp2

 

Расчет коэффициентов  теплоотдачи

 

а) Теплоотдача при  развитом турбулентном течении в прямых трубах и каналах (Re>10000)

 

Расчетная формула:

 

                                                 (3.69)

 

а) - критерий Нуссельта

здесь λ2 – коэффициент  теплопроводности смеси при tcp2, Вт/мК

          α2 – коэффициент теплоотдачи смеси, Вт/м2К

 

- критерий Прандтля

- критерий Прандтля, определяемый при температуре стенки

Определим коэффициент теплопроводности смеси при t_cp2

Из критерия Нуссельта следует, что:

                                                              

 

б)

здесь λ₁ – коэффициент теплопроводности пара при t_cp1, Вт/мК

          ₁ – динамический коэффициент вязкости пара, Па с

 

- критерий Прандтля

- критерий Прандтля, определяемый при температуре стенки

Определим коэффициент теплопроводности пара при t_cp1

ρ₁ = 938 кг/м³

r₁ = 2189.5 10³

μ₁ = 2.19 10^-4

g = 9.81

d = 0.032

ΔΤ = (126.25 – t_w1)

t_w1=122.4

следует, что:

 

 

Определение температур поверхностей стенки t_cт1 и t_ст2, коэффициентов теплоотдачи α1 и α2, поверхностной плотности теплового потока q методом последовательных приближений (итераций):

Для расчета используем систему уравнений:

q = q₁ = α₁(t_cp1 – t_ст1) = αΔt₁                                                                                                (3.70а)

q = q_ст = (t_ст1 – t_ст2)/Σr_ст                                                                                                           (3.70б)

q = q₂ = α₂(t_cp2 – t_ст2) = αΔt₂                                                                                                (3.70в)

α₁ = f₁(w₁, d₁, μ₁, ρ₁, λ₁, t_cp1, t_ст1)                                                       (3.70г)

α₂ = f₂(w₂, d₂, μ₂, ρ₂, λ₂, t_cp2, t_ст2)                                                       (3.70д)

 

 

В качестве интеративной переменной выбираем t_ст2:

Задаем значение t_ст2 = 83.867ºС

Теплопроводность cvtcb при температуре t_ст2:

λ_ст2 = 0.264 Вт/мК

Динамический коэффициент  вязкости смеси при температуре t_ст2:

μ_ст2 = 0.283 Па с

Удельная теплоемкость воды при температуре t_ст2:

с_ст2 = 3093 кДж/кгК

 

 Вт/м²К

ºС

 

ΔΤ = (126.25 – 122.4) = 3.85ºС

q’=1.803 10³(83.867 – 50.81) = 5.994 10⁴ Вт/м²

 

Расхождение Е < 5%

Коэффициент теплопередачи  определяем по формуле:

Вт/м

 

Расчетная площадь поверхности  теплопередачи:

м²

С запасом 10%: F_p = 10.127

Принимаем к установке  аппарат с длиной труб l = 6м

(ГОСТ 9830 – 79) Площадь  поверхности теплообмена одной  секции аппарата F₀ = 1.65 м²

Необходимое число секций:

Примем N = 7. Запас поверхности при этом составляет:

Масса одного элемента с  длиной труб равной 6м равна m = 180кг

Масса теплообменника «труба в трубе», состоящего из 7 секций равна М = 1260кг

 

Вывод

 

В данном курсовом проекте в результате приведенных инженерных расчетов была подобранна ректификационная колонна для разделения смеси метиловый спирт – вода при атмосферном давлении. В качестве ректификационной колонны используется барботажный аппарат тарельчатого типа с решетчатыми тарелками, диаметром  D = 2.0м и высотой H = 4.6м.

Так же в результате четырех  ориентировочных и одного подробного расчета были выбраны следующие  теплообменники:

• Стандартный по ГОСТ 15119-79 куб - испаритель с длиной труб l = 4м, диаметром кожуха D = 1000мм, с поверхностью теплообмена F = 235м² (запас поверхности 43.8%)
• Стандартный по ГОСТ 9830-79 подогреватель с длиной труб l = 6м, диаметром кожуховой трубы d_кож = 133x6 мм, диаметром теплообменной трубы dт/о = 89x5 мм, с площадью проходного сечения внутри теплообменной трубы S_т/о = 49·10^-4 м², в кольцевом пространстве трубы S_т/о = 52.8·10^-4 м² с поверхностью теплообмена F = 1.65 м² (запас поверхности 17.2%)
• Стандартный по ГОСТ 15121-79 конденсатор (дефлегматор) с длиной труб l = 6м, диаметром кожуха D = 800мм, с поверхностью теплообмена F = 190.0 м² (запас поверхности 17.3%)
• Стандартный по ГОСТ 15122-79 холодильник дистиллята с длиной труб l = 4м, диаметром кожуха D = 400мм, с поверхностью теплообмена F = 42.0 м² (запас поверхности 18.5%)
• Стандартный по ГОСТ 15122-79 одноходовой холодильник с длиной труб l = 3 м, диаметром кожуха D = 400 мм, с диаметром труб 25x2 мм, с поверхностью теплообмена F = 26 м² (запас поверхности 28.6%)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы:

 

1. П.Г.Романков, В.Ф.Фролов, О.М.Флисюк – Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии.
2. А.И. Волжинский, О.М. Флисюк – Определение средних физических величин потоков пара и жидкости.
3. Руководство к практическим занятиям в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии.
4. А.В Марков, А.В. Маркова – Неразборные теплообменники “труба в трубе” (конструкция и основные размеры).
5. А.И. Волжинский, В.А. Константинов – Ректификация: колонные аппараты с решетчатыми тарелками.
6. Н.В. Озерова, А.В. Нестеров – Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии ( краткие справочные данные ).
7. А.И. Волжинский, О.М. Флисюк – Ректификация: справочные данные по физико–химическим величинам.
8. Курс лекций по процессам и аппаратам.