Ректификационная установка для разделения смеси бензол-толуол

Число труб 121 шт, d=25 2 мм с шагом 32 мм, F=23 м², L=2500м, D=400мм.

 

 

8. Расчет кипятильника

 

 

Греющий пар Кубовая жидкость

 

 

t_п = 170 ⁰C

 кг/м³

0.163 Па с

  λ_см=67,9*10^-2 Вт/м К

r =1544,85 кДж/кг 

G_к=1,55 кг/с

t_ж =100⁰С

   кг/м³

r =2051 кДж/кг

 Вт/м К

 

Молярный расход паров:

 кг/с

Тепловая нагрузка аппарата, Вт:

Q=r

G_п=1544,85 2,18=3366,5 кВт

Расход охлаждающей жидкости (воды):

 кг/с

Примем трубы теплообменника диаметром 25 2 мм. Задаемся критерием Рейнольдса для кубовой жидкости Re = 15000 (развитое турбулентное течение)  и определяем требуемое число труб:

 шт

Принимаем шестиходовой теплообменник с (табл. ХХХΙV):

Число труб 204/6=34 шт,  d = 25 2 мм с шагом 32 мм, D = 600 мм.

Пересчитаем критерий Рейнольдса:

Определяем коэффициент  теплоотдачи для кубовой жидкости:

462 Вт/(м²К)

Оценим ориентировочно величину требуемой поверхности  теплопередачи.

По таблице ориентировочное  среднее значение коэффициента теплопередачи  в конденсаторах паров органических веществ К=1500 Вт/(м²К).

Δt_ср =60 ⁰C

Тогда ориентировочная площадь поверхности конденсатора:

  м²

Принимаем F=37м², L =2000м²

Определяем коэффициент  теплоотдачи для греющего пара:

Коэффициент теплоотдачи  от пара, конденсирующегося в пучке труб

=3,78*67,9*10^-2 Вт/(м²К)

Тепловая проводимость загрязнения со стороны кубовой жидкости (табл. ХХХΙ  [1])-для органических веществ (толуол):

Термическое сопротивление стальной стенки трубы

 м²К/Вт,

где -коэффициент теплопроводности стали (табл.ХХVΙΙΙ)

Тепловая проводимость загрязнения со стороны воды

 Вт/(м²К)

Суммарное термическое  сопротивление стенки и загрязнений 

= =1,02*10^-3 (м²К)/Вт

Коэффициент теплопередачи  К считается, как для плоской  стенки, поскольку отношению

> 0.5

 Вт/(м²К)

Тогда требуемая площадь теплообмена

м²

Имеем запас по площади

%

Принимаем теплообменник  шестиходовой с L=6000 м, Fтр=95 м², D=600 м, n=204/6=36 шт.

 

 

9. Расчет холодильника

 

 

Дистиллят                                                                   

Вода

 

 

 

Gр=0,95кг/с

t_н =75,35⁰С,  t_к = 30⁰C

 ρ_бен=878,6 кг/м³

С_f = 4177 Дж/кг К

  μ_б=0,9*10^-3 Па с 

λ_см =0,525 Вт/м К

Pr=6

Nu=80

 

t_н =10⁰С,  t_к = 40⁰C

   кг/м³

С_в = 4194 Дж/кг К

 Вт/м К

Тепловая нагрузка аппарата, Вт:

Q=G_дС_вн(t_дн-t_вк)= 0,95*4194(75,35-40)=1,4*10⁵

Расход охлаждающей  жидкости (воды)

 кг/с

Средняя разность температур:

Примем трубы  теплообменника диаметром 25 2 мм. Задаемся критерием Рейнольдса для исходной смеси Re = 15000 (развитое турбулентное течение)  и определяем требуемое число труб:

 шт

Предварительно примем число трубок 13 при диаметре кожуха 150 мм

Определяем коэффициент  теплоотдачи для дистиллята:

 Вт/(м²К)

Оценим ориентировочно величину требуемой поверхности  теплопередачи.

По таблице ориентировочное  среднее значение коэффициента теплопередачи в конденсаторах паров органических веществ К=1400 Вт/(м²К).

Определяем коэффициент  теплоотдачи для воды:

 Вт/(м²К)

Тепловая проводимость загрязнения со стороны исходной жидкости (табл. ХХХΙ  [1])

Термическое сопротивление  стальной стенки трубы

 м²К/Вт,

где - коэффициент теплопроводности стали (табл. ХХVΙΙΙ)

Тепловая проводимость загрязнения со стороны кубовой жидкости

  Вт/(м²К)

Суммарное термическое  сопротивление стенки и загрязнений 

(м²К)/Вт

Коэффициент теплопередачи  К считается, как для плоской  стенки, поскольку отношению

> 0.5

 Вт/(м²К)

Требуемая площадь теплообмена 

 м²

Примем одноходовой теплообменник с площадью поверхности такого порядка (табл. ХХХΙV):

Число труб 43 шт,  d = 25 2 мм с шагом 32 мм, F = 18 м², L = 2000м, D=400 мм.

 

 

10. Расчет кожухотрубчатого конденсатора (подогреватель)

 

Исходная смесь Греющий пар

 

 

t_н =44,7 ⁰C, t_к =92,7 ⁰C

 ρ_см=872 кг/м³

163 Па с

 λ_см=0,13 Вт/м К

r =2057 кДж/кг

С_в = 2555,9 Дж/кг К

Nu=67*0,7^0,25=61,3

r_п =2057 кДж/кг 

t_грп =170⁰С

   кг/м³

С_в = 4180 Дж/кг К

 Вт/м К

 

 

Тепловая нагрузка аппарата:

Q=G_иС_и(t_ик-t_ин)= 2.5*2095*(62.7-44.7)=251400 Вт

Расход греющего пара:

G_п= Q/ r_п=251.4/2057=0,12 кг/с

Примем трубы  теплообменника диаметром 25 2 мм. Задаемся критерием Рейнольдса для воды Re=15000 (развитое турбулентное течение) и определяем требуемое число труб:

 м²

Принимаем одноходовой  теплообменник с (табл. ХХХΙV):

Число труб 43 шт,  d = 25 2 мм с шагом 32 мм, D = 259 мм.

Пересчет критерия Рейнольдса:

Re=1500*29/43=10116.3

 Вт/(м²К)

Оценим ориентировочно величину требуемой поверхности теплопередачи. t_ср=68,7⁰C

 По таблице ориентировочное среднее значение коэффициента теплопередачи в конденсаторах паров органических веществ К=300 Вт/(м²К).

Тогда ориенировочная площадь поверхности конденсатора:

 м²

Двухходовой теплообменник  с площадью поверхности такого порядка (табл. ХХХΙV) :Число труб 43 шт, d=25 2 мм с шагом 32 мм, F=10 м², L=3000м, D=259 мм.

Коэффициент теплоотдачи  от пара:

где =0,55 ( граф.4-8 [1])- усредненный для всего пучка коэффициент, зависящий от расположения труб в пучке и от числа труб в каждом вертикальном ряду, выберем шахматное расположение труб 

Тепловая проводимость загрязнения со стороны метанола

(табл. ХХХΙ [1])                       

Термическое сопротивление  стальной стенки трубы

 м²К/Вт,

где - коэффициент теплопроводности стали (табл.ХХVΙΙΙ)

Тепловая проводимость загрязнения со стороны пара:

  Вт/(м²К)

Суммарное термическое  сопротивление стенки и загрязнений 

  (м²К)/Вт

Коэффициент теплопередачи  К считается, как для плоской  стенки, поскольку отношению  > 0.5

 Вт/(м²К)

Требуемая площадь теплообмена 

 м²

Имеем запас по площади

%

 

11.Тепловой баланс  ректификации

 

Q₁-тепло, поступающее с исходной смесью

Q₂-тепло, поступающее с парами кубовой жидкости

Q₃-тепло, поступающее из дефлегматора

Q₄-тепло,уходящее с парами в дефлегматор

Q₅-тепло, уходящее с кубовой жидкостью в кипятильник

Q₆-потери в ОС

Q₆=0.01(Q₁+ Q₂+ Q₃)

Q₂=G_f c_f t_f=2.5*2095*92.7=485516.3 Дж

Q₃=R G_р c_рt_р =2,3*0,95*0,54*78*4190=385614,9 Дж Q₄=G_р(R+1)(r_р+c_рt_р)=0,95*3,3*(4*10⁵+0,54*78*4190)=1807273,6 Дж

Q₅=G_w c_w t_w=1.55*5583*110=2759175.1 Дж

Q₁=506.5 к Дж

 

 

 

 

12. Расчет колонны на ветровую  нагрузку

 

Исходные данные

1. внутренний диаметр аппарата D, м ………………..1200
2. наружний диаметр аппарата D_H, м …………………1232
3. высота аппарата  H, м ……………………………….11700
4. количество участков   ……………………………….3
5. район установки аппарата  …………………………..2
6. максимальный вес аппарата G_max,МН ……………..0,75
7. минимальный вес аппарата G_min,МН ……………….0,32
8. рабочий вес аппарата G_p,МН ………………………..0,55
9. рабочее внутреннее давление P, МПа ………………1
10. вид грунта ……………………………………………..4
11. материал стенки корпуса аппарата ………………….08Х13
12. температура стенки аппарата t,°C …………………..10

 

Определение ветрового момента

 

Стержень жестко закреплен с  одного края

 

                            q₃

 

 

                            q₂

 

 

                            q₁

 

 

Ветровой напор q принимаем равно-распределенным, т.е. его можно заменить на q₁, q₂, q₃ - равнодействующие силы, приложенные к серединам участков.

Рассчитаем равнодействующую ветровую нагрузку на определенном участке P_i.

c_i - Коэффициент аэродинамического обтекания

q_i - Ветровой напор в середине –го участка

βi - Динамическое воздействие ветра

Di - Наружный диаметр колонны с учетом теплоизоляции

Hi - Высота  i-го участка. Н=3.9 м

Для цилиндрических форм c_i=0,6

,

Где cкоростной напор ветра  q₀=35*10^-5 МПа, максимальный в выбранном районе, т.к высота уровней приложения равнодействующей ветровой нагрузки колонна не превышает 11 м.

θi  - Возрастание скорости ветра в зависимости от расстояния от земли.

 х₁=1.95 м

 х₂= 5.9 м

 х₃=9.8 м

Период собственных колебаний колонны:

Где I - Момент инерции сечения

- Угол поворота опорного сечения,

Вес аппарата (максимальный) G=0,75 МH

Модуль упругости материала колонны E= 2,15*10⁵     МПа

Высота колонны H=10,04 _M

- Коэффициент сжатия грунта

Экваториальный момент инерции фундаментного кольца

, где

- Наружный диаметр опорного кольца

m_i  - Коэффициент пульсации (зависит от Н, до 25 метров  m=const=0,35 ).

P₁=P₂=P₃= 1,82*10^-3 MH

 

Ветровой момент, действующий  на колонну:

M=Σx_i P_i+P_mk*x_mk=1.82*10^-3(1.92+5.9+9.8)=0.032 MH м

гдеP_mk*x_mk - Добавочный момент металлоконструкций (площадка обслуживания). В нашем случае P_mk*x_mk =0.

 

Проверка корпуса колонны и опорной обечайки на прочность