Реактификационная установка непрерывного действия для разделения бинарной смеси изопропанол-изобутанол производительностью 10 тонн/час

Скачать работу - Реактификационная установка непрерывного действия для разделения бинарной смеси изопропанол-изобутанол производительностью 10 тонн/час

Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, низкая стоимость аппарата и др.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способностью тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможности защиты от коррозии и т.п. Часто эти качества становятся определяющими при выборе конкретного типа конструкции для использования в каждом конкретном процессе. В нашем случае коррозия незначительна, загрязнений почти нет, жидкости однородны - возможно использование колпачковых тарелок.

Остается расчитать и подобрать нормализованные узлы аппаратуры для изготовления ректификационной колонны, нормализованные теплообменники, стандартную трубную арматуру, емкости и т.д. B3 Описание технологической схемы.

Исходная смесь из емкости Е1 насосом подается сначала в подогреватель исходной смеси, где нагревается до температуры кипения, а затем в колонну где происходит разделение.

Кубовый остаток самотеком поступает в испаритель, а затем в виде пара поступает снова в колонну, под нижнюю тарелку.

Нагрев в подогревателе и испарителе осуществляется насыщенным водяным паром, отводящимся затем в виде конденсата. На тарелках в колонне происходят непрерывные процессы испарения и конденсации, в результате которых и происходит разделение. Смесь с преимущественным содержанием низкокипящего компонента (дистиллят) в виде пара выходит сверху колонны, поступает в дефлегматор, где и охлаждается до полной конденсации. Затем одна часть ее в виде флегмы возвращается в колонну, а другая часть в колличестве 5000 кг/ч поступает в холодильник дистиллята, где охлаждается до 25 °С. После охлаждения дистиллят поступает в емкость Е3, откуда насосом Н4 перекачивается на склад.

Кубовый остаток в колличестве 5000 кг/с насосом Н2 перекачивается в холодильник кубового остатка, где охлаждается до 25°С. После охлаждения кубовый остаток поступает в емкость Е2, откуда насосом Н3 перекачивается на склад.

Емкости исходной смеси и конечных продуктов расчитаны на 2 - 8 часов непрерывной работы. Что составляет объем соответственно 25-100 м 3 для емкости Е1 и 12-50 м 3 для емкостей Е2 и Е3. Охлождение во всех случаях ведется оборотной водой, поступающей с магистрали в трубное пространоство холодильников, а затем в канализацию. B4 Основные физико-химические свойства перерабатываемых веществ Bи получаемых продуктов.

Таблица 1. Зависимость физико-химических свойств от температуры Температура С Параметры 0 20 40 60 80 100 120 Изопропанол Плотность [кг/м3] 801 785 768 752 735 718 700 Вязкость [мПа*с] 4.60 2.39 1.33 3.26 0.80 0.38 0.29 Теплоемкость [Дж/кг*К] 2363 2661 2958 3256 3549 3842 4136 Теплопроводность[Вт/м*К] 0.153 0.151 0.147 0.144 0.141 0.137 0.134 Пов.Натяжение*1000 [н/м] 24.5 22.6 20.9 19.3 17.6 15.7 14.0 Коэффициент объемного расширения*1000 [1/K] 1.01 1.05 1.08 1.12 1.16 1.20 1.27 dHисп [KДж/кг] 774.4 749.3 724.2 699.1 669.8 636.3 602.8 Давление пара [КПа] 1.2 4.3 14.1 38.5 92.3 194.7 372.0 Изобутанол Плотность [кг/м3] 817 803 788 774 759 742 728 Вязкость [мПа*с] 7.0 4.1 2.4 1.48 1.0 0.7 0.5 Теплоемкость [Дж/кг*К] 2053 2346 2640 2933 3268 3561 3855 Теплопроводность[Вт/м*К] 0.144 0.142 0.138 0.135 0.131 0.128 0.125 Пов.Натяжение*1000 [н/м] 26.2 24.6 22.9 21.2 19.5 17.8 16.0 Коэффициент объемного расширения*1000 [1/K] 0.85 0.88 0.91 0.95 0.99 1.05 1.12 dHисп [KДж/кг] 681 664 643 625 604 587 540 Давление пара [КПа] 0.6 2.5 8.0 22.7 60.0 160.0 Данные в таблице из приложений в [2] и [3] и химической энциклопедии Таблица 2 Cистема изопропанол - изобутанол [4] Х Y t Гамма1 Гамма2 0.00 00.00 108.1 4.65 11.20 106.2 1.02 1.00 11.55 25.10 103.4 1.01 1.01 21.85 42.70 99.9 1.02 1.00 23.05 44.10 99.4 1.02 1.01 34.55 58.45 95.8 1.02 1.02 38.70 62.90 94.9 1.01 1.00 44.10 67.70 93.7 1.00 1.00 54.55 75.80 90.9 1.01 1.03 63.80 82.45 88.7 1.02 1.04 74.50 88.75 86.9 1.00 1.01 82.75 92.95 85.4 1.00 1.00 94.85 98.05 83.2 1.01 1.02 100.00 100.00 82.4 B5 Технологический расчет ректификационной колонны непрерывного Bдействия. [1] 5.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число.

Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определяем из материального баланса колонны: F = P + W F*x'(f) = P*x'(p) + W*x'(w) W = F*(x'(p)-x'(f))/(x'(p)-x'(w)) W = 10000*(0.95-0.50)/(0.95-0.05) = 5000 кг/ч или 1.3889 кг/с P = F - W = 10000-5000 = 5000 кг/ч или 1.3889 кг/с Расчет мольных долей компонентов в смеси М1 = 60.096 КГ/КМОЛЬ - изопропанол М2 = 74.123 КГ/КМОЛЬ - изобутанол x(i) = x'(i)/M1/(x'(i)/M1+(1-x'(i))/M2) x(f) = 0.50/60.096/(0.50/60.096+0.50/74.123)=0.552254 x(p) = 0.95/60.096/(0.95/60.096+0.05/74.123)=0.959075 x(w) = 0.05/60.096/(0.05/60.096+0.95/74.123)=0.060959 Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R, его оптимальное значение Rопт можно найти путем технико-экономического расчета, используя приближенные вычисления основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) в = R/Rmin. Для этого находим минимальное произведение N(R+1) пропорциональное объему ректификационной колонны (N - число теоретических тарелок, определяющее высоту колонны, а R+1 - расход паров, и следовательно, сечение колонны). Rmin = (x(p)-y~(f))/((y~(f)-x(f)) Rmin = (0.9592254-0.763054)/(0.763054-0.552254) = 0.93 в R N N(R+1) в R N N(R+1) 1.076 1.0009 16.693 33.40119 1.542 1.4337 10.698 26.03575 1.116 1.0377 15.206 30.98661 1.581 1.4705 10.503 25.94700 1.136 1.0561 14.756 30.34009 1.611 1.4981 10.355 25.86845 1.155 1.0745 14.358 29.78725 1.616 1.5027 10.338 25.85303 1.203 1.1160 13.475 28.51304 1.626 1.5119 10.279 25.82015 1.228 1.1344 13.145 28.05646 1.636 1.5211 10.227 25.78356 1.237 1.1436 12.993 27.85331 1.646 1.5303 10.173 25.74266 1.246 1.1528 12.906 27.78414 1.664 1.5441 10.091 25.67426 1.255 1.1620 12.823 27.72433 @1.675 1.5580 10.011 25.60751* 1.269 1.1804 12.665 27.61655 1.685 1.5672 9.976 25.61147 1.289 1.1988 12.407 27.28147 1.737 1.6086 9.853 25.70312 1.324 1.2311 11.954 26.67192 1.735 1.6132 9.841 25.71647 1.353 1.2587 11.744 26.52716 1.755 1.6270 9.803 25.75300 1.457 1.3554 11.027 25.97313 1.764 1.6408 9.766 25.79084 1.507 1.4014 10.839 26.00787 1.804 1.6777 9.671 25.89577 Определение Ropt см График зависимости N(R+1) и N от R. Средние массовые расходы по жидкости L и пара G для нижней и верхней частей колонны, определяют по соотношению: Lв = PRMв/Mp Lн = PRMн/Mp + FMн/Mf xв = (x(f)+x(p))/2 = (0.552254+0.959075)/2=0.7557 кмоль/кмоль смеси xн = (x(f)+x(w))/2 = (0.552254+0.060959)/2=0.3066 кмоль/кмоль смеси Mв = M1*xв+M2(1-xв) = 0.7557*60.096+(1-0.7557)*74.123=63.52 кг/кмоль Mн = M1*xн+M2(1-xн) = 0.3066*60.096+(1-0.3066)*74.123=69.82 кг/кмоль Mp = x(p)*M1 + (1-x(p))*M2 Mf = x(f)*M1 + (1-x(f))*M2 Mw = x(w)*M1 + (1-x(w))*M2 Mp = 0.959075*60.096+(1-0.959075)*74.123=60.67 кг / кмоль Mf = 0.552254*60.096+(1-0.552254)*74.123=66.38 кг / кмоль Mw = 0.060959*60.096+(1-0.060959)*74.123=73.28 кг / кмоль Lв = 5000*1.558*63.52/3600/60.67 = 2.2655 кг/с Lн = 5000*1.558*69.82/3600/60.67+10000*69.82/3600/66.38=5.4120 кг/с Gв = P(R+1)Mв(пар)/Мр Gн = P(R+1)Mн(пар)/Мр ув = (у(f)+у(p))/2 = (0.714803+0.959075)/2=0.837 кмоль/кмоль смеси ун = (у(f)+у(w))/2 = (0.714803+0.060959)/2=0.388 кмоль/кмоль смеси Mв(пар) = M1*ув + M2(1-ув) Mн(пар) = M1*ун + M2(1-ун) Mв(пар) = 0.837*60.096+(1-0.837)*74.123 = 62.383 кг/кмоль Mн(пар) = 0.388*60.096+(1-0.388)*74.123 = 68.682 кг/кмоль Gв = 5000*(1+1.558)*62.383/3600/60.67 = 3.6531 кг/с Gн = 5000*(1+1.558)*68.682/3600/60.67 = 4.0220 кг/с G = (Gв + Gн)/2 = (3.6531+4.0220)/2 = 3.8376 кг/с Мi - средняя молярная масса для i части колонны xi/yi - средний мольный состав для i части колонны по жидкости/газу [1] 5.2 Скорость пара и диаметр колонны Для колпачковых тарелок придельно допустимую скорость можно расчитать по уравнению 5.35 из [1] w = [0.0155/dк 2/3]*(px/py*hк) 1/2 dк - диаметр колпачка hк - растояние от верхней части колпачка до следующей тарелки Для жидкостей t(f) = 90.72 С t(w) = 105.59 С t(p) = 83.03 C tв = (t(f)+t(p))/2 = (90.72+83.03)/2 = 86.875 C tн = (t(f)+t(w))/2 = (90.72+105.59)/2 = 98.155 C x'в = (x'(f)+x'(p))/2 = (0.50+0.95)/2 = 0.725 кг/кг смеси x'н = (x'(f)+x'(w))/2 = (0.50+0.05)/2 = 0.275 кг/кг смеси px(в) = 735.6 кг/м3 pх(н) = 737 кг/м3 p(f) = 737.9 кг/м 3 p(w) = 736.8 кг/м 3 p(p) = 733.6 кг/м 3 dНисп = x'dНисп(1)+(1-x')*dНисп(2) dНисп(f) = 623.4 КДж/кг dНисп(w) = 624.3 КДж/кг dНисп(p) = 661.6 КДж/кг Для паров tн = (t(f)+t(w))/2 = (96.45+107.12)/2 = 101.785 C tв = (t(f)+t(p))/2 = (96.45+84.13)/2 = 90.29 C py( в ) = M в ( пар )*To/(22.4*(To+t в ) py( н ) = M н ( пар )*To/(22.4*(To+t н ) py(в) = 62.383*273/(22.4*(273.15+90.29)) = 2.092 кг/м 3 py(н) = 68.682*273/(22.4*(273.15+101.785)) = 2.233 кг/м 3 ру(р) = 60.67*273/(22.4*(273.15+84.13)) = 2.070 кг/м 3 ру(f) = 66.38*273/(22.4*(273.15+96.45)) = 2.189 кг/м 3 ру(w) = 73.28*273/(22.4*(273.15+107.2)) = 2.348 кг/м 3 Vy(в) = Gв/py(в) = 3.6531/2.092 = 1.747 м3/c Vy(н) = Gн/py(н) = 4.0220/2.233 = 1.801 м3/c Vy = (1.801+1.747)/2 = 1.774 м 3/c tср = ((tв+tн)пар+(tв+tн)жидкость)/4 средняя по колонне tср = (98.155+86.875+101.785+90.29)/4 = 94.28 C tхср= (tв+tн)жидкость/2 = (98.155+86.875)/2 = 92.52 tyср= (tв+tн)пар/2 = (101.785+90.29)/2 = 96.04 C w = [0.0155/dk 2/3]*sqrt(px/py*(Hмт-Н1)) wв = 0.0155/0.08**(2/3)*sqrt(735.6/2.092*(0.3-0.07)) = 0.751 м/с wн = 0.0155/0.08**(2/3)*sqrt(737/2.233*(0.3-0.07)) = 0.727 м/с dв = sqrt(4*Gв/(3.1415*wв*py(в))) dн = sqrt(4*Gн/(3.1415*wн*py(н))) dв = sqrt(4*3.6531/(3.1415*0.751*2.092)) = 1.72 м dн = sqrt(4*4.0220/(3.1415*0.727*2.233)) = 1.78 м Выбираем стандартный диаметр обечайки колонны 1.8 м. При этом придельная скорость пара: w = (wв+wн)/2*(d/dст)¤ = (0.751+0.727)/2*sqr(1.78/1.8) = 0.723 м/с По каталогу из приложения 5.2 [1] для колонны с диаметром 1800 мм выбираем колпачковую тарелку ТСК-Р со следующими характеристиками: параметры обозначение ед Диаметр колонны D м 1.8 Свободное сечение колонны м¤ 2.54 Длина линии барботажа L м 25.88 Рабочая площадь тарелки м¤ 1.86 Периметр слива Lc м 1.419 Сечение перелива м¤ 0.334 Свободное сечение тарелки Sт м¤ 0.252 Относительная площадь для прохода паров Fc % 9.92 Масса m кг 176 Растояние между тарелками Нмт м 0.6 УКРЕПЛЯЮЩАЯ ЧАСТЬ КОЛОННЫ Общее число колпачков 117 Число рядов колпачков 10 ИСЧЕРПЫВАЮЩАЯ ЧАСТЬ КОЛОННЫ Общее число колпачков 84 Число рядов колпачков 8 Шаг между колпачками мм 140 Наружный диаметр колпачка d мм 100 Исполнение колпачка 2 Высота прорези мм 15 Н1 мм 70 h мм 30 k мм 0-10 hд мм 5-40 w(раб) = 0.8*w(придел) = 0.8*0.723 = 0.58 м/с по колонне wo' = sqrt(px*g*h/q/py) - скорость рабочего режима wo' = sqrt(736.3/2.163*9.81/5*0.015) = 3.165 м/с w' = Fc*wo' = 0.0107*4.476 = 0.479 м/с wo = w(раб)/Fc = 0.58/0.0992 = 5.85 м/с (в рабочем сечении) px = (px(в)+px(н))/2 = (735.6+737)/2 = 736.3 кг/м3 py = (py(в)+py(н))/2 = (2.092+2.233)/2 = 2.1625 кг/м3 По графику 17-20 стр 624 [2] выбираем Нмт = 0.4 метра q - коэффициент сопротивления = 5 для колпачковых тарелок. h - высота прорези колпачка [1] 5.3 Гидравлическое сопротивление тарелки dp = dp1 + dp2 + dp3 [2] ур. 17.23 dp - гидравлическое сопротивление тарелки dp1 - сопротивление cухой тарелки dp2 - сопротивление столба жидкости на тарелке dp3 - сопротивление, обусловленное поверхностным натяжением жидкости r - отношение плотности пены к плотности чистой жидкости ( 0.5 ) б - поверхностное натяжение dp1 = q*py*wo¤/2 = 5*2.163*sqr(5.42)/2 = 159 Па dh = (Vx/(1.85*Lc*r)) 2/3 = (G/(px*1.85*Lc*r)) 2/3 dh = (3.8376/(736.3*1.85*1.419*0.5))**(2/3) = 0.025 м dp2 = 1.3*g*r*px*(hд+0.5*h+dh) dp2 = 1.3*9.81*0.5*736.3*(0.03+0.5*0.015+0.025) = 293.5 Па dp3 = 4б/dэкв = 4б/(4*b*l/(2*(b+l))) dp3 = 4*0.016/(4*0.008*0.015/(2*(0.008+0.015))) = 6.1 Па dp = 159+293.5+6=458.5 Па dp(ж) = dp2+dp3 = 293.5+6 = 299.5 Па [1] 5.4 Высота и гидравлическое сопротивление колонны Определение средней эффективности тарелок для процесса ректификации. tcp = 94.28 C tхcp = 92.52 С tyср = 96.04 C x(tхcp) = 0.4867 y~(tхcp) = 0.7133 acp = y~*(1-x)/(x*(1-y~) - относительная летучесть acp = 0.7133*(1-0.4867)/(0.4867*(1-0.7133)) = 2.624 мю(92.52) = ln(мю1)*xf + ln(мю2)*(1-xf) мю(92.52) = exp(ln(0.43)*0.5523+ln(0.83)*(1-0.5523)) = 0.61 мПа*с Dy = [4.3e-7*T 3/2]/[p*(va 1/3+vb 1/3)¤]*sqrt(1/Ma+1/Mb) 16.25 [2] Dy = 0.00000638 м¤/с или по другой формуле (P - давление [МПа]) Dy = 1.013e-8*T 1.75/(P*(va 1/3+vb 1/3)¤]*sqrt(1/Ma+1/Mb) Dy = 0.00000640 м¤/с va = 3*14.8+8*3.7+9.9 = 83.9 табл 6.3 [3] vb = 4*14.8+10*3.7+9.9 = 106.1 Dx' = 1e-6/[2.65*sqrt(мю)(va1/3+vb1/3)¤]**sqrt(1/Ma+1/Mb) 16.26 [2] Dx' = 1.01*10 -9 м¤/с Dx = Dx'*(1+b*(t-20)) = 1.01e-9*(1+0.0335*(92.5-20)) = 3.46*10 -9 м¤/с b = 0.2*sqrt(мю)/p 1/3 = 0.2*sqrt(2.39)/(785**(1/3))=0.0335 М1 = 60.096 кг/кмоль М2 = 74.123 кг/кмоль Так как acp*мю = 2.624*0.61 = 1.6, то из графика на рис 3.9 [1] следует, что ориентировочное значение средней эффективности тарелок для данного процесса КПД = 0.43 Число действительных тарелок в колонне может быть определено графоаналитическим методом (построением кинетической линии). Для этого необходимо расчитать общую эффективность массопередачи на тарелке (КПД по Мерфри). Высоту колонны определяем по [2] Ey = 1 - exp(-noy) noy = Kyf*M(пар)/(wо*ру) Е - эффективность тарелки m - коэффициент распределения компонентов по фазам при равновесии noy - общее число единиц переноса по паровой фазе E = 1 - exp(-noy) 1/noy = 1/ny + m/l*1/nx Re = wdp/мю = 0.58*1*2.1663/0.0000097=129531 ny = Dy/w*(0.79*Re+110000)*T/273*Sт/S ур 19-23 [2] nx = 38000*Sт/Vx*Dx*(Pr) 0.62 ур 19-24 [2] ny = 6.39e-6/0.58*(0.79*129531+11000)*(92.5+273)/273*1.8575/2.5447 ny = 1.22 nxв = 38000*1.8575/0.00308*3.46e-9*240**0.62=2.371 nxн = 38000*1.8575/0.00734*3.46e-9*240**0.62=0.995 Vxв = Lв/px(в) = 2.2655/735.6 = 0.00308 м 3/с Vxн = Lн/pх(н) = 5.4120/737 = 0.00734 м 3/с Pr' = мю/px/Dx = 0.00061/736.3/3.46e-9 = 240 lв = R/(R+1) = 1.56/2.56 = 0.61 lн = (R+F/P)/(R+1) = (1.56+10000/5000)/2.56 = 1.39 yk = yp + Ey*(y~-yp) из ур 6.43 [1] x m l noy E Y~ Yp Yk 0.00 2.5234 1.39 2.642 0.938 00.00 0.00 0.00 4.65 2.2360 1.39 2.448 0.918 11.20 4.65 10.63 11.55 1.8797 1.39 2.189 0.897 25.10 13.32 23.77 21.85 1.4842 1.39 1.890 0.859 42.70 26.95 40.33 23.05 1.4425 1.39 1.867 0.845 44.10 28.54 41.68 34.55 1.0659 1.39 1.596 0.805 58.45 43.76 55.46 38.70 0.9553 1.39 1.518 0.784 62.90 49.25 59.89 44.10 0.8486 1.39 1.434 0.765 67.70 56.40 65.01 54.55 0.7443 0.61 1.334 0.748 75.80 70.10 74.30 63.80 0.6562 0.61 1.272 0.728 82.45 76.35 80.74 74.50 0.5417 0.61 1.190 0.708 88.75 82.87 86.97 82.75 0.4666 0.61 1.144 0.680 92.95 87.89 91.34 94.85 0.3877 0.61 1.097 0.665 98.05 95.26 97.11 100.00 0.3682 0.61 1.071 0.661 100.00 100.00 100.00 По этим данным получаем число действительных тарелок N = 14 штук (с запасом так как использовалась модель идеального смешения с наименьшей движущей силой). Из [1] стр 235 Zв = 1 м Zн = 2 м Hк = (N-1)*Hмт + Zв + Zн = 14*0.4+1+2 = 8.6 м dP = dp*N = 464.5*14 = 6503 Па [1] 5.5 Выбор материалов.

Материал - Сталь ВСт3 для крепежных деталей и монтажного оборудования и холодильников, нержавеющяя сталь для теплообменников, обогреваемых паром и колонны. Так же для крепежных деталей может применятся сталь 35ХМ. B6 Расчет и подбор вспомогательного оборудования @6.1 Расчет кипятильника Необходими расчитать и подобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубного испарителя ректификационной колонны с получением Gн = 4.0220 кг/с паров кубового остатка, кипящего при 105.6 С и имеющего следующие характеристики: pх(w) = 736.8 кг/м 3, Данные по пару из [3] стр 537,549 dНисп(w) = 624.3 КДж/кг = r(w), мю(w) = 0.63 мПа*с, б(w) = 0.0182 н/м, Ср(w) = 3658 Дж/кг*К, ру(w) = 2.348 кг/м 3 la(w) = 0.128 Вт/(м*К) В качестве теплоносителя используется насыщенный водяной пар с давлением Р = 2.755 кгс/см¤. Удельная теплота конденсации r(п) = 2179 кДж/кг, температура конденсации t(п) = 130 С. Физико - химические свойства конденсата при температуре конденсации рж = 935 кг/м 3, мю(ж) = 0.212 мПа*с la(ж) = 0.686 Вт/(м*К). Для определения коэффициента теплоотдачи от пара, конденсирующегося на наружной поверхности труб высотой Н используеся формула: а1 = 1.21*la*(pп¤*rп*g/(мю(п)*Н*q)) 1/3 = Aq -1/3 [1] ур 2.23 Коэфициент теплоотдачи к кипящей в трубах жидкости определим как: la(п) 1.3pх(w) 0.5q 0.6 a2 = 780 = Bq 0.6 б(w) 0.5r(w) 0.6ру(w) 0.6Ср(w) 0.3мю(w) 0.3 Из основного уравнения теплопередачи и уравнения аддитивности термических сопротивлений следует, что 1/К = dtcp/q = 1/a1 + сумма(б/la) + 1/a2 Подставляя сюда выражения для а1 и а2 можно получить одно уравнение относительно неизвестного удельного теплового потока q f(q) = 1/A*q4/3 + [сумма(б/la)]*q + 1/B*q0.4 -dtcp = 0 (а) 1. Определение тепловой нагрузки аппарата Q(w) = Q(p)+G(p)*C(p)*t(p)+G(w)*C(w)*t(w)-G(f)*C(f)*t(f)+Q(пот) Q(p) = P(R+1)*r(p) = 1.388889*(1.558+1)*661600=2350518 Вт G(p)*C(p)*t(p) = 1.3889*3091*83.03 = 356455 Вт G(w)*C(w)*t(w) = 1.3889*3658*105.6 = 536511 Вт G(f)*C(f)*t(f) = 2.7778*3007*90.72 = 757770 Вт Q(w) = 1.05(2350518+356455+536511-757770)=2485714 Вт 2. Расход греющего пара определяем из уравнения теплового баланса G(п) = Q/r(п) = 2485714/2179000 = 1.141 кг/c 3. Средняя разность температур dtcp = 130-105.6 = 24.4 C 4. В соответствии с таблицей 2.1 [1] примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор = 250 Вт/(м¤К). Тогда ориентировочное значение поверхности теплообмена составит Fop = Q/K*dtcp = 2485714/(320*24.4) = 318 м¤ тогда из таблицы 2.9 [1] выбирем испаритель H = 4 м D = 1.2 м d = 25 Х 2 мм F = 340 м¤ 5. Выполним уточненый расчет решив уравение (а) относительно q A = 1.21*0.686*(935**2*2179000*9.81/(0.000212*4))**1/3 = 232717 B = 780*0.128**1.3*737**0.5/ (0.0182**0.5*624300**0.6*2.348**0.6*3658**0.3*0.00063**0.3)=1.6855 Толщина труб = 2 мм, материал - нержавеющяя сталь la = 17.5 Вт/(м*К) Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений (термическим сопротивлением со стороны греющего пара можно пренебречь) равна: Сумма(б/la) = 0.002/17.5+1/5800=0.000287 м¤К/Вт Тогда из решения уравнения (а) получим q = 7875 Вт.

Откуда требуемая поверхность составит: ( q пар надо взять!) F = Q/q = 2485714/7875=315.65 м¤ Удельные тепловые нагрузки в рассчитанном аппарате значительно ниже критической тепловой нагрузки, которая даже в случае кипения жидкости в большом объеме в соответствии с уравнением 2.28 [1] составляет: qкр = 0.14*r*py 0.5*(g*p*б) 0.25 qкр = 0.14*2179000*sqrt(2.348)*(9.81*0.0182*736.8)**0.25 qкр = 1583095 Вт/(м¤*К) Следовательно в расчитанном аппарате режим кипения будет пузырьковым. a1 = Aq -1/3 = 232717*7875**(-1/3) = 11697.09 Вт/(м¤*К) a2 = Bq 0.6 = 1.6855*7875**0.6 = 366.84 Вт/(м¤*К) K = 1/(1/11697.09+1/366.84+0.000287) = 322.74 Вт/(м¤*К) Запас = (340-315)*100/315=8% Расчет нового штуцера: Dшт = 0.7*sqrt(n*d¤) = d*0.7*sqrt(n) = 0.7*0.021*sqrt(1083) =0.484 м 6. Расчет изоляции кипятильника.

Определить необходимую толщину слоя изоляции аппарата, внутри которого температура 130 С. Изоляционный материал - совелит.

Температура наружной поверхности изоляции не должна быть выше 35 С. Примем температуру окружающего воздуха to = 20 C и определим суммарный коэффициент теплоотдачи в окружающую среду лучеиспусканием и конвекцией по уравнению 4.71 [3] а1 = 9.74+0.07*dt = 9.74+0.07*(35-20) = 10.8 Вт/(м¤К) удельный тепловой поток q = a1(tст-to) = 10.8*(35-20) = 162 Вт/м¤ Принимая приближенно, что все термическое сопротивление сосредоточено в слое изоляции, можно написать: q = K(tвн-to) = la/б*(tвн-to) откуда толщина слоя изоляции (la = 0.098 теплопроводность совелита) б = la/q*(tвн-to) = 0.098/162*(130-20) = 0.067 м кожухотрубный испаритель параметр размер Диаметр кожуха D 1200 мм Диаметр штуцера Dшт 484 мм Диаметр труб d 25Х2 мм Общее число труб n 1083 шт Высота труб H 4 м Поверхность теплообмена F 340 м¤ @6.2 Расчет дефлегматора Необходими расчитать и подобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубного конденсатопра для получения G(1)в = 3.5528 кг/с паров.

Удельная теплота конденсации r(1) = 661600 Дж/кг, температура конденсации t(1) = 83 C. la(1) = 0.135 Вт/(м*К), р(1) = 733.6 кг/м 3, мю = 0.00075 Па*с. Тепло конденсации отводится водой при t(2)н = 20С Примем температуру воды на выходе из конденсатора t(2)к = 35 С. При средней температуре t2 = 27.5 C она имеет следующие характеристики р2 = 997 кг/м 3, С2 = 4182 Дж/(кг*К), la(2) = 0.616 Вт/(м¤К), мю(2) = 0.00082 Па*с, Pr = С2*мю(2)/la(2) = 5.56. 1. Тепловая нагрузка аппарата Q = P(R+1)*r(1) = 1.388889*(1.558+1)*661600=2350518 Вт 2. Расход воды G(2) = Q/(C(2)*dt) = 2350518/(4180*(35-20))=37.49 кг/с 3. Средняя разность температур dtcp = ((83-20)-(83-35))/ln((83-20)/(83-35))=55.16 C 4. В соответствии с таблицей 2.1 [1] примем Кор = 450 Вт/(м¤К). Тогда: Fop = Q/(K*dtcp) = 2350518/(450*55.16) = 95 м¤ Задаваясь числом Re(2) = 15000 определим отношение числа труб (n) к числу ходов (z) для конденсатора из труб с dн = 25Х2 мм. n/z = 4*G(2)/(pi*d*мю(2)*Re(2)) n/z = 4*38.55/(3.1416*0.021*0.00082*15000) = 190 5. Уточненный расчет поверхности теплопередачи. В соответствии с таблицей 2.9 [1] соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значение у конденсаторов с диаметром кожуха D = 800 мм, диаметром труб 25Х2 мм, числом ходов z = 4 и общим числом труб n = 404 шт. n/z = 404/4 = 101 Наиболее близкую к ориентировочной поверхность теплопередачи имеет нормализованный аппарат с длиной труб L = 4 м; F = 127 м¤ D = 0.8 м. Re(2) = 4*G(2)*z/(pi*d*мю(2)*n) Re(2) = 4*37.49*4/(3.1416*0.021*0.00082*404)=27445 Коэффициент теплоотдачи от воды определяем по уравнению 2.12 [1] пренебрегая поправкой, связаной с критерием Прандля при tстенки. (берем с запасом). а2 = la(2)/d*0.023*Re 0.8*Pr 0.4 а2 = 0.616/0.021*0.023*27445**0.8*5.56**0.4 = 4763 Вт/(м¤К) Коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося на вертикально расположенных трубах, по уравнению 2.24 [1] a1 = 3.78*la(1)*(p(1)¤dн*n/(мю(1)*G(1)) 1/3 a1 = 3.78*0.135*((733.6**2)*0.025*404/(0.00075*3.5528))**(1/3)=647.18 Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений со стороны воды и пара равна сумма(б/la) = 0.002/17.5+1/1860+1/11600=0.000738 м¤*К/Вт К = 1/(1/4763+1/647+0.000738) = 401 Вт/(м¤*К) Требуемая поверхность теплопередачи F = 2350518/(401*55.16)=106.3 м¤ Запас = (127-106)*100/106=19.8 % 6. Гидравлическое сопротивление dP(2) расчитываем по формуле 2.35[1] Скорость воды в трубах: w(2) = 4*G(2)*z/(pi*d¤*n*p(2)) w(2) = 4*37.49*4/(3.1416*0.021**2*404*996) = 1.1 м/с Коэффициент трения по формуле 2.31 [1] равен: l = 0.25/[lg[e/3.7+(6.81/Re(2)) 0.9]]¤ l = 0.25/sqr(lg(0.002/3.7+(6.81/27445)**0.9))=0.0286 Скорость воды в штуцерах (штуцеры из табл 2.6 [1]) w(2)ш = 4*G(2)/(pi*d¤ш*p(2)) w(2)ш = 4*37.49/(3.1416*0.25**2*996)=0.767 м/с Гидравлическое сопротивление dP(2) = l*L*z/d*p*w(2)¤/2+[2.5(z-1)+2z]*p*w(2)¤/2+3*p*w(2)ш¤/2 dP(2) = 0.0286*4*4/0.021*996*1.1**2/2+(2.5*3+6)*996*1.1**2/2+ +3*996*0.767**2/2=22144 Па кожухотрубный конденсатор параметр размер Диаметр кожуха D 800 мм Диаметр труб d 25Х2 мм Число ходов z 4 Общее число труб n 404 шт Высота труб H 4 м Поверхность теплообмена F 127 м¤ @6.3 Расчет подогревателя исходной смеси Необходими расчитать и подобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубного подогревателя G(2) = 2.77778 кг/с исходной смеси ректификационной колонны, с 10 С до 90 С, имеющей следующие характеристики: pх(2) = 770 кг/м 3, Данные по пару из [3] стр 537,549 мю(2) = 1.41 мПа*с, б(2) = 0.021 н/м, Ср(2) = 3007 Дж/кг*К, la(2) = 0.142 Вт/(м*К) В качестве теплоносителя используется насыщенный водяной пар с давлением Р = 2.755 кгс/см¤. Удельная теплота конденсации r(п) = 2179 кДж/кг, температура конденсации t(п) = 130 С. Физико - химические свойства конденсата при температуре конденсации рж = 935 кг/м 3, мю(ж) = 0.212 мПа*с la(ж) = 0.686 Вт/(м*К). 1. Тепловая нагрузка аппарата C(2)cp = (С(2)(t2n)+С(2)(t2k))/2 = (2356+3658)/2 = 3007 Дж/кг*К, Q = Gв*С(2)cp(t2k-t2n) = 2.777778*3007*(90.7-10) = 674070 Вт 2. Расход пара G(1) = Q/r(1) = 674070/2179000 = 0.31 кг/с 3. Средняя разность температур dtcp = ((130-10)-(130-90))/ln((130-10)/(130-90)) = 72.82 C 4. В соответствии с таблицей 2.1 [1] примем Кор = 330 Вт/(м¤К). Тогда Fop = Q/(K*dtcp) = 674070/(330*72.82) = 28 м¤ Задаваясь числом Re(2) = 15000 определим отношение числа труб (n) к числу ходов (z) для подогревателя из труб с dн = 25Х2 мм. n/z = 4*G(2)/(pi*d*мю(2)*Re(2)) n/z = 4*2.77778/(3.1416*0.021*0.00141*15000) = 7.96 5. Уточненный расчет поверхности теплопередачи. В данном случае можно работать в переходном режиме.

Диаметр темплообменных труб 25Х2 мм, диаметр кожуха 600 мм. F = 46 м¤, L = 3 м. z = 6, n = 196 Коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося на горизонтально расположенных трубах, по уравнению 2.25 [1] a1 = 1.41*la(1)*(p(1)¤L/(мю(1)*G(1)) 1/3 a1 = 1.41*0.686*((935**2)*3/(0.000212*0.31))**(1/3)= 3305 Вт/м¤К Re(2) = 4*G(2)*z/(pi*d*мю(2)*n) Re(2) = 4*2.77778*6/(3.1416*0.021*0.00141*196) = 3657 Коэффициент теплоотдачи от спиртов определяем по графику стр. 154[3] пренебрегая поправкой, связаной с критерием Прандля при tстенки. (берем с запасом). Pr = С2*мю(2)/la(2) = 3007*0.00141/0.142 = 29.9 Pr 0.43 = 4.31 а2 = la(2)/d*Nu = 0.142/0.021*43.1 = 291.4 Вт/м¤К Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений (термическим сопротивлением со стороны греющего пара можно пренебречь) равна: сумма(б/la) = 0.004/17.5+1/5800 = 0.0004 м¤*К/Вт К = 1/(1/3305+1/291.4+0.0004) = 242 Вт/(м¤*К) Требуемая поверхность теплопередачи F = 674070/(242*72.82) = 38.25 м¤ Запас = (46-38.25)*100/38.25 = 20.3 % 6. Расчет изоляции подогревателя. Так как греющий пар в кипятильнике и подогревателе один и тот же, то толщина слоя изоляции = 0.067 м (см расчет изоляции кипятильника) 7. Гидравлическое сопротивление dP(2) расчитываем по формуле 2.35[1] Скорость смеси в трубах: w(2) = 4*G(2)*z/(pi*d¤*n*p(2)) w(2) = 4*2.77778*6/(3.1416*0.021**2*196*770) = 0.319 м/с Коэффициент трения по формуле 2.31 [1] равен: l = 0.25/[lg[e/3.7+(6.81/Re(2)) 0.9]]¤ l = 0.25/sqr(lg(0.002/3.7+(6.81/3657)**0.9)) = 0.0436 Скорость смеси в штуцерах (штуцеры из табл 2.6 [1]) w(2)ш = 4*G(2)/(pi*d¤ш*p(2)) w(2)ш = 4*2.77778/(3.1416*0.1**2*770) = 0.46 м/с Гидравлическое сопротивление трубного пространства 2.35 [1] dP(2) = [1] l*L*z/d*p*w(2)¤ + [1] [2.5(z-1)+2z]*p*w(2)¤ + [1] 3*p*w(2)ш¤ 2 2 2 dP(2) = 0.0436*3*6/0.021*770*0.319**2/2 + (2.5*5+12)*770*0.319**2/2+ + 3*770*0.46**2/2 = 1464+960+245 = 2669 Па кожухотрубный теплообменник параметр размер Диаметр кожуха D 600 мм Диаметр штуцера Dш 100 мм Диаметр труб d 25Х2 мм Число ходов z 6 Общее число труб n 196 шт Высота труб H 3 м Поверхность теплообмена F 46 м¤ @6.4 Расчет холодильника дистиллята.

Расчитать и подобрать нормализованный теплообменник для охлождения водой 1.38889 кг/с дистиллята с 83 до 20 С со следующими средними характеристиками: (t = 51.5 C) pх(1) = 761 кг/м 3, мю(1) = 1.07 мПа*с, б(1) = 0.0202 н/м, С(1) = 3091 Дж/кг*К, la(1) = 0.145 Вт/(м*К) Pr = С(1)*мю(1)/la(1) = 3091*0.00107/0.145 = 22.81 Примем температуру воды на входе t(2)н = 15 С выходе из t(2)к = 35С. При средней температуре t2 = 25 C она имеет следующие характеристики р2 = 997 кг/м 3, С2 = 4185 Дж/(кг*К), la(2) = 0.609 Вт/(м¤К), мю(2) = 0.00088 Па*с, Pr = С2*мю(2)/la(2) = 4185*0.00088/0.609 = 6.05. 1. Определение тепловой нагрузки Q = Gв*С(2)cp(t2k-t2n) = 1.388889*3091*(83-20) = 270463 Вт 2. Расход воды G(2) = Q/(C(2)*dt) = 270463/(4185*(35-15)) = 3.23 кг/с 3. Средняя разность температур dtcp = ((83-35)-(20-15))/ln((83-35)/(20-15)) = 19 C 4. Ориентировочный выбор теплообменника.

Решение вопроса о том, какой теплоноситель направить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозионной активностью, расходом, способностью загрязнять поверхность теплообмена и др. В данном случае в трубное пространство целесообразно направить холодный теплоноситель. Это обусловленно тем, что в данном случае только для оборотной воды свойственно инкрустировать загрязнениями поверхность труб. А трубы, в отличии от межтрубного пространства, легко очищать.

Задаваясь числом Re(2) = 15000, соответствующем турбулентному режиму, определим отношение числа труб (n) к числу ходов (z) для теплообменника из труб с dн = 25Х2 мм. n/z = 4*G(2)/(pi*d*мю(2)*Re(2)) n/z = 4*3.23/(3.1416*0.021*0.00088*15000) = 15 В соответствии с таблицей 2.1 [1] примем Кор = 300 Вт/(м¤К). Тогда: Fop = Q/(K*dtcp) = 270463/(300*19) = 47.5 м¤ 5. Уточненный расчет поверхности теплопередачи. В данном случае необходимо будет взять кожухотрубный теплообменник.

Диаметр 25Х2 мм, диаметр кожуха 600 мм. F = 61 м¤, L = 4.0 м. Число труб в одном аппарате 196 штук. Число ходов 6. Re(2) = 4*G(2)*z/(pi*d*мю(2)*n) Re(2) = 4*3.23*6/(3.1416*0.021*0.00088*196)=6812.5 Коэффициент теплоотдачи от воды определяем по графику стр. 154[3] пренебрегая поправкой, связаной с критерием Прандля при tстенки. (берем с запасом). Pr = 6.05 Pr 0.43 = 2.17 а2 = la(2)/d*Nu = 0.609/0.021*51=1479 Вт/м¤К Re(1) = wdp/мю = G/s*d/мю = 1.38888/0.045*0.025/0.00107=721 В соответствии с формулой 2.16 [1] имеем, принимая с запасом отношение [Pr/Pr(ст)] 0.25 = 1. a1 = la(1)/dн*0.24*Re 0.6*Pr 0.4 a1 = 0.145/0.025*0.24*721**0.6*22.81**0.4=252 Вт/(м¤К) Сумма термических сопротивлений стенки труб из нердавеющей стали и загрязнений в соответствии с таблицей 2.2 [1] равна: сумма(б/la) = 0.002/17.5+1/5800+1/1860=0.000824 м¤*К/Вт Коеффициент теплопередачи равен К = 1/(1/252+1/1479+0.000824)=183 Вт/(м¤*К) Требуемая поверхность теплопередачи F = 270463/(183*19)=77.8 м¤ Запас = (91-78)*100/78=16.7 % 6. Гидравлическое сопротивление Скорость воды в трубах: w(2) = 4*G(2)*z/(pi*d¤p(2)*n) w(2) = 4*3.23*6/(3.1416*0.021**2*997*196)=0.286 м/с w(1) = 4*G(1)/р(1)/s w(1) = 4*1.38888/(761*0.045)=0.162 м/с Коэффициент трения по формуле 2.31 [1] равен: l = 0.25/[lg[e/3.7+(6.81/Re(2)) 0.9]]¤ l = 0.25/sqr(lg(0.002/3.7+(6.81/6813)**0.9))=0.0371 Скорость воды в штуцерах (штуцеры из табл 2.6 [1]) w(2)ш = 4*G(2)/(pi*d¤ш*p(2)) w(2)ш = 4*3.23/(3.1416*0.1**2*997)=0.412 м/с Гидравлическое сопротивление трубного пространства dP(2) = l*L*z/d*p*w(2)¤/2+[2.5(z-1)+2z]*p*w(2)¤/2+3*p*w(2)ш¤/2 dP(2) = 0.0413*6*6/0.021*997*0.286**2/2+(2.5*5+12)*997*0.286**2/2+ +3*997*0.412**2/2=4140 Па кожухотрубный теплообменник параметр размер Диаметр кожуха D 600 мм Диаметр штуцера Dш 100 мм Диаметр труб d 25Х2 мм Число ходов z 6 Общее число труб n 196 шт Высота труб H 6 м Поверхность теплообмена F 91 м¤ @6.5 Расчет холодильника кубового остатка.

Расчитать и подобрать нормализованный теплообменник для охлождения водой 1.38889 кг/с кубового остатка с 106 до 20 С со следующими средними характеристиками: (t = 63 C) pх(1) = 774 кг/м 3, мю(1) = 1.45 мПа*с, б(1) = 0.0212 н/м, С(1) = 2933 Дж/кг*К, la(1) = 0.135 Вт/(м*К) Pr(1) = С(1)*мю(1)/la(1) = 2933*0.0024/0.135 = 52.14 Примем температуру воды на входе t(2)н = 15 С выходе из t(2)к = 35С. При средней температуре t2 = 25 C она имеет следующие характеристики р2 = 997 кг/м 3, С2 = 4185 Дж/(кг*К), la(2) = 0.609 Вт/(м¤К), мю(2) = 0.00088 Па*с, Pr = С2*мю(2)/la(2) = 4185*0.00088/0.609 = 6.05. 1. Определение тепловой нагрузки Q = Gв*С(2)cp(t2k-t2n) = 1.388889*2933*(106-20) = 350330 Вт 2. Расход воды G(2) = Q/(C(2)*dt) = 350330/(4185*(35-15)) = 4.186 кг/с 3. Средняя разность температур dtcp = ((106-35)-(20-15))/ln((106-35)/(20-15)) = 24.88 C 4. Ориентировочный выбор теплообменника.

Задаваясь числом Re(1) = 15000, соответствующем турбулентному режиму, определим отношение числа труб (n) к числу ходов (z) для теплообменника из труб с dн = 25Х2 мм. n/z = 4*G(1)/(pi*d*мю(1)*Re(1)) n/z = 4*4.186/(3.1416*0.021*0.00088*15000)=19 В соответствии с таблицей 2.1 [1] примем Кор = 300 Вт/(м¤К). Тогда: Fop = Q/(K*dtcp) = 350330/(300*24.9) = 47 м¤ 5. Уточненный расчет поверхности теплопередачи. В данном случае необходимо будет взять кожухотрубный теплообменник.

Диаметр 25Х2 мм, диаметр кожуха 600 мм. F = 61 м¤, L = 4.0 м. Число труб в одном аппарате 196 штук. Число ходов 6. Re(2) = 4*G(2)*z/(pi*d*мю(2)*n) Re(2) = 4*4.186*6/(3.1416*0.021*0.00088*196)=8829 Коэффициент теплоотдачи от воды определяем по графику стр. 154[3] пренебрегая поправкой, связаной с критерием Прандля при tстенки. (берем с запасом). Pr = 6.05 Pr 0.43 = 2.17 а2 = la(2)/d*Nu = 0.609/0.021*65.1=1888 Вт/м¤К Re(1) = wdp/мю = G/s*d/мю = 1.38888/0.045*0.025/0.00145=532 В соответствии с формулой 2.16 [1] имеем, принимая с запасом отношение [Pr/Pr(ст)] 0.25 = 1. a1 = la(1)/dн*0.24*Re 0.6*Pr 0.4 a1 = 0.135/0.025*0.24*532**0.6*22.81**0.4=196 Вт/(м¤К) Сумма термических сопротивлений стенки труб из нердавеющей стали и загрязнений в соответствии с таблицей 2.2 [1] равна: сумма(б/la) = 0.002/17.5+1/5800+1/1860=0.000824 м¤*К/Вт Коеффициент теплопередачи равен К = 1/(1/196+1/1888+0.000824)=155 Вт/(м¤*К) Требуемая поверхность теплопередачи F = 270463/(155*24.9)=70 м¤ Запас = (91-70)*100/70=30 % 6. Гидравлическое сопротивление Скорость жидкостей: w(2) = 4*G(2)*z/(pi*d¤p(2)*n) w(2) = 4*4.186*6/(3.1416*0.021**2*997*196)=0.371 м/с w(1) = 4*G(1)/р(1)/s w(1) = 4*1.38888/(774*0.045)=0.160 м/с Коэффициент трения по формуле 2.31 [1] равен: l(2) = 0.25/[lg[e/3.7+(6.81/Re(2)) 0.9]]¤ l(2) = 0.25/sqr(lg(0.002/3.7+(6.81/8829)**0.9))=0.035 Скорость воды в штуцерах (штуцеры из табл 2.6 [1]) w(2)ш = 4*G(2)/(pi*d¤ш*p(2)) w(2)ш = 4*4.186/(3.1416*0.1**2*997)=0.535 м/с Гидравлическое сопротивление трубного пространства dP(2) = l*L*z/d*p*w(2)¤/2+[2.5(z-1)+2z]*p*w(2)¤/2+3*p*w(2)ш¤/2 dP(2) = 0.035*6*6/0.021*997*0.371**2/2+(2.5*5+12)*997*0.371**2/2+ +3*997*0.535**2/2=6226 Па кожухотрубный теплообменник параметр размер Диаметр кожуха D 600 мм Диаметр штуцера Dш 100 мм Диаметр труб d 25Х2 мм Число ходов z 6 Общее число труб n 196 шт Высота труб H 6 м Поверхность теплообмена F 91 м¤ @6.6 Расчет изоляции колонны Определить необходимую толщину слоя изоляции аппарата, внутри которого температура 108 С. Изоляционный материал - совелит.

Температура наружной поверхности изоляции не должна быть выше 35 С. Примем температуру окружающего воздуха to = 20 C и определим суммарный коэффициент теплоотдачи в окружающую среду лучеиспусканием и конвекцией по уравнению 4.71 [3] а1 = 9.74+0.07*dt = 9.74+0.07*(35-20) = 10.8 Вт/(м¤К) удельный тепловой поток q = a1(tст-to) = 10.8*(35-20) = 162 Вт/м¤ Принимая приближенно, что все термическое сопротивление сосредоточено в слое изоляции, можно написать: q = K(tвн-to) = la/б*(tвн-to) откуда толщина слоя изоляции (la = 0.098 теплопроводность совелита) б = la/q*(tвн-to) = 0.098/162*(108-20) = 0.054 м Так как наиболее горячая часть колонны это куб, то для всей остальной колонны можно принять ту же толщину слоя изоляции. B7 Расчет на прочность. @7.1 Основные обозначения Е - модуль продольной упругости материала I - момент инерции М - изгибающий момент Р - усилие деформации р - давление W - момент сопротивления а - коэффициент линейного расширения б - нормальное напряжение т - касательное напряжение с - прибавка к расчетным толщинам аппаратов s - толщина П - скорость коррозии [мм/год] Тип стали Т°С Е [МПа] б [МПа] а 10 -6 1/K 03Х18Н10Т 110 200000 124.2 16.6 35ХМ 100 200000 207.0 13.1 Ст3 100 199000 134.0 11.9 Шов двусторонний с двойным проваром, стыковой или тавровый, выполненный автоматической или полуавтоматической сваркой при контроле от 10 до 50 % длины шва fi = 0.9. @7.2 Расчет толщины обечаек.

Исполнительную толщину тонкостенной гладкой цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением, расчитывают по формуле: (колонна полностью заполнена холодным высококипящим компонентом) s => p*D/(2*б*fi-p)+c p = p(x)*g*h = 820*10*8.6=70520 Па - избыточное давление. с = П*Та = 0.1 мм/год*10лет = 1 мм s => 70520*1800/(2*124200000*0.9-70520)+1=1.568 мм Выбираем толщину по каталогу. Из [4] Толшина стенки = 10 мм @7.3 Расчет толщины днища и крышки.

Толщину стенки элептического днища определяют по формуле: s => p*D/(2*б*fi-0.5*p)+c s => 70520*1800/(2*124200000*0.9-0.5*70520)+1=1.568 мм Толщину стенки крышки выбираем по каталогу, так как отсутствует какое-либо избыточное давление на крышку.

Толщина днища = 10 мм Толщина крышки = 10 мм Если крышку изготовлять из того же листа, что и обечайку, то получится круглый стальной лист с наружным диаметром под фланец 1930 мм. Масса крышки = р*3.14*D¤*h/4 = 7800*1.93**2*3.1416*0.01/4 = 228 кг. Болты на крышку из Ст3 тип М20 Крышка Dф [мм] Dб [мм] Dч [мм] h [мм] s [мм] d [мм] z [шт] 1930 1890 1848 40 10 23 64 Днище s = 10 мм D [мм] Внутренняя Объем Диаметр h hв поверхность V*0.001 м3 заготовки мм мм 1800 3.74 866 2196 мм 40 450 h - высота отбортовки hв - растояние от конца цилиндрической части до внутреннего края дна @7.4 Трубы, штуцера и фланцы. Так как в аппарате и вспомогательных устройствах р t фланцы. Во фланцевых соединениях при данных условиях применяются болты. В качестве прокладок используются прокладки из фторопласта со следующими характеристиками: m = 2.5 Расчетное давление на прокладку при монтаже q = 10 МПа Допускаемая удельная нагрузка на прокладку [q] = 40 МПа [1] 7.4.0 Питающая емкость - подогреватель исходной смеси. 1. Расчет трубы: Стандарт 48Х3-Х18Н10Т Расход - 2.7778 кг/с Плотность - 794 кг/м 3 Скорость - 1.5 - 3 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*2.77778/(3.1416*794*3)) = 0.0387 или 38.7 мм Dmax = sqrt(4*2.77778/(3.1416*794*1.5)) = 0.0548 или 54.8 мм D = 42 мм Толщина стенки s => Р*D/(2*б*fi-0.5*Р)+c Р = p(x)*g*h+р(т/о)+рw¤/2 = 794*10*5+2700+794*2.4747**2/2=44831 Па w = 4*G/(3.1416*p(x)*d¤) = 4*2.7778/(3.1416*794*0.042**2)=2.4747 м/с s => 44831*42/(2*124200000*0.9-44831)+1 = 1 мм 2. Выбор фланца: d Dy = 50 мм Фланец плосDф = 140 мм кий приварDб = 110 мм h //// ////// ной с соедиDч = 59 мм //// ////// нительным z = 4 отверстия /// ______ выступом. h = 10 мм ho ГОСТ 1255-67 ho = 3 мм d = 14 мм (схема) Фланец 50-2.5 3. Выбор штуцера. Dу = 40 мм На примере данного расчета видно, что для наших условий трубы со стандартными диаметрами имеют многократный запас прочности, поэтому проще просто выбирать стандартные трубы без проверки их на прочность. [1] 7.4.1 Подогреватель исходной смеси - колонна 1. Выбор трубы.

Стандарт 48Х3-Х18Н10Т Расход - 2.7778 кг/с Плотность - 738 кг/м 3 Скорость - 1.5 - 3 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*2.77778/(3.1416*738*3.0))=0.04 м Dmax = sqrt(4*2.77778/(3.1416*738*1.5))=0.0566 м 2. Выбор фланца.

Фланец 50-2.5 3. Выбор штуцера. Dу = 40 мм [1] 7.4.2 Колонна - кипятильник 1. Выбор трубы.

Стандарт 108Х4-Х18Н10Т Расход - P(R+1)*M(w)/M(p) = 1.3889*2.558*73.28/60.67 = 4.291 кг/с Плотность - 737 кг/м 3 Скорость - 0.5 - 1 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*4.291/(3.1416*737*1.0)) = 0.086 м Dmax = sqrt(4*4.291/(3.1416*737*0.5)) = 0.122 м 2. Выбор фланца.

Фланец 100-2.5 3. Выбор штуцера. Dу = 100 мм [1] 7.4.3 Колонна - холодильник кубового остатка 1. Выбор трубы.

Стандарт 38Х3-Х18Н10Т Расход - 1.3889 кг/с Плотность - 737 кг/м 3 Скорость - 1.5 - 3 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*1.38889/(3.1416*737*3)) = 0.0283 м Dmax = sqrt(4*1.38889/(3.1416*737*1.5))= 0.04 м 2. Выбор фланца.

Фланец 40-2.5 3. Выбор штуцера. Dу = 32 мм [1] 7.4.4 Колонна - дефлегматор 1. Выбор трубы.

Стандарт 273Х10-Х18Н10Т Расход - 3.55278 кг/с Плотность - 2.07 кг/м 3 Скорость - 20 - 40 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*3.55278/(3.1416*2.07*40))=0.234 м Dmax = sqrt(4*3.55278/(3.1416*2.07*20))=0.331 м 3. Выбор штуцера. Dу = 250 мм [1] 7.4.5 Кипятильник - колонна 1. Выбор трубы.

Стандарт 325X10-Х18Н10Т Расход - 4.291 кг/с Плотность - 2.348 кг/м 3 Скорость - 20 - 40 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*4.291/(3.1416*2.35*40))=0.241 м Dmax = sqrt(4*4.291/(3.1416*2.35*20))=0.341 м 3. Выбор штуцера. Dу = 300 мм [1] 7.4.6 Распределитель - колонна 1. Выбор трубы.

Стандарт 80Х4-Х18Н10Т Расход - P*R = 1.388889*1.558 = 2.164 кг/с Плотность - 733.6 кг/м 3 Скорость - 0.5-1 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*2.164/(3.1416*733.6*1.0))=0.061 м Dmax = sqrt(4*2.164/(3.1416*733.6*0.5))=0.087 м 3. Выбор штуцера. Dу = 70 мм [1] 7.4.7 Распределитель - холодильник дистиллата 1. Выбор трубы.

Стандарт 80Х4-Х18Н10Т Расход - 1.38889 кг/с Плотность - 733.6 кг/м 3 Скорость - 0.5-1 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*1.38889/(3.1416*733.6*1.0))=0.061 м Dmax = sqrt(4*1.38889/(3.1416*733.6*0.5))=0.087 м 3. Выбор штуцера. Dу = 70 мм [1] 7.4.6 Холодильник дистиллата - емкость 1. Выбор трубы.

Стандарт 38Х3-Х18Н10Т Расход - 1.38889 кг/с Плотность - 761 кг/м 3 Скорость - 1.5 - 3 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*1.38889/(3.1416*761*3.0))=0.028 м Dmax = sqrt(4*1.38889/(3.1416*761*1.5))=0.039 м 3. Выбор штуцера. Dу = 32 мм [1] 7.4.8 Холодильник кубового остатка - емкость 1. Выбор трубы.

Стандарт 38Х3-Х18Н10Т Расход - 1.38889 кг/с Плотность - 774 кг/м 3 Скорость - 1.5 - 3 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*1.38889/(3.1416*774*3.0))=0.028 м Dmax = sqrt(4*1.38889/(3.1416*774*1.5))=0.039 м 3. Выбор штуцера. Dу = 32 мм [1] 7.4.8 Паровая магистраль - подогреватель исходной смеси 1. Выбор трубы.

Стандарт 273Х10-Ст3сп Расход - 1.41 кг/с Плотность - 1.494 кг/м 3 Скорость - 15 - 25 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*1.41/(3.1416*1.494*25))=0.219 м Dmax = sqrt(4*1.41/(3.1416*1.494*15))=0.283 м 3. Выбор штуцера. Dу = 250 мм [1] 7.4.9 Паровая магистраль - кипятильник 1. Выбор трубы.

Стандарт 133Х4-Ст3сп Расход - 0.31 кг/с Плотность - 1.494 кг/м 3 Скорость - 15 - 25 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*0.31/(3.1416*1.494*25))=0.103 м Dmax = sqrt(4*0.31/(3.1416*1.494*15))=0.133 м 3. Выбор штуцера. Dу = 150 мм [1] 7.4.10 Подогреватель исходной смеси - водяная магистраль 1. Выбор трубы.

Стандарт 57Х2.5-Ст3сп Расход - 1.41 кг/с Плотность - 997 кг/м 3 Скорость - 0.5 - 1 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*1.41/(3.1416*997*1.0))=0.043 м Dmax = sqrt(4*1.41/(3.1416*997*0.5))=0.060 м 3. Выбор штуцера. Dу = 50 мм [1] 7.4.11 Кипятильник - водяная магистраль 1. Выбор трубы.

Стандарт 25Х2-Ст3сп Расход - 0.31 кг/с Плотность - 997 кг/м 3 Скорость - 0.5 - 1 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*0.31/(3.1416*997*1.0))=0.020 м Dmax = sqrt(4*0.31/(3.1416*997*0.5))=0.028 м 3. Выбор штуцера. Dу = 20 мм [1] 7.4.12 Водяная магистраль - дефлегматор - водяная магистраль 1. Выбор трубы.

Стандарт 159Х4.5-Ст3сп Расход - 37.5 кг/с Плотность - 997 кг/м 3 Скорость - 1.5 - 3 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*37.5/(3.1416*997*3.0))=0.126 м Dmax = sqrt(4*37.5/(3.1416*997*1.5))=0.179 м 3. Выбор штуцера. Dу = 150 мм [1] 7.4.13 Водяная магистраль - холодильник - водяная магистраль 1. Выбор трубы.

Стандарт 57Х3.5-Ст3сп Расход - 4.2 кг/с Плотность - 997 кг/м 3 Скорость - 1.5 - 3 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*4.2/(3.1416*997*3.0))=0.042 м Dmax = sqrt(4*4.2/(3.1416*997*1.5))=0.060 м 3. Выбор штуцера. Dу = 50 мм [1] 7.4.14 Емкости продуктов - насосы 1. Выбор трубы.

Стандарт 48Х3-Х18Н10Т Расход - 1.38889 кг/с Плотность - 786 и 802 кг/м 3 Скорость - 0.8 - 2 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*1.38889/(3.1416*786*2.0))=0.033 м Dmax = sqrt(4*1.38889/(3.1416*786*0.8))=0.053 м Dmin = sqrt(4*1.38889/(3.1416*802*2.0))=0.033 м Dmax = sqrt(4*1.38889/(3.1416*802*0.8))=0.053 м 3. Выбор штуцера. Dу = 40 мм [1] 7.4.15 Насосы - склад 1. Выбор трубы.

Стандарт 48Х3-Х18Н10Т Расход - 1.38889 кг/с Плотность - 786 и 802 кг/м 3 Скорость - 1 - 3 м/с Диаметр D = (4*G/(3.1416*p(x)*w) 0.5 Dmin = sqrt(4*1.38889/(3.1416*786*3.0))=0.027 м Dmax = sqrt(4*1.38889/(3.1416*786*1.0))=0.047 м Dmin = sqrt(4*1.38889/(3.1416*802*3.0))=0.027 м Dmax = sqrt(4*1.38889/(3.1416*802*1.0))=0.047 м 3. Выбор штуцера. Dу = 40 мм @7.5 Выбор насосов. [1] 7.5.1 Насос Н1 Питающая емкость - колонна Необходимо подобрать насос для перекачивания смеси изопропанол-изобутанол при расходе 2.77778 кг/с, плотности 794 кг/м 3 из емкости в колонну, работающую при атмосферном давлении.

Геометрическая высота подъема 6 м. Длина трубопровода на линии всасывания - 5 м. На линии нагнетания 27 м. (запас). На линии всасывания один прямоточный вентиль и два отвода под углом 90°. На линии нагнетания имеется два вентиля, один теплообменник и три отвода на 90°. 1. Для обоих трубопроводов диаметр трубы 42 мм. w = 4*G/(3.1416*p(x)*d¤ = 4*2.77778/(3.1416*794*0.042**2)=2.525 м/с 2. Определение потерь на трение и местные сопротивления Re = 4*G/(pi*d*мю) = 4*2.77778/(3.1416*0.042*0.00141) = 59723 Примем абсолютную шероховатость Ш = 0.0002 м. Тогда: e = Ш/d = 0.0002/0.042 = 0.00476 1/e = 210 560/e = 117600 10/e = 2100 2100 Таким образом в трубопроводе имеет место смешаное трение и расчет la следует проводить по формуле 1.6 [1] la = 0.11(e+68/Re) 0.25 = 0.11*(0.0002+68/59723)**0.25 = 0.021 Для всасывающей линии а) Вход в трубу с острыми краями м.с(1) = 0.5 б) Прямоточный вентиль м.с(2) = 0.83 при D = 0.042 м в) Отводы м.с(3) = 0.9 Для нагнетательной линии а) Отводы м.с(1) = 0.9 в) Нормальные вентили м.с(2) = 4.9 б) Теплообменник dP = 2700 Па г) Выход из трубы м.с(2) = 1 dP = p*w¤*(la*L/d+м.с)/2 = м.с = 0.5+0.83+5*0.9+2*4.9+1=16.63 dP = 794*2.525**2*(0.021*32/0.042+16.63)/2+2700=85290 КПа Р = p*g*h + dP = 794*9.81*6+85290=132025 Па H = P/pg = 132025/1000/9.81=13.46 метра водного столба. Q = G/p = 2.77778/794=0.0035 м3/с По таблице 1 из приложения 1.1 [1] выбираем насос Марка Q м 3/с Н м столба n 1/c КПД насоса Электродвигательдв тип N КВт КПД Х20/18 0.0055 13.8 48.3 0.6 АО2-31-2 3 0.83 [1] 7.5.2 Насос Н2 Колонна - холодильник кубового остатка Необходимо подобрать насос для перекачивания кубового остатка при расходе 1.388889 кг/с, средней плотности 774 кг/м 3 из емкости в колонну, работающую при атмосферном давлении.

Геометрическая высота подъема 6 м. Длина трубопровода на линии всасывания - 2 м. На линии нагнетания 10 м. (запас). На линии нагнетания имеется один вентиль, один теплообменник и четыре отвода на 90°. 1. Для обоих трубопроводов диаметр трубы 32 мм. w = 4*G/(3.1416*p(x)*d¤ = 4*1.388889/(3.1416*774*0.032**2)=2.231 м/с 2. Определение потерь на трение и местные сопротивления Re = 4*G/(pi*d*мю) = 4*1.388889/(3.1416*0.032*0.00145) = 38112 Примем абсолютную шероховатость Ш = 0.0002 м. Тогда: e = Ш/d = 0.0002/0.042 = 0.00476 1/e = 210 560/e = 117600 10/e = 2100 2100 Таким образом в трубопроводе имеет место смешаное трение и расчет la следует проводить по формуле 1.6 [1] la = 0.11(e+68/Re) 0.25 = 0.11*(0.0002+68/38112)**0.25 = 0.0232 Для всасывающей линии а) Вход в трубу с острыми краями м.с(1) = 0.5 Для нагнетательной линии а) Отводы м.с(1) = 0.9 б) Теплообменник.

Примем dP(т/о) = 5000 Па в) Нормальные вентили м.с(2) = 4.9 г) Выход из трубы м.с(2) = 1 м.с = 0.5+4*0.9+4.9+1=10 dP = p*w¤*(la*L/d+м.с)/2+dP(т/о) dP = 774*2.231**2*(0.0232*12/0.032+10)/2+5000 = 41020 Па Р = p*g*h + dP = 774*9.81*6+41020 = 86578 Па H = P/pg = 86578/1000/9.81 = 8.83 метра водного столба. Q = G/p = 1.388889/774 = 0.0018 м 3/с По таблице 1 из приложения 1.1 [1] выбираем насос Марка Q м 3/с Н м столба n 1/c КПД насоса Электродвигательдв тип N КВт КПД Х8/18 0.0024 11.3 48.3 0.4 АО2-31-2 3 @7.6 Опоры аппаратов. В качестве опоры для аппаратов колонного типа применяются юбочные опоры. > Qмах = массе аппарата, полностью заполненного тяжелой жидкостью при усло- > виях, сходными с условияh ми окружающей среды. Qмin - масса пустого аппарата. Mв - ветровой момент. q(в) - удельная ветровая наг- _ _ рузка=10 КПа. k1=0.7 k2=2. / Нагрузка на бетон q(бет)=2 / МПа б(т)=240 МПа,б(ид)=146 МПа, б(н)=380 МПа, Е=2 ГПа D1=1890 мм, D2 = 1750 мм, h = 2 м, l = 0.07 м.

Толщина стенки s = 10 мм. F = Q*g = p(x)*g*h + g*(m(дно)+m(тарелок)+m(обечайки)+m(крышки)) F = 70520+10*(297+14*176+7800*3.1416*(1.82**2-1.8**2)*7.6/4+228) Qmax = 13400 кг Fmax = 134000 Н Qmin = 6341 кг Fmin = 63410 H б = [1] F*Dн + 4*Мв 3.1416*Dн¤s б = (134000*1.82+4*50960)/(3.1416*1.82**2*0.01)=4305000 Мв = 0.5*k1*k2*q(в)*h¤*Dн = 0.5*0.7*2*10000*2**2*1.82=50960 Н*м б(max) = [1] Fmax + [1] 10*Мв*D1 = 619870 0.785*(D1¤-D2¤) (D1 4-D2 4) б(min) = [1] Fmin _ [1] 10*Мв*D1 = -126345 Мпа 0.785*(D1¤-D2¤) (D1 4-D2 4) б(min) Нагрузка на болты и число болтов M24: Рб = 0.785*(D1¤-D2¤)* б(min) Рб = 0.785*126345*(1.89**2-1.75**2) = 50483 Н z = 1.2*Рб/(k*Fб*б(т)*n) = 1.2*50483/(1*0.000317*240000000*1)=0.796 Вывод для устойчивости колонны по прочности достаточно и одного болта, но для монтажа, лучше взять четыре болта, расположенных симметрично под 90° друг к другу. @7.7 Емкости @ Емкости расчитываются на непрерывную работу в течении 2 - 8 часов.

Предельные объемы емкостей находим из соотношения: V(max) = G*t(max)/p t(max) = V(max)*p/G V(min) = G*t(min)/p t(min) = V(min)*p/G G - массовый расход в данном случае нет необходимости в точном t - время работы расчете плотности и, так как для всех жидр - плотность при 20 °С костей они схожи, возьмем р = 800 кг/м 3 1. Е1 - емкость для исходной смеси. V(max) = 10000*8/800 = 100 м 3 V(min) = 10000*2/800 = 25 м 3 2. Е2 и Е3 - емкости для V(max) = 5000*8/800 = 50.0 м 3 V(min) = 5000*2/800 = 12.5 м 3 Из [4] выбираем стандартные горизонтальные цельносварные емкости со сферическими неотбортованными днищами, изготовленные из сталей и сплавов и предназначенные для работы без давления (под наливом). Материал Х18Н10Т. Емкость Объем [м 3] Внутренний Толщина Длинна Время диаметр стенки работы Номинальный Полезный [мм] [мм] [мм] [ч] Е1 80.00 74.37 3000 5 11555 5.95 Е2 40.00 39.67 2600 5 8445 6.35 Е3 40.00 39.67 2600 5 8445 6.35 1. Е1 - емкость для исходной смеси. t = 800*74.37/10000 = 5.95 часов 2. Е2 и Е3 - емкости для t = 800*39.67/5000 = 6.35 часов Все емкости с целью облегчения технического обслуживания и промывки связаны с магистралями оборотной водоы и пара. B8 Заключение В результате проектного расчета ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси изопропанол-изобутанол в количестве 10 т/ч получили аппарат диаметром 1800 мм и высотой 8.6 м.

Данный аппарат с большим запасом прошел проверку на прочность.

Основным недостатком данной системы является малая интенсивность теплообмена при охлаждении готовых продуктов, что является следствием высоких расходных коэффициентов по охлаждающему веществу (воде), а также технологической необходимостью направления воды в трубное пространство из-за наличия в ней загрязнений, инкрустирующих поверхность теплообмена. Также влияют экологические факторы: сливаемая в канализацию охлаждающая вода обладает повышенной температурой. В принципе можно использовать вместо водяных теплообменников воздушные. Также к отрицательным фактам можно отнести то, что теплота отходящего конденсата нигде не используется, а ведь это теплоноситель с достаточно высокими параметрами.

Представляется возможным использовать конденсат, отводимый от испарителя кубового остатка, в качестве горячего теплоносителя в подогревателе исходной смеси. В дополнение к уже имеющимся поправкам, можно добавить следующее: если в дефлегматоре использовать охлаждающую воду, нагревая ее не до 35 °С с возможным дальнейшим охлаждением, а нагревая ее градусов до 90-98 то получим еще один теплоноситель с высокими параметрами.

Правда может оказаться, что экономически выгоднее использовать все же охлаждающую воду, а конденсат сливать в канализацию, но возможность утилизации отводимого тепла все-таки можно рассмотреть.

оценка нематериальных активов в Брянске
оценка ноу хау в Смоленске
оценка стоимости автомобиля для наследства в Курске