*nН (4.7)
Дp = 456.67*5 + 550.02*5 = 5533.45 Па
.5 РАСЧЁТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА КОЛОННЫ
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению:
QД= GD/3600*(1+R)*rD (5.1)
где rD-удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре, Дж/кг
QД= 0.4132*(1+1.16)*10^3=1279113.39 Вт
Здесь
rD = xD*rСП + (1-xD)*rВ = 0.72*1083.86 + (1-0.72)*2331.33 =
= 1433.161*10^3 Дж/кг
где rБ и rВ - удельные теплоты конденсации метанола и воды при t = 710C
Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе то греющего пара, находим по уравнению:
QK = QД+GD*cD*tD+GW*cW*tW-GF*cF*tF+QПОТ (5.2)
здесь тепловые потери QПОТ приняты в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты; удельные теплоёмкости взяты соответственно при tD = 710C, tW = 95.20C и tF = 880C; температура кипения исходной смеси
tF = 880C определена по диаграмме t-x, y
QК = (1279113.39+0.4132*2.7624*10^3*71+2.9168*2.9121*10^3*95.2-3.33*2.8618*10^3*88)*1.03 = 1330162.664 Вт
Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:
Q = 1.05*GF*cF*(tF - tНАЧ) (5.3)
Q = 1.05*3.33*4122.96*(88 - 18) = 504557.54 Вт
здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоёмкость исходной смеси cF = (0.15*0.61+0.85*1.05)*4190 = 4122.96 Дж/(кг*К) взята при средней температуре (88+18)/2 = 530С
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:
Q = GD*cD*(tD - tКОН) (5.4)
= 0.4132*2618.75*(71 - 25) = 49775.105 Вт
где удельная теплоёмкость дистиллята cD = 0.625*4190 = 2618.75 Дж/(кг*К) взята при средней температуре (71+25)/2 = 480С
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:
Q = GW*cW*(tW - tКОН) (5.5)
Q = 2.9168*4567.1*(95.2 - 25) = 935156.47 Вт
где удельная теплоёмкость кубового остатка cW = 1.09*4190 =
= 4567.1 Дж/(кг*К) взята при средней температуре (95.2+25)/2 = 60.10С
Расход греющего пара:
а) в кубе-испарителе
GГ.П = QK/(rГ.П*x) (5.6)
GГ.П = 1330162,664/ (2261*10^3) = 0.382 кг/с
б) в подогревателе исходной смеси
GГ.П = Q/(rГ.П*x) (5.7)
GГ.П = 50455, 54/ (2261*10^3) = 0.223 кг/с
Всего: 0,605 кг/с или 2,178 т/ч
Расход охлаждающей воды при нагреве её на 200С:
а) в дефлегматоре
VВ = QД/(сВ*(tКОН-tНАЧ)*сВ) (5.8)
VВ = 1179113.39/ (4190*(38-18)*1000) = 0.01526 м3/ч
б) в водяном холодильнике дистиллята
VВ = 49775.105/(4190*(38-18)*1000) = 0.00169 м3/ч
в) в водяном холодильнике кубового остатка
Всего: 0,049 м3/ч или 176,4 м3/ч
V. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО КОНДЕНСАТОРА (ДЕФЛЕГМАТОРА)
ректификация дефлегматор материальный баланс
Аппараты теплообменные кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками применяются в тех случаях, когда нет необходимости в механической очистке межтрубного пространства (очистка от осадка возможна только для трубного пространства). Поэтому в трубное пространство подают ту жидкость (воду или водные растворы), которая при нагревании или выпаривании может выделить нерастворимый осадок на стенках труб, а в межтрубное пространство подают чистую жидкость или конденсирующийся пар.
Конечную температуру охлаждающей воды не следует принимать выше 45°-50°С во избежание значительного образования накипи.
В данном курсовом проекте следует рассчитать конденсатор, в межтрубном пространстве которого конденсирующиеся пары метилового спирта, а в трубном пространстве - охлаждающая вода.
Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализированного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом.
Физико-химические свойства конденсата при температуре конденсации:
л1 = 0.1946 Вт/(м*К), с1 = 745.1 кг/м3, м1 = 0.000305 Па*с.
Примем температуру воды на выходе из конденсатора t2K = 380C. При средней температуре t2 = 280C вода имеет следующие физико-химические характеристики: л2 = 0.6141 Вт/(м*К), с2 = 995.5 кг/м3, м2 = 0.000874 Па*с.
Расчёт проводим в соответствии с общей блок-схемой (см. II рис. 2.2).
Тепловая нагрузка аппарата:
данные берём из теплового баланса
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению (5.1):
QД= 0.4132*(1+1.16)**10^3=1279113.39 Вт
Здесь
rD = xD*rСП + (1-xD)*rВ = 0.72*1083.86 + (1-0.72)*2331.33 =
= 1433.161*10^3 Дж/кг
Расход воды:
G2 = 1279113.39/ (4190*20) = 15.26 кг/с
Средняя разность температур:
ДtCP = ((71-18) - (71-38))/ (2.3*ln(53/33)) = 42.210C
В соответствии с (II табл. 2.1) примем КОР = 600 Вт/(м2*К). Ориентировочное значение поверхности:
FОР =Q2/ (КОР* ДtCP) (6.1)
FОР =1279113.39/ (600* 42.21) = 50.5 м2
Задаваясь числом Рейнольдса Re2 = 15000, определим соотношение n/z для конденсатора из труб диаметром dН = 25х2 мм:
n/z = 4* G2/ (р* м2* Re2) (6.2)
где n-общее число труб, z-число ходов по трубному пространству,
d- внутренний диаметр труб, м.
n/z = 4* 15,26/ (р* 0,000874* 15000) = 70.61
Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи. В соответствии
с (II табл. 2.9) соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значению у конденсаторов с диаметром кожуха D = 600 мм, диаметром труб 25х2 мм, числом ходов z = 4 и общим числом труб n = 206:
n/z = 206/4 = 52
Наиболее близкую к ориентировочной поверхность теплопередачи имеет нормализованный аппарат с длиной труб L = 3м, F = 64 м2.
Действительное число Рейнольдса Re2 равно:
Re2 = 4* G2*z/ (р*d*n*м2) = 4*15.26*4/ (3.14*0.021*206*0.000874) =
= 20565.86
Коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб:
б1= 2.02* 0.65*л1*(с12*L*n/ (м1* G1))1/3 (6.3)
б1= 2,02* 0.65*0.1946*(745.12*3*206/ (0.000305* 0.893))1/3 =
=1759.93 Вт/ (м2*К)
G1 = GD*(1+R) = 0.4132*(1+1.16) = 0.893 кг/с
Метод итераций:
Пусть tСТ1 = 550С
Дt1= t1 - tСТ1 = 71-55 = 160C
q1 = б1* Дt1 = 1759.93*16 =
= 28158.88
tСТ2 = tСТ1 - 28158.88*rТС =
= 55-28158.88*0.000738 = 34.220C
Pr = 6.7, PrCT = 4.78
Коэффициент теплоотдачи к воде определим по уравнению:
б2 = Nu2*л2/d (6.4)
б2 = (0.023* Re20.8* Pr20.43*( Pr2/ PrCT2)0.25 )* л2/d = (0.023* 20565.860.8* 6.70.43*
*( 6.7/ 4.78)0.25 )*0.6141/0.021= 4687.09 Вт/ (м2*К)
q2 = б2* (tCT2 - t2 ) = 1759.93*(34.22 -28) = 29153.69
Д = (q2 - q1)*100%/ q1 = (29153.69-28158.88)*100%/28158.88 = 3.5%
=> <5% => расчёи закончен
Сумма термических сопротивлений стенки трубы из нержавеющей стали и загрязнений со стороны воды и пара равна:
∑д/л = 2*10-3/17.5 + 1/1860 +1/11600 = 0.000738 м2*К/Вт
Коэффициент теплопередачи:
K = (1/4687.09 +1/1759.93 +0.000738)-1 = 610.39 Вт/ (м*К)
Требуемая поверхность теплопередачи:
F = 1279113.39/ (610.39* 42.21) = 48.89 м2
Как видно из (II табл. 2.9), конденсатор с длиной труб L = 3 м и поверхностью F = 64 м2 подходит запасом:
Д = (64-48.89)*100%/ 48.89 = 31%
. Гидравлическое сопротивление Дp2 рассчитываем по формуле (6.5):
Дp2 = л*L*z* щ22* с2/ (2*d) + (2.5*(z -1) + 2*z)* с2* щ22/2 + 3* с2* щ2Ш2/2
Скорость воды в трубах:
щ2 = 4* G2*z/ (р*d2*n*с2) (6.6)
щ2 = 4* 15.26*4/ (р*0.0212*206*995.5) = 0.86 м/с
К = 0.25* ( lg (9.5*10-3/3.7 + (6.81/20565.86)0.9))-2 = 0.0406
Скорость воды в штуцерах (см. II табл. 2.6):
щ2 = 4* G2*/ (р*dШ2*с2) (6.7)
щ2 = 4* 15,26*/ (р*0.152*995.5) = 0,87 м/с
Гидравлическое сопротивление:
Дp2 = 0.0406*4*4* 0.862* 995.5/ (2*0.021) + (2.5*(4 -1) + 2*4)* 995.5* 0.862/2 +
+ 3* 995.5* 0.872/2 = 17766.45 Па
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной курсовой работе был произведён проектировочный расчёт ректификационной колонны непрерывного действия с ситчатыми тарелками для разделения жидкой смеси метиловый спирт - вода.
В расчёт входит определение расходов дистиллята, кубового остатка, флегмового числа, греющего пара, охлаждающей воды и определение основных размеров колонны - диаметра D и высоты колонны H. Здесь же было определено число тарелок графическим способом - методом теоретической тарелки.
Также представлен расчёт кожухотрубчатого конденсатора (деф-легматора), работающего в турбулентном режиме течения воды в трубном пространстве. И по справочным данным был подобран нормализованный вариант конструкции аппарата.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
I. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 9-е издание., Л.: Химия, 1987.- 575 с.
.. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И. Дытнерского. 2-е издание., М: Химия,
.- 495 с.
. Процессы и аппараты химической технологии. Основы инженерной химии/ Под ред. Н.Н. Смирнова., С-Пб: Химия, 1996.- 408 с.
. Касаткин А.Г. Процессы и аппараты химической технологии.
-е изд., перераб. и доп., М: Химия, 1973.- 754 с.
. Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные: Метод. указания/Сост.
Н.В. Озерова, А.В. Нестеров: ЛТИ им. Ленсовета., Л., 1989.-40 с.