Ректификационная установка для разделения этилового спирта и воды

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

1. Введение

2. Технологическая схема установки и ее описание

3. Описание конструкции аппарата и обоснование его выбора

4. Технологический расчет

4.1 Определение теплофизических свойств теплоносителей

4.2 Определение расходов теплоносителей

4.3 Определение средней скорости и критериев Рейнольдса для теплоносителей

4.4 Определение коэффициента теплопередачи

5. Определение диаметров штуцеров

6. Гидравлический расчет аппарата

Список использованной литературы



1. Введение

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

Теплообменными аппаратами называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим.

К числу наиболее применяемых теплообменников относятся кожухотрубчатые. В таких теплообменниках одна среда движется внутри труб, а другая в межтрубном пространстве. Такие теплообменники просты в изготовлении, имеют большую надежность, по сравнению с другими теплообменниками, при работе с агрессивными средами, их можно применять и при значительных скоростях теплоносителей, они имеют широкий диапазон поверхности теплообмена, технология их изготовления проста и хорошо изучена.

Применение теплообменных аппаратов различной конструкции на химических и нефтехимических производствах позволяет максимально использовать тепло или холод отходящих потоков. Важной составной частью любых установок является обвязка ее теплообменными аппаратами.



2. Технологическая схема установки и ее описание

Рис.2.1. Схема непрерывно действующей ректификационной установки

Принципиальная схема ректификационной установки для разделения этилового спирта и воды представлена на рис. 1. Исходная смесь забирается насосом из емкости Е-1 (2), подогревается в регенеративном теплообменном аппарате Т-1 (3) за счет воздуха до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну К-1 (1) на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси .

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике Т-2 (5). Начальный состав пар примерно равен составу кубового остатка , т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава , которая получается в кожухотрубчатом теплообменном аппарате Т-3 (4) путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который выводится с установки, другая часть подается в виде холодного орошения в верх колонны.

Из кубовой части самотеком непрерывно выводится кубовая жидкость -продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается и частично выводится с установки.

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

ректификационная установка теплофизический



3. Описание конструкции аппарата и обоснование его выбора

Для данной курсовой работы выбираем горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник жесткого типа. Горизонтальное расположение теплообменника обусловлено простотой его обслуживания. Расположение труб выбираем шахматное с шагом 1,3d.

Хладагент, в качестве которого выступает вода, направляем в трубное пространство теплообменника, исходя из рекомендаций [2]. Теплоноситель, в качестве которого выступает воздух, направляем в межтрубное пространство.

При выборе направления потоков выбираем противоток, так как при противоточном движении достигаем более эффективного теплообмена.

При выборе теплообменника задаемся коэффициентом теплопередачи на основании рекомендаций [2], равным 17 Вт/. При этом площадь поверхности теплообмена выбираем с запасом 10,2 % .

Характеристики теплообменного аппарата приведены ниже:

Наружный диаметр кожуха, мм 600

Внутренний диаметр, мм 20

Число труб 389

Число ходов по трубам 1

Длина труб, м 2

Поверхность теплообмена, 49



4. Технологический расчет

4.1 Определение теплофизических свойств теплоносителей.

В качестве теплоносителя в данной курсовой работе используется воздух, его целесообразно подавать в межтрубное пространство, так как при нагревании газы способны расширятся. В качестве хладагента используется вода, ее целесообразно подавать в трубное пространство теплообменника.

Вода присваиваем индекс единицу, а воздуху индекс два.

Средняя температура воды равна:

= = 32,5

Средняя температура воздуха равна:

= = 105

Теплофизические свойства теплоносителей определены по таблицам и номограммам [1] и представлены в табл.4.1.

Таблица 4.1.

Теплофизические свойства теплоносителей

Теплоноситель			с, кДж/кг		л, Вт/м	Pr
Вода	32,5	994,3	4,18	0,760	0,6164	5,4
Воздух	105	1,87	1,02	0,022	0,0246	0,91

Где плотность воздуха равна:

= = 1,87

В области низких давлений ( теплоемкость, вязкость и теплопроводность веществ мало зависят от давления, поэтому в данном примере указанные свойства берутся при атмосферном давлении ( = 0,6 МПа, = 0,2 МПа).

4.2 Определение расходов теплоносителей

Составим схему теплообмена двух сред:

150------------------------------ 60 воздух

40 ------------------------------ вода

110 35

Найдем среднюю разность температур теплоносителей:

= = 65,5

Найдем объемный расход воды:

= = 0,01 = 0,00078 ,

Где - площадь трубного пространста:

= = 0,078

Тогда массовый расход воды будет равен:

= = 0,00078 = 0,78 .



Составим тепловой баланс аппарата для нахождения расхода воздуха:

= = 0,78 = 48906 Вт

Тогда расход воздуха равен:

= = 0,44 кг/с.

Объемный расход воздуха равен:

= = 0,235 .

4.3 Определение средней скорости и критериев Рейнольдса для теплоносителей

Для воды:

= = 261,7.

Так как , режим течения воды по трубам является ламинарным.

Для воздуха:

= = 1,46 м/с.

Где - площадь межтрубного пространства теплообменника

= ) = 0,785,

- наружный диаметр труб, =0,02

= = 2978,4.

Где - эквивалентный диаметр межтрубного пространства, равный:

= = 0,024 м.

Так как , режим течения воздуха по межтрубному пространству является неустойчиво турбулентным.

4.4 Определение коэффициента теплопередачи

Для воды:

В случае ламинарного движения потока по трубам определяющей температурой является t = 0,5 ( ). Примем = 40 , тогда

t = (40+32,5)/2 = 36,3.

Определяем свойства воды при температуре 36,3 по данным [1]:

= 992,5

= 4190 кДж/кг

= 0,637 Вт/м

= 0,4

= 0,7 мПа

=4,5

= 3

= = 226,9 = 8,2.

Следовательно, критерий Нуссельта для воды рассчитываем по уравнению [1], так как 1и ,

= 0,5 ) = 4,1.

Тогда коэффициент теплоотдачи со стороны воды равен:

= = 163,23 Вт/.

Для воздуха:

В случае неустойчивого турбулентного режима определяющей является средняя температура воздуха = 105 . Выбираем уравнение [1] для горизонтального расположения труб:

= = 21,8.

Тогда :

= = 20 Вт/.

Расчетный коэффициент теплопередачи без учета загрязнений стенки равен:

= = 18,7 Вт/.

Расчетный коэффициент теплопередачи с учетом загрязнений стенки.

Термическое загрязнение со стороны воды принимается равным = 1/4500 Вт/, термическое загрязнение со стороны воздуха принимается равным = 1/2500 Вт/, по рекомендациям [1].

= = 17,2 Вт/.

Определим температуры стенки со стороны воды и воздуха (см.рис.4.1.).

= 32,5 = 39,7 .

= 105 - = 49 .

Так как при расчете коэффициента теплоотдачи со стороны воды мы задались температурой стенки близкой К расчетной, то уточненного расчета коэффициента теплопередачи производить не требуется.

Рис.4.1. Принципиальная схема теплопередачи сред через плоскую стенку.

Площадь поверхности теплообмена равна:



= = 43,4 .

Запас площади поверхности теплообмена составляет

= = 11,4 %.

У предлагаемого теплообменника запас площади является достаточным, следовательно, теплообменник с =49 может быть использован для нагрева воды воздухом от 25 до 40



5. Определение диаметров штуцеров

Расчет диаметров штуцеров для воды:

= = 0,032 м = 32 мм.

Здесь - скорость в штуцере, м/с. Ориентировочно для жидкостей принимаем = 1,0 м/с [3].

В соответствии с ГОСТ 12820-80 принимается = 32 мм.

Уточнение скорости воды в штуцере:

= = 0,97 м/с.

Расчет диаметров штуцеров для воздуха:

= = 0,173 м = 173 мм.

Здесь - скорость в штуцере, м/с. Ориентировочно для газов принимаем = 10 м/с [3].

В соответствии с ГОСТ 22512-77 принимается = 200 мм.

Уточнение скорости воздуха в штуцере:

= = 7,5 м/с.



6. Гидравлический расчет аппарата

Для трубного пространства:

Потеря давления на преодоление трения в трубах:

= 0,244 = 1,52 Па

Здесь - коэффициент трения, для ламинарного режима равен:

= = 0,244

Для расчета потерь давления на преодоление местных сопротивлений используются данные, приведенные в [3].

= = 1,52 = 711 + 0,323 = 711,3 Па

Гидравлическое сопротивление трубного пространства теплообменника:

= 1,52 + 711,3 = 713 Па

Для межтрубного пространства:

Потеря давления на преодоление трения в межтрубном пространстве:

= 0,043 = 7,14 Па

Здесь - коэффициент трения, для турбулентного режима равен:

= = 0,043

Для расчета потерь давления на преодоление местных сопротивлений используются данные, приведенные в [3].

Сопротивление в межтрубном пространстве:

= = 1,52 = 3,03 + 105,2 = 108,2 Па

Гидравлическое сопротивление трубного пространства теплообменника:

= 7,14+ 108,2 = 115,4 Па



Список использованной литературы

Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л., Химия, 1976.

Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., 1983.

Черемисова А.М., Журавлева Л.М., Финаева Н.В., Методические указания к выполнению контрольного задания №1 по расчету кожухотрубчатого теплообменника для студентов заочной формы обучения. Куйбышев: КПтИ, 1988.

Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 11-е. М.: ООО ТИД «Альянс№, 2005.

Размещено на Allbest.ru