IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Насосы применяют в процессах химической технологии для создания разности давлений в жидкости между двумя точками, под действием которой жидкость циркулирует или транспортируется в различных установках. Существует несколько различных конструкций насосов, отличающихся принципом действия и конструкциями. Каждый вид насоса отличается своими преимуществами и недостатками в условиях конкретного процесса.

В данной работе рассматривается процесс конденсации и охлаждения паров дистиллята, отводимых из ректификационной колонны. Конденсация и охлаждения проводятся в результате теплообмена с охлаждающей водой, подача которой проводится с помощью центробежного насоса. Выбор центробежного насоса обоснован высоким коэффициентом полезного действия, высокой производительностью при плавной и непрерывной подаче жидкости, высокой стабильностью напора и давления (мала вероятность гидравлического удара при резкой смене скорости или разницы давлений), простотой и точностью регулирования расхода жидкости, простотой и компактностью самого насоса.

На рис.1, представлена технологическая схема конденсации паровой смеси и охлаждения полученного конденсата.

Рис. 1. Технологическая схема установки

Паровая смесь из ректификационной колонны подается в конденсатор-дефлегматор (Д), где происходит ее конденсация. Из конденсатора дистиллят подается в распределитель (Р), откуда одна часть конденсата направляется обратно в колонну, а другая направляется в холодильник (X)для дальнейшего охлаждения. Охлажденный дистиллят из холодильника подается в емкость готового продукта (Е). Для конденсации парогазовой смеси и охлаждения конденсата используется холодная вода, подаваемая с помощью центробежного насоса. Вода из конденсатора и холодильника направляется на охлаждение и затем повторно используется. Подача паров, конденсата, флегмы и воды изменяется при помощи регулировочных вентилей (ВР₁ – ВР₅), и может быть остановлена при помощи запорных вентилей (ВЗ₁ – ВЗ₉).

Для выбора марки насоса необходимо знать требуемую производительность, создаваемый напор и требуемую мощность привода. Производительность является заданной величиной, а для нахождения других параметров рассчитываем потерянный напор на линии транспортирования и потребляемую насосом мощность.

В качестве исходных данных для расчета берем следующие параметры:

Расход паров G₁= 7,2 т/ч или 2,0 кг/с;

Массовая концентрация легколетучего компонента в паре: = 92,5 %;

Начальная температура охлаждающей воды: t_2н = 18 ^оС;

Принимаем конечную температуру воды: t_2к = 35 ^оС;

Длина трубопровода на линии всасывания: l₁ = 10 м;

Длина трубопровода на линии нагнетания l₂ = 25 м.

Геометрическая высота подъема воды h_геом = 15 м.

Расчет начинаем с определения расхода охлаждающей воды:

1. Переводим массовую концентрацию легколетучего компонента в паре в мольную:

,

где М_А, М_В - молярные массы этанола и воды, равные 46,068 г/моль и 18,015 г/моль соответственно.

2. Определим температуру конденсации смеси при Х₀ = 0,824:

^оС,

где t₁, t₂ - температуры конденсации смеси при содержании легколетучего компонента, равного Х₁ и Х₂ соответственно [2].

t₁ = 78,4 ^оС при Х₁ = 80,4 мол. %;

t₂ = 78,3 ^оС при Х₂ = 91,7 мол. %.

^оС.

3. Определяем теплоту парообразования смеси при t_{конд.см.} = 78,379 ^оС.

- для этанола:

где r₁, r₂ - теплота конденсации этанола при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

r₁ = 879,9 кДж/кг при t₁ = 60 ^оС;

r₂ = 812,9 кДж/кг при t₂ = 100 ^оС;

кДж/кг;

- для воды:

,

где r₁, r₂ - теплота конденсации воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

r₁ = 2359,0 кДж/кг при t₁ = 60 ^оС;

r₂ = 2258,4 кДж/кг при t₂ = 100 ^оС;

кДж/кг;

Тогда:

r_{конд.см.} = Х₀ ∙ r_А + (1 - Х₀) ∙ r_В = 0,824 ∙ 849,115 + (1 - 0,824) ∙ 2312,777 =

= 1106,720 кДж/кг.

4. Рассчитываем тепловую нагрузку аппарата:

Q = r_{конд.см} ·G₁,

где G₁ – расход паров, кг/с; r_{конд.см} – теплота конденсации парогазовой смеси при t_{конд.см.} = 78,379 ^оС, Дж/кг.

Q = 1106720 · 2 = 2213440 Вт

5. Определяем среднюю температуру воды:

^оС

5. Определяем теплоемкость воды при t_2ср = 26,5 ^оС:

,

где с₁, с₂ - теплоемкость воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

с₁ = 4190 Дж/(кг∙ ^оС) при t₁ = 20 ^оС;

с₂ = 4180 Дж/(кг∙ ^оС) при t₂ = 30 ^оС;

Дж/(кг∙^оС)

2. Определяем расход воды:

где с_воды – теплоемкость воды при t_2ср = 26,5 ^оС, Дж/(кг·^оС).

кг/с.

Так как для охлаждения полученного в дефлегматоре конденсата используется теплообменник-холодильник аналогичной конструкции принимаем, что для его эффективной работы требуется такое же количество воды, как и для дефлегматора-конденсатора.

Рассчитываем потерянный напор на всасывающей линии трубопровода, то есть линии от емкости Е1 до центробежного насоса Н1 (см. рис. 1):

1. Определяем плотность воды при температуре перекачивания t_2н = 18 ^оС:

где ρ₁, ρ₂ - плотность воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

ρ₁ = 1000 кг/м³ при t₁ = 10 ^оС;

ρ₂ = 998 кг/м³ при t₂ = 20 ^оС.

кг/м³,

2. Определяем вязкость воды при температуре перекачивания t_2н = 18 ^оС:

где μ₁, μ₂ - вязкость воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

μ₁ = 1,31∙10^-3 Па∙с при t₁ = 10 ^оС;

μ₂ = 1,0∙10^-3 Па∙с при t₂ = 20 ^оС.

∙10^-3Па∙с,

3. Определяем объемный расход охлаждающей воды:

м³/с.

4. Принимаем для всасывающей и нагнетающей линий трубопровод круглого сечения с одинаковым диаметром, равным:

,

где ω_т - скорость течения воды в трубах, принимаем равной 1,5 м/с [1];

м.

Выбираем трубу [1] из нержавеющей стали с наружным диаметром 245 мм. = 0,245 м и толщиной стенки δ_ст = 7 мм. = 0,007 м.

Тогда внутренний диаметр трубы: м.

5. Определяем фактическую скорость воды в трубе:

м/с

6. Определяем критерий Рейнольдса для течения воды по трубопроводу:

Следовательно, режим течения жидкости является турбулентным.

7. Определяем относительную шероховатость труб:

,

где Δ - относительная шероховатость трубок, принимаем равной 0,2 мм.= =0,0002 м. [1];

.

8. Определяем зону трения в трубопроводе [1]:

< Re_т.вс. = 320537,166 <

Следовательно, в трубопроводе имеет место зона смешанного трения.

9. Определяем коэффициент трения в трубах:

10. Принимая, что коррозия труб незначительна, рассчитаем сумму коэффициентов местных сопротивлений [1]:

- вход в трубу (принимаем с острыми краями) ξ₁ = 0,5;

- прямоточный вентиль при полном открытии:

где ξ₁, ξ₂ - коэффициенты местных сопротивлений при внутреннем диаметре d₁ и d₂ соответственно [2].

ξ₁ = 0,36 при d₁ = 0,2 м;

ξ₂ = 0,3 при d₂ = 0,25 м.

- колено с углом 90^о (угольник): ξ₃ = 1,1

Тогда :

Σξ_вс = ξ₁ + ξ₂ + ξ₃ = 0,5 + 0,3228 + 1,1 = 1,9228

11. Определяем потерянный напор на всасывающей линии:

м.

12. Определяем потерянное давление на всасывающей линии:

Па

Рассчитываем потерянный напор на нагнетающей линии трубопровода, то есть линии от центробежного насоса Н1 до входных отверстий дефлегматора Д и холодильника (см. рис. 1).

Принимая, что температура воды на всасывающей и нагнетающей линиях (t_2н = 18 ^оС) и внутренний диаметр трубопровода (м) одинаковы, получаем:

-плотность воды: ρ_{вод.кон.} = ρ_{вод.нач.} = 998,4 кг/м³;

-вязкость воды: μ_{вод.кон.} = μ_{вод.нач.} = 1,062 ∙10^-3 Па∙с;

- режим течения: турбулентный при Re_т.наг. = Re_т.вс. = 320537,166

-коэффициент трения: λ_т.наг. = λ_т.вс. = 0,0199

Принимая, что коррозия труб незначительна, рассчитаем сумму коэффициентов местных сопротивлений [1]:

- колено с углом 90^о (угольник): ξ₁ = 1,1

- тройник (поток выходит из магистрали): ξ₂

Принимаем, что расход жидкости в ответвлении в 2 раза меньше, чем в магистрали, следовательно,

Q_отв/ Q_м = 0,5

Q_отв/ Q_м1 = 0,4;

Q_отв/ Q_м2 = 0,6

Для отверстия:

Для магистрали:

ξ₂ = 0,75

- прямоточный вентиль при полном открытии с учетом коэффициента k:

ξ₃ = ξ ∙ k

ξ₃ = 0,3228

- внезапное расширение (входные отверстия конденсатора и холодильника).

определяем площадь сечения трубопровода:

м²;

определяем площадь сечения входного отверстия конденсатора:

м²;

определяем соотношение площадей меньшего и большего сечений:

Тогда ξ₄ = 0,16.

Тогда:

Σξ_наг = 3 ∙ ξ₁ + ξ₂ + 4 ∙ ξ₃ + 2 ∙ ξ₄ = 3 ∙ 1,1 + 0,75 + 4 ∙ 0,3228 + 2 ∙ 0,16 = 5,6612

7. Определяем потерянный напор на нагнетающей линии:

м.

8. Определяем потерянное давление на нагнетающей линии:

Па

Определяем гидравлическое сопротивление дефлегматора-конден-сатора:

1. Определяем среднюю разность температур:

Δt_ср = 51,360 ^оС

2. Определяем ориентировочное значение поверхности теплопередачи:

,

где К_ор - ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, Вт/(м² ∙ К).

Выбираем коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара органических жидкостей к воде, равный от 300 до 800 [1].

Принимаем ориентировочное значение К_ор = 600 Вт/(м² ∙ К).

м².

3. По справочным данным [2] определяем основные параметры аппарата:

Диаметр кожуха D = 600 мм;

соотношение числа труб к числу ходов n/z = 120;

число ходов z = 2;

число трубок n = 240;

поверхность теплообмена F = 75 м²;

длина трубок L = 4 м.

4. Определяем плотность воды при t_2ср = 26,5 ^оС:

,

где ρ₁, ρ₂ - плотность воды при температуре t₁ и t₂ соответственно [2].

ρ₁ = 998 кг/м³ при t₁ = 20 ^оС;

ρ₂ = 992 кг/м³ при t₂ = 40 ^оС.

кг/м³

5. Определяем действительное значение критерия Рейнольдса:

6. В соответствии со справочными данными выбираем диаметр условного прохода штуцеров для трубного пространства. При диаметре кожуха D = 600 мм и при числе ходов по трубам z=2: d_шт.вх.=200 мм [1].

Определяем скорость воды в трубках:

м/с

7. Определяем относительную шероховатость трубок:

,

где Δ - относительная шероховатость трубок, принимаем равной 0,2 мм = 0,0002 м [1];

.

8. Определяем коэффициент трения в трубках:

9. Определяем скорость воды в штуцерах:

м/с

10. Находим гидравлическое сопротивление аппарата:

ΔР_а =6664,072 Па

Рассчитываем общие потери напора и требуемую мощность привода двигателя и выбираем насос, обеспечивающий рассчитанные величины:

1. Определяем общие потери напора:

,

где ΔР_х - гидравлическое сопротивление холодильника, принимаем равным ΔР_а = 6664,072 Па;

м.

2. Определяем общие потери давления:

ΔР_{пот.общ} = ΔР_пот.вс + ΔР_{пот.наг} + ΔР_а + ΔР_х = 3027,725 + 8499,164 + 6664,072 + +6664,072 = 24855,033 Па

3. Находим потребный напор насоса:

,

где (р₂ - р₁) - разность давлений в аппарате, в который подается жидкость, и в аппарате, из которого перекачивается жидкость, равная 0.

Н = 0 + 15 + 256 = 17,536 м.

4. Определяем полезную мощность насоса:

N_п = ρ_{вод.нач.} ∙ g ∙ V ∙ H = 998,4 ∙ 9,81 ∙ 0,062 ∙ 17,536 = 10648,680 Вт

5. Определяем мощность, которую должен развивать электродвигатель насоса на выходном валу при установившемся режиме работы:

,

где η_н - коэффициент полезного действия насоса, принимаемый равным 0,6 для малой и средней подачи для центробежных насосов [1]; η_пер - коэффициент полезного действия передачи от электродвигателя к насосу, принимаемый равным ≈ 1, т.к. у центробежных насосов вал двигателя непосредственно соединяется с валом насоса [1].

Вт = 17,7478 кВт

Рассчитываем требуемую производительность насоса:

м³/с = 6,2∙10^-2 м³/с

В соответствии со справочными данными [1] выбираем центробежный насос марки Х90/19 со следующими характеристиками в оптимальных условиях работы:

объемный расход подаваемой жидкости V = 8 ∙10^-2 м³/с = 0,08 м³/с;

напор насоса Н = 21 м;

частота вращения вала n = 25 с^-1;

КПД насоса η_н = 0,78

тип электродвигателя АО2 - 64 - 2

мощность электродвигателя N = 19,5 кВт

КПД электродвигателя η_дв = 0,88

В результате проведенных расчетов были определены физико-химические свойства конденсируемой паровой смеси этанол-вода и конденсата при температуре конденсации смеси t_{конд.см.} = 78,379 ^оС и физико-химические свойства охлаждающей воды при средней температуре t_2ср = 26,5 ^оС.

Была рассчитана требуемая поверхность теплопередачи F_тр = 71,828 м² и соотношения числа трубок к числу ходов n/z = 120 для аппарата с производительностью 2 кг/с. В соответствии с этими данными был выбран теплообменник со следующими основными характеристиками: диаметр кожуха D = 600 мм; число ходов z = 2; число трубок n = 240; поверхность теплообмена F = 75 м²; наружный диаметр трубок d_нар = 25 мм; толщина стенок трубок δ_ст = 2 мм. Также было рассчитано гидравлическое сопротивление аппарата ΔР_а = 6664,072 Па.

Кроме того, был произведен расчет потерянного напора и потерянного давления для всасывающей и нагнетающей линий подачи охлаждающей воды. В соответствии с расчетами общие потери напора составили Δh_{пот.общ.} = 2,536 м, а общие потери давления ΔР_{пот.общ} = 24855,033 Па. На основании этих данных был выбран центробежный насос марки Х90/19 для подачи охлаждающей воды в конденсатор и холодильник.

Список литературы

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Дытнерского Ю.И., М.: Химия. – 1991.- 496 с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, С – Пт.: Химия. – 1987. – 576 с.

3. Варгафтик Н.Б. Справочник по тепло – физическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука. – 1972. 720с.

4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия. – 1973. 754 с.

Код для цитирования: Скопировать