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 студе
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине: Основы гидравлики и теплотехники
на тему: Проект МВУ для упаривания 70 т/ч сульфатного щёлока
Руководитель проекта__________
Оценка проекта _______________________
Архангельск
2004
Содержание
I Расчет ректификационной колонны……………………………………………5
1 Материальный баланс……………………………
2 Определение оптимального флегмового
числа и числа теоретических ступеней…………………………………………………………
2.1 Пересчитываем массовые
доли смесей в мольные доли…………
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………………………………………
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
4.3 Определяем диаметр колонны……………………………………..…14
4.4 Уточняем скорость
пара в верхнем и нижнем сечениях колонны…......................
4.5 По каталогу выбираем
основные размеры колонны…………….
5 Определение высоты колонны……………………………………….......
6 Расчет гидравлического сопротивления…………………………………16
II Расчет подогревателя……………………………………………
1 Определение тепловой нагрузки и расход горячего теплоносителя…...19
2 Определение среднего
перепада температур……………………………
3 Ориентировочный расчет теплообменника……………………………...21
4 Уточненный расчет
теплообменника…………………………………….
4.1 Определяем термическое сопротивление стенки и отложений…….22
4.2 Расчет коэффициента
теплоотдачи от стенки к
4.3 Расчет коэффициента теплоотдачи от
горячего теплоносителя к стенке………………………………………………………………
4.4 Расчет коэффициента
5 Определяем требуемую
поверхность теплообмена…………………
III Расчет насоса………………………………………………………………
1 Расчет трубопровода……………………………
1.1 Выбираем материал…………………………………
1.2 Выбираем условное давление по справочнику……………………..27
1.3 Принимаем скорость движения жидкости в трубопроводе………..27
1.4 Расчет диаметра трубопровода……
2 Выбор насоса………………………………………………
2.1 Определяем сопротивление трубопровода…………………………..28
2.2 Определяем напор жидкости в трубопроводе……………………….28
2.3 Определяем высоту всасывания……
Приложение 1….…………………………………………………………..
Приложение 2……………………………………………………………...
I Расчет ректификационной колонны.
1 Материальный баланс
Составляем уравнение общего материального баланса без учета потерь.
Gf =
где Gf ,Gw ,Gp – массовые расходы исходной смеси, дистиллята и кубового остатка соответственно, кг/ч; xf , xw , xp – массовые доли легкокипящего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно, кг/кг.
Gw (xp - xf) = Gw(xp - xw)
Gp = 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 МА = 32 кг/кмоль.
Молярная этилового спирта МВ = 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
yf* = 27,5 %
Rmin =9,84
2.3 Рассчитываем
оптимальное флегмовое число
с помощью компьютерной програм
Rопт = 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 = хp; =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 = хf =20,2% и принадлежит прямой АВ, y = 27,5%.
Точка D имеет координаты х = хw; = 1,4%
ACD – рабочая линия всей колонны, AC– рабочая линия укрепляющей части колонны, CD – рабочая линия исчерпывающей части колонны.
ЧТСукр = 21,86
ЧТСисч = 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:
Ссм = СА х + СВ( 1-х )
Сf = 3,1 кДж/кгК
Сp = 2,72 кДж/кгК
Cw = 3,27 кДж/кгК
3.2 Составим уравнение теплового баланса.
Приход:
а) Теплота, приносимая исходной смесью Qf , рассчитывается по формуле:
Qf = Gf ∙Cf ∙tf = 0,47∙3,1∙74,9 = 109,1 кВт
б) Теплота, приносимая греющим паром Qгр , рассчитывается по формуле:
Qгр = Dгр ∙Iгр ,
где Dгр – расход греющего пара, кг/с, Iгр - энтальпия греющего пара, кДж/кг.
Принимаем, что температура греющего пара tгр выше температуры нижнего продукта tw на 20˚С.
tгр ≥ tw +20 ≥97,5˚С
Принимаем следующие параметры греющего пара:
ргр = 0,2 МПа = 2 кгс/см2,
tгр = 99,1˚С,
Iгр = 2677 кДж/кг,
rгр =2264 кДж/кг.
Qгр = 2677∙ Dгр
в) теплота, приносимая флегмой QR , рассчитывается по формуле:
QR = GR ∙ CR∙ tR ,
tR – температура флегмы, tR= tр ˚С; CR – теплоемкость раствора флегмы кДж/кгК, GR – массовый расход флегмы, кг/с.
Расход флегмы определяется по флегмовому числу:
GR = Gp ∙ R
QR = Gр ∙ Cp∙R∙ tp
QR = 0,07 ∙ 13,86 ∙ 2,72 ∙ 65,1 = 171,8 кВ
Расход:
г) теплота, уносимая парами из колонны Qп , рассчитывается по формуле:
Qп = 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 = Gp + GR = Gp (R+1)
Энтальпия паров вскипания, рассчитывается по формуле:
I′п = rр + Ср * tр ,
где rр – удельная теплота парообразования смеси, кДж/кг,
rр = rА∙хр + rВ∙(1- хр) ,
где rА - удельная теплота парообразования метанола при температуре дистиллята, кДж/кг, rВ - удельная теплота парообразования этилового спирта при температуре дистиллята, кДж/кг.
rА = 1098,4 кДж/кг
rВ = 871,5 кДж/кг
rр = 1098,4 ∙ 0,993 + 871,5 ∙ (1-0,993) = 1096,81 кДж/кг
Qп =0,07∙(13,81+1) ∙(1096,81+2,72∙65,1) = 1325,1 кВт.
д) теплота, уносимая с кубовым остатком Qw, рассчитывается по формуле:
Qw = Gw ∙ Cw ∙ tw
Qw = 0.4 ∙ 3.27 ∙ 77.5 = 101.37 кВт
е) теплота, уносимая с конденсатом греющего пара Qконд , рассчитывается по формуле:
Qконд = Dгр ∙ СН20 ∙ t гр ,
СН20 – теплоемкость конденсата (воды), кДж/кгК, СН20 = 4,19.
Qконд = 4,19 ∙ 99.1 ∙ Dгр = 415.2 ∙ Dгр кВт
ж) теплопотери принимаем 5% от теплоты отданной греющим паром в кипятильнике
Qпот = 0,05 ∙ Dгр ∙ rгр
Qпот = 0,05 ∙ Dгр ∙ 2264 = 113.2 ∙ Dгр кВт
Суммарное уравнение теплового баланса
Qf + Qгр + QR = Qп + Qw + Qконд + Qпот
109.1 + 2677 ∙ Dгр + 171.8 = 1325 + 101.37 + 415.2 ∙ Dгр + 113.2 ∙ Dгр
2148.6 ∙ Dгр = 1145.57
Dгр = 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:
Vc = Gп / ρп ,
ρп – плотность пара в условиях колонны, кг/м3
где М – молярная масса смеси, кг/кмоль; р – давление в колонне, Па; То – температура при нормальных условиях, То = 293К; ро – давление при нормальных условиях, ро = 105Па; Т – температура пара в колонне, К.
Верхнее сечение:
Молекулярная масса смеси в верхнем сечении определяется по правилу аддитивности
Мр = МА∙хр + МВ∙(1- хр)
Мр = 32.098 кг/кмоль
р′ = 105 Па
Т′ = 273 + tр = 273 + 65.1 = 338.1 К
ρ′п =
G′п = Gp (R+1) = 0,07∙(13.86+1) = 1.04 кг/с
V′c = 1.04/1,16 = 0,9 м3/с
Нижнее сечение:
Молекулярная масса смеси в нижнем сечении определяется по правилу аддитивности
Мw = МА∙хw + МВ∙(1- хw)
Мр = 45.86 кг/кмоль
Давление пара в нижней части ректификационной колонны
р′′ = р′ + ∆р,
где ∆р – перепад давления в нижней и верхней части колонны, Па
∆р = nT ∙∆рT ,
nT – число теоретических тарелок, ∆рT – перепад давления на одной теоретической тарелке, Па
∆рT = 100…200 Па
∆р = 37.4 ∙ 100 =3740 Па
р′′ = 105 + 3740 = 1,037 ∙ 105 Па
Т′′ = 273 + tw = 273 + 77.5 = 350.5 К
ρ′′ =
Расход пара в нижнем сечении можно определить из выражения
G′′п ∙ rw = Dгр ∙ rгр
G′′п = Dгр ∙ rгр ,
rw
rw – удельная теплота парообразования кубового остатка
rw = rА∙хw + rB ∙ (1 - xw) ,
где rА - удельная теплота парообразования метанола при температуре кубового остатка, кДж/кг; rB - удельная теплота парообразования этанола при температуре кубового остатка, кДж/кг.
rА = 1068,4 кДж/кг
rB = 850 кДж/кг
rw = 1068,4 ∙ 0,01 + 850 ∙ (1 – 0,01) = 852,8 кДж/кг
Подставив численные значения получим:
G′′п = 1,41 кг/с
V′′c = 0,85 м3/с
4.2 Определяем скорость пара в свободном сечении колонны.
где ρп – плотность пара, кг/м3; ρж – плотность жидкости, кг/м3; С – коэффициент, зависящий от конструкции тарелок и расстояния между ними,
т. к. тарелки колпачковые и расстояние между ними h = 400мм, то С = 0,045.
Верхнее сечение:
Найдем плотность жидкости в верхней части колонны при температуре в ней tр .
ρ′ж = 750,3 кг/м3
ω′ = 0,045 ∙
ωраб =(0,75…0.90)∙ω
ωраб =0.912
Нижнее сечение:
Найдем плотность жидкости в нижней части колонны при температуре в ней tw .
ρ′′ж = 737,4 кг/м3
ω′′ = 0,045 ∙
ωраб =0.9
4.3 Определяем диаметр колонны.
Диаметр ректификационной колонны определяем из уравнения расхода:
Отсюда диаметры верхней
и нижней части колонны равны соответств
D′ =
D′′ =
Так как диаметры в верхнем и нижнем сечениях отличаются меньше чем на 0.2 м, то принимаем к установке колонну одного диаметра. По каталогу выбираем колонну с диаметром D = 1200мм
4.4 Уточняем скорость пара в верхнем и нижнем сечениях колонны.
Действительные рабочие скорости паров в колонне равны:
ω′ =
ω′′ =
4.5 По каталогу
выбираем основные размеры
Тип колонны КСК с колпачковыми тарелками
Высота сепарационной части Нсеп = 800 мм
Высота кубовой части Нкуб = 2000 мм
Расстояние между штуцерами для уровнемера Нур=900 мм
Длина линии барботажа 12,3 м
Диаметр слива Lс=0,818
Сечение перелива 0,099
Свободное сечение тарелки 0,129 м2
Относительная площадь для прохода паров 11,4%
Величина зазора К=0-14 мм
Тип тарелок ТСК-Р
Расстояние между тарелками h = 400 м
5 Определение высоты колонны
5.1 Определим действительное число тарелок.
nд=hm/η
где η- КПД тарелки f(α,μ); α- коэф-нт относительной летучести.
α=Ра/Рб
при t f=74.90C Ра=1000 мм.ртст, Рб=600 мм.ртст
α=1000/600=1,67
Lg μ=xf∙∙ Lg μа+(1- xf) ∙ Lg μб
μ=0,408 мПа∙с
α∙μ=1,67 ∙0,408=0,681
η=0,53
nд=37,4/0,53≈71
5.2 Расчитываем высоту колонны.
Н=Н с+НК+Нm=
Нm=( nд-1) ∙ hm
Нm=(71-1) ∙0,4=28 м
Где z- число люков, hл-расстояние между тарелками в месте установки люка
hл≥0,8
z= nд/nл-1
где nл-число тарелок через кототые устанавливается люк.
nл=5…10
z=71/10-1≈7
nл=nд/(z+1)
nл=71/(7+1) =8.9≈9
9т-л-9т-л-9т-л-9т-л-9т-л-9т-
Н=0,8+2+28+2,8=33,6 м
6 Расчет гидравлического сопротивления.
Гидравлическое сопротивление одной тарелки может быть рассчитано как:
где ∆Рсух – сопротивление сухой тарелки, Па; ∆Рσ – сопротивление, вызванное силами поверхностного натяжения, Па; ∆Рст – статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке, Па.
где ζ – коэффициент сопротивления, зависит от конструкции тарелки, для колпачковой ζ = 4,5…5,0;
Сопротивление, вызванное силами поверхностного натяжения (∆Рσ) принимаем равным 0, так как это очень маленькая величина и на расчеты не повлияет.
Статическое сопротивление (∆Рст) зависит от запаса жидкости на тарелке. Сопротивление парожидкостного слоя на колпачковой тарелке:
где k – относительная плотность парожидкостного слоя (пены), k = 0,5; ∆h – высота уровня жидкости над сливным порогом, м; h1 – расстояние от низа тарелки до средины прорезей, м; hп – высота сливного порога, равная 40 – 50 мм.
h2 – расстояние от низа тарелки до края колпачка, принимается от 0 до 10мм; hпрор – высота прорези, м.
Высота уровня жидкости над сливным порогом ∆h определяется по уравнению:
где Vж – объемный расход жидкости, м3/с; П – периметр слива, ; k – коэффициент, k = 0,5.
Верхнее сечение:
hп =0,040 м
П = 0,818 м
h2 = 0,010 м
hпрор =0,025 м
∆Р' = 1,67 + 386,18 = 387,85 Па
Нижнее сечение:
hп =0,040 м
П = 0,818 м
h2 = 0,010 м
hпрор =0,025 м
∆Р'' = 2,1 + 320,59 = 322,69 Па
Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками ht = 300 мм необходимое для нормальной работы тарелок условие:
h ≥
Для тарелок верхней части колонны, у которых гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок нижней части:
400 ≥
400 ≥ 0,096
Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается.
Расчет подогревателя.
1 Определение тепловой нагрузки и расход горячего теплоносителя
Рис. Принципиальная схема подогревателя.
Тепловую нагрузку подогревателя
находим из уравнения теплового
баланса для холодного
Qf = Gf Cf (tfк - tfн ),
tfк и tfн - температура смеси на входе и выходе из подогревателя, ˚С; Cf – теплоемкость смеси при средней температуре ее в подогревателе, кДж/кгК.
Среднюю температуру смеси tfср принимаем как среднее арифметическое между начальной и конечной температурой смеси:
tfср = (tfк + tfн)/2 = (20 + 74,9)/2 = 47,5˚С
Теплоемкость смеси
Cf = CA xf + CB (1 - xf),
CA и CB – теплоемкость метанола и этанола соответственно при средней температуре смеси, кДж/кгК
CА = 2,64 кДж/кгК
CB = 2,89 кДж/кгК
Cf = 2,6 ∙ 0,2 + 2,89 (1 – 0,2) = 2,84 кДж/кгК
Тогда тепловая нагрузка подогревателя
Qf = 0,47 ∙ 2,84 (74,9 – 20,0) = 73,63 кВт
Тепловая нагрузка подогревателя для горячего теплоносителя
Q1 = G1 ∙ r1 ,
где r1 – удельная теплота парообразования водного пара, кДж/кг; G1 – массовый расход пара, кг/с.
При давлении пара р = 2кгс/см2 температура пара t1н = 119,6 ˚С, а удельная теплота парообразования r1 = 2208 кДж/кг.
Пренебрегая потерями, принимаем, что Q1 = Qf , тогда
G1 = Q1/ r1 = Qf / r1
G1 = 0,033 кг/с
2 Определение среднего перепада температур
Рис. График изменения температур в процессе теплообмена.
∆tб = t1н – tfн = 119,6 – 20,0 = 99,6 ˚С
∆tм = t1к – tfк = 119,6 – 74,9 = 44,7 ˚С
∆tб и ∆tм – наибольшая и наименьшая разность температур теплоносителей на концах аппарата, ˚С.
∆tб /∆tм = 3,38 > 2
Тогда, средняя разность температур потоков определяется по формуле:
∆tcp = (∆tб - ∆tм)/ ln (∆tб /∆tм)
∆tcp = (99,6 – 44,7)/ ln2,2 = 69,5 ˚С
Для определения тепловых
потоков и коэффициентов
tfcp = t1н - ∆tcp = 119,6 – 69,5 = 50,1 ˚С
3 Ориентировочный расчет теплообменника.
Ориентировочную поверхность теплообменника находим из уравнения теплопередачи:
где Кор – ориентировочный коэффициент теплопередачи, Вт/м2К;
Кор = 170 Вт/м2К.
Находим сечения для
прохода холодного
ff = Gf /ωρf ,
ρf – плотность смеси при температуре tfcp :
ρА и ρВ – плотность метанола и воды при температуре tf , кг/см3.
ρж = 746,3 кг/см3
ff = 0,47/0,6 ∙ 746,3 = 0,001 м2
По каталогу выбираем двухходовой теплообменник с поверхностью теплообмена F = 6,5 м2 . Число труб 56 шт., диаметр кожуха (наружный) 325 мм., длинна труб l = 1,5 м., размер труб 25 * 2 мм.
Внутренний диаметр труб
d = dн – 2S = 25 - 2∙2 = 21 мм
Уточняем скорость движения жидкости в трубах:
ω = 0,47∙0,001/0,01 = 0,06 м/с
4 Уточненный расчет теплообменника
Расчет коэффициента теплопередачи в теплообменнике производят по формуле
α1 и α2 – коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю соответственно, Вт/м2К; Σδ/λ – термическое сопротивление стенки и отложений, м2К/Вт.
4.1 Определяем
термическое сопротивление
Σδ/λ = δ1/λ1 + δст/λст + δ2/λ2 ,
где δст – толщина металлической стенки, δст = 0,002м; λст - ее теплопроводность, λст = 46,5Вт/м2К; δ1, δ2 – толщина отслоений со стороны горячего и холодного теплоносителей соответственно, м ; λ1,λ2 – теплопроводность отложений со стороны горячего и холодного теплоносителей соответственно, Вт/мК.
Σδ/λ = 1/5800 + 0,002/46,5 + 1/5800 = 0,000388 м2К/Вт
4.2 Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю αf .
Для этого определяем режим движения данного теплоносителя по критерию Рейнольдса
где μf - вязкость смеси при температуре tf , мПа∙с:
lg μf = xf lg μA + (1 - xf)lg μB
μA = 0,43 мПа∙с
μB = 0,9 мПа∙с
Отсюда μf = 0,78 мПа∙с
Критерий Рейнольдса находится в пределах Re < 2300, следовательно, режим движения жидкости ламинарный. Теплопередача в прямых трубах и каналах для вертикального расположения труб при Re < 2300 находится по формуле:
Nuf = 1,55 ∙ ει (Ref (d/L))1/3(μ /μcт)0,14
ει = f(H/d), тогда L/d = 1,5/0,021 = 74,4 > 50, из этого следует что ει = 1.
μ /μcт принимаем равным 1.
Критерий Нусильта также определяется по формуле
Nuf = αf ∙d / λf ,
где λf – теплопроводность холодного теплоносителя, Вт/мК, определяется по формуле: