5555

Расчет ректификационных установок. Теплообмен и технологическая схема установки

Реферат

Производство и промышленные технологии

Введение Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка (дистилляция и ректификация). Перегонка представляет собой процесс, включающий частичное ис...

Русский

2012-12-15

1.25 MB

76 чел.

Введение

Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка (дистилляция и ректификация).

Перегонка представляет собой процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемые однократно или многократно. В результате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

По средствам перегонки разделяют смеси, все компоненты которых летучи, то есть обладают определённым, хотя и разным давлением пара. Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов смеси, при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние.

      В простейшем случае исходная смесь является бинарной, то есть состоит только из двух компонентов. Получаемый при её перегонке пар содержит относительно большее количество легколетучего или низкокипящего, компонента (НК), чем исходная смесь. В процессе перегонки жидкая фаза объединяется, а паровая фаза обогащается НК. Не испарившаяся жидкость имеет состав, более богатый труднолетучим, или высококипящим компонентом (ВК).

       Эта жидкость называется остатком, а жидкость, полученная в результате конденсации паров, - дистиллятом, или ректификатом.

       Существуют два вида перегонки:

  1.  Простая перегонка (дистилляция)
  2.  Ректификация

       

       Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения смеси и образующихся паров. Простая перегонка применима только для разделения смеси, летучести компонентов, которой существенно различны. Обычно её используют лишь для предварительно грубого разделения жидких смесей, а так же, для очистки сложных смесей от нежелательных примесей, смол и т.д.

       Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путём контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно НК, которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно ВК, переходящий в жидкость. Такой двухсторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить в конечном счёте пары, представляющие собой почти чистый НК. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят(ректификат) и флегму – жидкость , возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путём частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым ВК.

       Ректификация известна как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности.

       Для проведения процессов ректификации применяются аппараты разнообразных конструкций. На спиртовых заводах считается экономически целесообразным получать ректифицированный спирт непосредственно из бражки.  В брагоректификационных установках совмещены технологические операции сырьевых, и ректификационных установок. Они позволяют ректификованый спирт непосредственно из бражки с меньшими затратами энергии, воды, рабочей силы и при меньших потерях спирта.

        Ректификационные установки снабжены теплообменными установками – кипятильником (кубом) и дефлегматором.

        Целью данного проекта является технологический расчёт и компоновка дефлегматора ректификационной установки.

  1.  Теоретические основы.

       Конвективный теплообмен – перенос тепла за счёт движения сплошной среды.   

       Различают естественный конвективный теплообмен, который осуществляется за счёт разности плотностей теплоносителя, и вынужденный конвективный теплообмен, который осуществляется с помощью различных перемешивающих устройств – мешалок, насосов, вентиляторов.

       Дифференциальное уравнение Фурье-Кирхгоффа:

                          x WyWz α)

                            1                               2                                          3

  1.  Локальная составляющая, которая характеризует изменение температуры в данной точке пространства с течением времени;
  2.  Конвективная составляющая, которая характеризует поле температур в данный момент времени;

   1+2.   Субстанциональная производная, характеризует распределение температуры во времени                                                                                                   и пространстве.

  1.   Молекулярная теплопроводность.

       

       Теплоотдача – теплообмен между теплоносителем и твёрдой стенкой

 

      Теплоотдача при конденсации.

       Конденсация процесс превращения из газообразного в жидкое.

       Различают конденсацию капельную – когда газ конденсируется на охлаждающей поверхности; плёночную конденсацию – когда конденсирующийся пар на поверхности теплообмена образует плёнку.

       При конденсации выделяется тепло.

L – удельная теплота конденсации, кДж/кг;

r -  f (Pabc; природа конденсации вещества) – справочная величина; rH O= f(1атм) = 2264 кДж/кг

       Для конденсирующейся смеси удельная теплота конденсации рассматривается в зависимости от концентрации:

                                                rсм = r1x1+r2x2+r3x3

х1, х2, хn – массовая доля компонентов смеси, %;

r1, r2, rn – удельная теплота конденсации чистых компонентов, Дж/кг;

        Количество тепла, выделяющееся при конденсации, описывается ур-ем:

        

                                            Q =α·F (tконд-tст)

Q –тепловой поток, Вт;

α –  коэффициент теплоотдачи при конденсации;

t конд – температура конденсации;

tcт – температура охлаждающей стенки.

         Уравнение служит для определения теплообмена, а по нему определяются габариты аппарата.

F=Q / α (tконд - tcт)

Q – тепловая нагрузка при конденсации, Вт;

Q=Gn (i” – i’)

Gn –расход конденсирующегося пара, кг/с;

I – энтальпия пара, кДж/кг;

I – энтальпия конденсата, кДж/кг;

(I”,I’) = f (Pabc, tконд)

I”,I’ = f (Pabc, tконд) – справочные величины.

        α – коэффициент  теплоотдачи при конденсации, определяется на основе критерия Нуссельта для конденсации:

α = А·B/ (l × ∆t)0.25 ; Вт/м2×К

l – длина зоны конденсации;

t – движущая сила процесса конденсации

t = tконд - tcт

А – коэффициент, зависящий от геометрии поверхности;

В – коэффициент, зависящий от теплофизический свойств пара и конденсата.             

α = f(∆t, l, r, ρn, ρж, μn, μж, Г1, Г2, … ,Гn)

tконд= const , tконд = f(Pabc, природа вещества)

r – удельная теплота конденсации;

ρn, ρж – плотность пара, жидкости, кг/м3;

μ – коэффициент вязкости, Па×с

Г1, Г2, … ,Гn – симплексы геометрического подобия;

αж , αn – коэффициент теплопроводности пара, жидкости, Вт/ м2×К

                            Основное уравнение теплопередачи:

                                            Q = k·F (t1-t2)

Q – тепловой поток или расход тепла, К;

F – поверхность теплообмена, м2;

t1 – температура горячего теплоносителя, К;

t2 – температура холодного теплоносителя, К;

k -  коэффициент теплопередачи;

                                               k =  ; Вт/м2К

     Физический смысл K – количество теплоты, переносимое от горячего теплоносителя к холодному в единицу времени через единицу поверхности при разности температур горячего и холодного теплоносителей в  1 К.

  Для горячего теплоносителя:

     Q = α1·

 

     Q =                                                                                                  

                                                                                                                                 

      

                                                                                                                                      

       
                                                                                                                           

         
                                                                                     

                                                                                                

     
       

                                                               

               

              - связь коэффициента теплопередачи с коэффициентом

                                             теплоотдачи.

                                           

                                                                                                                                                      

 

                                         

                                                  

                                        2.Теоретические основы.

  Конденсаторы – аппараты, предназначенные для конденсации паров.

  Конденсацию в пищевой промышленности используют для:

  1.  Использование тепла;
  2.  Получение конденсатов в чистом виде;

1.  Использование тепла – обогревающие устройства – выпарные установки для получения сахарного конденсата, калориметры.

2.  В дефлегматорах ректификационных установок и конденсаторов-холодильников спиротовой промышленности, дестиляторы для получения дистиллированной воды.

               Различают:

  1.  Поверхностные конденсаторы.  В них конденсирующийся пар и охлаждающая жидкость разделены поверхностью теплообмена.
  2.  Конденсаторы смешения.  В них конденсирующийся пар и охлаждающий агент – вода перемешиваются и выводятся самотёком совместно.

  Конденсаторы смешения используются с 3-ей целью:

Для создания в вакуума в установках работающих по разряжением.

  Рассмотрим расчёт поверхностного конденсатора. Рассмотрим распределение температур вдоль поверхности теплообмена.

1 - зона охлаждения перегретого пара до t конденсации.

2 - зона конденсации пара.

3 - зона охлаждения конденсата.

t1 - температура пара и конденсата;

t2 - температура охлаждающего агента (вода, воздух).

           Общая поверхность теплообмена:                                                                                                                                                                                                                                   

                                                                                                                   

      

  

     - поверхность зоны охлаждения;

     - поверхность зоны конденсата;

     - поверхность зоны охлаждения конденсата.

     1 зона – нет изменений в агрегатном состоянии теплоносителей. Пар охлаждается от  

до . Вода нагревается от  до  охлаждённого агента на выходе аппарата.

    Тепловой баланс:

 

 
    -  расход конденсирующегося пара, кг/с;

      - удельная теплоёмкость пара, Дж/кг ·К ;

  - температура перегретого пара, т.е. на выходе в аппарат;

  - температура конденсации пара

- потери тепла аппаратом в окружающую среду .

    
        - поверхность теплообмена, м2     

                   

                   ∆

                   ∆

                                                     

       - коэффициент теплопередачи в 1 зоне.

    - коэффициент теплоотдачи от пара к стенке;
                                                  

    - коэффициент теплоотдачи от стенки к воде;                                                                                                                 

  (Re, конструкция аппарата)

Используется критериальное уравнение:

                    Nu =

         2 зона – горячий теплоноситель конденсируется.

 
                                                         

                                                               

    – удельная теплота, Дж/кг;

  

    -  степень сухости пара, безразм.;    

          - начальная и конечная температуры охлаждающего агента в зоне конденсации.

           

         

          Поверхность теплообмена:

                            =      

                        

                                            

                        

        Коэффициент теплопередачи:

                      

    - коэффициент теплоотдачи от пара к стенке определяется по формуле:

                                                         

                                                          
 
A, B -  коэффициенты, учитывающие теплофизические свойства конденсата;

    - длина зоны конденсации;

  r - удельная теплота конденсации;

  - определяется по формулам конвективного теплообмена                        

     3 зона – теплообмен без изменения агрегатного состояния теплоносителя.

 

Ск - удельная теплоёмкость конденсата, Дж/кгК

             Для определения поверхности 3 зоны:

                                    

                                                         

                                    

            

                                                                  

       


             


                

                       

                             

                           Технологическая схема установки.

  В ректификационных установках используют главным образом аппараты 2-ух типов:

Насадочные и тарельчатые ректификационные колонны. Для ректификации под вакуумом применяют плёночные и роторные калонны различных конструкций.

  Ректификационные калонны снабжены теплообменными устройствами – кипятильником (кубом) и дефлегмататором.

  Назначение дефлегматора состоит в снабжении ректификационной калонны флегмой, подступающей на верхнюю тарелку и её укрепляющей части. В дефлегматоре пары дополнительно укрепляются, поэтому в некоторых перегонных  аппаратах, он играет роль преемущественно укрепляющего органа, и заменяет часть тарелок в колонне. Эффективность дефлегматора зависит от его конструкции.

  Дефлегматор брагоперегонного аппарата .В трубных решётках 2-х горизонтально расположенных барабанах закреплены трубки по которым протекает поступающая на перегонку бражка и вода. Снаружи трубки омываются паром. Бражка и вода нагревается за счёт теплоты конденсации спиртоводного пара. Часть паров превращается во флегму, которая через гидравлический затвор отводится в калонну, остальные пары проходят через дефлегматор, в холодильник – конденсатор, где конденсируются и охлаждаются до заданной температуры, превращаясь в дистиллят. Водные трубки распологаются в верхней части верхнего барабана.

Дефлегматор этого типа производит значительно укрепление паров.

                                  

                                                 Расчётная часть.  

  

                           Тепловая нагрузка на дефлегматор

                                         Тепло отводимое бражкой

- (теплоёмкость бражки) = 4370 - 1,1·t = 4370 -1,1·37,5=4329 Дж/кг·К

                                           Тепло отводимое водой

                      Поверхность дефлегматора охлаждённая бражкой

                                                        

1.      ∆t – средняя разность температур

           

           ∆

           ∆

            т. к.  

2.       k – коэффициент тепло передачи

 Вт/м2·град

Принимаю к установке медные трубы (B=812) диаметром , каждый ход имеет одну трубу.

скорость движения бражки в трубах рассчитываю так:

где – плотность бражки, принятая 382 кг/м3

коэффициент теплопередачи  

           

          поверхность теплопередачи   

             

                Учитывая возможную форсировку колонны, увеличиваю поверхность теплообмена на 20%:

                                          

                           Поверхность дефлегматора, охлаждённая водой

               

     Для воды принимаю стальные трубы , а скорость движения воды в трубах  , тогда число параллельно работающих труб:

      

       

       Принимаю n = 14, тогда действительная скорость воды в трубах:        

                      

                     Коэффициент теплопередачи нахожу из уравнения:

                                                  

       

– толщина стенки = 2,5 мм = 0,0025 м

– коэффициент теплопроводности материала стенки 46,4  Вт/м·град

     Принимаю температуру стенки , тогда:

                                                   

С – опытный коэффициент; для горизонтальных труб С = 0,72

h - высота вертикальных труб(для горизонтальных   h = )

– температура насыщения (78,7)

- температура стенки (68)

    

       т.к.               ,

                      

Физико-химические константы воды при этой температуре:

                        Критерий Рейнольдса

Режим движения воды турбулентный. Для определения α2 предварительно определяю Nu :

 

тогдаВт/м2·град

              Коэффициент теплопередачи

  Вт/м2·град

Поверяю температуру стенки со стороны пара:

Что соответствует заданной.

                     Поверхность дефлегматора охлаждаемая водой

 м2

Учитывая возможную форсировку колонны , увеличим поверхность теплоотдачи на 20% :

     м2

                           Конструктивный расчёт дефлегматора

Общая длинна труб бражной части дефлегматора:

                        м

При длине одной трубы число ходов:

      

                       (ходов)

Общая длина труб водяной части дефлегматора

 

                      

                     м

При длине трубих число:

                         

При четырёх параллельно работающих трубах число ходов:

                         хода

 

   Трубы бражной и водяной части размещаю в одном барабане: 224  водяных и  3 бражных.

   Число труб по диагонали принимаю 4 (бражных). Шаг между трубами принимаю:

                              мм

Приняв расстояние от центра крайней трубы до кожуха:

                              мм

Внутренний диаметр барабана дефлегматора:

                                мм

Общая длинна дефлегматора:

                    м

Где b – длинна распределительной камеры, принятая по конструктивным соображениям равной 0,15м.

                   

Техника безопасности при эксплуатации ректификационных установок.

        Во время работы ректификационной установки необходимо следить за выходом барды и мотерной воды из колонн ,подачей бражки, воды и пара, за давлением и температурным режимом в колоннах, за концентрацией и количеством отбираемого спирта , за показателем контрольно измерительных прибором. Работу  ректификационной установки необходимо вести, строго придерживаясь утверждённого технологического регламента. При регулировании работы установки нельзя допускать перерывов в подаче пара и воды, снижения концентрации ректификованного спирта ниже допустимой стандартом.

       Ректификационная установка может работать без остановки продолжительное время. Остановка ректификационной установки может быть плановой(профилактической) или аварийной, причём плановая остановка может быть кратковременной ( без стяжки спирта из колонн) или длительной (с помощью стяжки спирта из колонн).

       Техника безопасности ректификационных установок определяется тем, что пары спирта и сопутствующих ему примесей, в том или оном количестве содержащиеся в воздухе, являются токсичными и в определённых соотношения с воздухом образуют пожаро - и взрывоопасную смесь.

       Согласно классификации огнеопасных жидкостей спирт и его примеси относятся к 1 классу.

    В ректификационном отделении необходимо контролировать и предупреждать образование взрывоопасных концентраций паров и спирта.

       Контроль  над  содержанием паров спирта в воздухе осуществляется с помощью сигнализатора с газоанализатором. По достижении предельно допустимой концентрации спирта в воздухе помещения прибор сигнализатора включает принудительно вентиляцию, а при дальнейшем повышении её – звуковой сигнал ( сирену ) и отключает сеть электропитания. Воздушники для отводов неконденсирующихся газов из «спиртоловушек» должны быть выведены за пределы ректификационного отделения и снабжены огневыми предохранителями.

     Помещение должно иметь надёжно работающую приточно-вытяжную вентиляцию, оснащено устройствами для автоматического пожаротушения, а также средствами пожаротушения.

     Электропроводка, электродвигатели и пусковые устройства к ним допускаются только во взрывозащищённом исполнении.

     В процессе эксплуатации ректификационных установок запрещается:

- работать с подтёками спирта в сальниках, трубопроводах, фланцевых соединениях и других элементах установки;

- применять открытый огонь, выполнять работы с нагретыми металлическими предметами (паяльниками), с оборудованием и инструментами, способным дать искру;

- хранить в ректификационном отделении самовоспламеняющиеся  материалы;

- превышать избыточное давление в аппаратуре  выше значения, установленного в паспорте завода – изготовителя;

- проводить чистку отдельных аппаратов ректификационных установок во время их работы;

     Перед ремонтом установки или отдельных её элементов необходимо тщательно произвести стяжку спирта из установки, промывку и пропаривание водяным паром колонн, дефлегматоров, конденсаторов, холодильников, трубопроводов и т.д.

     Все работники производства должны узнать и строго соблюдать правила техники безопасности и охраны труда, соблюдать правила технической эксплуатации ректификационного оборудования и необходимой герметизации его.

Охрана природы

     Охрана природы - это совокупность научных, технических, гигиенических, экономических,

Правовых, государственно-административных, политических и общественных мероприятий по обеспечению физических, химических и биологических параметров функционирования природных систем в необходимых, с точки зрения здоровья человека, пределах.

     Работа должна осуществляться с недопущением вредных отходов в окружающую среду, а именно, в атмосферу, в почву, в водоёмы.

     Все механические реактивы, которые уже не нужны промышленности, прежде чем как спустить их в канализацию, подвергают реакциям нейтрализации и делают безвредными для окружающей среды.

     


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

15431. Вирусы, их структура. Вирусы бактерий – фаги. Фаги вирулентные и умеренные, их взаимодействие с бактериальной клеткой 35.5 KB
  ЗАНЯТИЕ 6 ТЕМА ЗАНЯТИЯ: Вирусы их структура. Вирусы бактерий фаги. Фаги вирулентные и умеренные их взаимодействие с бактериальной клеткой. Изменчивость микроорганизмов. Фенотипическая и генотипическая изменчивость. УЧЕБНАЯ ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Изучить строение вирус...
15432. Микробиологические основы химиотерапии инфекционных заболеваний. Сульфаниламиды. Антибиотики. Механизм действия 30.5 KB
  ЗАНЯТИЕ 7 ТЕМА ЗАНЯТИЯ: Микробиологические основы химиотерапии инфекционных заболеваний. Сульфаниламиды. Антибиотики. Механизм действия. Побочное действие антибактериальных препаратов на организм. Методы определения чувствительности бактерий к антибиотикам. У...
15433. Распространение микробов в природе. Микрофлора почвы, воды, воздуха. Санитарно-показательные микроорганизмы 85 KB
  ЗАНЯТИЕ 8 ТЕМА ЗАНЯТИЯ: Распространение микробов в природе. Микрофлора почвы воды воздуха. Санитарнопоказательные микроорганизмы. УЧЕБНАЯ ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Рассмотреть распространение микробов в природе. Изучить микрофлору почвы воды воздуха. Рассмотреть характе...
15434. Нормальная микрофлора тела человека, ее физиологическое значение и роль в патологии 42.5 KB
  ЗАНЯТИЕ 9 ТЕМА ЗАНЯТИЯ: Нормальная микрофлора тела человека ее физиологическое значение и роль в патологии. УЧЕБНАЯ ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Нормальная микрофлора тела человека ее физиологическое значение и роль в патологии. ЗАДАЧИ ЗАНЯТИЯ: 1. Изучить состав нормально
15435. Иммунобиологические препараты, используемые с диагностическими целями 33.95 KB
  Иммунобиологические препараты используемые с диагностическими целями Препараты для серологической диагностики Диагностикумы антигенные Представляют собой инактивированные нагреванием либо воздействием формалина цельные микробные клетки корпускулярные АГ...
15436. ИСТОРИЯ МЕНДЖМЕНТА 2.46 MB
  А.И. Кравченко Учебное пособие для вузов ИСТОРИЯ МЕНДЖМЕНТА ИСТОРИЯ МЕНЕДЖМЕНТА Допущено Учебнометодическим объединением по классическому университетскому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений о
15437. Знакомство с настройками Project Expert 532 KB
  Лабораторная работа №1 Знакомство с настройками Project Expert Цель: научиться изменять настройки пакета. Задачи: научиться запускать Project Expert научиться изменять настройки изучить разделы меню Структура лабораторной работы Запуск Project ...
15438. Создание инвестиционного проекта в Project Expert 390 KB
  Лабораторная работа №2 Создание инвестиционного проекта Цель: приобрести умения создавать сохранять и заполнять поля инвестиционного проекта Задачи: научиться вводить данные в поля проекта научиться настраивать расчеты по проекту Структ
15439. Общая характеристика предприятия в Project Expert 641.5 KB
  Лабораторная работа № 3 Общая характеристика предприятия Цель: приобрести навыки по описанию компании в Project Expert Задачи: научиться создавать календарный план научиться распределять ресурсы научиться составлять списки активов Структу...