Курсовая работа: Расчет и проектирование тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия

Взяв из таблицы 3.2 значения x и y_k строим кинетическую линию в приложении Е, рисунок Е.1. Графическим построением ступеней изменения концентрации между рабочей и кинетической линиями определяем число действительных тарелок для нижней части колонны N_H = 11 и верхней части колонны N_B = 9.

Общее число тарелок ректификационной колонны определится соотношением:

(3.59)

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле:

(3.60)

где z_B -расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны, м; z_H - расстояние между днищем колонны и нижней тарелкой, м.

В соответствии с диаметром колонны расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны равно 1 м [1], расстояние между днищем колонны и нижней тарелкой равно 2 м [1].

Общая высота колонны по формуле (3.60) равна:

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определяется по уравнению:

(3.61)

где ?P_B и ?P_Н - гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны, Па.

Гидравлическое сопротивление тарелки определяется по формуле:

(3.62)

где гидравлическое сопротивление сухой тарелки, Па;

гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя, Па;

?P_у - гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, Па.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки определяется по формуле:

(3.63)

где о = 1,85 - коэффициент сопротивления сухой тарелки.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки по формуле (3.63) для верхней части колонны равно:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки по формуле (3.63) для нижней части колонны равно:

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке определяется по формуле:

(3.64)

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке для верхней части колонны по формуле (3.64) равно:

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке для нижней части колонны по формуле (3.64) равно:

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, определяется по формуле:

(3.65)

где d_э - эквивалентный диаметр отверстий в тарелке, м.

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

Гидравлическое сопротивление тарелки верхней части колонны по формуле (3.62) равно:

Гидравлическое сопротивление тарелки нижней части колонны по формуле (3.62) равно:

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны, определяемое по формуле (3.61), равно:

3.2 Расчёт и подбор теплообменной аппаратуры

Подогреватель исходной смеси

Рассчитаем теплообменный аппарат для подогрева питающей смеси перед подачей в колонну до температуры кипения. Нагрев производится греющим паром с абсолютным давлением 0,5 МПа. Расход питающей смеси 4,2 кг/с.

Для расчёта выберем кожухотрубчатый теплообменник. Направим исходную смесь в трубное пространство, а греющий пар - в межтрубное пространство теплообменника. Примем для межтрубного пространства индекс «1», для трубного - «2».

Питающая смесь поступает в подогреватель при температуре t_вх = 20°C.

Температуру кипения питающей смеси определим по t - x,y диаграмме из приложения Д, рисунка Д.1 при x_f = 0,409 t_f = 97,8. Температура конденсации водяного пара равна t_конд = 151,1 °C [3].

Температурная схема процесса:

151,1 ѕѕ® 151,1

20 ѕѕ® 97,8

Средняя разность температур определяется по соотношению:

(3.66)

где и - соответственно большая и меньшая разность температур, ^оС. Средняя разность температур по формуле (3.66) равна:

Средняя температура питающей смеси определяется по формуле:

(3.67)

Объёмный расход питающей смеси определяется по формуле:

(3.68)

где с₂ - плотность питающей смеси при средней температуре, кг/м³.

Плотность чистого бензола при ^оС с_б = 829,8 кг/м³ [3]. Плотность чистого толуола при ^оС с_т = 822,1 кг/м³ [3]. Плотность питающей смеси найдем по следующей формуле:

(3.69)

Объёмный расход питающей смеси по формуле (3.68) равен:

Средняя удельная теплоёмкость питающей смеси по правилу аддитивности определяется по формуле:

(3.70)

Где С_б - средняя удельная теплоёмкость бензола, Дж/(кг•К);

C_т - средняя удельная теплоёмкость толуола, Дж/(кг•К).

Средняя удельная теплоёмкость бензола при ^оС c_б = 1841 Дж/(кг•К) [3].

Средняя удельная теплоёмкость толуола при ^оС c_т = 1761 Дж/(кг•К) [3].

Средняя удельная теплоёмкость питающей смеси по формуле (3.70) равна:

Расход теплоты на нагрев питающей смеси с учетом 5 % потерь по формуле (3.71) равен:

(3.71)

где - средняя удельная теплоемкость питающей смеси, Дж/(кг K);

и - начальная и конечная температуры питания, равные 20°C и 97,8°C.

По формуле (3.71) расход теплоты равен:

Расход сухого греющего пара определим по соотношению:

(3.72)

где r - удельная теплота конденсации водяного пара, Дж/кг.

Удельная теплота конденсации водяного пара при указанном давлении пара r = 2117 кДж/кг.

Расход сухого греющего пара по формуле (3.72) равен:

Зададимся ориентировочным минимальным значением коэффициента теплопередачи. В нашем случае вид теплообмена - от конденсирующегося

водяного пара к неорганической жидкости, следовательно, коэффициент теплопередачи равен K_min = 120 Вт/(м²•К) [3].

Ориентировочно определяем величину площади поверхности теплообмена. Для этого можно использовать соотношение:

(3.73)

Рассчитаем ориентировочную величину площади поверхности теплообмена по формуле (3.73):

Для обеспечения турбулентного течения жидкости при Re > 10000 скорость в трубах должна быть больше скорости щ', определяемой по формуле:

(3.74)

где м_см -динамический коэффициент вязкости питающей смеси, Па•с;

d₂ - внутренний диаметр труб, м.

Динамический коэффициент вязкости бензола при 64,7 ^оС м_А=0,368·10^-3

Па•с.

Динамический коэффициент вязкости толуола при 64,7 ^оС

м_М=0,363·10^-3 Па•с.

Динамический коэффициент вязкости питающей смеси по формуле (3.28) равен:

Выберем диаметр труб теплообменника 25 х 2 мм. Скорость в трубах по формуле (3.74) равна:

Число труб 25 х 2 мм, обеспечивающих объёмный расход смеси при

Re=10000 определим по формуле:

(3.75)

Удовлетворяет двухходовой теплообменник с линзовым компенсатором диаметром 400 мм с числом труб n = 100, числом заходов равным 2 и длиной труб L = 2 м [3].

Уточним значение критерия Рейнольдса по соотношению:

(3.76)

Критерий Прандтля для питающей смеси определяется по формуле:

(3.77)

где л_см - коэффициент теплопроводности питающей смеси при 65,92 ^оС, Вт/(м•К).

Коэффициент теплопроводности питающей смеси определяется по формуле:

(3.78)

Коэффициент теплопроводности бензола при 64,7 °C равен 0,131 Вт/(м•К).

Коэффициент теплопроводности толуола при 64,7 °C равен 0,122 Вт/(м•К).

Коэффициент теплопроводности питающей смеси по формуле (3.78) равен:

Критерии Прандтля по формуле (3.77) равен:

Расчётная формула для критерия Нуссельта имеет вид:

(3.79)

где Pr_ст - критерий Прандтля при температуре стенки;

е_l - коэффициент, вводимый, если перед обогреваемым участком нет участка гидродинамической стабилизации.

Коэффициент е_l принимаем равным 1 [3].

Отношение принимаем равным 1,1 с последующей проверкой. Критерий Нуссельта по формуле (3.79) равен:

Коэффициент теплоотдачи для питающей смеси определяем по формуле:

(3.80)

Коэффициент теплоотдачи для греющего пара определим по формуле:

(3.81)

где A_t - функция греющего пара, зависящая от температуры конденсации, равная [3];

H - высота трубы, м;

?t - разность между температурой стенки и температурой конденсации. Коэффициент теплоотдачи для греющего пара по формуле (3.81) равен:

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара 1/r_загр.1 = 5800 Вт/(м²•К) [3], со стороны питающей смеси 1/r_загр.2 = 5800 Вт/(м²•К) [3]. Коэффициент теплопроводности стали л_ст = 46,5 Вт/(м•К) [3].

Сумму термических сопротивлений стенки и загрязнений определим по формуле:

(3.82)

где д_ст - толщина стенки, м.

Величина сумме термических сопротивлений по формуле (3.82) равна:

Коэффициент теплопередачи определим по соотношению:

(3.83)

Поверхностная плотность теплового потока определяется по формуле:

(3.84)

Проверим величину ранее принятой ?t по формуле:

(3.85)

Найденная температура практически равна принятой.

Определим разность между температурами питающей среды и стенкой:

(3.86)

Температура стенки определяется по формуле:

(3.87)

Критерий Прандтля стенки определяется по формуле:

(3.88)

где с_ст.2 - средняя удельная теплоёмкость питающей смеси при температуре стенки, Дж/(кг•К);

м_ст.2 - динамический коэффициент вязкости питающей смеси при температуре стенки, Па•с;

л_ст.2 коэффициент теплопроводности питающей смеси при температуре стенки, Вт/(м•К).

Средняя удельная теплоёмкость бензола при ^оС с_б = 2254 Дж/(кг•К).

Средняя удельная теплоёмкость толуола при ^оС с_т = 2024 Дж/(кг•К).

Средняя удельная теплоёмкость питающей смеси по формуле (3.70) равна:

Коэффициент динамической вязкости бензола при ^оС м_б = 0,212 мПа•с.

Коэффициент динамической вязкости толуола при ^оС м_т = 0,224 мПа•с.

Динамический коэффициент вязкости питающей смеси по формуле (3.28) равен:

Коэффициент теплопроводности бензола при °C равен 0,112 Вт/(м•К).

Коэффициент теплопроводности толуола при °C равен 0,105 Вт/(м•К).

Коэффициент теплопроводности питающей смеси по формуле (3.80) равен:

Критерий Прандтля стенки по формуле (3.88) равен:

Таким образом:

Принятая величина совпала с вычисленной с погрешностью в 5%, что считается приемлемым.

Площадь поверхности теплообмена с 10-% запасом вычисляется по формуле:

(3.89)

Площадь поверхности теплообмена выбранного теплообменника с длиной труб L вычисляется по формуле:

(3.90)

Запас площади поверхности теплообмена определяется по формуле:

(3.91)

Запас площади поверхности теплообмена достаточен. Выбираем теплообменник с линзовым компенсатором неодинаковых температурных удлинений кожуха и труб типа ТН [3].

Дефлегматор-конденсатор

Рассчитаем теплообменный аппарат для конденсации паров дистиллята. Охлаждение производится водой. Для расчёта выберем кожухотрубчатый теплообменник. Направим конденсируемые пары в межтрубное пространство, а охлаждающую воду в трубное пространство теплообменника.

Температуру конденсации паров дистиллята определим по t - x,y диаграмме из приложения Д, рисунка Д.1 при x_p = 0,923 t_p = 81,8°C. Температура охлаждающей воды, поступающей в дефлегматор-конденсатор t_в.вх = 20 °C. Температуру воды, выходящей из теплообменника, примем t_в.вых = 40 °C.

Температурная схема процесса:

81,8 ѕѕ® 81,8

20 ѕѕ® 40

Средняя разность температур по формуле (3.68) равна:

Удельная теплота конденсации бензола при 81,8 ^оС r_б = 394 кДж/кг. Удельная теплота конденсации толуола при 81,8 ^оС r_т = 380 кДж/кг.

Удельная теплота конденсации дистиллята по правилу аддитивности определяется по формуле:

(3.93)

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре- конденсаторе определяется по формуле:

(3.94)

Зададимся минимальным и максимальным значениями коэффициента теплопередачи для случая передачи теплоты от конденсирующегося пара органических жидкостей к воде при свободном движении К_макс = 300 и К_мин = 800 [1].

Максимальная площадь поверхности теплообмена по формуле (3.73) равна:

Минимальная площадь поверхности теплообмена по формуле (3.74) равна:

Средняя температура охлаждающей воды равна:

Средняя удельная теплоёмкость воды при температуре 30 єC c_B = 4,19·10³ Дж/(кг•К) [3].

Расход охлаждающей воды определяется по формуле:

(3.95)

Минимальное сечение трубного пространства на один ход определяется по формуле:

(3.96)

где Re_max = 20000;

м_B - динамический коэффициент вязкости воды при средней температуре воды.

Динамический коэффициент вязкости воды при 30 ^оС м_B = 0,781·10^-3 Па•с.

Минимальное сечение трубного пространства на один ход по формуле (3.96) равно:

Максимальное сечение трубного пространства на один ход определяется по формуле:

(3.97)

где Re_min = 10000

Максимальное сечение трубного пространства на один ход по формуле (3.96) равно:

Выбираем двуххходовой кожухотрубчатый теплообменник с диаметром кожуха 600 мм, диаметром труб 25х2 мм, числом труб 240, поверхностью теплообмена 113 м², длиной труб 6 м [1].