Расчет тарельчатой ректификационной колонный

Министерство образования  Республики Казахстан

Казахский университет  технологии и бизнеса

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

По дисциплине: Основы проектирования и оборудование предприятий

На тему:  Расчет тарельчатой ректификационной колонный

 

 

 

 

Выполнила: Жумабаева А.

                                                                           3 курс ХТОВ (СПО) ДОТ

 

Проверил: Керимкулов К.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Астана 2013

Содержание

 

Введение__________________________________________4

1.Классификация теплообменников___________________5

        1.2 Конструкции кожухотрубчатых  теплообменников____6

        2 Описание технологической схемы___________________7

       3 Расчетная часть___________________________________9

        3.1 Материальный баланс____________________________9

        3.2 Расчет скорости пара и диаметра колонны__________10

        3.3 Определение высоты колонны____________________13

        3.4 Определение числа теоретических тарелок________14

        4 Гидравлический расчет колонны__________________15

        Выводы________________________________________18

        Список литературы_______________________________19

            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Теплообменник, теплообменный аппарат - устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. Применяется в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве.

Классификация теплообменников возможна по различным признакам. По способу  передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды  непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники-рекуператоры, в которых тепло передаётся через поверхность нагрева - твёрдую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.

По основному назначению различаются  подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:

• жидкостно-жидкостные - при теплообмене между двумя жидкими средами;

• паро-жидкостные - при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);

• газо-жидкостные - при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха).

• газово-газовые - при теплообмене между газом и газом и др.

По тепловому режиму различаются  теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом. Многотрубный кожухотрубчатый теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическую камеру (кожух); таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством. Трубки закреплены в трубные решетки, ограничивающие камеру со всех сторон. К трубным решеткам крепятся распределительные коробки с патрубками для впуска рабочей жидкости, протекающей внутри трубок. Камера снабжена также патрубками для подвода и отвода второго рабочего тела. Трубки латунные, медные или стальные применяются диаметром от 10 мм и выше; трубки имеют большие диаметры при вязких или загрязненных жидкостях. Для помещения в кожухе большей поверхности теплообмена и получения большего коэффициента теплоотдачи выгоднее применять трубки меньшего диаметра. Трубные решетки могут быть наглухо приварены или приклёпаны к корпусу, одна из решеток может быть не соединена с камерой. В этом случае уплотнение достигается резиновым кольцом, зажимающим щель между корпусом и решеткой, линзовыми компенсаторами и U-образными трубками. Кожух теплообменника обычно стальной, цилиндрический. Иногда для обеспечения свободы температурного расширения кожуха и трубок на кожухе устраивают компенсатор.    

Кожухотрубчатые теплообменники достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую  поверхность теплообмена в одном  аппарате, надежны в работе. Один из теплоносителей протекает по трубам, другой по межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стенок труб. Обычно теплоносители подают в противоток. Такое движение теплоносителей способствует более эффективному переносу теплоты.

 

 

 

 

1. Классификация теплообменников

Аппараты, в которых происходит процесс теплообмена, называются теплообменниками. Теплообменники характеризуются разнообразием конструкций в зависимости от различного назначения аппаратов и условий проведения процессов.

По принципу действия теплообменники делятся:

- на рекуперативные;

- на смесительные;

- на регенеративные.

В рекуперативных теплообменниках теплоносители разделены стенкой, и теплота передаётся от одного теплоносителя к другому через разделяющую стенку.

В смесительных теплообменниках передача теплоты происходит при непосредственном смешении (градирни, скрубберы, конденсаторы смешения и т. д.).

В регенеративных теплообменниках имеется теплообменная поверхность, которая омывается попеременно горячим и холодным теплоносителями. При омывании горячим теплоносителем поверхность нагревается, теплоноситель сливают, затем подаётся холодный теплоноситель, который воспринимает тепло от нагретой поверхности.

Рекуперативные теплообменники по конструкции разделяются на кожухотрубчатые, типа «труба в трубе», змеевиковые, спиральные, оросительные, аппараты с рубашками.

Наиболее широко в пищевых производствах  используются кожухотрубчатые теплообменники (рис. 1).

В кожухотрубчатом теплообменнике теплоноситель I проходит в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом, трубами и трубными плитами.

Теплоноситель II проходит по трубам (трубное пространство).

Важным моментом в использовании  теплообменника является выбор: какой теплоноситель, в какое пространство направить. В системе пар-жидкость в межтрубное пространство обычно направляется пар, где он конденсируется. В трубное пространство направляется жидкость для увеличения скорости движения жидкости.

 

Рис. 1. Принципиальная схема одноходового кожухотрубчатого теплообменника (типа ТН): 1 - цилиндрический  корпус (кожух); 2 – трубы; 3 – крышка; 4 – днище; 5,6 – верхняя  и нижняя трубные плиты (трубные  решетки); 7,8 – штуцеры  для входа и выхода теплоносителя I; 9,10 – штуцеры  для входа и выхода теплоносителя II

Учитывая выше сказанное, в контрольной  работе по теме 2 задачи 11-20, теплоноситель I – пар, II – жидкость. Теплообмен между теплоносителями осуществляется через стенки труб.

 

1.2 Конструкции кожухотрубчатых теплообменников

 

С целью увеличения интенсификации теплообмена в кожухотрубчатых  теплообменниках пучок труб разделяют  на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель проходит последовательно. Разделение труб на ряд ходов достигается с помощью перегородок в крышке и днище.

По числу ходов кожухотрубчатые  теплообменники делятся на одно- и многоходовые.

В одноходовых теплообменниках теплоноситель движется в одном направлении параллельно по всем трубкам (рис. 1). В многоходовых теплообменниках теплоноситель последовательно проходит несколько ходов, двигаясь в противоположных направлениях.

В многоходовых теплообменниках увеличивается скорость теплоносителей, а следовательно, и интенсивность процесса за счёт того, что теплоносителей поступает не во все трубы сразу, а только в пучок труб, ограниченный перегородкой.

Многоходовыми теплообменники могут  быть по трубному (рис. 2) и межтрубному пространству (рис. 3).

 

Рис. 2. Схема многоходового теплообменника (по трубному пространству): 1 – кожух;  2 – трубы; 3 – крышки;  4 - перегородки	Рис. 3. Схема многоходо вого теплообменника (по межтруб- ному пространству): 1 – кожух;  2 – перегородки; 3 – трубы;   4 – крышки(верхняя и нижняя)

 

Приведённые теплообменники надёжно  работают при разностях температур между корпусом и трубками 30-50 ^оС. При более высоких разностях температур между корпусом и трубами возникают значительные температурные напряжения, которые могут привести к выходу теплообменника из строя. Поэтому при больших разностях температур применяют конструкции теплообменников, в которых предусмотрена компенсация температурных удлинений.

Простейшее устройство для компенсации  температурных удлинений – линзовый компенсатор, который устанавливается на корпусе теплообменника и компенсирует температурные деформации осевым сжатием или расширением (рис. 4а).

Можно использовать также теплообменники с  
U-образными трубками (рис. 4б). Они имеют одну трубную решетку, в которой закреплены оба конца U-образных трубок. Каждая трубка при нагревании может удлиняться независимо от других тем самым, компенсируя температурные удлинения.

 

а	д                  б
Рис. 4. Устройство теплообменников с компенсацией   температурных напряжений а – с линзовым компенсатором:  1 – кожух; 2 – трубы; 3 – линзовый компенсатор;   б – с U – образными трубами: 1 – крышка;   2 – кожух; 3 – U – образные трубы.

2 Описание технологической схемы ректификационной колонны

 

 

Рис. 1.1 Принципиальная схема  ректификационной установки:

1 —емкость для исходной  смеси; 2,9 —насосы; 3 —теплообменник–подогреватель; 4 —кипятильник; 5 — ректификационная колонна; 6 —дефлегматор; 7 — холодильник дистиллята; 8 —емкость для сбора дистиллята; 10— холодильник кубовой жидкости; 11 —емкость для кубовой жидкости

 

Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси xF .

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся  вверх паром, образующимся при кипении  кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка xw, т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава хР, получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения — дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части  колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость — продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный, неравномерный процесс разделения смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Расчетная  часть

3.1 Материальный баланс процесса ректификации

 

Материальный баланс, основан на законе сохранения массы вещества, составляется для определения количества материальных потоков по всему количеству вещества и низкокипящему компоненту.

Материальный баланс для всей колонны:

 

GF = GD + GW,  (3.2)

 

где GF – массовый расход исходной смеси, GF =5,1кг/с;

GD – массовый расход дистиллята, кг/с;

GW – массовый расход кубовой жидкости, кг/с.

Материальный баланс по низкокипящему компоненту:

 

, (3.3)

 

где  – содержание низкокипящего компонента в массовых долях в исходной смеси, дистилляте, кубовой жидкости, соответственно.

Из этой системы уравнений  находим:

 

GW = GF – GD;

;

GW=5.1–1.08=4.02 кг/с.

 

Средние температуры жидкости определяем по