Расчёт ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси метанол-ацетон производительностью 7 тонн/час

Δt cp  = (84,2-40,565)/ln(84.2/40.565) = 59.75 oC

теплоёмкость исходной смеси : 0.121*125/58,08*10-3 + 81.6*(1-0.121)/32,04*10-3 = 2499,068 Дж/(кг*К)

При средней температуре (66+25)/2=45,5°С исходная смесь имеет следующие характеристики:

ρ2–плотность смеси  750  : кг/м3

μ 2–вязкость смеси: 0,366×10-3 Па·с

λ2–коэффициент теплопроводности смеси: 0,198 Вт/(м·К)

с2–теплоемкость смеси: 2499 Дж/(кг·К)

Для нагревания потока питания будем использовать насыщенный водяной пар имеющий следующие характеристики:

t1–температура конденсации: 104,2°С

r1–плотность конденсата: 958 кг/м3

m1–вязкость конденсата: 0,258×10-3  Па·с

l1–коэффициент теплопроводности конденсата: 0,675 Вт/(м·К)

r1–удельная теплота конденсации: 2249 кДж/кг

c1–теплоемкость конденсата: 4,23 кДж/кг

P–давление 1,2 ат.

 

тепловая нагрузка подогревателя : 1.944*2499.068*(63.635-20) = 211987.0418 Дж/с

Расход греющего пара : G1 = 211987.0418 / 2249*103 = 0,09426 кг/с = 0,13 м3/с

Примем Кориент = 200 Вт/(м·К) , тогда ориентировочная поверхность теплообмена составит 17.73м2 .

Проведём уточнённый расчет пластинчатого теплообменника на ЭВМ со следующими характеристиками :

поверхность одной пластины : 0.5 м2

поверхность теплообмена :  31,5 м2

число пластин : 64

эквивалентный диаметр канала : 0,0083 м

поперечное сечение канала (S): 0,00245 м2

диаметр условного прохода штуцеров : 200 мм

толщина пластин : 1 мм

приведённая длина канала : 1.01 м .

Re2 =264,617 .

α2 = 285,458 Вт/(м2*К)

Re1 =  140.762

α1 = 1705,044 Вт/(м2*К)

Σδ/λ = 1*10-3/16,4+1/5800 = 0,000233389 (м2*К)/Вт

К = 231,319 Вт/(м2*К)

F = 20,141 м2

Запас поверхности : 56,39 %

7. 2 Тепловой расчёт кипятильника

Состав кубового остатка : 0.003 мол. % ацетона .

Используя уравнение Антуана определяем , что смесь данного состава кипит при 64,5 о С

При расчете кипятильника следует учесть повышение температуры кипения кубовой жидкости обусловленное гидравлическим сопротивлением тарелок колонны.

Физико-химические характеристики кубовой жидкости при 69,11 о С

r2–плотность жидкости: 750кг/ м3

m2–вязкость жидкости: 0,357*10-3Па*с

r2–теплота парообразования: 171,558 кДж/кг

l2–коэффициент теплопроводности жидкости: 0,197 Вт/(м·К)

s2–поверхностное натяжение: 16,88×10-3 Н/м

c2–теплоемкость жидкости: 2,724 кДж/(кг·К)

r2–плотность паров: 1,266 кг/м3

Для определения тепловой нагрузки кипятильника рассчитывается тепловой баланс ректификационной колонны:

Для обогрева кипятильника будем использовать насыщенный водяной пар, имеющий следующие физико-химические характеристики:

t1–температура конденсации: 104,2°С

r1–плотность конденсата: 958 кг/м3

m1–вязкость конденсата: 0,258×10-3  Па·с

l1–коэффициент теплопроводности конденсата: 0,675 Вт/(м·К)

r1–удельная теплота конденсации: 2249 кДж/кг

c1–теплоемкость конденсата: 4,23 кДж/кг

P–давление 1,2 ат.

Для определения тепловой нагрузки кипятильника рассчитывается тепловой баланс ректификационной колонны:

Qк =(P*(R+1)*rp + P*hp + Whw - F*hf )/(1-φ)

	кДж/кг
hf	159.023
hw	188.257
hp	159,490
rp	836.794

 

Q = 6674 кВт

Расход пара : G = 6674000/2249000 = 2.968 кг / с

Средняя разность температур : 104.2-69.11 = 35.09 °С

Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К=1600Вт/(м·К), тогда значение поверхности теплообмена составит: F = 6674000/(1600*35,09)= 118,882 м2

Площадь поверхности, близкую к ориентировочной, имеет стандартный аппарат с параметрами: D=800 мм, d=20x2мм, z=4, n=638 ,H =3 м и F=120 м².

q ориент. = 69590 Вт/м2

А = 1,21*l1*(ρ1*r1*g/μ1*H) 1/3 = 1.21*0.675*(958*2249000*9.81/(0.000258*3))1/3 = 242428,6396

B = 780*λ21.3ρ20,5*ρп0,06/(σ20,5*r206*ρп00,66*c20,3*μ20,3) = 780*0.1971.3*7500.5*1.2660.06/(0.016880.5*1715580.6*1.2660.66 *27240.3*0.0003570.3) = 30.897

Σδ/λ = 0,000294365 м2*К/Вт

f(q) = 0,0017

α1 = А*q-1/3 = 5893,885  Вт/(м2*К)

α2 = B*q0.6 = 24856,508  Вт/(м2*К)

K = 1983.0.9 Вт/(м2*К)

F = 95.912 м2

запас поверхности : 25.115 %

Проверочный расчёт испарителя на ЭВМ дал слудующие результаты :

α1 =6116.43 Вт/(м2*К)

α2 = 9481.64 Вт/(м2*К)

K = 1775.17 Вт/(м2*К)

F = 107.14 м2

запас поверхности : 10.72 %

7. 3 Тепловой расчет дефлегматора .

Ткип 1 = 58,955 о С

Физико – химические свойства для конденсата (1) :

 Вт/(м К);

 кг/м3;

 Па с;

 r Дж /кг.

Физико – химические свойства для воды (2) :

 Вт/(м К);

 кг/м3;

 Па с;

 Дж /кг;

 Pr .

Средняя разность температур : 28.955 о С

Тепловая нагрузка дефлегматора :  Q = P(R+1)*r1 = 1778571,287 Вт

Расход воды:

 кг/с.

G1 = P(R+1) = 2.685 кг/с

Kop = 600 Вт/(м2*К)

Fop = 102.376 м2

n/z op для труб 25*2 : 102

Проверочный расчёт для кожухотрубчатого конденсатора с диаметром кожуха 800 мм. ,числом ходов 6 , числом труб 384 , поверхностью теплообмена 121 м2 , длиной труб 4 м. , площадью сечения одного хода по трубам 0,022 м2 .

Re2 =4*G2*z/(πdnμ) = 23948,005

α2 = λ2/d*0.023**Re20.8*Pr20.4 = 4335,844591 Вт/(м2*К)

α1 = 2.02*ε* λ1*(ρ2*L*n/(μG1))0.5 = 1267,369377 Вт/(м2*К)

Σδ/λ = 0,000745793 (м2*К)/Вт

K = 566,4233162 Вт/(м2*К)

F = 108,4442639 м2

запас поверхности : 11.58%

Проверочный расчёт испарителя на ЭВМ дал слудующие результаты :

α1 =4520.40 Вт/(м2*К)

α2 = 2516.33 Вт/(м2*К)

K = 732.91 Вт/(м2*К)

F = 83.80 м2

Re2 = 23926.9

запас поверхности : 30.74 %

 

7. 4 Тепловой расчёт холодильника дистиллата

Физико – химические свойства для дистиллата (1) :

 Вт/(м К);

 кг/м3;

 Па с;

P = 0,348 кг/с

с1 = 2,720 кДж/кг

T1н = 64.5 о С

T2н = 30 о С

Физико – химические свойства для воды (2) :

 Вт/(м К);

 кг/м3;

 Па с;

 Дж /кг;

 Pr .

T2н = 15 о С

T2к = 25  о С

Q = 2720*0,348*(59,955-30) = 27461,408 Вт

∆tср = (33,955-15)/ln(33.955/15) = 23,201 о С

Kориент = 100 Вт/(м2*К)

Fориент = 27461,408/(23,201*100) = 11,83623519

Расход воды : 0,6571 кг/с

Параметры пластинчатого теплообменника :

Поверхность теплообмена F ,м2	16
число пластин ,N	56
масса .M	440
поверхность одной пластины ,f	0,3
толщина,м	0,001
dэкв, мм	8
поперечное сечение канала, м2	0,0011
число пакетов для хол. теплоносителя	8
число пакетов для гор. теплоносителя	8
число каналов в пакете	68

 

 

 

 

 

результаты расчёта на ЭВМ :
Re1=	135,391966
α1 =	157,227439
Σδ/λ =	0,0008
Re2 =	83,440873
α2 =	351,128642
K =	99,918346
F =	11,845976
∆F =	35,066959%

7. 5 Тепловой расчёт холодильника кубового остатка .

Физико – химические свойства для кубового остатка (1) :

 Вт/(м К);

 кг/м3;

 Па с;

W =1,596 кг/с

с1 = 2,724 кДж/кг

T1н = 64.5 о С

T2н = 30 о С

Физико – химические свойства для воды (2) :

 Вт/(м К);

 кг/м3;

 Па с;

 Дж /кг;

 Pr .

T2н = 15  о С

T2к = 25  о С

Q = 2724*1.596*(64.5-30) = 150014,620 Вт

∆tср = (39,5-15)/ln(39,5/15) = 25,303 о С

Kориент = 150 Вт/(м2*К)

Fориент = 150014,620/(25,303*150) = 39,524 м2

Расход воды : 3,5898 кг/с

Параметры пластинчатого теплообменника :

Поверхность теплообмена F ,м2	50
число пластин ,N	56
масса .M	440
поверхность одной пластины ,f	0,5
толщина,м	0,001
dэкв, мм	8.3
поперечное сечение канала, м2	0,00245
число пакетов для хол. теплоносителя	8
число пакетов для гор. теплоносителя	8
число каналов в пакете	68

 

 

 

результаты расчёта на ЭВМ :
Re1=	222,744384
α1 =	242,380635
Σδ/λ =	0,0008
Re2 =	212,340252
α2 =	838,434392
K =	163,440319
F =	39,561038
∆F =	26,386976 %

 

 

7.6 .Тепловая изоляция колонны

Расчет тепловой изоляции выполняем для самой горячей точки в аппарате (кипятильник) t=69,11 оС.

Предположим, что на поверхности изоляции температура не больше  40

Толщину изоляции определим, используя равенство:

где ТСТ2 и ТСТ1 - температура на внешней и внутренней поверхности стенки корпуса колонны.

Предположим, что ТСТ1 равна  Tн = 69,11°С.

Берем температуру окружающей среды:  ТВ = 20°С.

Температура внешней поверхности стенки ТСТ2 = 40°С.

В качестве термоизоляционного материала выбираем cовелит, имеющий коэффициент теплопроводности lИЗ = 0,09 .

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материалав окружающую среду αв = 9,3+0,058*Тст2 = 9,3+0,058*40 = 11,6 .

Определим толщину изоляции:

Выбираем стандартную толщину изоляции равной 12 мм.

Пусть тепловые потери составляют 3% от тепловой нагрузки кипятильника:

QП=0,03×QK=0,03× 6674 кВт=200,22 кВт

Теперь необходимо проверить обеспечивает ли рассчитанный слой изоляции принятые потери.

Площадь поверхности с которой возможны теплопотери;

Тепловые потери:

  

Вт

Таким образом тепловые потери 3145,86 Вт меньше принятых 200220 Вт, cледовательно, рассчитанный слой изоляции достаточен для обеспечения необходимого теплового режима функционирования колонны.

8 . Расчет и выбор диаметров штуцеров и трубопроводов

Расчет трубопровода для ввода парожидкостной смеси из кипятильника в колонну:

Fтр=0,75 Fкип 

где Fкип–площадь сечения трубного пространства кипятильника;

Выбираем стандартный трубопровод [1, cтр.16]  d=377x10  Dy=357

Расчет остальных диаметров штуцеров и трубопроводов проводим на основании уравнения расхода: 

где:

G–расход пара или жидкости  кг/с;

W–скорость пара или жидкости в трубе м/с;

r–плотность пара или жидкости  кг/м3;

Стандартные трубопроводы выбираем из таблицы [1, cтр.16], результаты расчетов приведены в таблице:

 

Трубопровод	G кг/с	W м/с	ρ кг/м3	расчётный диаметр	наружный диаметр
Ввод греющего пара в кипятильник	2,968	40,000	0,900	0,324	377*10
Вывод кубовой жидкости из колонны в кипятильник	1,596	0,500	750,000	0,074	89*6
Вывод конденсата из кипятильника	2,968	0,500	958,000	0,089	108*4
Вывод пара из колонны и подача в дефлегматор	2,685	30,000	1,619	0,265	245*7
Вывод дистиллята из дефлегматора	0,348	0,300	750,000	0,044	56*3,5
Ввод и вывод воды в дефлегматор	21,280	2,000	995,000	0,117	133*6
Подача флегмы в колонну	2,337	0,300	750,000	0,115	133*6
Ввод греющего пара в подогреватнель	0,130	40,000	0,687	0,078	89*6
Вывод конденсата из подогревателя	0,130	0,500	950,000	0,019	25*2
Ввод и вывод исходной смеси в подогреватель	1,944	2,000	750,000	0,041	48*3
Ввод и вывод дистиллята из холодильника	0,348	0,300	750,000	0,044	56*3,5
Ввод и вывод воды в холодильник дистиллята	0,657	2,000	995,000	0,021	32*3
Ввод и вывод кубового остатка в холодильник	1,596	0,750	750,000	0,060	70*3
Ввод и вывод воды в холодильник кубового остатка	3,590	2,000	995,000	0,048	56*3,5

 

 

9. Механический расчет.

9.1. Расчет толщины обечайки

Толщину тонкостенной гладкой цилиндрической обечайки рассчитывают по формуле:

  [1, cтр.398, 13-17]

где:

δ–толщина обечайки м;

σy–допускаемое напряжение МПа;

j– коэффициент прочности сварных швов;

Ск–скорость коррозии м;

dk–диаметр колонны м;

Толщина обечайки:

 м

Необходимо соблюдение условия:

 – условие выполняется.

Выбираем стандартную толщину обечайки исходя из диаметра и давления внутри колонны δ=0,01 м.

9.2. Расчет толщины днища и крышки

Для данного колонного аппарата будем использовать эллиптическое днище и эллиптическую крышку.

Толщину днища (крышки) рассчитывают по формуле:

  [1, cтр.398, 13.14]

где:

d–толщина днища (крышки) м;

sy–допускаемое напряжение МПа;

j–коэффициент прочности сварных швов;

Ск–скорость коррозии м;

dk–диаметр колонны м;

Толщина днища:

 

Необходимо соблюдение условия:

 – условие выполняется.

Выбираем стандартное днище (и крышку) по каталогу [7, cтр.209, табл. 16.1]

dв=1,6 м.  hв=0,4 м.  h=0,05 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. 3. Подбор фланца к крышке

Выбираем фланец исходя из внутреннего диаметра колонны и максимального допустимого давления.

Выбираем стандартный фланец [7, cтр.235, табл. 13.7]

D=1600мм

Dф=1750мм

Dб=1700мм

h=35мм

d=24мм

z=32–число болтов

10. Расчет и подбор вспомогательного оборудования

10 . 1. Расчет и подбор емкостей

Емкости для исходной смеси, кубового остатка и дистиллята подбираются на восьми часовой рабочий день, с коэффициентом запаса 1,25.

 где

G–расход жидкости кг/с;

ρ–плотность жидкости;

1. Емкость для исходной смеси:  м3

Подбираем стандартную емкость с параметрами по ГОСТ 9931–79:

V=100 м3, Dвн=8 м., l=4 м.

2. Емкость для дистиллята:    м3

Подбираем стандартную емкость с параметрами по ГОСТ 9931–79:

Vн=20 м3, Dвн=3 м., l=2.625 м.

3. Емкость для кубового остатка: 

одбираем стандартную емкость с параметрами по ГОСТ 9931–79

Vн=100 м3, Dвн=8 м., l=4 м.

10 . 2. Расчет и подбор насосов

В установке имеется 4 насоса:

1. Насос для подачи исходной смеси в подогреватель;
2. Насос для подачи кубового остатка в холодильник;
3. Насос для подачи кубового остатка на склад;
4. Насос для подачи дистиллята на склад.

Рассчитаем насос для подачи исходной смеси в подогреватель по напору и мощности двигателя.

Расчет гидравлического сопротивления подогревателя.

На ЭВМ было получено значение гидравлического сопротивления для холодного теплоносителя равное 18,642817 Па.