Проект МВУ для упаривания 70 т/ч сульфатного щёлока

Федеральное агентство по образованию (Рособразование)

Архангельский государственный технический  университет

Кафедра лесохимических производств

Специальность      3207      Курс        3       Группа       4

 

Большаков Иван Ильич

(фамилия, имя и отчество студента)

 

 

 

 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

 

 

 

по дисциплине: Основы гидравлики и теплотехники

на тему: Проект МВУ для упаривания 70 т/ч сульфатного щёлока

 

 

 

 

Руководитель проекта______________     ____________   _______________

                                                   (должность)                 (подпись)             (Фамилия И.О.)

 

 

 

 

 

 

 

Оценка проекта _______________________

 

 

Архангельск

2004

 

Содержание

I  Расчет ректификационной колонны……………………………………………5

1 Материальный баланс………………………………………………………5

2 Определение оптимального флегмового числа и числа теоретических ступеней…………………………………………………………………………….6

2.1 Пересчитываем массовые  доли смесей в мольные доли……………..6

2.2 Определяем минимальное  флегмовое число………………………….6

2.3 Рассчитываем  оптимальное флегмовое число………………………..7

2.4 Определяем  число  теоретических ступеней (ЧТС)…………………..7

3 Тепловой баланс………………………………………………………….....8

3.1 Определяем теплоемкость  смеси………………………………………8

3.2 Составим уравнение  теплового баланса………………………………9

4 Определение диаметра ректификационной колонны……………...……13

4.1 Определяем расход  пара в верхнем и нижнем  сечениях колонны…13

4.2 Определяем скорость  пара в свободном сечении колонны…………13

4.3 Определяем диаметр  колонны……………………………………..…14

4.4 Уточняем скорость  пара в верхнем и нижнем сечениях колонны…...............................................................................................................14

4.5 По каталогу выбираем  основные размеры колонны……………...…14

5 Определение высоты колонны……………………………………….......15

6 Расчет гидравлического сопротивления…………………………………16

II Расчет подогревателя…………………………………………………………..19

1 Определение тепловой  нагрузки и расход горячего  теплоносителя…...19

2 Определение среднего  перепада температур……………………………20

3 Ориентировочный расчет  теплообменника……………………………...21

4 Уточненный расчет  теплообменника…………………………………….22

4.1 Определяем термическое  сопротивление стенки и отложений…….22

4.2 Расчет коэффициента  теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю…………………………………………………………………....22

4.3 Расчет коэффициента теплоотдачи  от горячего теплоносителя к стенке……………………………………………………………………………...24

4.4 Расчет коэффициента теплопередачи………………………………...25

5 Определяем требуемую  поверхность теплообмена……………………..26

III Расчет насоса…………………………………………………………………..27

1 Расчет трубопровода………………………………………………………27

1.1 Выбираем материал……………………………………………………27

1.2 Выбираем условное давление по справочнику……………………..27

1.3 Принимаем скорость движения  жидкости  в трубопроводе………..27

1.4 Расчет диаметра трубопровода……………………………………….27

2 Выбор насоса………………………………………………………………28

2.1 Определяем сопротивление трубопровода…………………………..28

2.2 Определяем напор жидкости  в трубопроводе……………………….28

2.3 Определяем высоту всасывания……………………………………...28

Приложение 1….…………………………………………………………..

Приложение 2……………………………………………………………...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I  Расчет ректификационной колонны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Материальный баланс

Составляем уравнение  общего материального баланса без  учета потерь.

G_f =

G_w + G_p

G_f ∙x_f  = G_w ∙x_w + G_p∙x_p   ,

где G_f ,G_w ,G_p – массовые расходы исходной смеси, дистиллята и кубового остатка соответственно, кг/ч; x_f , x_w , x_p – массовые доли легкокипящего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно, кг/кг.

 G_p =  G_f  - G_w

G_w (x_p - x_f) = G_w(x_p - x_w)

 кг/с

G_p = 0,33 – 0,29 = 0,04 кг/с

 

2 Определение оптимального флегмового числа и числа теоретических ступеней.

 

2.1 Пересчитываем массовые доли смесей в мольные доли.

Молярная масса метилового спирта М_А = 32 кг/кмоль.

Молярная этилового  спирта М_В = 46 кг/кмоль.

Массовые доли пересчитываем в  мольные доли по следующей формуле:

2.2 Определяем минимальное флегмовое число.

Для этого по справочным данным строим кривую равновесия фаз (см.рисунок 1).

Равновесные составы  жидкости и пара для системы метиловой  спирт – этилового спирта представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Равновесные  составы жидкости и пара для системы  метиловой спирт – этилового спирта

 

х, %	y, %	t, %
0,0	0,0	78,3
5,0	7,4	77,2
10,0	14,3	76,5
20,0	27,1	75,0
30,0	39,6	73,6
40,0	51,5	72,2
50,0	62,6	70,8
60,0	72,3	69,4
70,0	79,8	68,2
80,0	86,6	66,9
90,0	93,2	65,9
100,0	100,0	64,9

 

По графику определяем содержание легкокипящего компонента в паровой фазе равновесной массовой доле легкокипящего компонента в  дистилляте

y_f^* = 27,5 %

R_min =9,84

2.3 Рассчитываем  оптимальное флегмовое число  с помощью компьютерной программы.

R_опт = 13,86

2.4 Определяем  число теоретических ступеней (ЧТС).

Для этого строим рабочую  линию колонны (см. рисунок 1).

Уравнение рабочей линии  укрепляющей части колонны:

,

где R - оптимальное флегмовое число.

Точка А имеет координаты х = х_p; =99,3%

 

Точка В имеет координаты х = 0;

Уравнение рабочей линии исчерпывающей  части колонны

   ,

где F – относительный мольный расход исходной смеси отнесенный к 1 молю дистиллята;W - относительный мольный расход кубового остатка отнесенного к 1 молю дистиллята.

Точка С имеет ординату х = х_f =20,2% и принадлежит прямой АВ,                y = 27,5%.

Точка D имеет координаты х = х_w; = 1,4%

ACD – рабочая линия всей колонны, AC– рабочая линия укрепляющей части колонны, CD – рабочая линия исчерпывающей части колонны.

ЧТС_укр = 21,86

ЧТС_исч = 15,84

ЧТС = 21,86+15,84 =37,4

 

3 Тепловой баланс. 

 

3.1 Определяем  теплоемкость смеси.

Для этого строим температурную  зависимость t = f(x) (см. рисунок 2). По графику определяем температуры исходной смеси, дистиллята и кубового остатка. При соответственных температурах находим теплоемкости.

	t, ˙С	CA , кДж/кгК	CB ,кДж/кгК
tf	74,9	2,72	3,1
tp	65,1	2,77	3,18
tw	77,5	2,81	3,27

 

Теплоемкости смеси  определяются по формуле:

С_см = С_А х + С_В( 1-х )

С_f  = 3,1 кДж/кгК

С_p = 2,72 кДж/кгК

C_w = 3,27 кДж/кгК

3.2 Составим уравнение теплового баланса.

Приход:

а) Теплота, приносимая исходной смесью Q_f , рассчитывается по формуле:

Q_f = G_f ∙C_f ∙t_f  = 0,47∙3,1∙74,9 = 109,1 кВт

б) Теплота, приносимая греющим паром Q_гр , рассчитывается по формуле:

Q_гр = D_гр ∙I_гр  ,

где D_гр – расход греющего пара, кг/с, I_гр - энтальпия греющего пара, кДж/кг.

Принимаем, что температура греющего пара t_гр выше температуры нижнего продукта  t_w на 20˚С.

t_гр ≥ t_w +20 ≥97,5˚С

 

Принимаем следующие  параметры греющего пара:

р_гр = 0,2 МПа = 2 кгс/см²,

t_гр = 99,1˚С,

I_гр = 2677 кДж/кг,

r_гр =2264 кДж/кг.

Q_гр = 2677∙ D_гр

в) теплота, приносимая флегмой Q_R , рассчитывается по формуле:

Q_R = G_R ∙ C_R∙ t_R  ,

t_R – температура флегмы, t_R= t_р ˚С; C_R – теплоемкость раствора флегмы кДж/кгК, G_R – массовый расход флегмы, кг/с.

 Расход флегмы определяется по флегмовому числу:

G_R = G_p ∙ R

Q_R = G_р ∙ C_p∙R∙ t_p

Q_R = 0,07 ∙ 13,86 ∙ 2,72 ∙ 65,1 = 171,8 кВ

Расход:

г)  теплота, уносимая парами из колонны Q_п , рассчитывается по формуле:

Q_п = G′_п∙ I′_п,

где I′_п – энтальпия паров вскипания, кДж/кг; G′_п – массовый расход паров вскипания, кг/с.

Массовый расход паров вскипания, рассчитывается по формуле:

G′_п = G_p + G_R  = G_p (R+1)

        Энтальпия паров вскипания, рассчитывается по формуле:

I′_п = r_р + С_р * t_р ,

где r_р – удельная теплота парообразования смеси, кДж/кг,

r_р = r_А∙х_р + r_В∙(1- х_р) ,

где r_А - удельная теплота парообразования метанола при температуре дистиллята, кДж/кг, r_В - удельная теплота парообразования этилового спирта при температуре дистиллята, кДж/кг.

r_А = 1098,4 кДж/кг

r_В = 871,5 кДж/кг

r_р = 1098,4 ∙ 0,993 + 871,5 ∙ (1-0,993) = 1096,81 кДж/кг

                                   Q_п = G_R∙(R+1) ∙( r_р+ С_p∙ t_р)

                     Q_п =0,07∙(13,81+1) ∙(1096,81+2,72∙65,1) = 1325,1 кВт.

д) теплота, уносимая с  кубовым остатком Q_w, рассчитывается по формуле:

Q_w = G_w ∙ C_w ∙ t_w

Q_w = 0.4 ∙ 3.27 ∙ 77.5 = 101.37 кВт

е) теплота, уносимая с  конденсатом греющего пара Q_конд , рассчитывается по формуле:

Q_конд = D_гр ∙ С_Н20 ∙ t _гр ,

С_Н20 – теплоемкость конденсата (воды), кДж/кгК, С_Н20 = 4,19.

Q_конд = 4,19 ∙ 99.1 ∙ D_гр = 415.2 ∙ D_гр кВт

ж) теплопотери принимаем 5% от теплоты отданной греющим паром  в кипятильнике

Q_пот = 0,05 ∙ D_гр ∙ r_гр

Q_пот = 0,05 ∙ D_гр ∙ 2264 = 113.2 ∙ D_гр кВт

Суммарное уравнение  теплового баланса 

Q_f + Q_гр + Q_R = Q_п + Q_w + Q_конд + Q_пот

109.1 + 2677 ∙ D_гр + 171.8 = 1325 + 101.37 + 415.2 ∙ D_гр + 113.2 ∙ D_гр

2148.6 ∙ D_гр = 1145.57

D_гр = 0,53 кг/с

 

 

 

4 Определение диаметра  ректификационной колонны

 

4.1 Определяем  расход пара в верхнем и  нижнем сечениях колонны.

Объемный секундный расход пара определяется по формуле:

V_c = G_п / ρ_п ,

ρ_п – плотность пара в условиях колонны, кг/м³

,

где М – молярная масса  смеси, кг/кмоль; р – давление в колонне, Па; Т_о – температура при нормальных условиях, Т_о = 293К; р_о – давление при нормальных условиях, р_о = 10⁵Па; Т – температура пара в колонне, К.

Верхнее сечение:

Молекулярная масса  смеси  в верхнем сечении определяется по правилу аддитивности