166685 (625082), страница 3
Текст из файла (страница 3)
(1.41)
где Z – высота насадки в одной секции, м;
n – число секций;
- высота промежутков между секциями насадки, в которых устанавливают распределители жидкости, м;
- соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой, м.
Общая высота колонны:
1.4 Гидравлическое сопротивление насадки
Гидравлическое сопротивление насадки находят по уравнению:
(1.42)
Гидравлическое сопротивление сухой неорошаемой насадки рассчитывают по уравнения:
(1.43)
где - коэффициент сопротивления сухой насадки, зависящий от режима движения газа в насадке.
Критерий Рейнолдса для газа в верхней и нижней частях колонны соответственно равен:
Следовательно, режим движения газа вверху и внизу колонны, турбулентный.
Для турбулентного режима движения коэффициент сопротивления сухой насадки в виде беспорядочно засыпанных колец Рашига находят по уравнению:
(1.44)
Для верхней и нижней частей колонны соответственно получим:
Гидравлическое сопротивление сухой насадки верхней и нижней частях колонны равно:
Плотность орошения в верхней и нижней частях колонны определим по формулам:
(1.45)
(1.46)
Подставив численные значения, получим:
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в верхней и нижней частях колонны:
Общее гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в колонне:
(1.47)
Гидравлическое сопротивление насадки составляет основную долю общего сопротивления ректификационной колонны. Общее же сопротивление колонны складывается из сопротивления орошаемой насадки, опорных решёток, соединительных паропроводов от кипятильника к колонне и от колонны к дефлегматору, Общее гидравлическое сопротивление ректификационных колонны обуславливает давление и, следовательно, температуру кипения жидкости в испарители.
2. Тепловой баланс ректификационной установки
Тепловой баланс колонны имеет вид:
(4.73)
где - тепловая нагрузка, соответственно по исходному веществу, по кипятильнику, по дистилляту, по кубовому остатку, по дефлегматору и потери тепла, примем равными 5%.
Из баланса определяем количество тепла, которое необходимо подводить к кипятильнику.
Тепловая нагрузка по кубовому остатку, в количестве , рассчитывается по формуле:
(4.74)
где - теплоёмкость кубового остатка, при температуре
, [2 рис. XI с. 562],
;
- температура кубового остатка колонны.
(4.75)
где - массовая доля кубового остатка.
Тепловая нагрузка по исходному веществу, в количестве кг/с, рассчитывается по формуле:
(4.76)
где - температуры смеси;
- теплоёмкость исходной смеси, при средней температуре, [2 рис. XI с. 562],
.
(4.77)
где - массовая доля исходной смеси.
Подставим численные значения, получим:
Тепловая нагрузка аппарата по дистилляту, в количестве Р=0,352 кг/с, рассчитывается по формуле:
(4.78)
где - температура дистиллята, взятая из диаграммы t-х,y, 0С;
- теплоёмкость дистиллята, при температуре
, [2 рис. XI с. 562],
.
(4.79)
где - массовая доля дистиллята.
Подставим численные значения, получим:
Для дефлегматора тепловая нагрузка аппарата составит:
(4.80)
где - удельная теплота парообразования дистиллята, при
, Дж/кг.
(4.81)
Подставим эти численные значения в уравнение теплового баланса и определим количество тепла, которое необходимо подводить к кипятильнику:
Для подогрева используют насыщенный водяной пар давлением 0,3 МПа. Температура конденсации Характеристики конденсации при этой температуре:
Расход греющего пара вычисляется по формуле:
(4.82)
3. Подробный расчёт подогревателя исходной смеси
Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменника для подогрева исходной смеси, насыщенным водяным паром. Начальная температура исходной смеси, в количестве Gсм=5000 кг/ч (1,3889 кг/с), t1н=20 0С, конечная t1к=95 0С.
Давление насыщенного водяного пара составляет 3 атм, температура конденсации насыщенного водяного пара составляет 133 0С; удельная теплота парообразования равна 2171000 Дж/кг.
Потери в окружающую среду примем 5%.
Определяем тепловую нагрузку аппарата:
(5.83)
где - теплоёмкость смеси при средней температуре, [2 рис. XI с. 562], Дж/(кг∙К).
Определение расхода горячего теплоносителя:
(5.84)
Определяем полезную разность температур:
Рисунок 10 – Зависимость изменения температуры теплоносителей от поверхности теплообмена.
Ориентировочный выбор теплообменника.
Рассчитываем ориентировочную поверхность теплопередачи Sор.
(5.85)
где Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;
- полезная разность температур, 0С;
- ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, [1 таб. 2.1 с.47], Вт/(м2∙К).
Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи Кор=240 Вт/(м2∙К).
Если у одного из теплоносителей нет изменения агрегатного состояния, в данном случае у исходной смеси, то необходимо задаться турбулентным режимом движения теплоносителя, так как при этом режиме движения жидкости наибольший коэффициент теплоотдачи. Принимаем Re=12000. Стандартные диаметры труб: 25 2. Тогда при Re=12000
(5.86)
Тогда число труб на один ход составит:
(5.87)
Выбираем теплообменник [1.табл. 2.3 с. 51].
Поверхность теплообмена S=10 м2.
Длина труб L=2,0 м.
Общее число труб n=62 шт.
Число ходов z=1
Диаметр труб d=25x2 мм.
Диаметр кожуха D=325 мм.
Пересчитываем скорость движения исходной смеси:
(5.88)
Пересчитаем критерий Рейнольдса:
(5.89)
Режим движения исходной жидкости, по трубному пространству, переходный, так как 2320 Рисуем схему теплопередачи через стенку: Рассчитываем действительное значение коэффициента теплопередачи: где Задаёмся tст1=130 0С. Определяем П – коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на пучке вертикальных труб: Удельное количество тепла передаваемое от пара к стенке: Определяем термическое сопротивление стенок с учетом загрязнения: где Находим температуру стенки со стороны холодного теплоносителя. Находим коэффициент теплоотдачи от стенки к исходной смеси - см. где Так как режим движения смеси по трубному пространству переходный, следовательно критерий Нуссельта определим из графика зависимости где Pr, Prст – критерий Прандтля соответственно при температуре жидкости и при температуре стенки [2 рис.XIII с.564]. Отсюда находим критерий Нуссельта: где Тогда критерий Нуссельта: Подставляя численные значения, получим: Рассчитываем удельный тепловой поток от стенки к холодному теплоносителю: Условием стационарного теплообмена является q=const. q1≠q2. Снова задаёмся tст1 и повторяем расчёт. tст1=129 0С. Определяем П – коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на пучке вертикальных труб: Удельное количество тепла, передаваемое от пара к стенке: Находим коэффициент теплоотдачи от стенки к исходной смеси - см. где Так как режим движения смеси по трубному пространству переходный, следовательно критерий Нуссельта определим из графика зависимости где Pr, Prст – критерий Прандтля соответственно при температуре жидкости и при температуре стенки. Отсюда находим критерий Нуссельта: где Тогда критерий Нуссельта: Подставляя численные значения получим: Рассчитываем удельный тепловой поток от стенки к холодному теплоносителю: Условием стационарного теплообмена является q=const. q1≠q2. Строим график зависимости удельного теплового потока от температуры стенки. Из графика находим: Находим истинное значение поверхности теплопередачи Запас площади составляет: Оставляем выбранный нормализованный кожухотрубчатый подогреватель исходной смеси от температуры 20 0С до, температуры входа в колонну, 95 0С, эта температура является температурой кипения смеси. 4. Подбор кожухотрубчатого конденсатора Рассчитать и подобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубчатого конденсатора, для конденсации паров легколетучего компонента в количестве Тепло конденсации отводится водой, с начальной температурой t2н=25 0С. Примем температуру воды на выходе из конденсатора t2к=33 0С. Потери тепла примем 5%. Тепловая нагрузка аппарата: Расход воды находим из уравнения теплового баланса: Средняя разность температур: Рисунок 12 – Зависимость изменение температуры теплоносителей от поверхности теплообмена. В соответствии Kор=650 Вт/(м2∙К), примем ориентировочное значение поверхности: Задаваясь Числом Рейнольдса Re=15000. Определим соотношение где n – общее число труб; z – число ходов по трубному пространству; d – внутренний диаметр труб, м. Выбираем кожухотрубчатый конденсатор по ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15120-79, со следующими конструктивными особенностями [1.табл. 2.3 с. 51]: Поверхность теплообмена S=14,5 м2. Длина труб L=3,0 м. Общее число труб n=62 шт. Число ходов z=1 Диаметр труб d=25x2 мм. Диаметр кожуха D=325 мм. Запас площади составляет: 5. Подбор кипятильника Подобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубчатого испарителя ректификационной колонны, с получением GW= В качестве теплоносителя используется насыщенный водяной пар давлением 0,3 МПа. Удельная теплота конденсации r1=2171000 Дж/кг, температура конденсации t1=1330С. Расход греющего пара определим из уравнения теплового баланса: Средняя разность температур: Рисунок 13 – Зависимость изменение температуры теплоносителей от поверхности теплообмена. Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Kор=400 Вт/(м2∙К). Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит: Выбираем испаритель по ГОСТ 15119-79 и ГОСТ 15121-79, [1.табл. 2.3 с. 51]. Поверхность теплообмена S=40,0 м2. Длина труб L=2,0 м. Общее число труб n=257 шт. Число ходов z=1 Диаметр труб d=25x2 мм. Диаметр кожуха D=600 мм. Запас площади составляет: 6. Расчёт штуцеров Внутренний диаметр трубопроводов определим по уравнению: где 6.1 Рассчитаем диаметр штуцера для входа исходной смеси в колонну где Примем скорость смеси 2 м/с. Принимаем стандартный наружный диаметр трубопровода для входа исходной смеси 6.2 Рассчитаем внутренний диаметр штуцера для входа флегмы где Примем скорость жидкости, которая поступает в колонну на орошение, равной 1 м/с. Тогда Принимаем стандартный наружный диаметр трубопровода для входа флегмы 6.3 Рассчитаем внутренний диаметр штуцера для выхода флегмы где Принимаем скорость пара 18 м/с. Принимаем стандартный наружный диаметр трубопровода для выхода паров дистиллята 6.4 Рассчитаем внутренний диаметр штуцера для выхода кубового остатка Принимаем скорость жидкости 0,5 м/с. Принимаем стандартный наружный диаметр трубопровода для выхода кубового остатка 6.5 Рассчитаем внутренний диаметр штуцера для возврата паров кубовой смеси в колонну где Принимаем стандартный наружный диаметр трубопровода, для возвращения паров кубовой смеси в колонну, 6.6 Рассчитаем внутренний диаметр штуцера, для входа исходной смеси в подогреватель где Примем скорость смеси 2 м/с. Принимаем стандартный наружный диаметр трубопровода для входа исходной смеси 6.7 Рассчитаем внутренний диаметр штуцера, для выхода дистиллята где Примем скорость дистиллята 0,5 м/с. стандартный наружный диаметр трубопровода, для выхода дистиллята, 6.8 Рассчитаем внутренний диаметр штуцера для выхода жидкости из куба колонны где Примем скорость дистиллята 0,5 м/с. Принимаем стандартный наружный диаметр трубопровода, для выхода жидкости из куба колонны, 6.9 Определим внутренний диаметр штуцера, для входа греющего пара в подогреватель исходной смеси где Примем скорость пара 15 м/с. Принимаем стандартный наружный диаметр трубопровода, для входа греющего пара в подогреватель исходной смеси, 6.10 Определим внутренний диаметр штуцера, для выхода сконденсированных паров из подогревателя исходной смеси где Примем скорость сконденсированных паров 0,5 м/с. Принимаем стандартный наружный диаметр трубопровода, для выхода сконденсированных паров из подогревателя исходной смеси, 6.11 Определим внутренний диаметр штуцера, для входа воды, для конденсатора где Примем скорость воды 2,0 м/с. Принимаем стандартный наружный диаметр трубопровода, для входа воды, для охлаждения конденсата, 6.12 Определим внутренний диаметр штуцера, для выхода воды, для охлаждения конденсата где Примем скорость воды 2,0 м/с. Принимаем стандартный наружный диаметр трубопровода, для выхода воды, для охлаждения конденсата, 6.13 Определим внутренний диаметр штуцера, для входа пара в кипятильник где Примем скорость пара 15 м/с. Принимаем стандартный наружный диаметр трубопровода, для входа пара в кипятильник, 6.14 Определим внутренний диаметр штуцера, для выхода сконденсированного пара из кипятильника где Примем скорость пара 0,5 м/с. Принимаем стандартный наружный диаметр трубопровода, для выхода сконденсированного пара из кипятильника, 7. Мероприятия по технике безопасности и оказание первой медицинской помощи На нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях перерабатываются в больших количествах нефть и нефтепродукты, представляющие собой горючие, легковоспламеняющиеся и взрывоопасные жидкости и газы. При работе в технологических цехах и на установках нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий возможны следующие опасности: - возникновение пожара и взрыва при разгерметизации оборудования и трубопроводов или при нарушении режима работы оборудования; - отравление работающих парами нефтепродуктов, сероводородом и другими вредными веществами; - обморожение работающих при попадании сжиженных газов на незащищенные участки тела; - химические ожоги кислотой, щелочью, жидким аммиаком и другими агрессивными веществами; - термические ожоги при соприкосновении с горячими частями оборудования, трубопроводов, водяным паром, конденсатом и т.д. - травмирование вращающимися и движущими частями насосов, компрессоров и других механизмов в случае отсутствия или неисправности ограждений; - поражением электрическим током в случае выхода из строя заземления токоведущих частей электрооборудования пробоя электроизоляции, неприменение средств защиты и т.д. - возможность падения при обслуживании оборудования, расположенного на высоте. Учитывая приведенные опасности, каждый работающий предприятия обязан: - соблюдать внутренний трудовой распорядок и дисциплину труда; - знать опасные и вредные свойства паров и газов, жидких и твердых веществ, с которыми приходится соприкасаться в процессе работы, соблюдать правила обращения с ними; - содержать в порядке свое рабочее место, а также соблюдать чистоту в цехе и на территории предприятия; - знать и выполнять правила техники безопасности, газовой и пожарной безопасности, производственной санитарии на предприятии и на своем рабочем месте; - знать и выполнять свои обязанности по плану ликвидации аварий; - уметь пользоваться средствами индивидуальной защиты, первичными средствами тушения пожаров, знать их назначение и принцип работы. Колонны ректификации горючих жидкостей оснащаются средствами контроля и автоматического регулирования: уровня и температуры жидкости в кубовой части; температуры поступающих на разделение продукта и флегмы; средствами сигнализации об опасных отклонениях значений параметров, определяющих взрывоопасность процесса, и при необходимости перепада давления между нижней и верхней частями колонны. При подаче флегмы в колонну ректификации насосом, прекращение поступления которой может привести к опасным отклонениям технологического процесса, предусматриваются меры, обеспечивающие непрерывность технологического процесса. Индивидуальные средства защиты: Для защиты кожных покровов: - спецодежда; - спецобувь; - спецруковици; - наушники; - очки. Для защиты дыхательных путей используется: - индивидуальный фильтрующий противогаз марки «А»; - шланговые противогазы ПШ-1; - кислородно-изолированные противогазы АВС-2; - респираторы типа «Лепесток». Оказание первой медицинской помощи: Перед тем как перейти к оказанию первой помощи, необходимо устранить причины, вызвавшие тяжелые состояния пострадавшего (при отравлении газом или паром - вывести пострадавшего из загазованной зоны; при поражении электрическим током - освободить от соприкосновения с токоведущей частью и т.п.). 1. Первая помощь при потере сознание При потере сознание необходимо пострадавшему обеспечить приток свежего воздуха, устранить в одежде все, что может стеснять или затруднять свободное дыхания, обрызгать лицо холодной водой, дать понюхать нашатырного спирта. При отсутствии дыхания немедленно приступить к проведению искусственного дыхания. 2. Первая помощь при отравлении Если рабочий, находящийся в помещении почувствовал общую слабость, головокружения, необходимо вывести его из загазованной зоны на свежий воздух. 3. Первая помощь при термических ожогов При термических ожогах первой степени обожженное место необходимо обильно промыть струей чистой и холодной воды, после чего наложить сухую стерильную повязку. При средних и тяжелых ожогах на место ожога необходимо наложить стерильную повязку и направить в здравпункт. Запрещается накладывать на обожженное место повязки с какими-либо мазями, жирами, маслами и т.п., чем-либо присыпать обожженное поверхность, прокалывать образовавшие пузыри, т.к. это увеличивает опасность инфекции. 4. Первая помощь при химических ожогов При ожогах кислотами, щелочами и другими едкими веществами необходимо немедленно прожженный участком тела обмыть струей воды из под крана в течении 10 – 15 минут, после чего наложить стерильную повязку. При попадании кислоты, щелочи и других едких веществ в глаза необходимо быстро промыть их большим количеством воды. 5. Первая помощь при поражении электрическим током При поражении электрическим током, если человек остается в соприкосновении с токоведущими частями, необходимо немедленно освободить его от действия тока: выключить рубильник, выдернуть предохранительную пробку или перерубить токопроводящий провод изолированным инструментом. Если нет возможности быстро отключить электрический ток, оказывающий помощь должен изолировать свои руки резиновыми перчатками, сухой тряпкой и отделить пострадавшего от тока. При этом нужно действовать, по возможности, одной рукой. После освобождении пострадавшего от действия электрического тока, следует немедленно приступить к оказанию первой помощи. 6. Первая помощь при кровотечениях Что бы остановить кровотечение, необходимо: поднять раненую конечность вверх; кровоточащую рану закрыть перевязочным материалом из индивидуального пакета, сложенным в комочек и придавить сверху, не касаясь пальцами самой раны; в таком положении, не отпуская пальцы, держать в течение 4 – 5 минут. Если кровотечение остановится, не снимая наложенного материала, поверх него наложить еще одну подушечку из другого пакета и забинтовать раненое место. При сильном кровотечении, если оно не останавливается тугой повязкой, применить сдавливание кровеносных сосудов, питающих раненую область, для этого необходимо: наложить жгут, а при его отсутствие – закрутку из подходящего материала. Жгут накладывается выше места кровотечения, ближе к ране, на одежду или мягкую подкладку из бинта, что бы ни прищемить кожу. Под жгут закладывается записка с указанием даты и времени его наложения, ФИО положившего жгут. Во избежание омертвления конечности жгут необходимо накладывать не более чем на 30 минут. В случае кровотечения из артерии головы или когда нет возможности сделать жгут, нужно прижать артерию выше места повреждения кости и немедленно транспортировать раннего в здравпункт. Заключение В задании на курсовое проектирование произвел расчет двух ректификационных установок непрерывного действия для разделения смеси этилацетат – толуол. Определил, что тарельчатая ректификационная колонна, с ситчатыми однопоточными тарелками типа ТС, является наиболее выгоднее для разделения бинарной смеси, чем насадочная ректификационная колонна с кольцами Рашига. Тарельчатая ректификационная колонна диаметром 1000мм, высотой 8,7 м. Рассчитал материальный и тепловой балансы ректификационной установки, рассчитал и подобрал дополнительное оборудование: дефлегматор, подогреватель и кипятильник. Изучил мероприятия по технике безопасности на предприятиях химической промышленности и оказание первой помощи пострадавшим. Список использованной литературы 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. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Изд. 8-е, пер. и доп. Л., Химия,1976. – 552с. Бинарные смеси: Учеб. Справочник / Авторы-составители Ю.И. Гущин; В.К. Леонтьев. – Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2003. – 104 с. (5.90)
и
- коэффициент теплоотдачи соответственно от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю, Вт/(м2∙К);
- термическое сопротивление стенки.
(5.91)
(5.92)
и
- термическое сопротивление стенки соответственно со стороны насыщенного пара и со стороны смеси, [1 таб. 2.2 с. 48];
- толщина стенки, мм;
- коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м∙К).
(5.93)
(5.94)
- критерий Нуссельта, для переходного режима движения жидкости;
- коэффициент теплопроводности смеси при средней температуре смеси, [2 рис. X с.561], Вт/(м∙К);
- эквивалентный диаметр, мм.
от критерия Рейнольдса в переходной области.
и
- критерий Прандтля соответственно при средней температуре смеси и температуре стенки:
- критерий Нуссельта, для переходного режима движения жидкости;
- коэффициент теплопроводности смеси при средней температуре смеси, Вт/(м∙К);
- эквивалентный диаметр, мм.
от критерия Рейнольдса в переходной области.
и
- критерий Прандтля соответственно при средней температуре смеси и температуре стенки:
=0,352 кг/с. Температура конденсации t1=78 0C, удельная теплота конденсации r = 365200 Дж/кг. Физико-химические свойства конденсации при температуре конденсации:
(6.95)
(6.96)
(6.96)
для конденсатора из труб диаметром dн=25х2 мм:
(6.97)
паров водного раствора органической жидкости, кипящая при температуре t2=109 0C, удельная теплота конденсации равна r2=363000 Дж/кг
(7.98)
(7.100)
(8.101)
- расход пара или жидкости, кг/с;
- плотность пара или жидкости, кг/м;
- скорость пара или жидкости, м/с.
- плотность жидкости при температуре входа в колонну, кг/м3,[1 табл. IV с. 512].
с толщиной стенок
материал, из которого выполнен трубопровод – нержавеющая, углеродистая сталь.
- количество флегмы, которое возвращается в колонну, кг/с.
с толщиной стенки
материал, из которого выполнен трубопровод – углеродистая сталь.
- расход паров дистиллята, кг/с,
- плотность пара, кг/м2.
с толщиной стенок
материал, из которого выполнен трубопровод – углеродистая сталь.
с толщиной стенок
материал, из которого выполнен трубопровод – углеродистая, нержавеющая сталь.
- количество пара, которое возвращается в колонну.
с толщиной стенок
материал, из которого выполнен трубопровод – углеродистая, нержавеющая сталь.
- плотность жидкости при температуре 20 0С, принимаем равной 900 кг/м3.
с толщиной стенок
материал, из которого выполнен трубопровод – нержавеющая сталь.
- плотность дистиллята при температуре 78 0С.
с толщиной стенок
материал, из которого выполнен трубопровод – нержавеющая сталь.
- количество жидкости, которое спускается вниз по колонне, кг/с;
- плотность жидкости в кубе колонны, кг/м3.
с толщиной стенок
материал, из которого выполнен трубопровод – нержавеющая, углеродистая сталь.
- количество пара, кг/с;
- плотность греющего пара, кг/м3, [1 табл. LVII с. 524]
с толщиной стенок
материал, из которого выполнен трубопровод – углеродистая сталь.
- количество сконденсированных паров, кг/с;
- плотность сконденсированных паров, кг/м3.
с толщиной стенок
материал, из которого выполнен трубопровод – углеродистая сталь.
- количество воды, которое входит в конденсатор, кг/с;
- плотность воды при начальной температуре, кг/м3.
с толщиной стенок
материал, из которого выполнен трубопровод – углеродистая сталь.
- количество воды, которое выходит из конденсатора, кг/с;
- плотность воды при конечной температуре, кг/м3.
с толщиной стенок
материал, из которого выполнен трубопровод – углеродистая сталь.
- количество пара, которое входит в кипятильник, кг/с;
- плотность пара, кг/м3.
с толщиной стенок
материал, из которого выполнен трубопровод – углеродистая сталь.
- количество сконденсированного пара, которое выходит из кипятильника, кг/с;
- плотность сконденсированного пара, кг/м3.
с толщиной стенок
материал, из которого выполнен трубопровод – углеродистая сталь.