Розрахунок холодильнику дистиляту для ректифікаційної установки безперервної дії

Хіміко – технологічний технікум

Дніпродзержинського Державного технічного університету

 

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

 

до розрахункової частини курсового проекту з предмету “Процесі і апараті хімічних виробництв”

з теми

Розрахунок холодильнику дистиляту для ректифікаційної установки безперервної дії

Вихідні дані

 

Продуктивність установки з вихідної суміші

ацетон - вода, кг/год F = 7200
Масові частки НК:

- у вихідної суміші = 0,55

- у дистиляті = 0,98

- у остатку = 0,02
Зміна температури води, яка охолоджує, ^оС = 17

Кінцева температура дистиляту, ^оС t = 25

 

 

3. РОЗРАХУНКИ

 

3.1 Матеріальний розрахунок установки.

 

Матеріальний баланс у загальному вигляді:

 

 

Матеріальний баланс за НК:

 

 

Рішаючи спільно ці рівняння маємо:

 

 

, тоді

 

 

3.2 Технологічний розрахунок апарату
3.2.1 Вибір конструкції, влаштування та принцип дії апарату,

який проектується

 

Всі теплообмінні апарати по способу передачі теплоти діляться на наступні типи:

поверхові, у котрих теплоносії поділені стінкою, причому теплота передається скрізь поверхню цієї стінки.

регенеративні, в котрих процес передачі теплоти від гарячого теплоносія до холодного розділяється часом на два періоду і утворюється при переметному нагріванні і охолодженні насадки.

змішувальні, в котрих теплообмін здійснюється при безпосередньому зіткненні теплоносіїв.

Найбільш частіше використовуються поверхові теплообмінники, так як вони дозволяють охолоджувати чисти продукти, мають високу інтенсивність процесу та потужність.

Поверхові теплообмінники бувають:

- трубчаті;

- пластинчаті;

- спіральні;

- з поверхнею, що утворена стінкою апарату;

- з оребреною поверхнею теплообміну.

 

Трубчаті в свою чергу поділяють на кожухотрубчаті, „труба в трубі”, зрошувальні, подружні.

В курсовому проекті прийнято трубчатий поверховий теплообмінник типу „ труба в трубі”, так як він має ряд переваг по зрівнянню з іншіми:

- високий коефіцієнт теплопередачі в наслідок великої швидкості обох

теплоносіїв;

- простота виготовлення.

 

Теплообмінники „труба в трубі” включають де кілька розташованих друг над другом елементів, причому кожний елемент складається х двох труб: зовнішньої труби більшого діаметру і концентрично розташованої середині її труби меншого діаметру. Внутрішні труби елементів з’єднані друг з другом послідовно; також зв’язані між собою і зовнішні труби. Для можливості очищення внутрішні труби з’єднають за допомогою калачів.

За рахунок невеликого перетину і цих теплообмінниках легко досягаються високі швидкості теплоносіїв як у трубах, так і у між трубному простору. При значних кількостях теплоносіїв теплообмінник складають з декілька паралельних секцій, які з’єднаються до загальних колекторів.

Недоліками теплообмінників цього типу є:

- громіздкість;

- вони багато коштують та мають велику витрату металу на зовнішні труби, яки не участують в теплообміні;

- важкість очищення між трубного простору.

 

 

3.3.2 Тепловий розрахунок та елементи конструктивного

розрахунку апарату

 

Складемо температурні умови процесу. Відповідно завданню холодний теплоносій, тобто вода, підвищує температуру на 17^оС. Приймаємо початкову температуру води 18^оС, температура кипіння ацетону складає 56^оС

тоді 56 25

35 18

21 7

 

, отже

 

Визначаємо основні теплофізичні властивості дистиляту (ацетону) при його середньої температурі:

- щільність [ 1,с.804]

- в’язкість [ 1,с.806]

- дольова теплоємність [ 1,с.808]

- теплопровідність [ 1,с.810]

 

Визначаємо основні теплофізичні властивості води, що охолоджує при її середньої температурі:

- щільність [ 1,с.804]

- в’язкість [ 1,с.806]

- дольова теплоємність [ 1,с.808]

- теплопровідність [ 1,с.810]

 

Розрахуємо теплове навантаження апарату з формули:

 

[ 1,с.366]

 

 

Витрати води, яка охолоджує складають:

 

Приймаємо режим руху води у апараті встановлений турбулентний, тобто Re = 12000. В трубний простір додаємо воду, що охолоджує, а дистилят - у межтрубний простір. Рівняння для розрахунку критерію Рейнольдса

 

,

та рівняння для розрахунку масових витрат

 

 

Розрахуємо кількість труб у апараті

 

 

Розглядаючи одержані результати, приходимо до висновку, що турбулентний режим можуть забезпечити один теплообмінник типу „ труба у трубі”

 

Визначимо коефіцієнт тепловіддачі із сторони дистиляту.

 

Площа перетину потоку

 

 

Швидкість руху дистиляту

 

 

Еквівалентний діаметр для між трубного простору:

 

 

Критерій Рейнольда для ацетону:

 

, це значення критерію Рейнольда відповідає турбулентному режиму руху. Для стійкого турбулентного режиму руху середовища у кільцевому каналі обираємо розрахункову формулу для критерію Нусельта:

 

[ 1,с.389]

 

де Рr – критерій Прандтля.

 

[ 1,с.384]

 

 

 

З рівняння [ 1,с.384] визначимо коефіцієнт тепловіддачі із сторони дистиляту

 

 

Визначимо коефіцієнт тепловіддачі із сторони води.

 

Швидкість води

 

 

Критерій Рейнольда для води:

 

, це значення критерію Рейнольда відповідає турбулентному режиму руху. Для стійкого турбулентного режиму руху середовища по трубам обираємо розрахункову формулу для критерію Нусельта:

 

[ 1,с.389]

 

Розрахуємо критерій Прандтля для води

 

 

 

 

З рівняння [ 1,с.384] визначимо коефіцієнт тепловіддачі із сторони води

 

 

 

Термічний опір забруднення стінок визначаємо з формули:

 

де Z₁ – опір забруднення із сторони дистиляту, (м² К)/Вт;

Z₂ – опір забруднення із сторони води, (м² К)/Вт;

d_СТ - товщіна стінкі труби, м;

l_СТ - теплопровідність сталі, Вт/(м К), l_СТ = 46,5 Вт/(м К) [ 2,с.512]

 

[ 2,с.514]

 

Коефіцієнт теплопередачі визначаємо з формули:

 

[ 1,с.373]

 

 

 

Поверхню теплопередачі визначаємо з формули:

 

[ 1,с.370]

 

Загальну довжину труб визначаємо з формули

 

 

На підставі розрахунків встановимо п’ять послідовно встановлених холодильників із наступною характеристикою:

Поверхня теплообміну, м 2,86

Кількість паралельних потоків 1

Число труб 1

Довжина труб, м 12

Загальна довжина труб, м 60

 

Запас поверхні теплопередачі складає:

 

%

 

3.3.3 Розрахунок діаметру штуцерів.

 

Приймаємо відповідно рекомендацій 1,с.187 швидкість руху

води 2 м/с; дистиляту 0,3 м/с. Відповідно рівняння масових витрат, діаметр штуцеру визначаємо з формули:

 

Діаметр штуцеру для вводу та виводу води:

 

Встановлюємо перехідної патрубок та приймаємо стандартний штуцер діаметром 76´4 мм.

 

Діаметр штуцеру для вводу та виводу дистиляту:

 

Встановлюємо перехідної патрубок та приймаємо стандартний штуцер діаметром 108´4 мм.

 

 

3.3.4 Розрахунок гідравлічного опору апарату.

Визначимо витрати тиску у трубному просторі на тертя за формулою:

 

 

де l - коефіцієнт тертя;

L – довжина труби, м;

d_екв – еквівалентний діаметр труби, м;

w - швидкість потоку, м/с

 

Для розрахунку приймаємо, що використані стальні труби, які були в експлуатації. Для них абсолютна шорсткість має значення е = 0,15 мм.

[ 1,с.157], тоді d/е = 68 / 0,15 = 453. Для значення Rе = 20995, l = 0,0285

[ 2,с.19].

Па,

 

враховуючі, що встановлюємо п’ять теплообмінників

 

Па

 

3.3.4 Розрахунок насосу для подачі води у теплообмінник.

 

Приймаємо висоту підйому води 15 м, діаметр трубопроводу 32´2,5 мм, загальна довжина трубопроводу 74 м. На лінії встановлено 4 відводу під кутом 90^оС, 4 прямиструменеві вентилі. Загальний коефіцієнт корисної дії насосної установки 0,62. Тиск всмоктування – атмосферний, тиск нагнітання 0,3 МПа

Розраховуємо повний гідравлічний опір сеті за формулою:

 

DР = DР_ск + DР_тр + DР_м.с. + DР_под + DР_доп [2, с.18]

де DР_ск - витрати тиску на створення швидкості потоку на виході з сіті, Па

DР_тр - витрати тиску на подолання опір тертя, Па

DР_м.с. - витрати тиску на подолання місцевого опору, Па

DР_под - витрати тиску на підйом рідини, Па

DР_доп - різниця тиску у просторі всмоктування та нагнітання, Па

 

Розрахуємо швидкість потоку у трубопроводі:

 

 

Розрахуємо витрати тиску на створення швидкості потоку на виході з сіті

 

Па

 

Розрахуємо витрати тиску на подолання опір тертя

 

l = 0,0313

 

Па

 

Розрахуємо витрати тиску на подолання місцевого опору

 

Визначимо коефіцієнти місцевого опору [1, с.158]:

- відвід під кутом 90^о x₁ = 0,14;

- прямиструменевий вентиль x₂ = 1,3;

 

Па

 

Розрахуємо витрати тиску на підйом рідини

 

Па

 

Розрахуємо різницю тиску у просторі всмоктування та нагнітання

 

Па

 

DР = 1473 + 126386 + 8486 +146561 + 200000 = 482906 Па

 

Потужність споживана двигуном насосу визначаємо з формули:

 

 

Встановлену потужність насосу приймаємо на 15 % більш, тобто