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

25359. Особенности дыхания при мышечной работе 36.5 KB
  Увеличению транспорта кислорода при работе способствует также выбрасывание эритроцитов из кровяных депо и обеднение крови водой вследствие потения что ведет к некоторому сгущению крови и повышению концентрации гемоглобина а следовательно и к увеличению кислородной емкости крови. Из каждого литра крови протекающей по большому кругу клетки организма утилизируют в покое 60 80 мл кислорода а во время работы до 120 мл кислородная емкость 1 л крови равна около 200 мл 02. Повышенное поступление кислорода в ткани при мышечной работе...
25360. Значение пищеварения 33 KB
  Все функции органов пищеварения подчинены сложным нервным и гуморальным механизмам регуляции.Основы современной физиологии пищеварения разработаны преимущественно И. Павлова функции органов пищеварения находящихся в глубине тела и недоступных непосредственному наблюдению изучались в основном в острых опытах при которых производилось вскрытие живого животного и вследствие наносимой травмы нарушалось нормальное состояние организма.
25361. Пищеварение в полости рта 59.5 KB
  Расслабление кардиальной мускулатуры наблюдается также при резких сокращениях желудка брюшных мышц и диафрагмы во время рвоты. Здесь же происходят химические изменения некоторых питательных веществ под влиянием сока выделяемого железами желудка. Железы желудка расположены в слизистой оболочке его дна тела и привратника. В фундальной части желудка железы состоят главных добавочных и обкладочных клеток.
25362. ПИЩЕВАРЕНИЕ В ТОНКОМ КИШЕЧНИКЕ 32.5 KB
  Количество их огромно от 50 до 200 млн на 1 мм2 поверхности кишки что увеличивает внутреннюю поверхность тонкого кишечника в 300500 раз. Моторная деятельность тонкого кишечника обеспечивает перемешивание химуса с пищеварительными секретами и продвижение его по кишке благодаря сокращению круговой и продольной мускулатуры. При сокращении продольных волокон гладкой мускулатуры кишечника происходит укорочение участка кишки при расслаблении его удлинение. Такая периодичность обусловлена автоматией гладкой мускулатуры кишечника способностью...
25363. Пищеварение в толстых кишках 27 KB
  Железы толстого кишечника выделяют небольшое количество сока богатого слизью и бедного ферментами. Низкая ферментативная активность сока толстого кишечника обусловлена малым количеством непереваренных веществ в химусе поступающем из тонкого кишечника. Сокоотделение в этом отделе кишечника регулируется главным образом местными влияниями; механическое раздражение усиливает секрецию в 810 раз. Большую роль в жизнедеятельности организма и функций пищеварительного тракта играет микрофлора толстого кишечника где обитают миллиарды различных...
25364. Государственные гарантии социальной защиты населения в РФ 42 KB
  Государственные гарантии социальной защиты населения в РФ. В обществе рыночных отношений главную функцию социальной защиты берет на себя государство как главный субъект социальной политики и социальной работы. Основные социальные гарантии закреплены в Конституции РФ и находят свое подтверждение в социальной политике. 7 Основного закона РФ: В Российской Федерации охраняются труд и здоровье людей устанавливается гарантированный минимальный размер оплаты труда обеспечивается постоянная поддержка семьи материнства отцовства и детства инвалидов...
25365. Место и роль общественных объединений в реализации социальной работы 30.5 KB
  Место и роль общественных объединений в реализации социальной работы Современная парадигма социальной работы рассматривает ее как многосубъектную деятельность характеризующуюся активным участием наряду с государством общественных и благотворительных организаций в решении социальных проблем населения. В последние годы наблюдается значительный рост общественных организаций активизация их участия в осуществлении мероприятий по социальной защите населения. идея создания общественных объединений предполагала что они станут резервом...
25366. Социальное прогнозирование как метод научного познания: объект, предмет, его виды 14.26 KB
  В отечественной науке многочисленные попытки прогнозирования были осуществлены в 20х – начале 30х годов. Научные основы прогнозирования вообще и социального в частности стали разрабатываться в нашей стране в конце 50х – начале 60х годов что связано с творчеством таких ученых как Э. Цель прогнозирования не просто предвидеть те или иные явления а способствовать более эффективному воздействию на них в нужном направлении. В ходе научного прогнозирования решаются 2 задачи: 1 определяется и мотивируется цель вероятного...
25367. Антропологические основания социальной работы 23.5 KB
  Структура ответа: Вступление Понятие социальной работы Понятие антропологии. Антропологические основания социальной работы Вывод Социальная работа носит междисциплинарный характер поэтому она включает знания из различных областей. Социальная работа – специфический вид профессиональной деятельности оказание государственного и негосударственного содействия человеку с целью обеспечения культурного социального и материального уровня его жизни предоставление индивидуальной помощи человеку семье или группе лиц словарьсправочник по...