Расчёт дефлегматора конденсации смеси паров бензола и толуола

Анотация.doc

В данном курсовом проекте приведён вариант расчёта дефлегматора конденсации смеси паров бензола и толуола. В работе приведена и описана технологическая схема процесса конденсации смеси паров. К работе прилагается чертёж общего вида дефлегматора особенностью которого является противоточное движение пара и конденсата с их раздельным выходом.

титульник.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«Дефлегматор противоточный горизонтальный
с конденсацией флегмы»
студент группы ХС-105

дефлегматор.cdw

Поверхность теплообмена
Аппарат подлежит действию правил Госгортехнадзора РФ.
испытании и постановке аппарата должны
выполнятся требования:
а) ГОСТ 12.2.003-74 "Оборудование производственное.
Общие требования безопасности";
б) ГОСТ 26-291-73 "Сосуды и аппараты стальные сварные.
Технические требования".
Материал деталей аппарата
соприкасающихся с бензолом
сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72
остальных-ст 3 ГОСТ 380-41.
Материал прокладок-паронит ПОН-1 ГОСТ 481-80.
Аппарат испытать на прочность и плотность гидравличуски
в горизонтальном положении под давлением:
а) Междутрубное пространство-03 МПа;
б) Трубное пространство-0
Сварные соединения должны соответствовать требованиям
ГОСТ 26-01-82-77 "Сварка в химическом машиностроении".
Сварные швы в объеме 100% контролировать
рентгенопросвечиванием.
Размеры для справок.
Чертеж разработан на основании ГОСТ 15122-79.
ВлГУ.КП.240304.827.16.
Соединение с атмосферой
Технологические требования
ВлГУ. КП.240304.827.16.ВО
Схема расположения штуцеров и опор

схема.cdw

ВлГУ.КП.240304.827.22.Т3
Технологическая схема
Дефлегмация в трех корпусах
Вентиль регулировочный
Условное обозначение
Вода оборотная (подача)
Колонна ректификационная
ВлГУ.КП.240304.827.22.ТЗ

ПЗ.doc

Описание технологического процесса8
1. Исходные данные 10
2. Свойства конденсируемой паровой смеси и конденсата10
3.Расчет и выбор конденсатора 12
4.Выбор диаметров патрубков 20
Приложение 1. Спецификация
Перенос энергии в виде тепла происходящий между телами имеющими разную температуру называется теплообменом [2]. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур между более нагретым и менее и нагретым телами при наличии которой тепло самопроизвольно в соответствии со вторым законом термодинамики переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами атомами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается а менее нагретого — возрастает.
Тела участвующие в теплообмене называются теплоносителями [2].
Теплопередача [2] - наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов — нагревания охлаждения конденсации паров выпаривания — и имеют большое значение для проведения многих массообменных процессов а также реакционных процессов химической технологии протекающих с подводом или отводом тепла.
Различают три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: теплопроводность конвекцию и тепловое излучение [2].
Расчет теплообменной аппаратуры включает [2]:
Определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата) т.е. количества тепла Q которое должно быть передано за определенное время ( в непрерывно действующих аппаратах за 1 сек или за 1 час в периодически действующих - за одну операцию) от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.
Определение поверхности теплообмена F аппарата обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. Величина поверхности теплообмена определяется скоростью теплопередачи зависящей от механизма передачи тепла - теплопроводностью конвекцией излучением и их сочетанием друг с другом. Поверхность теплообмена находят из основного уравнения теплопередачи.
В химической промышленности широко распространены тепловые процессы - нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров которые проводятся в теплообменных аппаратах (теплообменниках).
Теплообменниками [2] называют аппараты предназначенные для передачи тепла от одних веществ другим. Вещества участвующие в процессе передачи тепла называются теплоносителями. Теплоносители имеющие более высокую температуру чем нагреваемая среда и отдающие тепло принято называть нагревающими агентами а теплоносители с более низкой температурой чем среда от которой они воспринимают тепло -охлаждающими агентами.
В качестве охлаждающих агентов для охлаждения до обыкновенных температур (10-30 °С) применяют в основном воду и воздух.
Конденсация пара может быть осуществлена путем охлаждения пара или путем охлаждения и сжатия одновременно. По способу охлаждения различаю конденсаторы смешения и поверхностные конденсаторы.
В конденсаторах смешения [2] пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой и получаемый конденсат смешивается с последней конденсацию в таких аппаратах обычно проводят в тех случаях когда конденсируемые пары не представляют ценности. При этом для улучшения теплообмена между водой и паром поверхность соприкосновения между ними увеличивают путем распределения воды в паровом пространстве в виде капель струек и т.д.
В поверхностных конденсаторах [2] тепло отнимается от конденсирующего пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на внешних или внутренних поверхностях труб омываемых с другой стороны
водой или воздухом. Таким образом получаемый конденсат и охлаждающий агент отводят из конденсатора раздельно и конденсат если он представляет ценность может быть использован. Так поверхностные конденсаторы зачастую применяют в тех случаях когда сжижение и охлаждение конечного продукта получаемого например в виде перегретого пара является завершающей операцией производственного процесса.
Вместе с тем поверхностные конденсаторы более металлоемки чем конденсаторы смешения а следовательно более дороги и требуют больших расходов охлаждающего агента. Последнее объясняется тем что стенка разделяющая участвующие в теплообмене среды оказывает добавочное термическое сопротивление. Это вызывает необходимость повышения средней разности температур.
В качестве поверхностных конденсаторов наиболее часто применяют трубчатые и оросительные холодильники-конденсаторы.
Описание технологического процесса
На рис. 1. представлена технологическая схема конденсации газопаровой смеси. Паро-газовая смесь из ректификационной колонны подается в конденсатор-дефлегматор (Д1) где происходит конденсация 13 смеси. Из конденсатора дистиллят направляется обратно в колонну на третью тарелку а
Рисунок 1. Технологическая схема:
Д1- Д3 – дефлегматоры; Р – распределитель; Х – холодильник; Е – ёмкость для готового продукта; Н1 и Н2 – насосы ; D1 и D2– дистиллят; ВР1-8 и ВЗ1-9 – регулировочные и запорные вентили; КР – ректификационная колонна; В4 – вода оборотная (подача); В5 – вода оборотная; Т7 – пар; Т8 – конденсат; В5 – вода оборотная; К3 – канализация.
оставшейся смеси направляются в следующий конденсатор-дефлегматор (Д2) для конденсации еще 13 смеси. Полученный дистиллят направляется уже на вторую тарелку. Оставшуюся 13 смеси направляют в третий конденсатор-дефлегматор (Д3) где она уже полностью конденсируется и полученный дистиллят подается в распределитель (Р) откуда одна его часть направляется обратно в колонну уже на первую тарелку а вторая часть направляется в холодильник (X) для дальнейшего охлаждения. Охлажденный дистиллят из холодильника подается в емкость готового продукта (Е). Для конденсации паро-газовой смеси и охлаждения конденсата используется холодная вода (В4) подаваемая с помощью центробежного насоса (Н1). Вода из конденсатора и холодильника (В5) сливается в канализацию (КЗ). Регулирование подачи и слива воды осуществляется при помощи запорных и регулировочных вентилей (ВЗ1-9 и ВР1-8).
Расход паров ( GD) 5000 кгч или 139 кгс;
Охлаждаемая смесь паров: бензол-толуол;
Массовая концентрация легколетучего компонента в дистилляте:
Массовая концентрация легколетучего компонента в кубовой жидкости: 2%;
Рабочее число флегмы: R=18951;
Начальная температура охлаждающей воды 18 0С;
Конечная температура охлаждающей воды 35 0С.
2. Свойства конденсируемой паровой смеси и конденсата
Расход тепла отдаваемого охлаждающей воде в дефлегматоре конденсаторе находим по уравнению:
где QД – расход тепла Вт;
R – рабочее число флегмы;
rD – удельная теплота парообразования дистиллята.
Удельная теплота рассчитывается по уравнению:
где – массовая концентрация легколетучего компонента в дистилляте;
rб и rт – удельные теплоты парообразования бензола и толуола при температуре пара в дистилляте Джкг.
Переводим массовую концентрацию дистиллята в мольную по формуле:
где Mб – молекулярная масса бензола кгмоль;
Мт - молекулярная масса толуола кгмоль;
xD – массовая концентрация летучего компонента.
Методом интерполирования определим температуру пара в дистилляте при xD =0983 (табл. 1):
Зависимость от температуры мольных долей бензола в жидкости и в равновесном с ней паре [1]
Определяем удельные теплоты парообразования бензола и толуола при 8087 0С (табл. 2)
Удельные теплоты парообразования бензола и толуола [1]
Температура конденсации бензола под атмосферным давлением при его температуре 80870С. Температурная схема конденсатора:
Так как Δt1 Δt22 (62874587=137) то средняя разность температур:
Средняя температура охлаждающей воды:
tср=tконд – Δtср=8087 – 5437=265 0С
3. Расчет и выбор конденсатора
Тепловая нагрузка (расход передаваемого тепла):
где r – теплота конденсации бензола при 8087 0С
Расход охлаждающей воды:
где сВ – удельная теплоемкость воды при 265 0С (табл. 3)
Физические свойства воды (на линии насыщения) [1]
Выбираем трубы теплообменника диаметром 25×2 мм [3]. Задаемся значением критерия Re для воды Re=15000 (развитое турбулентное течение) и определяем требуемое число труб из выражений:
где – динамический коэффициент вязкости воды при 265 0С (табл. 4)
Динамические коэффициенты вязкости воды [1]
Динамический коэффициент вязкости мПа·с
Обращаясь к таблице XXXIV [1] видим что ближайшее число труб у шестиходового теплообменника – n=34·6=204
Что бы проверить правильность выбора теплообменника оценим ориентировочно величину требуемой поверхности теплопередачи. Ориентировочное среднее значение коэффициента теплопередачи в конденсаторах паров органических веществ К=550 Вт(м2·К) [1]. Тогда требуемая площадь поверхности конденсатора:
Определяем коэффициент теплоотдачи для воды αВ.
Значение критерия Re:
Развитое турбулентное течение.
Воспользуемся номограммой [1] полагая так как температура жидкости и стенки не сильно отличаются. Значения критерия Pr для воды 265 0С находим по таблице (табл. 5)
По номограмме [1] находим Nu=98.
Необходимо проверить значение поправочного коэффициента l который учитывает влияние на коэффициент теплоотдачи отношение длины трубы к её диаметру
где L – длина трубы;
При таком соотношении и значении Re=158367 l=1 значит коэффициент Nu выбран правильно.
где λ – коэффициент теплопроводности воды при 265 0С (табл. 6)
Рассчитываем коэффициент теплоотдачи для конденсирующегося пара бензола в горизонтальном теплообменнике αб по уравнению:
где – усредненный для всего пучка коэффициент зависящий от расположения труб в пучке и от числа труб n в каждом вертикальном ряду.
Что бы определить значение находим ближайшее стандартное общее число труб (без учета сегментов) – 217 труб и определяем число вертикальных рядов – 8 [1]. Для найденных данных – 071 при шахматном расположении труб [1].
Значения физико-химических констант жидкого бензола берем при температуре конденсации 8087 0С:
λ = 01387 Вт(м·К) – определяем по номограмме [1];
= 0315·10-3 Па·с – определяем по номограмме [1];
ρ = 8143 кгм3 – определяем по таблице 7
Физико-химические свойства жидкого бензола в зависимости от температуры [1]
Термическое сопротивление стальной стенки трубы:
где λст=465 Вт(м·К) – коэффициент теплопроводности стали [1].
Тепловая проводимость загрязнения со стороны бензола [1]:
Тепловая проводимость загрязнения со стороны воды [1]:
Суммарное термическое сопротивление стенки и загрязнений:
Коэффициент теплопередачи К считаем как для плоской стенки поскольку отношение больше 05:
Требуемая площадь поверхности конденсатора:
Близкую поверхность (31 м2) имеет теплообменник с длинной труб Н=2 м и с внутренним диаметром кожуха D=600мм.
Определяем температуру стенки с обеих сторон:
Физико-химические константы жидкого бензола при 646 0С:
λ = 0137 Вт(м·К) – определяем по номограмме [1];
= 038·10-3 Па·с – определяем по номограмме [1];
ρ = 83117 кгм3 – определяем по таблице 8
Коэффициент теплоотдачи для конденсирующегося пара бензола рассчитаем по уравнению:
где r – удельная теплота парообразования бензола при 646 0С (табл. 9)
Удельная теплота парообразования бензола [1]
Коэффициент теплоотдачи для воды с учетом множителя равного где 51 – критерий Prст для воды при температуре 37 0С [1]. Таким образом
Коэффициент теплопередачи:
Требуемая поверхность теплообмена:
где ΔS – разность между выбранной и рассчитанной площадью м2
Sр – рассчитанная площадь м2.
4 Выбор диаметров патрубков
Рассчитаем диаметр патрубка для поступающего пара:
Так как содержание толуола в паре довольно мало для расчета диаметра патрубка принимаем плотность пара равной плотности бензола при t=8087 0С
Скорость пара при атмосферном давлении принимаем равной 13мс [1].
Рассчитаем площадь сечения патрубка:
Принимаем ближайшее стандартное значение диаметра патрубка 426×11 [3] внутренний диаметр 404 мм.
Диаметр патрубка для выходящего пара:
Так как в дефлегматоре конденсируется 13 пара расчет диаметра патрубка выходящего пара ведется для оставшейся части пара (23):
Принимаем ближайшее стандартное значение диаметра патрубка 325×12 [3] внутренний диаметр 301 мм.
Расчет диаметра патрубка для флегмы:
Так как в дефлегматоре конденсируется только 13 пара при расчете диаметра патрубка для стекающей флегмы необходимо учитывать коэффициент 13:
Плотность толуола в флегме определяем методом интерполирования пользуясь табличными данными [1]:
Скорость жидкости стекающей самотеком принимаем равной 03 мс [1].
Площадь сечения патрубка:
Принимаем ближайшее стандартное значение диаметра патрубка 89×4 [3] внутренний диаметр 81 мм.
В результате произведённых расчётов выбрано стандартное оборудование – дефлегматор для конденсации смеси паров бензола и толуола.
Выбор стандартного оборудования позволяет сократить время на приобретение запасных частей взамен тем частям оборудования которые вышли из строя в результате внезапной поломки или в результате их износа.
Также экономически выгоднее приобретение запасных частей для стандартного оборудования нежели затрачивать средства на заказ нестандартных частей.
Выбранный стандартный дефлегматор с площадью поверхности теплообмена равной 31 м2 (рассчитанная составляет 198 м2) подходит для проведения процесса конденсации смеси паров бензола и толуола согласно заданию но с допустимой перегрузкой (2%). Если бы был выбран аппарат с большей поверхностью теплообмена то он работал бы неэффективно из-за не использования всей площади поверхности и возникающих при этом энергетических затратах.
Павлов К.Ф. Романков П.Г. Носков А.Л. Примеры и задачи по курсу
процессов и аппаратов химической технологии С-Пт. :Химия.- 1987. - 576 с.
Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической
технологии. - М.: Химия. - 1973. 754 с.
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по
проектированию. Под ред. Дытнерского Ю.И. М. : Химия. - 1991. - 496 с.