Файл: Курсовая работа проект ректификационной установки пояснительная записка.docx
Добавлен: 09.11.2023
Просмотров: 167
Скачиваний: 4
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
к, Вт, определяется по формуле:
где Q
– расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, Вт; Qпот – тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт; 
– теплоемкость исходной смеси, дистиллята, кубовой жидкости, соответственно, Дж/кг·К.
Значение теплоемкости смеси жидкости с, Дж/кг·К, определяют по правилу аддитивности:
где сА, сВ– теплоемкости компонентов смеси при соответствующих температурах;
– массовая доля низкокипящего компонента в соответствующей смеси.
Температура исходной смеси tF= 71,8 °С, кубового остатка tW= 76,6 °С и дистиллята tD = 54,8 °С; теплоемкости метилового спирта и воды при этих температурах определяем по номограмме [2].
Подставляя соответствующие значения в формулу (42), рассчитываем теплоемкости смесей:
= 1988,9 Дж/кг·К;
=2000,65 Дж/кг·К;
= 2283,7 Дж/кг·К.
Удельная теплота конденсации дистиллята определяется по формуле:
где r – удельная теплота конденсации дистиллята, Дж/кг, определяемая по правилу аддитивности; rА, rВ – удельные теплоты конденсации компонентов смеси при температуре tD, Дж/кг
Удельная теплота конденсации дистиллята согласно формуле (51) при tD = 54,8 °С, составит:
= 509,66 кДж/кг.
Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара, определяем по формуле:
Согласно формуле (52) количество тепла составит:
= 13,9·105 Вт. 
Тепловые потери колонны в окружающую средуQпот, Вт, определяют по формуле:
где – суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(м2·К); Fн – наружная поверхность изоляции колонны, м2; tст.н – температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем tст.н = 40 °С; tвозд. – температура воздуха в помещении, принимаем tвозд. = 20 °С
Наружную поверхность изоляции колонныFн, м2, рассчитываем по формуле:
Согласно формуле (54):
93,55 м2.
Суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(м2·К), ориентировочно определяется как:
Потери тепла в окружающую среду, согласно формуле (45), составят:
= 21703,6 Вт.
Расход тепла в кубе колонны с учетом тепловых потерь, согласно формуле (49), составит:
14,3·105 Вт.
Расход греющего пара (принимаем давление pабс = 2,0 ат, влажность 5 %), согласно формуле:
Согласно формуле (56) расход греющего пара равен:
= 0,682 кг/с = 2455 кг/ч.
Расход воды в дефлегматоре при нагревании ее на 20°С
Расход воды в холодильнике дистиллята при нагревании ее на 20 °С:
Согласно формуле (58) расход воды в холодильнике:
= 0,503 кг/с = 1810,8 кг/ч.
Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании ее на 20 °С:
Согласно формуле (59) расход воды в холодильнике:
= 4,53 кг/с = 16308 кг/ч.
Общий расход воды в ректификационной установке составит:
Согласно формуле (60) расход воды в ректификационной установке:
или
= 77,84 м3/ч.
Вода из этих трех аппаратов может быть направлена в систему горячего водоснабжения.
2.8 Расчет тепловой изоляции колонны
Количество теплоты, теряемое колонной в окружающую среду, рассчитывается, исходя из упрощенного соотношения (для плоской стенки) по уравнению:
где λиз – теплопроводность материала изоляции, Вт/(м·К), из – толщина изоляции, м; tиз.в. – температура внутренней поверхности изоляции, принимаем ее ориентировочно на 10-20 °С ниже средней температуры в колонне, т.е. t
из.в = 110 °С.
В качестве изоляции берем асбест, коэффициент теплопроводности которого из=0,151 Вт/(м ·К) [2, таблица ХХУІІІ].
Из формулы (61) определяем толщину изоляции:
Проверяем температуру внутренней поверхности изоляции:
= 110,7 °С.
Расхождение: 110,7 – 110 = 0,7 °С < 1,0 °С.
При расхождении более чем на один градус расчет необходимо повторить, задаваясь другими значениями температуры внутренней поверхности изоляции
3 РАСЧЕТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
3.1 Расчет теплообменных аппаратов
3.1.1 Расчет кипятильника (куба – испарителя)
Кипятильники ректификационных колонн непрерывного действия по устройству сходны с кипятильниками выпарных аппаратов. При небольших поверхностях теплообмена куб колонны обогревается змеевиком или горизонтальной трубчаткой, пересекающей нижнюю часть колонны; при этом греющий пар пропускается по трубам.
При больших поверхностях теплообмена применяют выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.
Кубовый остаток кипит при tW= 76,6 °С. Согласно заданию, при рабс = 2 атм принимаем температуру конденсации греющего пара 119,6 °С по таблице LVI [2, с.548]. Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи.
119,6 → 119,6
76,6 ← 76,6
Следовательно, средняя разность температур:
76,6 = 43 
Тепловая нагрузка, рассчитанная по формуле (49) составляет QК = =14,3·105 Вт.
Определяем ориентировочно максимальную величину площади теплообмена. По таблице 4.8 [2, с.172] для данного случая теплообмена (от конденсирующегося пара к кипящей жидкости) принимаем значение минимального коэффициента теплопередачи К
min = 300 Вт/(м2·К).
Тогда максимальная поверхность теплообмена составит:
110,9 м2
Предварительно выбираем для расчета выносной кипятильник – кожухотрубчатый теплообменник с трубами диаметром 25×2 мм и длиной 3,0 м.
Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м2·К), определяют по формуле
где αконд – коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося водяного пара, Вт/(м2·К); αТ – коэффициент теплоотдачи для кипящего бензола, Вт/(м2·К); ∑ rст – сумма термических сопротивлений слоев стенки, включая слои загрязнений, (м2·К)/Вт, определяемая по формуле:
где r1 – термическое сопротивление загрязнений стенки со стороны конденсирующегося водяного пара, (м2·К)/Вт; r2 – термическое сопротивление загрязнений стенки со стороны кипящего бензола, (м2·К)/Вт; δст – толщина стенки, м; λст – теплопроводность материала стенки Вт/(м ·К).
По таблице ХХХI [2, с.531] принимаем значения тепловой проводимости загрязнений стенок со стороны конденсирующегося водяного пара и со стороны кубового остатка (почти чистой воды) одинаковыми и равными
=5800 Вт/(м2·К), тогда термические сопротивления составят r1= r2= 
(м2·К)/Вт. Теплопроводность стали 
= 46,5 Вт/(м ·К) [2, таблица ХХУІІІ]. Толщина стенки δст = 2 мм = 0,002 м.
Таким образом
Коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося водяного пара αконд, Вт/(м2·К), определяем по формуле
 | (49) |
где Q
– расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, Вт; Qпот – тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт; – теплоемкость исходной смеси, дистиллята, кубовой жидкости, соответственно, Дж/кг·К.Значение теплоемкости смеси жидкости с, Дж/кг·К, определяют по правилу аддитивности:
 | (50) |
где сА, сВ– теплоемкости компонентов смеси при соответствующих температурах;
– массовая доля низкокипящего компонента в соответствующей смеси.Температура исходной смеси tF= 71,8 °С, кубового остатка tW= 76,6 °С и дистиллята tD = 54,8 °С; теплоемкости метилового спирта и воды при этих температурах определяем по номограмме [2].
Подставляя соответствующие значения в формулу (42), рассчитываем теплоемкости смесей:
= 1988,9 Дж/кг·К; =2000,65 Дж/кг·К; = 2283,7 Дж/кг·К.Удельная теплота конденсации дистиллята определяется по формуле:
 | (51) |
где r
– удельная теплота конденсации дистиллята, Дж/кг, определяемая по правилу аддитивности; rА, rВ – удельные теплоты конденсации компонентов смеси при температуре tD, Дж/кгУдельная теплота конденсации дистиллята согласно формуле (51) при tD = 54,8 °С, составит:
= 509,66 кДж/кг.
Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара, определяем по формуле:
 | (52) |
Согласно формуле (52) количество тепла составит:
= 13,9·105 Вт. Тепловые потери колонны в окружающую средуQпот, Вт, определяют по формуле:
 | (53) |
где – суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(м2·К); Fн – наружная поверхность изоляции колонны, м2; tст.н – температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем tст.н = 40 °С; tвозд. – температура воздуха в помещении, принимаем tвозд. = 20 °СНаружную поверхность изоляции колонныFн, м2, рассчитываем по формуле:
 | (54) |
Согласно формуле (54):
93,55 м2.Суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(м2·К), ориентировочно определяется как:
 | (55) |
Потери тепла в окружающую среду, согласно формуле (45), составят:
= 21703,6 Вт.Расход тепла в кубе колонны с учетом тепловых потерь, согласно формуле (49), составит:
14,3·105 Вт.Расход греющего пара (принимаем давление pабс = 2,0 ат, влажность 5 %), согласно формуле:
 | (56) |
Согласно формуле (56) расход греющего пара равен:
= 0,682 кг/с = 2455 кг/ч. Расход воды в дефлегматоре при нагревании ее на 20°С
 | (57) |
Расход воды в холодильнике дистиллята при нагревании ее на 20 °С:
 | (58) | |
Согласно формуле (58) расход воды в холодильнике:
= 0,503 кг/с = 1810,8 кг/ч. Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании ее на 20 °С:
 | (59) | |
Согласно формуле (59) расход воды в холодильнике: = 4,53 кг/с = 16308 кг/ч.Общий расход воды в ректификационной установке составит:
 | (60) | |
Согласно формуле (60) расход воды в ректификационной установке:
или
= 77,84 м3/ч.Вода из этих трех аппаратов может быть направлена в систему горячего водоснабжения.
2.8 Расчет тепловой изоляции колонны
Количество теплоты, теряемое колонной в окружающую среду, рассчитывается, исходя из упрощенного соотношения (для плоской стенки) по уравнению:
 | (61) | |
где λиз – теплопроводность материала изоляции, Вт/(м·К), из – толщина изоляции, м; tиз.в. – температура внутренней поверхности изоляции, принимаем ее ориентировочно на 10-20 °С ниже средней температуры в колонне, т.е. t
из.в = 110 °С.
В качестве изоляции берем асбест, коэффициент теплопроводности которого из=0,151 Вт/(м ·К) [2, таблица ХХУІІІ].
Из формулы (61) определяем толщину изоляции:
Проверяем температуру внутренней поверхности изоляции:
= 110,7 °С. Расхождение: 110,7 – 110 = 0,7 °С < 1,0 °С.При расхождении более чем на один градус расчет необходимо повторить, задаваясь другими значениями температуры внутренней поверхности изоляции
3 РАСЧЕТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ3.1 Расчет теплообменных аппаратов
3.1.1 Расчет кипятильника (куба – испарителя)
Кипятильники ректификационных колонн непрерывного действия по устройству сходны с кипятильниками выпарных аппаратов. При небольших поверхностях теплообмена куб колонны обогревается змеевиком или горизонтальной трубчаткой, пересекающей нижнюю часть колонны; при этом греющий пар пропускается по трубам.
При больших поверхностях теплообмена применяют выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.
Кубовый остаток кипит при tW= 76,6 °С. Согласно заданию, при рабс = 2 атм принимаем температуру конденсации греющего пара 119,6 °С по таблице LVI [2, с.548]. Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи.
119,6 → 119,6
76,6 ← 76,6
Следовательно, средняя разность температур:
76,6 = 43 Тепловая нагрузка, рассчитанная по формуле (49) составляет QК = =14,3·105 Вт.
Определяем ориентировочно максимальную величину площади теплообмена. По таблице 4.8 [2, с.172] для данного случая теплообмена (от конденсирующегося пара к кипящей жидкости) принимаем значение минимального коэффициента теплопередачи К
min = 300 Вт/(м2·К).
Тогда максимальная поверхность теплообмена составит:
110,9 м2Предварительно выбираем для расчета выносной кипятильник – кожухотрубчатый теплообменник с трубами диаметром 25×2 мм и длиной 3,0 м.
Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м2·К), определяют по формуле
 | (62) | |
где αконд – коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося водяного пара, Вт/(м2·К); αТ – коэффициент теплоотдачи для кипящего бензола, Вт/(м2·К); ∑ rст – сумма термических сопротивлений слоев стенки, включая слои загрязнений, (м2·К)/Вт, определяемая по формуле:
 | (63) | |
где r1 – термическое сопротивление загрязнений стенки со стороны конденсирующегося водяного пара, (м2·К)/Вт; r2 – термическое сопротивление загрязнений стенки со стороны кипящего бензола, (м2·К)/Вт; δст – толщина стенки, м; λст – теплопроводность материала стенки Вт/(м ·К).По таблице ХХХI [2, с.531] принимаем значения тепловой проводимости загрязнений стенок со стороны конденсирующегося водяного пара и со стороны кубового остатка (почти чистой воды) одинаковыми и равными
=5800 Вт/(м2·К), тогда термические сопротивления составят r1= r2= (м2·К)/Вт. Теплопроводность стали = 46,5 Вт/(м ·К) [2, таблица ХХУІІІ]. Толщина стенки δст = 2 мм = 0,002 м.Таким образом
Коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося водяного пара αконд, Вт/(м2·К), определяем по формуле
 | (64) | |