Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Primer_raschyota_kursovoy

.pdf
Скачиваний:
10
Добавлен:
13.02.2015
Размер:
438.47 Кб
Скачать

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

"Расчёт участка подогрева жидкой смеси ректификационной установки"

Часть 1. Гидравлический расчёт и подбор насоса Вариант 421

Выполнил: _____________________

Проверил: _____________________

Дата выдачи задания: "___" _________ 20__ г.

Дата сдачи работы: "___" _________ 20__ г.

Работа защищена с оценкой: ____ баллов.

Москва

2012

 

Содержание

Бланк задания . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.

Исходные данные . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.

Физические свойства . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.

Справочные данные по плотности и вязкости компонентов . . . . . . . . . 7.

Справочные данные по давлению насыщенных паров . . . . . . . . . . . . . . 8.

Определение средней температуры в теплообменнике . . . . . . . . . . . . . . 9.

Расчёт плотности бинарной смеси . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.

Расчёт вязкости бинарной смеси . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.

Таблица местных сопротивлений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13.

Расчёт всасывающего трубопровода (участок Т1) . . . . . . . . . . . . . .

14.

Расчёт нагнентательного трубопровода (участок Т2) . . . . . . . . . . .

15.

Гидравлический расчёт теплообменника (участок ТО) . . . . . . . . . .

16.

Подбор центробежного насоса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17.

Расчёт максимальной высоты всасывания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19.

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20.

Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21.

2

Введение

Ректификация является процессом энергоёмким, а также требующим значительных капитальных затрат на оборудование. Так капиталовложения в ректификационное оборудование достигают в среднем 20% от сметной стоимости нефтеперерабатывающих и химических заводов. Несмотря на свою энерго- и материалоёмкость, ректификация по сей день занимает ключевое место в химических производствах. Причина такой востребованности процесса ректификации заключается в его крупнотоннажности, ни один альтернативный процесс разделения не может обеспечить столь высоких расходов разделяемых продуктов. В целом, энергетические затраты на процессы разделения составляют 50% и выше от себестоимости продукции, причём количественная доля ректификации в этих процессах достигает 90%.

Ректификационная колонна - это не более половины капитальных и эксплуатационных затрат ректификационной установки. Остальные затраты приходятся на технологическую "обвязку" колонны: теплообменники для подогрева исходных потоков и охлаждения продуктов, трубопроводы и насосы для транспортировки исходной смеси, продуктов разделения, теплагентов и хладагентов, ёмкости для промежуточного накопления исходной смеси и продуктов, обеспечивающие непрерывную работу ректификационной установки. Столь значительные затраты на гидравлическое и теплообменное оборудование ректификационной установки налагают жесткие требования на его проектирование.

В первой части данной курсовой работы рассмотрен гидравлический расчёт участка подогрева исходной смеси перед её подачей в ректификационную колонну. Следует отметить, что подогрев исходной смеси осуществляют не всегда. Возможна, и часто применяется, подача разделяемой смеси в ректификационную колонну без предварительного подогрева. В этом случае расчёт участка подачи исходной смеси проводится аналогично рассматриваемому расчёту, исключая расчёт теплообменного аппарата.

Гидравлический расчёт включает в себя также подбор насоса, обеспечивающего непрерывную подачу ректификационной смеси из промежуточной ёмкости, куда смесь поступает с других стадий производства, в ректификационную колонну. Наибольшее распространение на химических производствах получили центробежные насосы, благодаря своим высоким подачам (расходам) и достаточным для химических производств напорам. Одноступенчатый центробежный насос обеспечивает напор до 50 метров, что обычно достаточно для транспортировки жидкостей между аппаратами, работающими под атмосферным давлением. При этом центробежный насос, значительно уступая поршневым и плунжерным в напоре, отличается от них более высоким КПД и несравнимо более высокой подачей.

Центробежный насос выбирают таким образом, чтобы при работе на данную гидравлическую сеть, представляющую собой трубопровод с установленными на нём арматурой и оборудованием, он обеспечивал расход и напор немного выше, чем требуется в соответствии с техническим заданием.

4

Рис. 1. Характеристики насоса и сети: Vс, Hс - производительность и напор сети,

Hн - напор насоса при заданной производительности, Vр.т., Hр.т. - производительностьинапорсети.

При этом на графике зависимости напора от производительности (расхода) рабочая точка, представляющая собой пересечение характеристики насоса с характеристикой сети, будет лежать правее и выше точки сети (см. рис. 1). Из всех насосов, удовлетворяющих вышеуказанному условию, выбирают насос с наименьшей потребляемой мощностью.

Поскольку производительность выбранного насоса на сеть несколько выше, чем данный в техническом задании расход, необходимо устройство для регулирования расхода. Таким устройством является байпасный вентиль, установленный на линии, соединяющей нагнетательный и всасывающий трубопроводы в обход насоса. По байпасной линии излишек потока возвращается во всасывающую трубу. Таким образом, меняя степень открытия байпасного вентиля, можно регулировать расход в сети при неизменном режиме работы насоса.

Для непрерывной стабильной работы ректификационной колонны необходима возможность поддерживать и регулировать расход автоматически, для чего требуется замерять его в реальном времени. Одно из наиболее распространённых устройств для измерения расхода в трубопроводах - это мерная диафрагма, представляющая собой установленную в трубе перегородку с отверстием. Замеряя перепад давления на диафрагме манометром, можно по его показаниям вычислить расход.

5

Исходные данные

Низкокипящий компонент - изопропилбензол (кумол)

 

 

Высококипящий компонент - фенол

 

 

Молярная доля низкокипящего компонента в смеси:

x := 0.30

кмоль/кмоль

Массовый расход смеси:

G := 7.5

т/ч

Исходная температура смеси:

t := 25

оС

Геометрическая высота подачи:

:= 12

м

Внешний диаметр всасывающего трубопровода:

d1 := 57

мм

Толщина стенки всасывающего трубопровода:

δ1 := 4

мм

Длина всасывающего трубопровода:

L1 := 10

м

Количество отводов на всасывающем трубопроводе:

m1 := 9

 

Внешний диаметр нагнетательного трубопровода:

d2 := 38

мм

Толщина стенки нагнетательного трубопровода:

δ2 := 4

мм

Длина нагнетательного трубопровода:

L2 := 15

м

Условный проход нормальных вентилей:

Dу2 := 40

мм

Количество нормальных вентилей:

n2 := 10

 

Диаметр отверстия диафрагмы:

do2 := 21.21

мм

Количество отводов на нагнетательном трубопроводе:

m2 := 10

 

Внешний диаметр труб теплообменника:

dто := 25

мм

Толщина стенки труб теплообменника:

δто := 2

мм

Длина труб теплообменника:

Lто := 4

м

Общее число труб теплообменника:

Nто := 56

 

Число ходов теплообменника:

k := 2

 

6

 

 

Физические свойства

Справочные данные по плотности и вязкости компонентов.

Плотность

Плотность

изопропилбензола

фенола

[1, c. 355]

[2, табл. IV]

i := 0 ..10

j := 0 ..6

tρнкi := ρнкi :=

tρвкj := ρвкj :=

0

878.6

20

1075

10

870.2

40

1058

20

861.8

41

1057.6

25

857.5

60

1040

30

853.4

80

1022

40

845.0

100

1003

50

836.6

120

987

60

828.3

 

 

70

819.9

 

 

80

811.5

 

 

90

803.1

 

 

 

1×103

 

 

ρнкi

 

 

 

ρвкj

 

 

 

 

900

 

 

 

800 0

50

100

 

 

tρнкi ,tρвкj

Вязкость

 

Вязкость

изопропилбензола

фенола

[1, c. 355]

 

[3, с. 996]

ι := 0 ..4

 

 

 

tμнкι :=μнкι :=

 

tμвкi :=μвкi :=

0

1.075

 

20

11.6

10

0.915

 

30

7

20

0.788

 

40

4.77

30

0.691

 

50

3.42

40

0.611

 

60

2.6

 

 

 

70

2

 

 

 

80

1.6

 

 

 

90

1.31

 

 

 

100

1.05

 

 

 

120

0.78

 

 

 

140

0.69

 

10

 

 

 

μнкι

 

 

 

 

μвкi

5

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0

50

 

100

 

 

tμнкι ,tμвкi

7

Справочные данные по давлению насыщенных паров.

Изопропилбензол [4, №794]

Фенол [4, №428, №1290]

 

tpнкi :=

pнкi :=

 

tpвкi :=

pвкi :=

 

2.9

 

133.32

 

 

40.1

 

133.32

 

 

26.8

 

666.6

 

 

62.5

 

666.6

 

 

38.3

 

1333.2

 

 

73.8

 

1333.2

 

 

51.5

 

2666.4

 

 

86

 

2666.4

 

 

66.1

 

5332.8

 

 

100.1

 

5332.8

 

 

75.4

 

7999.2

 

 

108.4

 

7999.2

 

 

88.1

 

13332

 

 

121.4

 

13332

 

 

107.3

 

26664

 

 

139

 

26664

 

 

129.2

 

53328

 

 

160

 

53328

 

 

152.4

 

101325

 

 

181.9

 

101325

 

 

351.4

 

3220000

 

 

208

 

202650

 

 

 

 

 

 

 

248.2

 

506625

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

283.8

 

1013250

 

 

 

 

 

 

 

328.7

 

2026500

 

 

 

 

 

 

 

358

 

3039750

 

 

 

 

 

 

 

382.1

 

4053000

 

 

 

 

 

 

 

400

 

5066250

 

 

 

 

 

 

 

418.7

 

6079500

 

 

 

 

 

 

 

419

 

6130163

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

Определение средней температуры в теплообменнике.

Данные по парожидкостному равновесию [5, табл. 1509]

к := 0 ..16

 

хк :=

 

 

 

 

 

ук :=

 

тк :=

0

 

0

 

181.84

0.0196

 

0.0583

 

178

0.0316

 

0.105

 

176.2

0.0583

 

0.181

 

173.6

0.0883

 

0.278

 

170.1

0.121

 

0.343

 

168.5

0.172

 

0.4

 

166.6

0.256

 

0.53

 

162.6

0.265

 

0.535

 

162

0.315

 

0.566

 

160.7

0.362

 

0.603

 

158.9

0.405

 

0.646

 

157

0.509

 

0.69

 

154.7

0.577

 

0.73

 

154

0.816

 

0.858

 

151.8

0.912

 

0.925

 

150.8

1

 

1

 

150.5

 

 

 

 

 

 

 

Т-x,y диаграмма

 

180

 

 

 

 

170

 

 

 

 

тк

 

 

 

 

тк

 

 

 

 

160

 

 

 

 

150 0

0.2

0.4

0.6

0.8

 

 

 

хк,ук

 

Температура кипения смеси заданного состава: tкип := linterp(х,т,x) = 161.09 оС

(найдена с помощью функции линейной интерполяции по зависимости температуры кипения жидкости от состава, приведённым на Т-x,y диаграмме).

Средняя температура в теплообменнике:

tто :=

t + tкип

= 93.05 оС

2

 

 

 

 

 

(найдена в первом приближении как среднее арифметическое, во второй части курсовой должна быть пересчитана через среднюю движущую силу процесса теплопередачи).

9

Расчёт плотности бинарной смеси.

Молярные массы компонентов:

 

 

 

изопропилбензол

Mнк := 120.194

кг/кмоль

 

 

фенол

Mвк := 94.1128

кг/кмоль

 

 

Массовая доля НК в смеси: xm :=

 

x Mнк

= 0.3537

 

x Mнк + (1 x) Mвк

Плотность компонентов при исходной температуре:

 

 

изопропилбензол

ρ_нк := linterp(tρнкнк,t) = 857.5

кг/м3

фенол

ρ_вк := linterp(tρвквк,t) = 1070.8

кг/м3

(найдены с помощью функции линейной интерполяции по справочным данным зависимости плотностей компонентов от температуры).

Плотность смеси при исходной температуре:

 

 

xm

 

1 xm

1

ρ :=

 

 

+

 

 

= 984.2 кг/м3

ρ_нк

ρ_вк

(найдена по формуле, не учитывающей объёмный эффект смешения; для водных растворов формула неприменима).

Плотность компонентов при средней температуре в теплообменнике:

изопропилбензол

ρ_нк := linterp(tρнкнк,tто) = 800.5

кг/м3

фенол

ρ_вк := linterp(tρвквк,tто) = 1009.6

кг/м3

(найдены с помощью функции линейной интерполяции по справочным данным зависимости плотностей компонентов от температуры).

Плотность смеси температуре средней температуре в теплообменнике:

 

 

xm

 

1 xm

1

ρто :=

 

 

+

 

 

= 924.2 кг/м3

ρ_нк

ρ_вк

(найдена по формуле, не учитывающей объёмный эффект смешения; для водных растворов формула неприменима).

10

Расчёт вязкости бинарной смеси.

Вязкость компонентов при исходной температуре:

изопропилбензол

μ_нк := linterp(tμнкнк,t) = 0.74

мПа.с

фенол

μ_вк := linterp(tμвквк,t) = 9.3

мПа.с

(найдены с помощью функции линейной интерполяции по справочным данным зависимости плотностей компонентов от температуры;

корректней было бы сделать линейную интерполяцию не по зависимости µ=f(t), а по зависимости ln(µ)=f(1/T) ).

Вязкость смеси при исходной температуре:

μ := 10x log(μ_нк)+(1x) log(μ_вк) = 4.351 мПа.с

Поскольку данных по вязкости изопропилбензола при температурах выше 40оС в справочниках не найдено, вязкость при средней температуре в теплообменнике может быть приближенно найдена различными способами:

1) Линейной экстраполяцией по зависимости µ=f(t) на основе имеющихся справочных данных:

μ_нк1 := linterp(tμнкнк,tто) = 0.187 мПа.с

2) Линейной экстраполяцией по зависимости ln(µ)=f(1/T) на основе имеющихся справочных данных:

обTμнк :=

1

lnμнк := ln(μнк) обTто :=

1

 

 

 

 

273.15 + tμнк

 

 

 

 

273.15

+ tто

 

 

 

 

μ_нк2 := elinterp(обTμнк,lnμнк,обTто) = 0.356 мПа.с

3) Эмпирически одним из методов, описанных в [6, с. 382-398], например, методом Оррика и Эрбара [5, с. 383]:

Первый структурный коэффициент

A := −6.95 0.21 3 + 0 = −7.58

Второй структурный коэффициент

B := 275 + 99 3 + 20 = 592

Плотность при 20оС

ρ20 := 0.8618

г/см3

μ_нк3 := eA+

B

273.15+tто ρ20 Mнк = 0.266 мПа.с

11

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]