Проектирование абсорбционной установки для поглощения паров этилового спирта из воздуха водой

Чертеж теплообменника многоходовой.cdw

Ввод концентрированного раствора
Вывод охлаждающей воды
Вывод концентрированного раствора
Ввод охлаждающей воды
Заимствованные изделия
Болт М20 6gx75.88.40 ГОСТ 7798 - 70
Гайка М20 6Н.10.40 ГОСТ 5927 - 70
Шайба 20 65Г ГОСТ 6402-70
Вновь разрабатываемые изделия
Паронит ПОН ГОСТ 481-80
Теплообменник для охлаждения концентрированного раствора
Поверхность теплообмена
Средняя температура концентрированного раствора
Средняя температура охлаждающей воды
Материал основных деталей и узлов теплообменника Сталь 12X18H10T
Размещение труб по вершинам равносторонних треугольников
Аппарат относится к оборудованию
поднадзорному Федеральной
службе по экологическому
технологическому и атомному надзору.
Изготовление и постановку аппарата производить в соответствии
с "Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов
ющих под давлением" (ПБ 03-576-03) и "Правилами проектирования
изготовления и приёмки сосудов и аппаратов стальных сварных
Технические требования по ОСТ26-291-94 ТУ 3612-023-00220302-01
Окраску аппарата произвести согласно нормали ОМТРМ-7312-010-92
Окраска металлических поверхностей".
Техническая характеристика
Технические требования

Технологическая схема холодос исх. смеси.cdw

Агрегатное состояние
Холодильник ГОСТ 15120-79
Аппарат теплообменный ГОСТ 15118-79
Конденсатор ГОСТ 15121-79
Паровой подогреватель ГОСТ 9930-67
Холодильник ГОСТ 9930-67
Вентиль регулирующий
Газодувка для исходной газовой смеси
Насос для поглатителя после абсорбции
Насос для раганерированного поглатителя
Колонна ректификационная
Абсорбер колонный царговый с насыпной насадкой
Техническая характеристика
Установка предназначена для абсорбции этанола из воздуха
производительностью 6.5 кгс по исходной смеси.
Установка работает под атмосферным давлением
Поверхность теплообмена:
холодильника исходной смеси - 27 м
; холодильника жидкости
Абсорбционно-десорбционная
Схема технологического

чертеж теплообменника одноходовой.cdw

Аппарат подлежит действию правил Госгортехнадзора СССР.
испытании и поставке аппарата должны
выполняться требования:
а)ГОСТ 12.2.003-74''Оборудование производственное.Общие
требования безопасности".
б)ОСТ 26-291-79"Сосуды и аппараты стальные сварные.
Технические требования.
Материал деталей аппарата-Сталь Ст20.
Аппарат испытать на прочность и плотность гидравлически в
горизонтальном положении и под давлением 2
Сварные соединения должны соответствовать требованиям
ОСТ 26-01-82-77"Сварка в химическом машиносроении.
Сварные швы в объеме 100% контролировать рентгенопросвечиванием.
Теплообменник для охлаждения концентрированного раствора
Поверхность теплообмена
Средняя температура концентрированного раствора
Средняя температура охлаждающей воды
Материал основных деталей и узлов теплообменника Сталь 12X18H10T
Размещение труб по вершинам равносторонних треугольников
Кафедра процессов и аппаратов
Выход пара+конденсат
Вход исходного раствора
Выход исходного раствора
Схема расположения штуцеров и опор
Штуцеры условно не показаны
Техническая характеристика

расчеты.docx

Абсорбцией называют процесс поглощения газа жидким поглотителем в котором газ растворим в той или иной степени. Обратный процесс – выделение растворенного газа из раствора – носит название десорбции.
В абсорбционных процессах (абсорбция десорбция) участвуют две фазы – жидкая и газовая и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую (при абсорбции) или наоборот из жидкой фазы в газовую (при десорбции). Таким образом абсорбционные процессы являются одним из видов процессов массопередачи.
На практике абсорбции подвергают большей частью не отдельные газы а газовые смеси составные части которых (одна или несколько) могут поглощаться данным поглотителем в заметных количествах. Эти составные части называют абсорбируемыми компонентами или просто компонентами а не поглощаемые составные части – инертным газом.
Жидкая фаза состоит из поглотителя и абсорбируемого компонента. Во многих случаях поглотитель представляет собой раствор активного компонента вступающего в химическую реакцию с абсорбируемым компонентом; при этом вещество в котором растворен активный компонент будем называть растворителем.
Инертный газ и поглотитель являются носителями компонента соответственно в газовой и жидкой фазах. При физической абсорбции инертный газ и поглотитель не расходуются и не участвуют в процессах перехода компонента из одной фазы в другую. При хемосорбции поглотитель может химически взаимодействовать с компонентом.
Абсорбция со значительным выделением теплоты (неизотермическая абсорбция) может проводиться следующими способами:
Без отвода теплоты то есть как адиабатическая абсорбция. Однако при больших значениях дифференциальной теплоты растворения линия равновесия при адиабатической абсорбции быстро поднимается вверх с увеличением содержания поглощаемого компонента в жидкости. Поэтому при необходимости достигнуть более высоких концентраций компонента в поглотителе приходиться прибегать к абсорбции с отводом теплоты. Адиабатическая абсорбция проводиться в насадочных и тарельчатых колоннах.
С рециркуляцией жидкости. При этом осуществляют рециркуляцию жидкости через выносные холодильники. Этот способ применяется для насадочных колонн.
С промежуточным отводом теплоты при многосекционной абсорбции. Аппарат состоит из нескольких секций соединенных последовательно по жидкости и газу при движении фаз как правило в противотоке. При этом секции работают при адиабатических условиях а выделяемая теплота в процессе абсорбции отводится при помощи холодильников установленных между секциями. Этот способ применяют для насадочных колонн.
С внутренним отводом теплоты в аппаратах со ступенчатым контактом фаз посредством охлаждающих элементов установленных внутри ступени. Этот способ применяют для тарельчатых колонн.
Описание технологической схемы абсорбционно-десорбционной установки
Исходная смесь воздуха и метанола подается в холодильник исходной смеси где охлаждается водой до 25 С. После чего снизу подается в абсорбер с этой температурой. Сверху в абсорбер подается вода при той же температуре. Очищенный воздух выводится в атмосферу. Вода с поглощенным этиловым спиртом подается в калорифер где нагревается на 5С регенерированным поглотителем. После калорифера смесь подается в подогреватель смеси перед ректификацией где нагревается до температуры кипения затем в ректификационную колонну. Сверху из ректификационной колонны отводится практически чистый этанол из куба-испарителя забирается практически чистая вода которая поступает в калорифер где охлаждается на 5С а после в холодильник регенерированного поглотителя где охлаждается до 50С. После смешения охлажденной регенерированной и свежей воды вода подается в абсорбер.
Цели и задачи проекта
Для проектного расчета адиабатического абсорбера как правило задаются следующие данные:
объемный расход газовой смеси (при рабочих или нормальных условиях) для очистки или улавливания компонента. Вместо объемного может быть задан массовый или мольный расход газовой смеси;
содержание поглощаемого компонента в исходной смеси;
степень извлечения или содержание поглощаемого компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера;
содержание компонента в инертной поглотителе на входе в абсорбер (при этом часто абсорбент подается чистым то есть не содержит поглощаемого компонента);
давление процесса абсорбции;
температуры газовой смеси и поглотителя на входе в абсорбер.
В процессе проектирования задается (или выбирается) коэффициент избытка поглотителя (в пределах 1.2 – 2.5).
Проектирование абсорбционной установки обычно включает в расчет теплообменников для охлаждения газа и жидкости доя температуры абсорбции и другого вспомогательного оборудования. Для этого должна быть задана температура газовой смеси и жидкости поглотителя на входе в теплообменник.
При выполнении расчетов использовалась система компьютерной алгебры MathCad. При выполнении графической части – система проектирования и черчения КОМПАС-3D V16.1.
1 Материальный и тепловой баланс адиабатической абсорбции
При расчете абсорбции без отвода теплоты можно использовать два приближенных метода расчета: первый – предполагает что вся выделяемая теплота расходуется на нагревание жидкости второй – на нагревание жидкости расходуется только доля теплоты от общего количества. Оба метода применяют при следующих допущениях.
Температуры жидкости и газа на входе в абсорбер для противоточной схемы незначительно отличаются между собой (для инженерных расчетов незначительную разность между температурами газа и жидкости на входе в абсорбер принимают в пределах 10 – 15 К).
Абсорбция осуществляется нелетучим поглотителем и его расход можно считать постоянным.
Газ-носитель не растворяется в поглотителе и его расход можно считать постоянным.
Выделяемая в процессе абсорбции теплота (или ее часть) расходуется на нагревание жидкости.
1.1 Построение равновесной линии
Равновесную линию строят на диаграмме Y-X по изменяющейся температуре жидкости которая определяется для произвольного сечения колонны М-М при постоянной удельной теплоемкости жидкости-поглотителя и малых значениях xi как
где – температура жидкости в произвольном сечении М-М 0С;
– начальная температура жидкости 0С;
– дифференциальная теплота растворения соответствующая концентрации поглощаемого компонента в жидкости в сечении М-М Джкмоль вещества;
– концентрация поглощаемого компонента в жидкости для произвольного сечения колонны М-М относительные мольные концентрации;
– начальная относительная мольная концентрация поглощаемого компонента в жидкости;
– теплоемкость жидкости-поглотителя Дж(кмоль*К).
Проиллюстрируем расчет на примере x = 005 (5%).
где Фx=5% = 72*106 Джкмоль – дифференциальная теплота смешения этилового
спирта и воды при температуре 25 0С; r = 419*106 Джкмоль – удельная теплота парообразования в тех же условиях.
где с Xн = 0 – в абсорбер подается чистая вода.
где p = 105 Па – атмосферное давление
Для остальных концентраций делаем аналогичные расчеты и сводим результаты в таблицу 1.
Таблица 1 – Результаты расчета равновесных концентраций этанола в воздухе
Равновесная кривая в системе воздух – вода – этиловый спирт при начальной температуре воды 25 0С.
1.2 Расчет количества поглощаемого компонента
Определяем количество поглощаемого компонента в единицу времени (М кмольс) для этого находим мольную массу газовой смеси (m) и мольный расход газовой смеси (Gсм) и мольный расход воздуха (инертного поглотителя) (G).
где mэт = 46 кгкмоль – мольная масса этилового спирта; mвоз = 29 кгкмоль – мольная масса воздуха
Далее рассчитываем относительную мольную долю спирта в воздухе на входе (Yн) и выходе (Yк) в абсорбер:
1.3 Определение теоретически минимального расхода воды
По рисунку определяем относительную мольную концентрацию спирта в воде равновесную с относительной мольной долей спирта в исходной смеси (). Теоретически минимальный расход воды (Lмин) при этом будет равен:
1.4 Определение рабочего расхода воды и конечной концентрации спирта в воде
Определим расход воды L кмольс по соотношению:
Конечную концентрацию спирта в воде (Xк) найдем из уравнения:
Для дальнейших расчетов переведем относительную мольную долю спирта в воде в мольную долю (xк):
1.5 Построение рабочей линии
Уравнение рабочей линии представлено данной формулой:
I = 3.657 – тангенс угла наклона рабочей линии или удельный расход жидкой фазы кмолькмоль.
Равновесная и рабочая линии в системе воздух – вода – этиловый спирт при начальной температуре воды 25 0С.
1.6 Расчет конечной температуры жидкости и количества выделяющегося тепла
По таблице 1 методом линейной интерполяции определяем конечную температуру жидкости (к = 58.9 0С при Xк = 0.052).
Количество выделившегося тепла определим как:
1.7 Определение массового расхода воздуха и воды
Для гидравлического расчета насадочной колонны необходимо знать расходы и свойства жидкой и газовой фаз в случае малых концентраций поглощаемого компонента можно использовать для расчета расходы и свойства носителя и поглотителя.
2 Гидравлический расчет
Выбираемая для расчета насадка должна соответствовать следующим требованиям: должна быть инертна к веществам участвующим в процессе то есть не вступать в химические реакции с водой воздухом и этанолом и нам должны быть известны геометрические и физические параметры насадки. Этим условиям удовлетворяют керамические кольца Рашига 50×50×5. Определим средние по колонне вязкость () и плотность () воды при ее средней температуре ().
При найденной температуре .
Плотность воздуха определим по уравнению Менделеева-Клайперона.
Из таблицы возьмем удельную поверхность а = 875 м2м3 и = 0.785 м3м3 номинальный размер насадки d = 0.035 м.
2.1 Определение скорости газа и диаметра колонны
В насадочных колоннах при противотоке газа и жидкости в зависимости от скоростей потоков наблюдаются три различных гидродинамических режима: пленочный подвисания и эмульгирования (захлебывания).
Зависимость для абсорбции по определению скорости газа в переходных точках имеет следующий вид:
где wпр – предельная скорость газа мс; а – удельная поверхность насадки м2м3;
g – ускорение свободного падения мс2;
- свободный объем насадки м3м3;
– массовые расходы жидкости и газа кгс;
А В – коэффициенты значения которых для точки захлебывания приведены ниже.
Для колец Рашинга (навалом) коэффициенты равны А = -0073 В = 175
где k – коэффициент зависящий от выбранного режима работы колонны.
В случае абсорбции хорошо растворимых газов k = 0.8.
где Vy – объемный расход газа м3с;
w – рабочая скорость газа мс
Выберем ближайший стандартный диаметр Dст = 1.8 м и проверим выбор по гидродинамическому режиму работы насадочной колонны гидравлическому сопротивлению насадки и степени смоченности насадки. Вначале определим скорость газа в колонне при стандартном диаметре.
Определим критерий Фруда для газа и критерий Рейнольдса (условный) необходимые для использования графической зависимости Эдулджи.
где d – номинальный размер насадки выбранного типа: для колец d равен наружному диаметру м;
ρy – плотность газа кгм3.
Далее необходимо рассчитать комплексы Y и X:
где С – константа зависящая от типа насадки для колец Рашига (навалом) С = 1;
ρводы ρ0 – плотности воды и воздуха при давлении 760 мм рт. ст. и 20 0С кгм3;
Vx Vy – объемные расходы жидкости и газа м3с.
Нанесем на график Эдулджи точку с координатами Y-X (точка 1).
Точке 1 соответствует сопротивление метра насадки равное больше 1800 Пам что много больше допустимого для данного типа колонны.
Увеличив диаметр колонны до 2.4 м получим точку 2 которая удовлетворяет требованиям. Продолжим расчет для диаметра 2.4 м.
2.2 Расчет плотности орошения и доли активной поверхности насадки
Плотность орошения (U м3(м2*с)) определяется по зависимости:
Желательно чтобы полученное значение находилось в пределах 0.002 – 0.005 м3(м2*с). Большие значения характерны для нерегулярных насадок. При малой плотности орошения аппарат работает неэффективно из-за плохой смоченности насадки. В этом случае следует использовать более крупную насадку или отказаться от применения насадочной колонны.
Полученное значение плотности несколько меньше рекомендованного но на практике обычно весьма трудно подобрать доступную и дешевую насадку удовлетворяющую всем условиям.
Долю активной поверхности насадки () участвующую в массопереносе находят по соотношению:
где p q – постоянные зависящие от типа и размера насадки.
Для колец Рашига 50 мм: p = 0.667×10-5 и q = 0.012.
3 Расчет высоты колонны
3.1 Расчет высоты насадки через общее число единиц переноса и общую высоту единицы переноса по газовой или по жидкой фазе
Расчет высоты насадки сделаем через общее число единиц переноса и общую высоту единицы переноса по газовой фазе. Для этого нужно найти частные высоты единиц переноса по фазам hy и hx. Определим входящие в них параметры. Число Рейнольдса для газовой фазы:
Где = 18.35*10-6 Па*с – вязкость воздуха при 25 0С
Коэффициент молекулярной диффузии этанола в воздухе () определяем как:
где vвоз = 29.9 м3кмоль vэт = 59.2 м3кмоль – мольные объемы воздуха и этанола.
Диффузионный критерий Прандтля () для газовой фазы:
Частную высоту единицы переноса по газовой фазе () определим как:
– эквивалентный диаметр насадки м.
Коэффициенты c m и n зависят от типа и размера насадки а также от числа Рейнольдса по газовой фазе: для колец Рашига навалом (10 15 20 25 50 мм) в пределах = 10-104 с = 0.407 m = 0.655 n = 0.33.
Для нахождения частной высоты единицы переноса по жидкой фазе также необходимо найти число Рейнольдса ()
Коэффициент молекулярной диффузии этанола в воде () при 20 0С определяем как:
где А В – численные коэффициенты; mводы = 18 кгкмоль – мольная масса воды; vводы = 18.2 м3кмоль – мольный объем воды.
Коэффициент молекулярной диффузии этанола в воде при рабочей температуре () рассчитаем по формуле:
где b – коэффициент определяемый как:
ρx20 = 1000 кгм3 – плотность воды при 20 0С
Критерий Прандтля () для жидкой фазы равен:
Определим приведенную толщину пленки жидкости:
Коэффициенты c m и n зависят от типа и размера насадки а также от числа Рейнольдса по жидкой фазе: для колец Рашига навалом (8 – 20 мм) в пределах Re для колец Рашига навалом (25 50 мм) в пределах Rex = 10 – 103 с = 0.0021 m = 0.77 n = 0.5.
myx = 1.22 I = 3.657 кмолькмоль
Общая высота единицы переноса рассчитывается:
3.2 Определение числа единиц переноса
Общее число единиц переноса определяем по соотношениям:
Найдем численные значения функции . Для этого в рабочем диапазоне рабочих концентраций X (относительная мольная доля этанола в воде) в расчете от Xн = 0 до Xк = 0.052 возьмем 7 значений и определим для них равновесную относительную мольную долю этанола в воздухе Y* по таблице 1 и рабочую относительную мольную долю этанола в воздухе Y по уравнению рабочей линии. Получим численное значение интеграла .
Далее представлен расчет с применением Mathcad.
Y – равновесная концентрация а Yri – рабочая концентрация.
3.3 Определение высоты и гидравлического сопротивления насадки
Общее гидравлическое сопротивление слоя насадки рассчитаем по формуле:
где – гидравлическое сопротивление колонны Па; – гидравлическое сопротивление одного метра насадки определяемое по графику Эдулджи Пам.
Определение общей высоты насадки колонны производится следующим образом: находится число слоев насадки (число секций) n:
где H – общая высота насадки м; z – высота слоя насадки одной секции м.
Затем рассчитывается общая высота колонны по формуле:
где – высота колонны м; – высота промежутков между секциями ; и соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой м.
4 Материальный баланс ректификационной колоны. Рабочие линии
Простая полная колонна имеет один сырьевой поток два потока продуктов один теплопровод и один теплосъем на концах аппарата. В таком аппарате сырье подается в среднюю часть колонны дистиллят обогащенный легколетучим компонентом отбирается сверху а кубовый остаток обогащенный труднолетучим компонентом – снизу колонны.
Уравнения материального баланса имеют следующий вид:
где – массовые расходы питания дистиллята и кубового остатка кгс;
– мольные расходы питания дистиллята и кубового остатка кмольс;
– содержание легколетучего (низкокипящего) компонента в питании дистилляте и кубовом остатке массовые доли;
- содержание легколетучего (низкокипящего) компонента в питании дистилляте и кубовом остатке мольные доли.
Молекулярную массу бинарной смеси определяют по соотношению:
где МА – молекулярная масса легколетучего компонента кгкмоль;
xA – содержание легколетучего компонента в бинарной смеси мольная доля.
Определяем соответствующие мольные доли:
Находим соответствующие молекулярные массы и определяем мольные доли питания дистиллята и кубового остатка:
Таблица 2 – Составы и расходы бинарной смеси
Средняя молекулярная масса кгкмоль
мольный мольная доля
массовый массовая доля
– столько нужно свежего поглотителя.
Методом интерполяции находим соответствующие температуры кипения:
Находим относительный мольный расход питания:
Для нахождения рабочих линий необходимо определить флегмовое число где – расход флегмы кмольс.
где – минимальное число флегмы.
- мольная доля легколетучего компонента в паре равновесном с жидкостью питания.
Интерполяцией определяем при = 0.05 равновесную концентрацию легколетучего компонента в паре = 0.335.
Уравнения рабочих линий находим по соотношениям:
Для верхней части колонны:
Для нижней части колонны:
5 Тепловой баланс колонны
Расход теплоты в кубе-испарителе простой полной колонны при использовании насыщенного водяного пара (или горячей воды) определяется по соотношению теплового баланса для колонны:
где – расход теплоты получаемой кипящей жидкостью в кубе колонны (кипятильнике) при конденсации насыщенного водяного пара (от горячей воды) кВт;
– расход теплоты отдаваемой конденсирующимся паром воде в дефлегматоре кВт;
– расход теплоты с отводимым дистиллятом кВт;
– расход теплоты с отводимым кубовым остатком кВт;
– расход теплоты с подводимым сырьем (питанием) кВт;
– тепловые потери колонны в окружающую среду кВт.
В случае использования греющего пара:
где – расход насыщенного водяного пара кгс;
– удельная энтальпия греющего пара кДжкг;
– удельная энтальпия конденсата кДжкг;
– удельная теплота конденсации кДжкг.
Расход теплоты отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре определяют по соотношению:
где – удельная теплота конденсации паров дистиллята кДжкг.
Удельную теплоту конденсации паров дистиллята рассчитывают по формуле аддитивности:
где – удельные теплоты конденсации паров веществ А (легколетучий компонент) и В (труднолетучий компонент) при температуре кипения дистиллята
– массовая доля легколетучего компонента в парах дистиллята (при использовании дефлегматора ).
Удельные теплоты конденсации этанола и воды при температуре = 78.5 0C:
= 853.3 кДжкг = 2314 кДжкг.
Удельные теплоемкости определяют по формуле аддитивности:
где – удельные теплоемкости летучего компонента А и труднолетучего компонента В кДж(кг*К);
– массовая доля легколетучего компонента А в смеси;
Удельные теплоемкости дистиллята питания и кубового остатка:
при = 78.5 0C: = 3.2 кДж(кг*К) = 4.19 кДж(кг*К);
при = 90.6 0C: = 3.38 кДж(кг*К) = 4.21 кДж(кг*К);
при = 98.5 0C: = 3.49 кДж(кг*К) = 4.218 кДж(кг*К).
= 1.05× (5237 + 1.555×3.29×78.5 + 11.288×4.21×98.5 – 12.843×4.1×90.6) = 5826 кВт
6 Ориентировочный расчет холодильника жидкости поглотителя
Определяем среднюю разность температур в теплообменнике и средние температуры раствора и воды.
Начальная температура = 93.5 0С конечная - = 25 0С.
Начальная и конечная температура охлаждающей воды: = 15 0С = 40 0С.
Так как концентрация спирта очень мала будем считать охлаждение чистой воды.
Выбираем противоточное направление течения теплоносителей при этом:
где – большая разность температур;
– меньшая разность температур;
– средняя разность температур.
Температура охлаждающей воды меняется на меньшее число градусов следовательно ее среднюю температуру определяем как среднее арифметическое:
где – средняя температура охлаждающей воды.
Среднюю температуру охлаждаемой воды рассчитываем как:
Определяем количество тепла передаваемого в холодильнике от раствора к воде.
где – теплоемкость охлаждаемой воды при ее средней температуре
Определяем массовый расход воды необходимый для охлаждения жидкости.
Теплоемкость воды = 4176 Джкг*К при ее средней температуре ().
Расход воды находим следующим образом:
где – расход воды кгс
Определяем ориентировочную площадь поверхности теплообмена и площади проходных сечений.
Оценку площади поверхности теплообмена выполняем с использованием приближенного значения коэффициента теплопередачи по практическим данным. Для водяного холодильника примем Кориент = 1200 Втм2*К. Ориентировочная площадь поверхности теплообмена рассчитываем как:
где – ориентировочная площадь поверхности теплообмена м2.
Оценку площадей проходных сечений производим по рекомендуемым скоростям течения маловязких жидкостей примем скорость для раствора Ww = 0.174 мс для воды Wв = 0.285 мс.
Проходное сечение находим как:
где – площадь проходного сечения для охлаждаемой воды м2
где – плотность охлаждаемой воды при ее средней температуре кгм3
Плотность воды = 994.85 кгм3 при ее средней температуре (.
Проходное сечение для охлаждающей воды рассчитываем как:
где – площадь проходного сечения для воды м2.
По найденным данным: ориентировочной площади поверхности теплообменника () и проходным сечениям для охлаждаемой и охлаждающей воды ( и ) выбираем одноходовой теплообменный аппарат со следующими параметрами: диаметр труб 20×2 мм число труб n = 389 числом рядов труб k = 21 диаметр кожуха 600 мм площадь проходного сечения трубного пространства 7.8*10-2 м2 площадь проходного сечения межтрубного пространства 6.6*10-2 м2 материал - сталь.
Охлаждающую воду направляем в трубы охлаждаемую в межтрубное пространство.
Скорость хладоносителя определяем как:
где – площадь проходного сечения для хладоносителя.
Скорость охлаждаемой воды рассчитываем аналогично:
где – площадь проходного сечения для воды.
Полученные скорости не выходят за допустимые пределы.
Для оценки режимов течения воды и раствора необходимо определить динамические коэффициенты вязкости.
Динамический коэффициент вязкости воды = 6.88 Па*с при ее средней температуре.
Критерий Рейнольдса в межтрубном пространстве:
где - критерий Рейнольдса для охлаждаемой воды;
где – эквивалентный диаметр межтрубного пространства
где – динамический коэффициент вязкости воды при ее средней температуре
Критерий Рейнольдса для воды в трубном пространстве:
где – эквивалентный диаметр трубного пространства
Рассчитанные значения критерия Рейнольдса для раствора и для воды больше 10000 следовательно режим течения теплоносителей в выбранном теплообменнике – турбулентный.
7 Подробный расчет холодильника
где – критерий Нуссельта;
a – искомый коэффициент теплоотдачи Вт(м2*К);
– коэффициент теплопроводности определяемый при средней температуре теплоносителя;
– критерий Прандтля параметры теплоносителя находим при средней температуре теплоносителя;
– критерий Прандтля для которого параметры теплоносителя определяем при средней температуре стенки.
Зная теплопроводность вязкость и теплоемкость при средней температуре можно определить критерий Прандтля для теплоносителя.
где – критерий Прандтля для раствора.
где – коэффициент теплопроводности теплоносителя при средней температуре
Аналогично рассчитываем критерий Прандтля для средней температуре воды:
– теплопроводность воды при средней температуре ().
Как было показано выше задачу определения коэффициента теплоотдачи решается методом последовательных приближений. Для этого соотношение приводят к виду:
Для теплоносителя коэффициент Ар будет равен:
Для хладоносителя коэффициент Ав будет равен:
Далее находим термические сопротивления загрязнений и вычисляем термическое сопротивление разделяющей теплоносители стенки и суммарное сопротивление :
– термическое сопротивление стенки со стороны теплоносителя;
– термическое сопротивление стенки со стороны хладоносителя;
– толщина стенки теплообменной трубы;
– теплопроводность стали.
В первом приближении температуру стенки со стороны раствора можно принять = 55 0C со стороны воды = 45 0C. Затем находим вязкость теплоемкость и теплопроводность для теплоносителя и хладоносителя при температурах стенки.
Далее определяем критерий Прандтля при температурах стенок для теплоносителя и хладоносителя.
где – критерий Прандтля для раствора при температуре стенки.
– теплоемкость теплоносителя при средней температуре Дж(кг×К)
– динамический коэффициент вязкости теплоносителя при средней температуре Па×с
– теплопроводность теплоносителя при средней температуре Вт(м×К)
где критерий Прандтля для хладоносителя при температуре стенки;
– теплоемкость хладоносителя при температуре стенки ( = 45 0C);
– динамический коэффициент вязкости хладоносителя при температуре стенки.
– теплопроводность хладоносителя при температуре стенки.
Определяем коэффициенты теплоотдачи для теплоносителя и хладоносителя.
где – коэффициент теплоотдачи теплоносителя Вт(м2*К).
где – коэффициент теплоотдачи хладоносителя Вт(м2*К).
Затем определяем коэффициент теплопередачи:
где K – коэффициент теплопередачи Вт(м2*К).
Далее находим поверхностные плотности тепловых потоков:
где – поверхностная плотность теплового потока от теплоносителя к стенке Втм2.
где – поверхностная плотность теплового потока от стенки к хладоносителю Втм2.
где q – поверхностная плотность теплового потока от теплоносителя к хладоносителю Втм2.
Определяем расхождение плотностей тепловых потоков:
Расхождение тепловых потоков более 5 % и необходимо выполнять расчет во втором приближении.
Во втором приближении температура со стороны стенки раствора со стороны воды Далее повторяем расчет находим вязкость теплоемкость и теплопроводность для раствора и воды при температурах стенки.
Далее определяем критерий Прандтля при температурах стенок для теплоносителя и хлаоносителя.
Определяем коэффициенты теплоотдачи для раствора и воды.
Далее находят поверхностные плотности тепловых потоков:
Определяем расхождение тепловых потоков:
Расхождение тепловых потоков около 10 %. Расчет коэффициента теплопередачи оканчиваем и переходим к окончательному определению площади поверхности теплообмена.
где – площадь поверхности теплообмена м2. Далее по принятым проходным сечениям и полученной поверхности теплопередачи делаем окончательный выбор теплообменника при этом запас по площади поверхности теплообмена должен быть не менее 15 % чтобы предусмотреть возможные колебания в значениях расходов и температур теплоносителей а также тепловой нагрузки.
По найденным данным:
Одноходовой теплообменный аппарат ТК с трубами 20×2 мм
Диаметр кожуха 600 мм
Поверхность теплообмена 147 м2
Проходное сечение трубного пространства 7.8*10-2 м2
Проходное сечение межтрубного пространства 6.6*10-2 м2
Проходное сечение в вырезе перегородки 4.1*10-2 м2
Расстояние между перегородками 300 мм
6 Приближенный расчет холодильника исходной смеси
В холодильнике исходной смеси исходная смесь охлаждается с 85С до 25С.
Охлаждающая вода меняет температуру с 15С до 25С . Из-за большей эффективности противоточной системы используем ее. Мольный расход исходной смеси был определен в пункте 4.1.2 :
Температура воды меняется меньше а значит среднюю температуру воды можно определить как среднее арифметическое: С .
Средняя разность температур:
Средняя температура смеси:
Молярная масса смеси определена в пункте 4.1.2 и равняется:
Плотность при средней температуре смеси:
где р = 101325 – давление при н.у.;
Теплоемкость смеси примем равной теплоемкости чистого воздуха при средней температуре: ссм= 291 кДжкмоль*К
Коэффициент теплопередачи примем равным 70Вт(м2К).
Количество теплоты отдаваемое исходной смеси:
Теплоемкость воды при средней температуре: свод=4183 Джкг*К
Определим расход воды:
Определим ориентировочную площадь поверхности:
Выбираем теплообменный аппарат двухходовой с количеством труб 166 и диаметром теплообменных труб 20х2 мм кожуха 400 мм длинной труб 30м. С целью достижения турбулентного режима смесь подается в межтрубное пространство а вода в теплообменные трубы.
Примем ориентировочное значение критерия Рейнольса для жидкости равным 10000.
Вязкость воды при средней температуре 0001004 Па*с;
Плотность 9982 кгм3.
Определим ориентировочную скорость жидкости:
Сечение трубного пространства:
Проходное сечение выбранного теплообменника меньше полученного а значит режим течения жидкости будет турбулентным.
Определим рабочую скорость:
Рабочий критерий Рейнольса:
По результатам расчетов были определены материальные тепловые потоки в схеме абсорбционно-десорбционной установки:
В установку поступает:
864 кгс смеси воздуха и этанола с содержанием этанола 16 % мольн.
37 кгс охлаждающей воды на охлаждение жидкости поглотителя
кгс охлаждающей воды на охлаждение исходной смеси
1287 кгс свежего поглотителя
Из системы отводится:
56 кгс дистиллята с концентрацией этанола 091 мольн. долей
988 кгс очищенного воздуха с концентрацией этанола 0001 отн.мольн.долей
По каталогам выбраны следующие элементы технологической схемы:
Абсорбер колонный насадочный с насыпной насадкой . Диаметром 1.6 м и высотой 7.8 м. Насадка – керамические кольца Рашига 50х 50х5 х мм высота слоя насадки 4 м
Холодильник жидкости – поглотителя - одноходовой теплообменник ТК с трубами 20×2 мм диаметром кожуха 600 мм числом труб 389 поверхностью теплообмена 147 м2 проходными сечениями: трубного пространства 7.8*10-2 м2 межтрубного пространства 6.6*10-2 м2 в вырезе перегородки 4.1*10-2 м2; числом рядов труб 21 расстоянием между перегородками 300 мм.
Холодильник исходной смеси – двухходовой теплообменный аппарат ТН с трубами 20×2 мм диаметром кожуха 400 мм и длиной труб 3 м.
Список использованных источников
Банных О.П. Неизотермическая абсорбция: методические указания к курсовому проектированию О.П. Банных А.И. Волжинский2-е изд. Переработанное - Спб: Спбгти(ту)2013-56с.
Банных О.П. расчет теплообменных аппаратов: методические указания по курсовому проектированию О.П. Банных Е.И. Борисова О.В. Муратов. – СПб.: СПБГТИ(ТУ)2001. – 30 с.
Основные процессы и 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. и дополн. М.: Химия 1991.-496с.
Рамм В.М. Абсорбция газов. Изд. 2-е переработ. И доп. М. «Химия» 1976.
РоманковП.Г. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи): учебное пособие для вузов П.Г. Романков В.Ф. Фролов О.М. Флисюк - СПб.: Химиздат2009. – 554 с.

титул.docx

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
(технический университет)»
Тема: Проектирование абсорбционно-десорбционной установки
(подпись дата) (инициалы фамилия)
(должность) (подпись дата) (инициалы фамилия)
(подпись руководителя)
Аналитический обзор5
Описание технологической схемы абсорбционно-десорбционной установки6
Цели и задачи проекта7
1 Материальный и тепловой баланс абсорбера8
1.1 Построение равновесной линии8
1.2 Расчет количества поглощаемого компонента 10
1.3 Определение теоретически минимального расхода воды 11
1.4 Определение рабочего расхода воды и конечной концентрации спирта в воде 11
1.5 Построение рабочей линии 11
1.6 Расчет конечной температуры жидкости и количества выделившегося тепла 12
1.7 Определение массового расхода воздуха и воды 11
2 Гидравлический расчет абсорбера 12
2.1 Определение скорости газа и диаметра колонны 12
2.2 Расчет плотности орошения и доли активной поверхности насадки 15
3 Расчет высоты колонны абсорбера 15
3.1 Расчет высоты колонны через общее число единиц переноса и общую высоту единицы переноса по газовой или жидкой фазе 15
3.2 Определение числа единиц переноса 17
3.3 Определение высоты и гидравлического сопротивления насадки 18
3.4 Высота колонны 18
4 Материальный баланс ректификационной колонны. Рабочая линия 19
5 Тепловой баланс ректификационной колонны 22
6 Ориентировочный расчет холодильника жидкости поглотителя 30
7 Подробный расчет холодильника жидкости поглотителя 26
8 Приближенный расчет холодильника исходной смеси 32
Список использованных источников 34