ВВЕДЕНИЕ
Ректификация — массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев впротивоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки),аналогичными используемыми в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода красчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют многообщего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различноесоотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны,переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициентраспределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса)осложняет его расчет.
Одна из сложностейзаключается в отсутствии обобщенных закономерностей для расчета кинетическихкоэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится кколоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко применяемым вхимических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию длярасчета ректификационных колон кинетических зависимостей, получаемых приисследовании абсорбционных процессов.
Большое разнообразиетарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкциитарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицыобъема аппарата, его стоимость и др.) ряд требований может определятьсяспецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменениинагрузок по фазам, способность тарелок работать в среде загрязненных жидкостей,возможностью защиты от коррозии и т.п. Зачастую эти качества становятсяпревалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использованияв каждом конкретном процессе.
Размеры тарельчатойколонны (диаметр и высота) обусловлены нагрузками по пару и жидкости, типомконтактного устройства (тарелки), физическими свойствами взаимодействующих фаз.
Ректификацию жидкостей,не содержащих взвешенные частицы и не инструктирующих, при атмосферном давлениив аппаратах большой производительности часто осуществляют на ситчатыхпереточных тарелках.
/>
1 — емкость для исходной смеси; 2, 9– насосы; 3 – теплообменник-подогреватель; 4 – кипятильник; 5– ректификационная колонна; 6 – дефлегматор; 7 – холодильникдистиллята; 8 – емкость для сбора дистиллята; 10 – холодильниккубовой жидкости; 11 – емкость для кубовой жидкости
Рисунок 1 – Принципиальнаясхема ректификационной установки
Принципиальная схемаректификационной установки представлена на рис.1. Исходную смесь изпромежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают втеплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретаясмесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелкупитания, где состав жидкости равен составу исходной смеси xp.
Стекая вниз по колонне,жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипениив кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерноравен составу кубового остатка xw, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена сжидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полногообогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовымчислом жидкостью (флегмой) состава xp, получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара,выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готовогопродукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7и направляется в промежуточную емкость 8.
Из кубовой части колоннынасосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт обогащенытруднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 инаправляется в емкость 11.
Таким образом, вректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процессразделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержаниемлегколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).
1. Ректификационнойколонны непрерывного действия
1.1 Материальныйбаланс колонны и рабочее флегмовое число
Производительность колонныпо дистилляту Р и кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса колонны:
/> (1.1)
где F, P и W –производительность колонны по исходному веществу, по дистилляту и по кубовомуостатку, соответственно, кг/с.
/> (1.2)
Отсюда находим:
/> (1.3)
где />, /> и /> - массовые доли подистилляту, исходной смеси и кубового остатка, соответственно, кг/кг смеси.
Пересчитаем составы фазиз мольных долей в массовые доли по соотношению:
/> (1.4)
где />, /> и /> - мольные доли подистилляту, исходной смеси и кубового остатка соответственно, кмоль/кмольсмеси;
/>, /> - молекулярные массысоответственно этилацетата и толуола, кг/кмоль.
/> (1.5)
/> (1.6)
/>кг/кг смеси
/> кг/кг смеси
/> кг/кг смеси
Находимпроизводительность по кубовому остатку:
/> кг/с
Находимпроизводительность колоны по дистилляту:
/> кг/с
Нагрузки ректификационнойколоны по пару и жидкости определяется рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение Rопт можно найти путёмтехнико-экономического расчёта. Ввиду отсутствия надёжной методики оценки Rопт используют приближённые вычисления,основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) /> Здесь /> - минимальное флегмовоечисло:
/> (1.7)
где /> и /> - мольные долилегколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте,кмоль/кмоль смеси;
/> - концентрация легколетучегокомпонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмольсмеси.
Один из возможныхприближённых методов расчёта Rзаключается в нахождении такого флегмового числа, которому соответствуетминимальное произведение N(R+1), пропорциональное объёмуректификационной колонны (N – числоступеней изменения концентрации или теоретических тарелок, определяющее высотуколонны, а (R+1) − расход паров и,следовательно, сечение колонны).
/>
Задавшись различнымизначениями коэффициентов избытка флегмы />, определим соответствующиефлегмовые числа.
/> (1.8)
Графическим построениемступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями надиаграмме состав пара Y –состав жидкости X, находим числоступеней N. Равновесные данные приведены всправочнике [3 с.36].
Результаты расчётоврабочего флегмового числа, представлены на рисунке 7 и приведены ниже:
/> 1,050 1,350 1,750 2,350 3,300 R 0,903 1,161 1,505 2,021 2,838 N 11 7,8 6,8 6 5,5 N(R+1) 53,447 46,935 47,000 51,766
Рисунок 7 – Определениерабочего флегмового числа.
Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R=1,21При этом коэффициент избытка флегмы β=1,210/0,860=1,4На рисунке, изображены рабочие линии и ступени изменения концентраций дляверхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей колоны в соответствии снайденным значением R.
Средние массовые расходы(нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют изсоотношений:
/>/> (1.9)
/> (1.10)
где /> и /> - мольные массыдистиллята и исходной смеси;
/> и /> - средние мольные массы жидкостив верхней и нижней частях колонны.
Мольную массу дистиллятав данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента –этилацетат. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колоннысоответственно равны:
/> (1.11)
/> (1.12)
где /> и /> - мольные массыэтилацетата и толуола;
/> и /> - средний мольный состав жидкостисоответственно в верхней и нижней частях колонны:
/>
/>
Тогда
/>
/>
Мольная масса исходнойсмеси:
/>
/>
Подставим рассчитанныевеличины в уравнения (1.9) и (1.10), получим:
/>
/>
Средние массовые потокипара в верхней /> и нижней /> частях колоны соответственноравны:
/> (1.13)
/> (1.14)
где /> и /> - средние мольные массыпаров в верхней и нижней частях колонны:
/> (1.15)
/> (1.16)
где /> и /> - мольные массыэтилацетата и толуола, [3 c.36];
/> и /> - средний мольный состав парасоответственно в верхней и нижней частях колонны:
/>
Тогда
/>
/>
Подставим численныезначения в уравнение, получим:
/>
/>
1.2Скорость пара и диаметр колонны
Найдём плотности жидкости/>, /> и пара />, /> в верхних инижних частях колонны, при средних температурах в них />.
Средние температуры паровопределим по диаграмме /> по средним составам фаз:
/>tв=73,6 оС />tн=88,1 оС [приложение А Диаграмма 1].
Тогда
/> (1.18)
/> (1.19)
Отсюда получим:
/>
Плотностьфизических смесей жидкостей подчиняется закону аддитивности:
/> (1.20)
где /> - объёмная доля компонентав смеси;
/>, /> - плотности компонентов, присредней температуре жидкости вверху и внизу колонны, кг/м3.
Произведём пересчёт измольных долей в объёмные доли для этилацетата вверху колонны:
/> (1.21)
где /> - мольная доляэтилацетата в дистилляте;
/>,/>,/>, /> - плотности и мольные массыэтилацетата и толуола при 20 0С соответственно,[3 c.36]..
/>
Произведём пересчёт измольных долей в объёмные доли для этилацетата в кубовой части колонны:
/>
где /> - мольная доляэтилацетата в кубовой части колонны;
/>,/>,/>, /> - плотности и мольные массыэтилацетата и толуола при 20 0С соответственно, [3 c.36].
/>
Подставим в уравнение(1.20), получим:
/>
Вязкость жидких смесей /> находим поуравнению:
/> (1.22)
где /> и /> - вязкости жидкихэтилацетата и толуола при температуре смеси, Па∙с
[2 рис. V c. 556].
/> />
/>
Предельная скорость паровв верхней части колонны />:
/>
/>
Предельная скорость паровв нижней части колонны />:
/>
/>
Примем рабочую скорость /> на 30% нижепредельной:
/> />
Диаметр колонныректификационной колонны определим из уравнения расхода:
/> (1.23)
Отсюда диаметр верхней инижней части колонны равны соответственно:
/>
Рационально принятьстандартный диаметр обечайки /> [1 разд. 5.1.4 с. 197], одинаковымдля обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров вколонне равны:
/> />
что составляетсоответственно 43% и 34% от предельных скоростей.
1.3 Высотанасадки
Высоту насадки Нопределяют по модифицированному уравнению массопередачи:
/> (1.24)
где /> - общее число единицпереноса по паровой фазе;
/> - общая высота единицы переноса,м.
Общее число единицпереноса вычисляют по уравнения:
/> (1.25)
Решим этот интегралметодом графического интегрирования:
/> (1.26)
где S – площадь, ограниченная кривой,ординатами /> иосью абсцисс рис. 8; Мх, Мy – масштабы осей координат.
Данные для графическогоизображения функции /> приведены ниже:y y*-y 1/(y*-y) y y*-y 1/(y*-y) 0,020 0,043 23,26 0,629 0,096 10,42 0,064 0,060 16,67 0,703 0,092 10,87 0,097 0,068 14,70 0,8 0,075 13,34 0,137 0,079 12,66 0,837 0,061 16,39 0,265 0,100 10,00 0,867 0,05 20,00 0,391 0,084 11,90 0,899 0,035 28,57 0,500 0,064 15,62 0,928 0,027 37,04 0,528 0,072 13,89 0,953 0,022 45,45 0,545 0,080 12,50 0,967 0,018 55,55 0,564 0,086 11,63 0,970 0,015 66,67
Рисунок 8 – Графическоеопределение общего числа единиц переноса в паровой фазе для верхней(укрепляющей) части колонны в интервале изменения состава пара от уF до уР и для нижней(исчерпывающей) – в интервале от от уW до уF.
По рисунку находим общеечисло единиц переноса в верхней /> и нижней /> частях колонны:
/>; />.
Общую высоту единицпереноса /> определимпо уравнению аддитивности:
/> (1.27)
где /> и /> - частные высоты единицпереноса соответственно в жидкой и паровой фазах;
/> - средний коэффициентраспределения в условиях равновесия для соответствующей части колоны.
Отношение нагрузок попару и жидкости G/L, кмоль/кмоль, равно:
для верхней части колонны
/> (1.28)
для нижней части колонны
/> (1.29)
где
/> (1.30)
Подставив численныезначения, получим:
/>
Высота единицы переноса вжидкой фазе
/> (1.31)
где /> - коэффициенты,определяемые по рисунку;
/> - критерий Прандтля для жидкости;
/> - высота слоя насадки однойсекции, которая из условия прочности опорной решётки и нижних слоёв насадки, атакже из условия равномерности распределения жидкости по насадке не должнапревышать 3 м.
Высота единиц переноса впаровой фазе
/> (1.32)
где /> - коэффициент,определяемые по рисунку;
/> - критерий Прандтля для пара;
/> - массовая плотность орошения,кг/(м2/>с);
/> - диаметр колонны, м;
/>
Поверхностное натяжение /> для верхнейчасти колонны, принимаем поверхностное натяжение легколетучего компонента притемпературе верха колонны, а поверхностное натяжение для нижней части колонны,принимаем поверхностное натяжение для тяжело кипящего компонента притемпературе низа колонны.
Необходимо определитьвязкость паров и коэффициенты диффузии в жидкой /> и паровой /> фазах. Вязкость паровдля верхней части колонны:
/> (1.33)
где /> и /> - вязкость паровэтилацетата и толуола при средней температуре верхней части колонны, [3 c.36], мПа/>с;
Примечание: так как нетнадёжных данных для определения вязкости паров этилацетата, поэтому берём вязкостьпаров для диэтилового эфира.
/> - средняя концентрация паров: />
Подставив, получим:
/>
/>
/>
Аналогично расчётом длянижней части колонны находим />
/> (1.34)
/>
/>
/>
/>
Коэффициент диффузии вжидкости при средней температуре t (в 0С)равен:
/> (1.35)
Коэффициенты диффузии вжидкости /> при20 0С можно вычислить по приближённой формуле:
/> (1.36)
где А, В – коэффициенты,зависящие от свойств растворённого вещества и растворителя;
/> - мольные объёмы компонентов вжидком состоянии при температуре кипения, см3/моль;
/> - вязкость жидкости при 20 0С,мПа∙с,[2 табл. V c.556].
Вычислим вязкостьжидкости для верхней части колонны при температуре 20 0С:
/>
/>
Вычислим вязкостьжидкости для нижней части колонны при температуре 20 0С:
/>
/>
Тогда коэффициентдиффузии в жидкости для верхней части колонны при 20 0С равен:
/>
/>
Температурный коэффициентb определяют по формуле:
/> (1.37)
где /> и /> принимают притемпературе 20 0С, [2 табл. V c.556 и 3 с.36].
Плотность жидкости при 200С в верхней и нижней частей колонны найдём по формуле:
/>
Тогда
/>
/>
/>
Тогда
/>
/>
Подставим полученныечисленные значения для определения температурного коэффициента:
/>
/>
Отсюда
/>
/>
Аналогично для нижнейчасти колонны находим:
/>
Коэффициент диффузии вжидкости для нижней части колонны при 20 0С равен:
/>
/>
Температурный коэффициентb определяют по формуле:
/>
/>
Тогда коэффициентдиффузии в жидкости для нижней части колонны:
/>
/>
Коэффициент диффузии впаровой фазе может быть вычислен по уравнению:
/> (1.38)
где Т – средняятемпература в соответствующей части колонны, К;
Р – абсолютное давление вколонне, Па.
Тогда для верхней частиколонны:
/>
/>
Аналогично для нижнейчасти колонны получим:
/>
Подставив численныезначения, получим:
/>
/>
Таким образом, дляверхней части колонны:
/>
/>
/>
/>
Для нижней части колонны:
/>
/>
/>
/>
По уравнению находимобщую высоту единиц переноса для верхней и нижней части колонны:
/> (1.39)
/> (1.40)
Значения m=0,628 для верхней части колонны и m=1,737 — для нижней, определеныарифметическим усреднением локальных значений m в интервалах изменения составов жидкости соответственно от xF до xP и от xW до xF.
/>
/>
Высота насадки в верхней и нижнейчастях колонны равна соответственно:
/> />
Общая высота насадки вколонне:
/>
С учётом того, что высотаслоя насадки в одной секции Z=2 м,общее число секций в колонне составляет 4 (2 секции в верхней части и 2 – внижней).
Общую высотуректификационной колонны определяют по уравнения:
/> (1.41)
где Z – высота насадки в одной секции, м;
n – число секций;
/> - высота промежутков междусекциями насадки, в которых устанавливают распределители жидкости, м;
/> - соответственно высотасепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны инасадкой, м.
Общая высота колонны:
/>
/>
1.4Гидравлическое сопротивление насадки
Гидравлическоесопротивление насадки /> находят по уравнению:
/> (1.42)
Гидравлическоесопротивление сухой неорошаемой насадки /> рассчитывают по уравнения:
/> (1.43)
где /> - коэффициентсопротивления сухой насадки, зависящий от режима движения газа в насадке.
Критерий Рейнолдса длягаза в верхней и нижней частях колонны соответственно равен:
/>
/>
Следовательно, режимдвижения газа вверху и внизу колонны, турбулентный.
Для турбулентного режимадвижения коэффициент сопротивления сухой насадки в виде беспорядочно засыпанныхколец Рашига находят по уравнению:
/> (1.44)
Для верхней и нижнейчастей колонны соответственно получим:
/> />
Гидравлическоесопротивление сухой насадки верхней и нижней частях колонны равно:
/>
/>
Плотность орошения вверхней и нижней частях колонны определим по формулам:
/> (1.45)
/> (1.46)
Подставив численныезначения, получим:
/>
/>
Гидравлическоесопротивление орошаемой насадки в верхней и нижней частях колонны:
/>
/>
Общее гидравлическоесопротивление орошаемой насадки в колонне:
/> (1.47)
/>
Гидравлическоесопротивление насадки составляет основную долю общего сопротивленияректификационной колонны. Общее же сопротивление колонны складывается из сопротивленияорошаемой насадки, опорных решёток, соединительных паропроводов от кипятильникак колонне и от колонны к дефлегматору, Общее гидравлическое сопротивлениеректификационных колонны обуславливает давление и, следовательно, температурукипения жидкости в испарители.
2. Тепловой баланс ректификационной установки
Тепловойбаланс колонны имеет вид:
/> (4.73)
где /> - тепловаянагрузка, соответственно по исходному веществу, по кипятильнику, по дистилляту,по кубовому остатку, по дефлегматору и потери тепла, примем равными 5%.
Избаланса определяем количество тепла, которое необходимо подводить ккипятильнику.
/>
Тепловая нагрузка по кубовому остатку, в количестве />, рассчитывается по формуле:
/> (4.74)
где /> - теплоёмкостькубового остатка, при температуре />, [2 рис. XI с. 562], />;
/> - температуракубового остатка колонны.
/> (4.75)
где /> - массоваядоля кубового остатка.
/>
/>
/>
/>
Тепловаянагрузка по исходному веществу, в количестве /> кг/с, рассчитывается по формуле:
/> (4.76)
где /> - температурысмеси;
/> - теплоёмкостьисходной смеси, при средней температуре, [2 рис. XI с. 562], />.
/> (4.77)
где /> - массоваядоля исходной смеси.
/>
/>
Подставимчисленные значения, получим:
/>
/>
Тепловаянагрузка аппарата по дистилляту, в количестве Р=0,352 кг/с, рассчитывается поформуле:
/> (4.78)
где /> - температурадистиллята, взятая из диаграммы t-х,y, 0С;
/> - теплоёмкостьдистиллята, при температуре />, [2 рис. XI с. 562], />.
/> (4.79)
где /> - массоваядоля дистиллята.
/>
/>
Подставимчисленные значения, получим:
/>
/>
Длядефлегматора тепловая нагрузка аппарата составит:
/> (4.80)
где /> - удельнаятеплота парообразования дистиллята, при />, Дж/кг.
/> (4.81)
/>
/>
/>
/>
Подставимэти численные значения в уравнение теплового баланса и определим количествотепла, которое необходимо подводить к кипятильнику:
/>
/>
Дляподогрева используют насыщенный водяной пар давлением 0,3 МПа. Температураконденсации /> Характеристики конденсации при этойтемпературе: /> Расходгреющего пара вычисляется по формуле:
/> (4.82)
/>
3. Подробный расчёт подогревателя исходной смеси
Рассчитатьи подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменника для подогреваисходной смеси, насыщенным водяным паром. Начальная температура исходной смеси,в количестве Gсм=5000 кг/ч (1,3889 кг/с), t1н=20 0С, конечная t1к=95 0С.
Давлениенасыщенного водяного пара составляет 3 атм, температура конденсации насыщенноговодяного пара составляет 133 0С; удельная теплота парообразованияравна 2171000 Дж/кг.
Потерив окружающую среду примем 5%.
Определяемтепловую нагрузку аппарата:
/> (5.83)
где /> - теплоёмкостьсмеси при средней температуре, [2 рис. XI с. 562], Дж/(кг∙К).
/>
/>
/>
Определениерасхода горячего теплоносителя:
/> (5.84)
/>
/>
/>
Определяемполезную разность температур:
/>
Рисунок10 – Зависимость изменения температуры теплоносителей от поверхности теплообмена.
/> />
/>
Ориентировочныйвыбор теплообменника.
Рассчитываемориентировочную поверхность теплопередачи Sор.
/> (5.85)
где Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;
/> - полезнаяразность температур, 0С;
/> -ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, [1 таб. 2.1 с.47], Вт/(м2∙К).
Зададимсяориентировочным коэффициентом теплопередачи Кор=240 Вт/(м2∙К).
/>
/>
Если у одного изтеплоносителей нет изменения агрегатного состояния, в данном случае у исходнойсмеси, то необходимо задаться турбулентным режимом движения теплоносителя, таккак при этом режиме движения жидкости наибольший коэффициент теплоотдачи.Принимаем Re=12000. Стандартные диаметры труб: 25/>2. Тогда при Re=12000
/> (5.86)
/>/>
/>
Тогдачисло труб на один ход составит:
/> (5.87)
/>
Выбираемтеплообменник [1.табл. 2.3 с. 51].
Поверхность теплообмена S=10 м2.
Длина труб L=2,0 м.
Общее число труб n=62шт.
Число ходов z=1
Диаметр труб d=25x2 мм.
Диаметр кожуха D=325 мм.
Пересчитываем скоростьдвижения исходной смеси:
/> (5.88)
/>
Пересчитаемкритерий Рейнольдса:
/> (5.89)
/>
Режимдвижения исходной жидкости, по трубному пространству, переходный, так как2320
Рисуем схему теплопередачичерез стенку:
Рассчитываемдействительное значение коэффициента теплопередачи:
/> (5.90)
где /> и /> — коэффициенттеплоотдачи соответственно от горячего теплоносителя к стенке и от стенки кхолодному теплоносителю, Вт/(м2∙К);
/> - термическоесопротивление стенки.
Задаёмся tст1=130 0С. Определяем П – коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегосяна пучке вертикальных труб:
/> (5.91)
/>
/>
/>
Удельное количество теплапередаваемое от пара к стенке:
/>
Определяем термическоесопротивление стенок с учетом загрязнения:
/> (5.92)
где /> и /> — термическоесопротивление стенки соответственно со стороны насыщенного пара и со сторонысмеси, [1 таб. 2.2 с. 48];
/> - толщина стенки, мм;
/> - коэффициент теплопроводностистенки, Вт/(м∙К).
/>
Находим температурустенки со стороны холодного теплоносителя.
/> (5.93)
/>
/>
Находим коэффициенттеплоотдачи от стенки к исходной смеси — см.
/> (5.94)
где /> - критерийНуссельта, для переходного режима движения жидкости;
/> - коэффициенттеплопроводности смеси при средней температуре смеси, [2 рис. X с.561], Вт/(м∙К);
/>
/>
/>
/>
/> -эквивалентный диаметр, мм.
Таккак режим движения смеси по трубному пространству переходный, следовательно критерийНуссельта определим из графика зависимости /> от критерия Рейнольдса впереходной области.
/>
гдеPr, Prст – критерий Прандтля соответственно при температуре жидкостии при температуре стенки [2 рис.XIIIс.564].
Отсюданаходим критерий Нуссельта:
/>
где /> и /> - критерийПрандтля соответственно при средней температуре смеси и температуре стенки:
/>
/>
/>
/>
/>
Тогдакритерий Нуссельта:
/>
/>
Подставляячисленные значения, получим:
/>
/>
Рассчитываемудельный тепловой поток от стенки к холодному теплоносителю:
/>
/>
/>
Условиемстационарного теплообмена является q=const. q1≠q2.
Сновазадаёмся tст1 и повторяем расчёт.
tст1=129 0С. Определяем П – коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегосяна пучке вертикальных труб:
/>
/>
/>
/>
/>
Удельное количествотепла, передаваемое от пара к стенке:
/>
/>
/>
Находим коэффициенттеплоотдачи от стенки к исходной смеси — см.
/>
где /> - критерийНуссельта, для переходного режима движения жидкости;
/> - коэффициенттеплопроводности смеси при средней температуре смеси, Вт/(м∙К);
/> -эквивалентный диаметр, мм.
Таккак режим движения смеси по трубному пространству переходный, следовательно критерийНуссельта определим из графика зависимости /> от критерия Рейнольдса впереходной области.
/>
гдеPr, Prст – критерий Прандтля соответственно при температуре жидкостии при температуре стенки.
Отсюданаходим критерий Нуссельта:
/>
где /> и /> - критерийПрандтля соответственно при средней температуре смеси и температуре стенки:
/>
/>
/>
/>
/>
Тогдакритерий Нуссельта:
/>
/>
Подставляячисленные значения получим:
/>
/>
Рассчитываемудельный тепловой поток от стенки к холодному теплоносителю:
/>
/>
/>
Условиемстационарного теплообмена является q=const. q1≠q2.
Строимграфик зависимости удельного теплового потока от температуры стенки.
Изграфика находим:
/>
/>
/>
/>
Находимистинное значение поверхности теплопередачи
/>
/>
Запасплощади составляет:
/>
Оставляемвыбранный нормализованный кожухотрубчатый подогреватель исходной смеси оттемпературы 20 0С до, температуры входа в колонну, 95 0С,эта температура является температурой кипения смеси.
4. Подбор кожухотрубчатого конденсатора
Рассчитатьи подобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубчатого конденсатора,для конденсации паров легколетучего компонента в количестве />=0,352 кг/с. Температураконденсации t1=78 0C, удельнаятеплота конденсации r = 365200 Дж/кг.Физико-химические свойства конденсации при температуре конденсации: />
Теплоконденсации отводится водой, с начальной температурой t2н=25 0С. Примем температуру воды на выходе изконденсатора t2к=33 0С. Потери теплапримем 5%.
Тепловаянагрузка аппарата:
/> (6.95)
/>
Расходводы находим из уравнения теплового баланса:
/> (6.96)
/>
/>
/>
/>
Средняяразность температур:
/> />
/>
/>/>/>
Рисунок12 – Зависимость изменение температуры теплоносителей от поверхности теплообмена.
Всоответствии Kор=650 Вт/(м2∙К),примем ориентировочное значение поверхности:
/> (6.96)
/>
/>
ЗадаваясьЧислом Рейнольдса Re=15000.Определим соотношение /> для конденсатора из трубдиаметром dн=25х2 мм:
/> (6.97)
где n – общее число труб;
z – число ходов по трубномупространству;
d – внутренний диаметртруб, м.
/>
Выбираем кожухотрубчатыйконденсатор по ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15120-79, со следующими конструктивнымиособенностями [1.табл. 2.3 с. 51]:
Поверхность теплообмена S=14,5 м2.
Длина труб L=3,0 м.
Общее число труб n=62шт.
Число ходов z=1
Диаметр труб d=25x2 мм.
Диаметр кожуха D=325 мм.
Запасплощади составляет:
/>
5. Подбор кипятильника
Подобратьнормализованный вариант конструкции кожухотрубчатого испарителяректификационной колонны, с получением GW=/>паров водного раствораорганической жидкости, кипящая при температуре t2=109 0C, удельная теплота конденсации равна r2=363000 Дж/кг
Вкачестве теплоносителя используется насыщенный водяной пар давлением 0,3 МПа.Удельная теплота конденсации r1=2171000 Дж/кг, температураконденсации t1=1330С.
Расходгреющего пара определим из уравнения теплового баланса:
/> (7.98)
/>
Средняяразность температур:
/>
Рисунок13 – Зависимость изменение температуры теплоносителей от поверхности теплообмена.
/>
/>
Примемориентировочное значение коэффициента теплопередачи Kор=400 Вт/(м2∙К). Тогда ориентировочноезначение требуемой поверхности составит:
/> (7.100)
/>
Выбираемиспаритель по ГОСТ 15119-79 и ГОСТ 15121-79, [1.табл. 2.3 с. 51].
Поверхность теплообмена S=40,0 м2.
Длина труб L=2,0 м.
Общее число труб n=257шт.
Число ходов z=1
Диаметр труб d=25x2 мм.
Диаметр кожуха D=600 мм.
Запасплощади составляет:
/>
6. Расчёт штуцеров
Внутреннийдиаметр трубопроводов определим по уравнению:
/> (8.101)
где /> - расход параили жидкости, кг/с;
/> - плотность пара или жидкости, кг/м;
/> - скоростьпара или жидкости, м/с.
6.1 Рассчитаем диаметр штуцера для входа исходной смеси вколонну
/>
где /> - плотностьжидкости при температуре входа в колонну, кг/м3,[1 табл. IV с. 512].
/>/>
/>
Примемскорость смеси 2 м/с.
/>
/>
Принимаемстандартный наружный диаметр трубопровода для входа исходной смеси /> с толщинойстенок />материал,из которого выполнен трубопровод – нержавеющая, углеродистая сталь.
6.2 Рассчитаем внутренний диаметр штуцера для входа флегмы
/>
где /> - количествофлегмы, которое возвращается в колонну, кг/с.
Примемскорость жидкости, которая поступает в колонну на орошение, равной 1 м/с.
Тогда
/>
/>
Принимаемстандартный наружный диаметр трубопровода для входа флегмы /> с толщиной стенки />материал, изкоторого выполнен трубопровод – углеродистая сталь.
6.3 Рассчитаем внутренний диаметр штуцера для выхода флегмы
/>
где /> - расход паровдистиллята, кг/с,
/> - плотность пара, кг/м2.
Принимаемскорость пара 18 м/с.
/>
Принимаемстандартный наружный диаметр трубопровода для выхода паров дистиллята /> с толщинойстенок />материал,из которого выполнен трубопровод – углеродистая сталь.
6.4 Рассчитаем внутренний диаметр штуцера для выхода кубовогоостатка
/>
Принимаемскорость жидкости 0,5 м/с.
/>
/>
Принимаемстандартный наружный диаметр трубопровода для выхода кубового остатка /> с толщинойстенок />материал,из которого выполнен трубопровод – углеродистая, нержавеющая сталь.
6.5 Рассчитаем внутренний диаметр штуцера для возврата паровкубовой смеси в колонну
/>
где /> - количествопара, которое возвращается в колонну.
/>
/>
Принимаем стандартныйнаружный диаметр трубопровода, для возвращения паров кубовой смеси в колонну, /> с толщинойстенок />материал,из которого выполнен трубопровод – углеродистая, нержавеющая сталь.
6.6 Рассчитаем внутренний диаметр штуцера, для входа исходнойсмеси в подогреватель
/>
где /> - плотностьжидкости при температуре 20 0С, принимаем равной 900 кг/м3.
Примемскорость смеси 2 м/с.
/>
/>
Принимаемстандартный наружный диаметр трубопровода для входа исходной смеси /> с толщинойстенок />материал,из которого выполнен трубопровод – нержавеющая сталь.
6.7 Рассчитаем внутренний диаметр штуцера, для выходадистиллята
/>
где /> — плотностьдистиллята при температуре 78 0С.
Примемскорость дистиллята 0,5 м/с.
/>
/>
стандартныйнаружный диаметр трубопровода, для выхода дистиллята, /> с толщиной стенок />материал, из котороговыполнен трубопровод – нержавеющая сталь.
6.8 Рассчитаем внутренний диаметр штуцера для выхода жидкостииз куба колонны
/>
где /> - количествожидкости, которое спускается вниз по колонне, кг/с;
/> — плотностьжидкости в кубе колонны, кг/м3.
Примемскорость дистиллята 0,5 м/с.
/>
/>
Принимаемстандартный наружный диаметр трубопровода, для выхода жидкости из куба колонны,/> столщиной стенок />материал, из которого выполнентрубопровод – нержавеющая, углеродистая сталь.
6.9 Определим внутренний диаметр штуцера, для входа греющегопара в подогреватель исходной смеси
/>
где /> - количествопара, кг/с;
/> — плотностьгреющего пара, кг/м3, [1 табл. LVII с. 524]
Примемскорость пара 15 м/с.
/>
/>
Принимаемстандартный наружный диаметр трубопровода, для входа греющего пара вподогреватель исходной смеси, /> с толщиной стенок />материал, из котороговыполнен трубопровод – углеродистая сталь.
6.10 Определим внутренний диаметр штуцера, для выходасконденсированных паров из подогревателя исходной смеси
/>
где /> - количествосконденсированных паров, кг/с;
/> — плотностьсконденсированных паров, кг/м3.
Примемскорость сконденсированных паров 0,5 м/с.
/>
/>
Принимаемстандартный наружный диаметр трубопровода, для выхода сконденсированных паровиз подогревателя исходной смеси, /> с толщиной стенок />материал, из котороговыполнен трубопровод – углеродистая сталь.
6.11 Определим внутренний диаметр штуцера, для входа воды,для конденсатора
/>
где /> - количествоводы, которое входит в конденсатор, кг/с;
/> — плотностьводы при начальной температуре, кг/м3.
Примемскорость воды 2,0 м/с.
/>
/>
Принимаемстандартный наружный диаметр трубопровода, для входа воды, для охлажденияконденсата, /> столщиной стенок />материал, из которого выполнен трубопровод– углеродистая сталь.
6.12 Определим внутренний диаметр штуцера, для выхода воды,для охлаждения конденсата
/>
где /> - количествоводы, которое выходит из конденсатора, кг/с;
/> — плотностьводы при конечной температуре, кг/м3.
Примемскорость воды 2,0 м/с.
/>
/>
Принимаемстандартный наружный диаметр трубопровода, для выхода воды, для охлажденияконденсата, /> столщиной стенок />материал, из которого выполнен трубопровод– углеродистая сталь.
6.13 Определим внутренний диаметр штуцера, для входа пара вкипятильник
/>
где /> - количествопара, которое входит в кипятильник, кг/с;
/> — плотностьпара, кг/м3.
Примемскорость пара 15 м/с.
/>
/>
Принимаемстандартный наружный диаметр трубопровода, для входа пара в кипятильник, /> с толщинойстенок />материал,из которого выполнен трубопровод – углеродистая сталь.
6.14 Определим внутренний диаметр штуцера, для выходасконденсированного пара из кипятильника
/>
где /> - количествосконденсированного пара, которое выходит из кипятильника, кг/с;
/> — плотностьсконденсированного пара, кг/м3.
Примемскорость пара 0,5 м/с.
/>
/>
Принимаемстандартный наружный диаметр трубопровода, для выхода сконденсированного параиз кипятильника, /> с толщиной стенок />материал, из котороговыполнен трубопровод – углеродистая сталь.
7.Мероприятия по технике безопасности и оказание первой медицинской помощи
1 Нанефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях перерабатываются в большихколичествах нефть и нефтепродукты, представляющие собой горючие, легковоспламеняющиесяи взрывоопасные жидкости и газы.
2 При работе втехнологических цехах и на установках нефтеперерабатывающих и нефтехимическихпредприятий возможны следующие опасности:
- возникновение пожара ивзрыва при разгерметизации оборудования и трубопроводов или при нарушениирежима работы оборудования;
- отравление работающихпарами нефтепродуктов, сероводородом и другими вредными веществами;
- обморожение работающихпри попадании сжиженных газов на незащищенные участки тела;
- химические ожогикислотой, щелочью, жидким аммиаком и другими агрессивными веществами;
- термические ожоги присоприкосновении с горячими частями оборудования, трубопроводов, водяным паром,конденсатом и т.д.
- травмированиевращающимися и движущими частями насосов, компрессоров и других механизмов вслучае отсутствия или неисправности ограждений;
- поражениемэлектрическим током в случае выхода из строя заземления токоведущих частейэлектрооборудования пробоя электроизоляции, неприменение средств защиты и т.д.
- возможность паденияпри обслуживании оборудования, расположенного на высоте.
3 Учитываяприведенные опасности, каждый работающий предприятия обязан:
— соблюдать внутреннийтрудовой распорядок и дисциплину труда;
— знать опасные и вредныесвойства паров и газов, жидких и твердых веществ, с которыми приходитсясоприкасаться в процессе работы, соблюдать правила обращения с ними;
— содержать в порядкесвое рабочее место, а также соблюдать чистоту в цехе и на территориипредприятия;
— знать и выполнятьправила техники безопасности, газовой и пожарной безопасности, производственнойсанитарии на предприятии и на своем рабочем месте;
— знать и выполнять своиобязанности по плану ликвидации аварий;
— уметь пользоватьсясредствами индивидуальной защиты, первичными средствами тушения пожаров, знатьих назначение и принцип работы.
4 Колонныректификации горючих жидкостей оснащаются средствами контроля и автоматическогорегулирования: уровня и температуры жидкости в кубовой части; температурыпоступающих на разделение продукта и флегмы; средствами сигнализации об опасныхотклонениях значений параметров, определяющих взрывоопасность процесса, и при необходимостиперепада давления между нижней и верхней частями колонны. При подаче флегмы вколонну ректификации насосом, прекращение поступления которой может привести копасным отклонениям технологического процесса, предусматриваются меры,обеспечивающие непрерывность технологического процесса.
5 Индивидуальныесредства защиты:
Для защитыкожных покровов:
— спецодежда;
— спецобувь;
— спецруковици;
— наушники;
— очки.
Для защитыдыхательных путей используется:
— индивидуальный фильтрующий противогаз марки «А»;
— шланговыепротивогазы ПШ-1;
— кислородно-изолированные противогазы АВС-2;
— респираторы типа «Лепесток».
6 Оказаниепервой медицинской помощи:
Перед темкак перейти к оказанию первой помощи, необходимо устранить причины, вызвавшиетяжелые состояния пострадавшего (при отравлении газом или паром — вывестипострадавшего из загазованной зоны; при поражении электрическим током — освободить от соприкосновения с токоведущей частью и т.п.).
1. Перваяпомощь при потере сознание
При потересознание необходимо пострадавшему обеспечить приток свежего воздуха, устранитьв одежде все, что может стеснять или затруднять свободное дыхания, обрызгатьлицо холодной водой, дать понюхать нашатырного спирта. При отсутствии дыханиянемедленно приступить к проведению искусственного дыхания.
2. Перваяпомощь при отравлении
Еслирабочий, находящийся в помещении почувствовал общую слабость, головокружения,необходимо вывести его из загазованной зоны на свежий воздух.
3. Перваяпомощь при термических ожогов
Притермических ожогах первой степени обожженное место необходимо обильно промытьструей чистой и холодной воды, после чего наложить сухую стерильную повязку.
При среднихи тяжелых ожогах на место ожога необходимо наложить стерильную повязку инаправить в здравпункт.
Запрещаетсянакладывать на обожженное место повязки с какими-либо мазями, жирами, маслами ит.п., чем-либо присыпать обожженное поверхность, прокалывать образовавшиепузыри, т.к. это увеличивает опасность инфекции.
4. Перваяпомощь при химических ожогов
При ожогахкислотами, щелочами и другими едкими веществами необходимо немедленнопрожженный участком тела обмыть струей воды из под крана в течении 10 – 15минут, после чего наложить стерильную повязку.
Припопадании кислоты, щелочи и других едких веществ в глаза необходимо быстропромыть их большим количеством воды.
5. Перваяпомощь при поражении электрическим током
Припоражении электрическим током, если человек остается в соприкосновении с токоведущимичастями, необходимо немедленно освободить его от действия тока: выключитьрубильник, выдернуть предохранительную пробку или перерубить токопроводящийпровод изолированным инструментом.
Если нетвозможности быстро отключить электрический ток, оказывающий помощь долженизолировать свои руки резиновыми перчатками, сухой тряпкой и отделитьпострадавшего от тока. При этом нужно действовать, по возможности, одной рукой.
Послеосвобождении пострадавшего от действия электрического тока, следует немедленноприступить к оказанию первой помощи.
6. Перваяпомощь при кровотечениях
Что быостановить кровотечение, необходимо: поднять раненую конечность вверх; кровоточащуюрану закрыть перевязочным материалом из индивидуального пакета, сложенным вкомочек и придавить сверху, не касаясь пальцами самой раны; в таком положении,не отпуская пальцы, держать в течение 4 – 5 минут. Если кровотечениеостановится, не снимая наложенного материала, поверх него наложить еще однуподушечку из другого пакета и забинтовать раненое место.
При сильномкровотечении, если оно не останавливается тугой повязкой, применить сдавливаниекровеносных сосудов, питающих раненую область, для этого необходимо: наложитьжгут, а при его отсутствие – закрутку из подходящего материала. Жгут накладываетсявыше места кровотечения, ближе к ране, на одежду или мягкую подкладку из бинта,что бы ни прищемить кожу. Под жгут закладывается записка с указанием даты ивремени его наложения, ФИО положившего жгут. Во избежание омертвленияконечности жгут необходимо накладывать не более чем на 30 минут.
В случаекровотечения из артерии головы или когда нет возможности сделать жгут, нужноприжать артерию выше места повреждения кости и немедленно транспортироватьраннего в здравпункт.
Заключение
В задании на курсовоепроектирование произвел расчет двух ректификационных установок непрерывногодействия для разделения смеси этилацетат – толуол.
Определил, чтотарельчатая ректификационная колонна, с ситчатыми однопоточными тарелками типаТС, является наиболее выгоднее для разделения бинарной смеси, чем насадочнаяректификационная колонна с кольцами Рашига.
Тарельчатаяректификационная колонна диаметром 1000мм, высотой 8,7 м.
Рассчитал материальный итепловой балансы ректификационной установки, рассчитал и подобралдополнительное оборудование: дефлегматор, подогреватель и кипятильник.
Изучил мероприятия потехнике безопасности на предприятиях химической промышленности и оказаниепервой помощи пострадавшим.
Списокиспользованной литературы
1 Основные процессыи аппараты химической технологии: пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П.Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. идополн. М.: Химия, 1991. – 496с.
2 Павлов К.Ф.,Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратовхимической технологии. Изд. 8-е, пер. и доп. Л., Химия,1976. – 552с.
3 Бинарные смеси:Учеб. Справочник / Авторы-составители Ю.И. Гущин; В.К. Леонтьев. – Ярославль:Изд-во ЯГТУ, 2003. – 104 с.