Расчет насадочной ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метанол-вода

Кубовый остаток кипит при t_W = 118⁰ С. Согласно заданию при Р_абс. = 2 атм принимаем температуру конденсации греющего пар 130⁰ С по таблице LVI [2] составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи

130 →130

118 ←118

  Следовательно, средняя разность температур

Определяем  ориентировочно максимальную величину площади теплообмена.

По таблице 4.8 [2,стр.172] для данного случая теплообмена (от конденсирующегося пара к кипящей  жидкости) принимаем значение коэффициента теплопередачи 

К_min = 1000  Вт(м² К). Тогда максимальная поверхность теплообмена составит

Предварительно  выбираем для расчета выносной кипятильник  – кожухотрубчатый теплообменник с трубами диаметром 25x2 мм и длиной 3,0 м.

Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м² К), определяем по формуле

                              (3.1)

где - коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося водяного пара, Вт/(м² К); - коэффициент теплоотдачи для кипящей воды, Вт/(м² К); - сумма термических сопротивлений слоев стенки, включая слои загрязнений, Вт/(м² К)/Вт, определяемая по формуле

                                       (3.2)

где r₁ – сопротивление загрязнений стенки со стороны конденсирующего водяного пара, (м² К)/Вт; r₂ – термическое сопротивление загрязнений стенки со стороны кипящей воды, (м² К)/Вт; σ_ст. – толщина стенки, м; λ_ст. – теплопроводность материала стенки Вт/(м К).

По таблице  ХХХI [2, cтр.531] принимаем значение тепловой проводимости загрязнений стенок со стороны конденсирующегося водяного пара и со строны кубового остатка (почти чистой воды) одинаковыми и равными

 

тогда термические  сопротивления составят

Теплопроводность  стали λ = 46,5 Вт/( м К) [2, таблица ХХVIII], толщина стенки

σ_ст = 0,002 м.

Тогда   

Коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося  водяного пара ɑ_конд Вт/(м²·К) определяем по формуле

  (3.3)

где λ –  коэффициент теплопроводности конденсата Вт/(м К); Н – высота кипятильных  труб, м; ρ – плотность конденсата, кг/м³; r – удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; μ – динамический вязкости конденсата, Па·с.

Все свойства конденсата при температуре конденсации  водяного пара 130⁰ С по таблице ХХХIХ [2,стр.537], тогда по формуле (3.3)

Коэффициент теплоотдачи для кипящей воды ɑ_Т, Вт/м²·К находим по формуле

                           (3.4)

где g – удельная тепловая нагрузка, Вт/м²; b – коэффициент, определяемый по формуле

Физико-химические свойства воды взяты при температуре  кипения кубового остатка 118⁰ С. Тогда по формуле (3.2) получим

   При подстановке всех значений  в формуле (3.5) получим 

     (3.5)

 

Удельная  тепловая нагрузка g, Вт/м², с учетом выражения составит

(3.6)

откуда

        (3.7)

При решении  уравнения при у=0 находим g=18500 Вт/м²

Выразим коэффициент теплопередачи из формулы (3.6)

Площадь поверхности теплообмена составит

Выбор теплообменника осуществляем по таблице ХХХIV [2, стр.533]. Принимаем к установке шестиходовой теплообменник со следующими характеристиками: поверхность теплообмена F= 160 м²; диаметр кожуха D = 1000мм; Диаметр труб 25х2 мм; длина труб l= 3,0 м; число труб n = 678. Запас поверхности теплообмена 3%.

Расчет дефлегматора.

 

В дефлегматоре конденсируется метанол с небольшим  количеством воды. Температура конденсации  паров дистиллята t_D = 84⁰ С.

Температура воды на входе в теплообменник  принимаем 18⁰ С, на выходе – 38⁰ С.

Тогда

 

84→84                          

                              38←18

 

По таблице 4.8 [2,стр.172] коэффициент теплопередачи  от конденсирующегося пара органических веществ к воде составит 300-800 Вт/(м² К). Принимаем наименьший коэффициент теплопередачи К =300 Вт/(м² К).

Количество  тепла, отнимаемого охлаждающей  водой от конденсирующегося в  дефлегматоре пара, рассчитанное по формуле (1.30) составит Q_D = 11·10⁵ Вт.

Поверхность дефлегматора находим из основного  уравнения теплопередачи

Выбираем  теплообменник по таблице ХХХIV  [2.cтр.533]. Принимаем к усановке одноходовой теплообменник со следующими характеристиками: поверхность теплообмена F=74 м²; диаметр кожуха D = 800 мм; диаметр труб 25х2мм; длина труб l=2,0 м; число труб n = 473. Запас поверхности теплообмена 11,5%.

Расчет холодильника для дистиллята.

 

В холодильнике происходит охлаждения дистиллята от температуры конденсации t_D = 84⁰ С до 30⁰ С. Температуру воды на входе в теплообменник принимаем 18⁰ С, на выходе – 38⁰ С.

Составляем  температурную схему процесса и  определяем движущую силу процесса теплопередачи.

 

84→ 30   

                          38← 18

 

Количества  тепла, отнимаемого охлаждающей  водой от дистиллята в дефлегматоре

По таблице 4.8 [2,стр.172] коэффициент теплопередачи  от жидкости к жидкости (вода) находится  в пределах от 800 до 1700 Вт/(м² К). Принимаем наименьший коэффициент теплопередачи К= 800 Вт/(м² К).

Поверхность теплообмена холодильника дистиллята составит

Теплообменник выбираем по таблице 4.12 [2,стр.215]. Принимаем  к установке двухходовой теплообменник  со следующими характеристиками: поверхность  теплообмена F = 47 м²; диаметр кожуха D = 400 мм; диаметр труб 25х2мм; длина труб l = 6м; число труб n = 100. Запас поверхности теплообмена 4,5 %. 

Расчет холодильника для кубового остатка.

 

В холодильнике кубового остатка происходит охлаждение кубовой жидкости от температуры  кипения t_W = 118⁰ С до 30⁰ С.

Температуру воды на входе в теплообменник  принимаем 18⁰ С, на выходе – 38⁰ С.

Составляем  температурную схему процесса и  определяем движущую силу процесса теплопередачи

 

118→ 30    

38← 18

 

Количество  тепла, отнимаемого охлаждающей  водой от кубовой жидкости

По таблице 4.8 [2,с.172] коэффициент теплопередачи  от жидкости к жидкости (вода) находится  в пределах от 800 до 1700 Вт/(м²К). Принимаем наименьший коэффициент теплопередачи К= 800 Вт/(м²К). Поверхность теплообмена холодильника кубовой жидкости составит

Выбираем  теплообменник по таблице 4.12 [2,стр. 215]. Принимаем к установке двухходовый  теплообменник со следующими характеристиками: поверхность теплообмена F=338 м²; диаметр кожуха D= 1000 мм; диаметр труб 25х2 мм; длина труб l =6 м; число труб n = 718. Запас поверхности теплообмена 0,7 %.

Расчет подогревателя  исходной смеси.

 

В подогревателе  исходной смеси происходит подогрев исходной смеси от t_н = 20⁰ С до температуры кипения на питающей тарелке t_F = 100⁰ C. Для подогрева используем греющий пар со следующими параметрами: р_абс = 4,238 атм, температура конденсации 150⁰ С. Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи

150→150   

146←20

Количество  тепла, передаваемого исходной смеси  от греющего пара

По таблице 4.8 [2,с.172] коэффициент теплопередачи  от конденсирующегося пара к органическим жидкостям (подогреватели) находится  в пределах от 120 до 340 Вт/(м²К). Принимаем наименьший коэффициент теплопередачи К =120 Вт/(м²К).

Поверхность теплообмена подогревателя исходной смеси составит

Выбираем  теплообменник по таблице 4.12 [2,с.215] со следующими характеристиками: поверхность  теплообмена F= 302 м² ; диаметр кожуха 1000 мм; диаметр труб 25х2 мм; длина труб l= 6,0 м; число труб 642. Запас поверхности теплообмена 23 %.

6. Расчет трубопроводов.

 

Внутренний  диаметр d,м, для жидких и паровых фаз определяется из уравнения объемного расхода по формуле

 

                                         (3.8)

 

где V- объемный расход потока, м/с, w- скорость движения потока, м/с.

Объемные  расходы материальных потоков определяется как

     (3.9)

где G- массовый расход потока, кг/с; ρ – плотность потока пара при соответствующей температуре, кг/м³. Скорости материальных потоков выбирают по таблице 1.1[2 с.17] или по данным раздела 1.2[1 с.16]. При этом считают, что движение флегмы и кубового остатка происходит самотеком, а движение исходной смеси – под напором. Скорость пара выбирают по давлению в колонне.

Плотности компонентов при соответствующих  температурах смеси определяются по таблице VI[2 c.512] путем линейной интерполяции.

Далее последовательно  проводится расчет внутренних диаметров  трубопровода: d₁ – диаметр трубопровода для отвода пара из колонны в дефлегматор, d₂ – для подачи острого пара в колонну, d₃ – для подачи исходной смеси, d₄ – для подачи флегмы, d₅ – для вывода кубового остатка из колонны.

По рассчитанным значениям d выбирают стандартные трбопроводы по данным раздела 1.2 [1 с.16].

Чтобы рассчитать диаметр трубопровода d₁ принимаем скорость движения пара w= 35 м/с. Объемный расход пара, поступающего в дефлегматор определен по формуле

                   (1.12)

 

 

Тогда    

Выбираем  стальную трубу размером 273х10 мм, внутренний диаметр которой d₁ = 263 мм=0,263 м. Диаметр для подачи острого пара в колонну d₂ принимаем равным d₁, т.е. d₂ = 0,263 м.

Для расчета  d₃, для подачи исходной смеси по таблице 1.1 [2,с.17], принимаем скорость w= 2,3 м/с, соответствующую движению жидкости в напорных трубопроводах.

Массовый  расход исходный смеси G_F = 31,11 кг/с. Плотность исходной смеси при t_F = 100⁰ С рассчитываем по формуле (2.3), тогда ρ_F = 859 кг/м³.

Тогда в  соответствии с формулой (3.10)

 

 

 

выбираем  стальную трубу размером 159х5 мм, внутренний диаметр которой  d₃ =0,154 мм.

Чтобы рассчитать диаметр трубопровода d₄ для подачи флегмы, по таблице 1.1 [2,с.17] принимаем скорость w = 0,5 м/с, соответствующую движению жидкости самотеком.

Массовый  расход флегмы составит

Так как  флегма имеет состав, равный составу  дистиллята, то плотность флегмы рассчитываем при и t_D = 84⁰ C по формуле (2.3), ρ_R= 859 кг/м³. Тогда в соответствии с формулой (3.10)

Выбираем  стальную трубу размером 159х5, внутренний диаметр которой d₄ =0,154 м.

Чтобы рассчитать диаметр трубопровода d₅ для вывода кубового остатка из колонны, по таблице 1.1 [2,с.17] принимаем скорость = 0,5 м/с, соответствующую движению жидкости самотеком.

 Массовый расход кубового остатка G_W = 26 кг/с. Плотность кубового остатка при t_W = 118⁰ C равна ρ_W = 894кг/м³. Тогда в соответствии с формулой (3.10)

 Выбираем  стальную трубу размером 273х10 мм, внутренний диаметр которой 

d₅ = 0,263 м.

 

 

 

 

 

 

7. Заключение

 

 

  Насадочные колонные аппараты с насадкой применяются, главным образом, для перегонки высокоагрессивных или вязких продуктов, а также когда возникает необходимость иметь малый запас жидкости в процессе ректификации, не требующих тонкого разделения, и в процессах абсорбции с большими удельными нагревателями по жидкости для равномерного распределения жидкости по поверхности насадки. Аппараты оснащены распределительными тарелками по ОСТ 26-705-798 типа ТСН-3 и перераспределительными тарелками типа ТСН-2.

          В данной работе представлены все основные параметры колонного аппарата, согласно инженерным расчетам по рекомендуемой литературе.

 Был  произведен  расчет вспомогательного  оборудования: полный расчет теплообменного  аппарата кипятильника куб-испарителя, ориентировочный расчет дефлегматора, холодильника для дистиллята, холодильника для кубового остатка, подогревателя исходной смеси. Также произведен расчет трубопроводов в качестве арматуры и обвязки колонны.