Расчёт ректификационной колонны 6непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол - у

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол - уксусная кислота по следующим данным:

1.
Расход исходной смеси
GF
= 5,0 кг/с.

2.
Содержание низкокипящего компонента - бензола в процентах по массе:

· В исходной смеси
–
xF
=
35%;

· В дистилляте
–
xD
= 90
%;

· В кубовом остатке
–
xW
= 6
%.

3.
Колонна работает под атмосферным давлением.

4.
Тип ректификационной колонны
–
тарельчатая колпачковая.

Рассчитать холодильник дистиллята для ректификационной колонны (кожухотрубчатый теплообменник), если известно, что для охлаждения используется вода, начальная температура 15 0
С, конечная - 35 0
С.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА РЕКТИФИКАЦИИ 5

2. ПОДБОР МАТЕРИАЛА 7

3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 8

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ 10

5. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ УСТАНОВКИ 19

6. РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА 2
6

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 30

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 3
1

ВВЕДЕНИЕ

Ректификация
–
многократная дистилляция, проводимая таким образом, что восходящий поток пара взаимодействует с нисходящим потоком жидкости, обогащенной легколетучим компонентом. В результате массопередачи поднимающийся пар обогащается легколетучим компонентом, а стекающая жидкость труднолетучим. Ректификация заключается в противоточном взаимодействии паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, получающейся при конденсации паров.

Разделение осуществляется обычно в колонных аппаратах при многократном или непрерывном контакте фаз. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент, которым обогащаются пары, а из паровой - конденсируется преимущественно высококипящий компонент, переходящий в жидкость. В результате обмена компонентами между фазами в конечном счете пары представляют собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пары выходящие из верхней части колоны после их конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (верхний продукт) и флегму - жидкость, возвращающуюся для орошения колоны и взаимодействия с поднимающимися в колоне парами. Снизу удаляется жидкость представляющая собой почти чистый высококипящий компонент - кубовый остаток (нижний продукт). Часть остатка испаряют в нижней части колоны для получения восходящего потока пара.

Ректификация известна с начала девятнадцатого века, как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию всё шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производных органического синтеза, изотопов, полупроводников и различных других веществ высокой
чистоты).

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА РЕКТИФИКАЦИИ

Схема ректификационной установки непрерывного действия

1
–
емкость для исходной смеси; 2
–
подогреватель; 3
–
колонна;

4
–
кипятильник; 5
–
дефлегматор; 6
–
делитель флегмы; 7
–
холодильник; 8
–
сборник дистиллята; 9
–
сборник кубового остатка

Рис. 1.1.

Исходную смесь из емкости 1
центробежным насосом подают в теплообменник 2
, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификацион­ную колонну 3
, где состав жидкости равен составу исходной смеси
xF

. Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, обра­зующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4
. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка
xW



,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 х
D

, получаемой в дефлегматоре 5
путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7
и направляется в емкость 8
.

Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 7
и направ­ляется в емкость 9
.

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

2.
ПОДБОР МАТЕРИАЛА

При конструировании химической аппаратуры следует применять стойкие металлические и неметаллические конструкционные материалы в заданных агрессивных средах. Материалы должны быть химически и коррозионностойкими в заданной среде при её рабочих параметрах, обладать хорошей свариваемостью и соответствующими прочностными и пластическими характеристиками в рабочих условиях, допускать холодную и горячую механическую обработку, а также иметь возможно низкую стоимость и быть недефицитными. При выполнении прочностных расчетов в первую очередь сталкиваются с необходимостью оценки общей поверхностной коррозии выбираемого конструкционного материала, характеризующегося проницаемостью П мм/год.

Всегда нужно стремиться к выбору конструкционных материалов, характеризующихся минимальной проницаемостью.

В расчетах аппаратуры на прочность потеря по толщине материала на коррозию учитывается соответствующей прибавкой С, определяемой амортизационным сроком службы аппарата и проницаемость по формуле:

С = ПТа
= 0,1·20 = 2мм.
, где П
≤
0,1 мм/год
.

С
–
прибавка к расчетным толщинам; П = 0,1мм/год
–
скорость коррозии; Та
= 20лет
–
срок службы аппарата.

Принимаем сталь Х18Н1ОТ, для которой
= 134МПа. [4]

[] - допускаемое напряжение.

[] =
η
= 1·134 = 134МПа

η
= 1
–
поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки.

Сталь Х18Н1ОТ применяется для обечаек, днищ, фланцев, трубных решеток, болтов, шпилек, валов, патрубков штуцеров, корпусов крышек, тарелок, фланцев и других деталей сварной, кованной, литой химической аппаратуры, работающих со средами средней и повышенной стоимости в пределах
t
-254 до +6000
С и неограниченным давлением.

Остальные детали, не соприкасающиеся с токсичной, коррозионной средой, изготовляются из стали ст3.

3.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Таблица 3
.
1

Данные о равновесном составе пара над жидкостью.
[3]

x	y	t	P
0,00 6,47 8,91 12,72 19,23 24,97 29,93 38,04 45,39 64,51 100,00	0,00 31,49 38,82 47,82 57,76 64,43 68,59 74,21 77,52 85,04 100,00	118,7 109,51 106,82 103,71 99,44 96,23 93,99 90,85 88,96 84,72 80,2	760

По данным таблицы строим линию равновесия и диаграмму равновесия между жидкостью и паром при постоянном давлении.

Линия равновесия.

Рис. 3.1.

Диаграмма равновесия между жидкостью и паром при постоянном давлении.

Рис. 3.2.

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

4.1. Материальный баланс

Уравнение материального баланса.

GF
=
GD

+
GW
;

GF
xF
=
GD
xD
+
GW
xW
,

где
GF
,
GD
,,
GW
–
производительность по исходной смеси, дистиллята и кубового остатка;
XF
,
XD
,
XW
–
содержание легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке, массовые доли.

Для дальнейших расчетов выразим концентрации в мольных долях.

Исходная смесь:

,

где
M
Б
,
M
У.К.
–
молярная масса бензола и уксусной кислоты

Дистиллят:

Кубовый остаток:

Относительный мольный расход питания
F
:

Определим минимальное число флегмы
Rmin
:

y
=0,68
–
мольная доля бензола в паре, равновесном с жидкостью питания, определяем по рис. 3.1.

Определим рабочее число флегмы:

R
= 1,3· К
+ 0,3 = 1,3· 0,501 + 0,3 = 0,951

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

4.2. Определение скорости пара и диаметра колонны.

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны:

Средние концентрации пара находим по уравнению рабочих линий:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Средние температуры пара определяем по диаграмме
t
–
(
x
,
y
) рис. 3.2.

а) при
y
`
= 0,734
t
`
= 91,5 0
C

б) при
y
``
= 0,317
t
``
= 109 0
C

Средние мольные массы и плотности пара:

а)

б)

Средняя плотность пара в колонне:

Температура вверху колонны при
xD

= 0,874 равняется
tD
= 81,7 0
C, а в кубе
–
испарителе при
x
= 0,046 равняется
t
= 111,7 0
C. (см. рис. 3.2.)

Плотность уксусной кислоты при 111,7 0
C
ρ
У.К.
= 936,94 кг/м, а бензола при 81,7 0
C
ρ
Б
=813.13 кг/м. [
5
]

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

Определяя скорость пара
ω
в колонне по данным принимаем расстояние между тарелками
h
= 300мм, С = 0,032.

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне
t
= (91,5 + 109)/2 = 100,25 0
C

где М
D
- молярная масса дистиллята, равная

MD
= 0,
874
·78 + 0,
126
·
60
=
75
,7кг/кмоль.

Диаметр колонны:

По [2] принимаем
D
= 1600мм, тогда скорость пара в колонне будет:

4.3. Гидравлический расчет колпачковой тарелки.

Принимаем следующие размеры колпачковой тарелки:

Высота сливного порога
h
= 50мм.

Диаметр патрубка принимают из ряда: 50, 75, 100, 125, 150.

Задаемся диаметром патрубка 75мм.

Диаметр колпачка находим из условия равенства скорости пара в газовом патрубке и в кольцевом сечении колпачка (т.е. если скорости пара равны, то равны их площади).

Примем толщину стенки патрубка 3мм.

Принимаем ширину прорези
b
пр
=5 мм,

высоту прорези
h
пр
=20 мм.

Количество колпачков на тарелке

Принимаем
n
= 45 штук.

Длина окружности колпачка:

Количество прорезей

где а - расстояние между прорезями, а=4 мм

Принимаем
n
пр.
=
38

Схема колпачка.

Рис. 3.1.

На каждой тарелке колонны расположено по 45 колпачков, каждый из которых имеет по 38 прямоугольных прорезей размером
b
h
= 5
20мм. Расстояние между прорезями 4мм; расстояние между тарелкой и верхним краем прорезей
h
= 30мм.

Определяем скорость пара в прорезях:

Гидравлическое сопротивление тарелки в колонне рассчитывается по формуле:

∆
p
=
∆
p
+
∆
p
+
∆
p

Сопротивление сухой тарелки:

ξ
–
коэффициент сопротивления колпачковой тарелки, равен 3,0;

ω
- скорость пара в прорезях, м/с;

- средняя плотность пара в колонне.

Сопротивление вызываемого силами поверхностного натяжения:

σ
=
19,8
·10-3
H/
м

σ
–
поверхностное натяжение, Н/м;

d
- эквивалентный диаметр отверстия

, где
f
–
площадь свободного сечения прорези; П
–
периметр прорези.

Тогда

.

Сопротивление столба жидкости на тарелке:

k
–
относительная плотность газожидкостного слоя, 0,5;

- средняя плотность жидкости в колонне, кг/м3
;

l
–
расстояние от верхнего края прорези до конца порога, 20мм;

∆
h
–
градиент уровня жидкости, 10мм.

Общее сопротивление тарелки в колонне:

∆
p
общ
= 230 + 10 + 223 = 463 Н/м2

4.4. Определение числа тарелок и высоты колонны.

На диаграмму х-у (см. рис.3.1.) наносим рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число теоретических тарелок. В верхней части колонны
n
`
= 3, в нижней части колонны
n
``
= 3, всего 6 тарелок.

Число тарелок рассчитываем по уравнению:

Для определения среднего к.п.д.
η
тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов, и динамический коэффициент вязкости исходной смеси
μ
при средней температуре в колонне, равной 100,25 0
С.

При этой температуре давление насыщенного пара бензола

P
Б
= 1344 мм.рт.ст., уксусной кислоты
P
У.К.
= 420 мм.рт.ст. , откуда .

Динамический коэффициент вязкости при 100,25 0
С бензола
μ
Б
=0,26·10Па·с и уксусной кислоты
μ
У.К.
= 0,46·10Па·с.

Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси

μ
= 0,36·10Па·с.

Тогда
αμ
= 3,2· 0,36 = 1,15.

По графику находим
ηср
= 0,48 [5, стр. 323].

Длина пути жидкости на тарелке

l
=
D
–
2
b
= 1600
–
2·300 = 1000 мм = 1,0 м.

По графику находим
∆
=0.03 [
5
, стр. 324]

Тогда

η
=
η
(1+
∆)
=0,48(1+0,03)= 0,5

Число действительных тарелок:

· в верхней части колонны

;

· в нижней части колонны

;

Общие число тарелок
n
= 12, с запасом
n
Т
= 14, из них в верхней части колонны 7 и в нижней части 7 тарелок.

Высота тарельчатой части колонны:

, с учетом добавки на люк:

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

4.5. Тепловой расчет установки.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре
–
конденсаторе:

где:

где
r
Б
,
r
У.К.
- удельные теплоты конденсации бензола и уксусной кислоты при 81,7 0
С.

r
Б
=391 кДж/кг,
r
У.К.
=388 кДж/кг [5, табл.
XLV
, стр. 541-542]

Расход теплоты, получаемой в кубе
–
испарителе от греющего пара:

Здесь тепловые потери приняты в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты: удельные теплоемкости взяты соответственно при
tD
= 81,7 0
С,
t
= 111,7 0
С,
t
= 93,5 0
С, которые определены по рис. 3.2. [5, рис.
XI
, стр. 562]

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

Здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси с
=2011,2 Дж/кг·К взята при средней температуре

(93
,
5 + 20)/2 = 57 0
С.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

где удельная теплоемкость дистиллята с
D
= 1885,5 Дж/кг·К взята при средней температуре (82 + 30)/2 = 56 0
С.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

где удельная теплоемкость кубового остатка с
=2178,8 Дж/кг·К взята при средней температуре (111,7 + 30)/2 = 71 0
С.

Расход греющего пара, имеющего давление р=3 кгс/см2
и влажность 5%:

а) в кубе
–
испарителе:

б) в подогревателе исходной смеси:

Всего: 0,74 + 0,38 = 1,12 кг/с или 4 т/ч

Расход охлаждающей воды при нагреве её на 20 0
С:

а) в дефлегматоре

б) в водяном холодильнике дистиллята

в) в водяном холодильнике кубового остатка

Всего: 0,0877 м3
/с или 316 м3
/час.

5. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ УСТАНОВКИ

5.1.Расчет толщины обечаек.[4]

Исполнительную толщину стенки аппарата, нагруженной внутренним избыточным давлением, рассчитывают по формуле:

где
p
–
внутреннее избыточное давление

р =
ρ
·
g
·
h
= 2,275·9,81·11,7 = 261,1
Па

ρ
–
средняя плотность пара в колонне;
h
–
высота колонны.

Так как среда является слабо агрессивной, то принимаем сталь
Х18Н10Т
, для которой = 134МПа.

С
–
прибавка к расчетным толщинам; С = ПТа
= 0,1·20 = 2мм; П = 0,1мм/год
–
скорость коррозии; Та
= 20лет
–
срок службы аппарата.

[] - допускаемое напряжение.

[] =
η
= 1·134 = 134МПа

η
= 1
–
поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки.

φ
= 1
–
коэффициент сварных швов.

По [4] толщину обечайки примем
s
= 6мм.

5.2. Расчет толщины днища и крышки.[4]

Эллиптические днище и крышка

Рис. 5.1.

Толщина стенки днища и крышки определяется по формуле:

R
–
радиус кривизны в вершине днища.

R
=
D
–
для эллиптических днищ с
H
= 0,25·
D

H
= 0,25·1600 = 400мм.

R
= 1600мм.

Принимаем толщину крышки и днища равной толщине стенки 6мм.

Длину цилиндрической отбортованной части днища по [4] принимаем равной
h
1
= 50мм.

5.3. Расчёт изоляции колонны.
[4]

Определим необходимую толщину слоя изоляции аппарата, внутри которого температура 111,7 0
С. Примем температуру окружающего воздуха
t
=10 0
С. Изоляционный материал
–
совелит.

Найдем коэффициент теплоотдачи в окружающую среду лучеиспусканием и конвекцией:

α
=9.74+0.07(
t
ст
-
t
возд
)= 9.74 + 0.07(35-10)=11.49 Вт/м2
*К

t
ст
- температура со стороны окружающей среды,
t
ст
= 35 0
С;

Найдем удельный тепловой поток:

q
=
α(
t
ст
-
t
возд
)=11.49(35-10)= 287.25 Вт/м2

Принимая, что все термическое сопротивление сосредоточено в слое изоляции, можно записать:

q
=
la
(
t
ст
-
t
возд
)/
b

где
la
= 0.098
–
теплопроводность совелита,

b
=
la
(
t
ст
-
t
возд
)/
q
= 0.098(111,7-10)/287,25 = 0,035 м

Т.к. наиболее горячая часть колонны
–
это куб, то для всей колонны можно принять ту же толщину изоляции.

5.4. Расчет штуцеров.
[4]

Расчет штуцеров сводится к диаметру штуцера:

ω
–
скорость жидкости 2м/с, скорость пара 20м/с.

Штуцер с приварным фланцем.

Рис. 5.2.

5.4.1 Штуцер для ввода исходной смеси.

VF
=
GF
/
r
F
= 5,0/900,5 = 0,005 м3
/с

где .

По ОСТ 26-1404-76 примем штуцер с наружным диаметром_____________________________________________________________________________________________________________________________ 89мм, с условным проходом
D
у
=80 мм.

5.4.2 Штуцер для ввода флегмы.

По ОСТ 26-1404-76 примем штуцер с наружным диаметром_____________________________________________________________________________________________________________________________ 45мм, с условным проходом
D
у
=40мм.

5.4.3 Штуцер для отвода кубового остатка.

V
­
w
=
Gw
= 3,28 м3
/с

По ОСТ 26-1404-76 примем штуцер с наружным диаметром_____________________________________________________________________________________________________________________________ 57мм, с условным проходом
D
у
=50мм.

5.4.4 Штуцер для вывода паров дистиллята.

V
=
GD
(
R
+1)/
ρ
П

r
П
=
r
' = 2,45 кг/м3
- плотность пара вверху колонны

V
= 1,72(0,951+1)/2,45= 1,37м
3
/с

По ОСТ 26-1404-76 примем штуцер с наружным диаметром_____________________________________________________________________________________________________________________________ 325мм, с условным проходом
D
у
=300мм.

5.4.5 Штуцер для ввода паров кубовой смеси.

V
=
GW
/
r
П

r
П
=
r
″
= 2,1кг/м3
- плотность пара внизу колонны

V
=3,28/2,1=1,56 м3
/с

По ОСТ 26-1404-76 примем штуцер с наружным диаметром_____________________________________________________________________________________________________________________________ 377мм с условным проходом
D
у
=350мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 1255-67

Фланец штуцера

.

Рис. 5.3.

Табл.5.1.

Список штуцеров

Назначение штуцера	Условный проход, мм	Наружный диаметр, мм	Число болтов, шт	Размер болтов
Ввод исходной смеси	80	89	8	М16
Ввод флегмы	40	45	4	М16
Вывод кубового остатка	50	57	4	М16
Вывод паров дистиллята	300	325	12	М20
Ввод паров кубовой остатка	350	377	16	М22

5.5. Расчет весовых характеристик и высоты аппарата. Расчет толщины стенки опоры и катета сварного шва, соединяющего опору с корпусом.

5.5.1. Расчет высоты аппарата. [
2
]

H
общ
= 3900(высота тарельчатой части) + 2000(опора) + 2800(до 1-ой
тарелки) + 1600 (от последней тарелки) + 600(высота крышки) + 200(вылет штуцера) + 2·50(высота отбортовки) + 500(добавка на люк) = 11700 мм = 11,7 м

H
цил
= 2800 + 1090 + 3900 + 2·50 = 7890 мм = 7,89 м

H
ж
=
n
·
h
пор
+ 1.3(переливной порог) = 14·0,05 + 1,3 = 2,0 м

5.5.2. Расчет веса аппарата.
[4]

Общий вес аппарата оценим путем расчета веса его частей:

Q
- вес корпуса;

Q
- вес жидкости в колонне;

Q
- вес тарелок.

Вес корпуса:
Q
=
Q
+
Q

где
Q
ц
- вес цилиндрической части корпуса;

Q
- вес днища и крышки.

D
–
внутренний диаметр колонны;

s
–
толщина обечайки;

Н
- высота цилиндрической части корпуса;

ρ
м
- плотность стали, 7850кг/м3
.

Q
=
m
дн
·
g
= 5
19
·9,81 =
5091,39
Н

Вес жидкости:

V
- объем днища, 2,037м3
[
4
]

ρ
ж
- плотность воды, 715,36кг/м3
.

Вес тарелок:

5.5.3 Катет сварного шва.

L
- длина шва;

τ
- допустимое напряжение материала, 80МПа.

Примем
h
= 5мм, т.к. катет шва технологически не может быть меньше половины наименьшей толщины свариваемых деталей.

5.5.4 Толщина стенки цилиндрической опоры:

- допустимое напряжения сжатия стали, 100МПа

Принимаем толщину цилиндрической опоры 6мм.

6. РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

6.1. Тепловой и материальный расчет. [1]

Горячий раствор в количестве
GD

= 1,72 кг/с охлаждается от
t
1н
= 82
˚
C
до
t
1к
= 30
˚
С. Начальная температура воды
t
2Н
= 15
˚
С, в результате охлаждения горячего раствора вода нагревается на 20
˚
С, конечная температура воды
t
2К
= 35
˚
С. Горячая жидкость при средней температуре
t
1ср
= 56
˚
С имеет следующие физико-химические характеристики:
ρ
1
= 840 кг/м3
,
λ
1
= 0,14 Вт/м.
К,
μ
1
= 0,4078.
103
Н.
с/м2
, с1
= 1885,5 Дж/кг.
К. Вода при средней температуре
t
2ср
= 25
˚
С имеет следующие физико-химические характеристики:
ρ
2
= 997 кг/м3
,
λ
2
= 0,6 Вт/м.
К,
μ
2
= 0,894.
103
Н.
с/м2
, с2
= 4190 Дж/кг.
К.

6.1.1. Определение тепловой нагрузки аппарата.

6.1.2. Расход воды.

6.1.3. Определение среднелогарифмической разности температур.

∆
t
= [(82-30)-(35-15)]/
ln
(52/20)= 34
˚
С

6.1.4. Ориентировочный выбор теплообменника:

Примем ориентировочное знечение кр. Рейнольдса
Re
1ОР
= 15000, определим соотношение
n
/
z
для труб диаметром
d
= 20х2мм, 25х2мм:

где
n
–
общее число труб,

z
–
число ходов по трубному пространству,

d
–
внутренний диаметр труб.

Примем минимальное ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению Кор
= 600Вт/м2
·К. При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:

6.2.1 Уточненный расчет поверхности теплопередачи.

Примем диаметр кожуха
D
= 400 мм, диаметром труб 252мм, числом ходов
z
= 2 и общим числом труб
n
= 100

n
/
z
= 100/2 = 50.[1, стр.60]

Реальное значение числа Рейнольдса
Re
1
равно:

Pr
1
=

Коэффициент теплоотдачи к воде, пренебрегая поправкой (
Pr
/
Pr
):

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками
S
мтр
= 0,025м2
, тогда:

Pr
2
=

Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся в межтрубном пространстве, составит:

Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений:

Коэффициент теплопередачи:

Требуемая поверхность теплопередачи:

Из выбранного ряда подходит теплообменник с длинной труб 4,0м и номинальной поверхностью
F
1
= 31,0
м2
.

Рассчитаем запас по площади:

6.2.2 Гидравлическое сопротивление.

Скорость жидкости в трубах:

Коэффициент трения равен:

Е = Δ/
d
,
Δ
= 0,2мм
–
высота выступов шероховатостей.

Диаметр штуцеров в распределительной камере:

d
тр.ш
=
100
мм = 0,1м

Скорость в штуцерах:

Гидравлическое сопротивление трубного пространства:

Число рядов труб
m
= 10, число сегментных перегородок х = 18. Диаметр штуцеров к кожуху
d
мтр.ш
= 0,1 м, скорость потока в штуцерах

Скорость жидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью
S
мтр
= 0,012м2
равна:

Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства:

Длина труб теплообменника 4,0 м.

Macca
теплообменника 820 кг.

Число сегментных перегородок 18 шт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате курсового проекта рассчитана ректификационная колонна непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол - уксусная кислота, а также холодильник дистиллята (кожухотрубчатый теплообменник) для данной установки.

Колонна имеет диаметр 1600 мм, 45 колпачковых тарелок, высоту 11,7 м, толщину обечайки, крышки и днища 6 мм.

Теплообменник имеет диаметр 325 мм; 100 труб диаметром 25•2 мм, длиной 4,0 м и поверхностью теплопередачи 31,0м2
.

К достоинствам колпачковых тарелок относятся: высокая интенсивность работы вследствие большой поверхности контакта, устойчивость работы при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости

К недостаткам относятся: высокое гидравлическое сопротивление, сложны по устройству, большие затраты металла, малая предельно допустимая скорость газа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.
Аристова Н. А., Ноговицына Е.В. Процессы и аппараты химической технологии. Метод. указания к выполнению и оформлению курсовых проектов; Нижнетагил. технол. ин-т (фил.) УГТУ-УПИ.- Нижний Тагил: НТИ (ф) УГТУ-УПИ, 2007.
–
68 с.

2.
Каталог: Колонные аппараты. М.: ЦИНТИНХИМНЕФТЕМАШ, 1987. 28 с.

3.
Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. Кн.2. М.Л.: Наука, 1966. 1426 с
.

4.
Лащинский А.А., Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник под ред. канд. техн. наук А.Р. Толчинского Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1981.
–
382 с., ил.

5.
Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов по ред. чл. - корр. АН России П. Г. Романкова. - 13-е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987г. М.:ООО ТИД "Альянс",2006.-576с.