Расчет ректификационной колонны химического производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

ректификация колонна баланс

В курсовом проекте будет произведен расчет, и подобрано оборудования для проведения процесса ректификации бинарной смеси хлороформ - бензол.

Разделение жидких и газообразных смесей на индивидуальные компоненты имеет большое значение в химической, нефтехимической и родственных с ними областях промышленности. Особенно важно выделение компонентов в чистом виде в производстве полимеров с повышенными физико-химическими свойствами, полупроводников, изотопов и т.д. Для разделения смесей на индивидуальные компоненты среди других методов широкое применение нашел метод ректификации.

Ректификация - массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемым в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее, ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физическое свойство фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.

Смесь хлороформа с бензолом - бесцветная прозрачная жидкость с резким запахом. Подобно другим органическим соединениям, смесь хлороформа с бензолом не агрессивна по отношению к металлам и сплавам. Эти материалы не коррозируют в этой смеси даже при наличии в ней примеси воды.

Бензол применяется для получения многих полупродуктов в производстве красителей, лаков, фармацевтических препаратов. Смесь паров бензола с воздухом образуют взрывоопасную смесь. Малые концентрации паров при многократном воздействии вызывают изменение состава крови и нарушают нормальную функцию кроветворных органов. Хроническое отравление парами может вызвать смерть.

Хлороформ имеет сладковатый запах, он прозрачен и не образует взрывоопасных смесей с воздухом. Хлороформ приобрел большое значение как исходное вещество для синтеза фреонов. Он используется как растворитель в лабораторной практике и в технике. Хлороформ имеет наркотические и анестезиологические свойства.

По окончанию процесса разделения смечи хлороформ-бензол получаем чистый хлороформ и чистый бензол.

1. Описание схемы ректификационной установки

В процессах ректификации достигается более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты. Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты). Ректификация отличается взаимным обменом компонентами между фазами в результате одновременно протекающих процессов массо- и теплообмена.

При выборе оптимальных условий работы ректификационной установки необходимо учитывать расход тепла и основные параметры (температуру и давление) теплоносителей - греющего пара и охлаждающей воды, а также требуемые размеры, как самой колонны, так и соединенных с ней теплообменных аппаратов (кипятильника, нагревателя исходной смеси, дефлегматора и холодильника паров). Все эти факторы взаимосвязаны и зависят, в частности, от температуры и агрегатного состояния подавляемой на разделение смеси.

Кипятильник, или куб предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадку или нижнюю тарелку). Кипятильник имеет поверхность нагрева в виде змеевика или представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливаются ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода).

Холодильник - представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, служит для охлаждения конечного продукта.

Принципиальная схема ректификационной установки приведена на рисунке 1. Исходную смесь из промежуточной емкости Е1 центробежным насосом Н1 подают в теплообменник П, где она подогревается до 74,5^оС. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну КР на 7 насадку, где состав жидкости примерно равен составу исходной смеси.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике К. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, то есть обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают флегмой, получаемой в дефлегматоре Д путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике Х1 и направляется в промежуточную емкость Е3.

Из кубовой части колонны непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается, далее жидкость направляется в промежуточную емкость Е2.

В ходе данного процесса необходимо подогревать и охлаждать жидкости до определенных температур. Для этого необходимо использовать теплообменную аппаратуру.

Так как наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, в которых тепло передается через разделяющую теплоносители стенку, то целесообразно выбрать именно этот тип теплообменных аппаратов. В частности широко используются кожухотрубчатые теплообменники. Они довольно просты в изготовлении, позволяют достигать высоких скоростей теплоносителя в трубах, относительно хорошо доступны для очистки и ремонта, в особенности для очистки труб. В многоходовых теплообменниках этого типа достаточно высокая интенсивность теплообмена. Кожухотрубчатые конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве за счет теплоты конденсации пара.

Центробежные насосы являются одним из основных типов насосов, применяемых в химической технологии. Они предназначены для перекачивания химически активных и нейтральных жидкостей, не имеющих включений или же с твердыми включениями, составляющими до 0,2%, при размере частиц до 0,2 мм.

Сеть трубопроводов является источником повышенной опасности, так как вследствие тяжелых эксплуатационных факторов происходит разрушение материала труб и разгерметизация фланцевых сооружений, а из-за большой протяженности сети контроль за ее состоянием затруднен. Безопасность эксплуатации трубопроводов обеспечивается их правильной прокладкой, качественным монтажом, установкой компенсаторов.

Безопасность эксплуатации насосов обеспечивается подвижностью конструкции, коррозионной стойкостью материала и герметичность уплотнения движущихся частей. При перекачивании горячих жидкостей предусматривается специальные меры защиты обслуживающего персонала от ожогов.

Правила устанавливают специальные требования безопасности конструкции сосудов, к материалам сосудов, к изготовлению, монтажу и ремонту, к арматуре, к контрольно-измерительным приборам. Конструкции должны быть надежными, обеспечивать безопасность при эксплуатации и предусматривать возможность осмотра, очистки, промывки, продувки и ремонта сосудов.

При остановке ректификационной установки на ремонт или профилактику спускают остатки жидкости из труб, открывая обводные линии, в емкости, а из них жидкость сливают в канализацию.

КР - колонна ректификационная, Д - дефлегматор, К - кипятильник, П - подогреватель, Х - холодильник, Е - емкость, Н - насос, Р - распределитель, В - вентиль.

Рисунок 1 - Технологическая схема ректификационной установки

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения исходной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

2. Описание ректификационной колонны

Ректификационная колонна ? аппарат, предназначенный для разделения жидких смесей, составляющие которых имеют различную температуру кипения. Процесс ректификации применяется для разделения жидкостей, отличающихся по температурам кипения за счет противоточного многократного контактирования паров и жидкостей. Для создания тесного контакта между паром и жидкостью ректификационные колонны снабжаются специальными устройствами - насадкой или ректификационными тарелками. Классическая колонна представляет собой вертикальный цилиндр с контактными устройствами внутри.

В качестве основного аппарата выбрана ректификационная колонная непрерывного действия, поскольку по заданию, производительность колонны по исходной смеси 9000 кг/ч, что является довольно большой и делает экономически нецелесообразным использование переодически действующей ректификационной колонны.

Насадочные колонны получили широкое распространение в промышленности. Они представляют собой цилиндрические аппараты, заполненные инертными материалами в виде кусков определенного размера или насадочными телами, имеющими форму, например, колец, шаров для увеличения поверхности фазового контакта и интенсификации перемешивания жидкой и паровой фаз.

Насадочные колонны применяются в малотоннажных производствах и используются в тех случаях, когда необходим малый перепад давления. Для заполнения насадочных колонн применяются кольца Рашига, изготовленные из различных материалов, кольца Паля, насадки из элементов седлообразного профиля.

В рассчитанной колонне применяется насадка из колец Рашига, размером 50Ч50Ч50 мм. Удельная поверхность насадки 87,5 м²/м³, свободный объем насадки 0,785, и насыпная плотность 530кг/м³.

Массо- и теплообмен в колоннах с насадкой характеризуются не только явлениями молекулярной диффузии, определяющимися физическими свойствами фаз, но и гидродинамическими условиями работы колонны, которые определяют турбулентность потоков. В зависимости от скорости потока в колонне возможны три гидродинамических режима: ламинарный, промежуточный и турбулентный,-- при которых поток пара является сплошным, непрерывным и заполняет свободный объем насадки, не занятый жидкостью, в то время как жидкость стекает лишь по поверхности насадки. Дальнейшее развитие турбулентного движения может привести к преодолению сил поверхностного натяжения и нарушению граничной поверхности между потоками жидкости и пара. При этом газовые вихри проникают в поток жидкости, происходит эмульгирование жидкости паром, и массообмен между фазами резко возрастает. В случае эмульгирования жидкость распределяется не по насадке, а заполняет весь ее свободный объем, не занятый паром; жидкость образует сплошную фазу, а газ -- дисперсную фазу, распределенную в жидкости, т. е. происходит инверсия фаз. Насадочную колонну следует рассчитывать, исходя из оптимальной скорости. При превышении оптимальной скорости начинается обращенное движение жидкости снизу вверх, происходит так называемое “захлебывание” колонны и нарушение режима ее работы.

Рассчитанная в работе колонна непрерывного действия, которая состоит из нижней (исчерпывающей) части, в которой происходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, назначение которой ? обогащение поднимающихся паров легколетучего компонента. Схема установки непрерывной ректификации отличается от периодической тем, что питание колонны начальной смесью определенного состава происходит непрерывно с постоянной скоростью; готовый продукт постоянного качества также непрерывно отводится.

Ректификационные установки снабжают также приборами для регулирования и контроля режима работы и нередко аппаратами для утилизации тепла.

По расчетам получили ректификационную колонну высотой 51,5 м, а диаметр этой колонны составил 1,2 м. Количество насадок - 14 штук, высота насадки - 3 м, расстояние между насадками - 0,5 м. Однако при ректификации следует считаться с тем, что равномерное распределение жидкости по насадке в колоннах большого диаметра затруднено. В связи с этим диаметр промышленных насадочных ректификационных колонн обычно не превышает 0,8 ? 1 м.

В самой ректификационной колонне не требуется отводить тепло, как в абсорберах. Поэтому трудность отвода тепла из насадочных колонн является скорее достоинством, чем недостатком насадочных колонн в условиях процесса ректификации.

Принцип работы ректификационной колонны следующий: исходная смесь, подогретая до температуры кипения, подается в среднюю часть колонны с помощью разбрызгивающего устройства, оно применяется для равномерного распределения смеси по сечению колонны, то есть по насадке. Стекая вниз по насадке, исходная смесь взаимодействует с паром, при этом взаимодействии низкокипящий компонент из жидкости переходит в пар, а высококипящий компонент - из пара переходит в жидкость. Таким образом, в низ колонны стекает жидкость, практически полностью состоящая из высококипящего компонента.

Часть этой жидкости отводится из колонны в виде готового продукта - кубовый остаток. Другая часть жидкости поступает в куб-испаритель, где испаряется и в виде пара поступает в нижнюю часть колонны и поднимается вверх по насадке, одновременно взаимодействуя со стекающей жидкостью, которая непрерывно подается в колонну.

Когда пар проходит два слоя насадки, то он практически полностью обогащается легкокипящим компонентом и выходит из колонны, направляясь в дефлегматор. В нем пар конденсируется и в виде жидкости разделяется на два потока: один поток образует готовый верхний продукт - дистиллят, а второй поступает обратно в колонну и называется флегмой, которая поступает в разбрызгивающее устройство и орошает верхнюю часть насадки, взаимодействуя с поднимающимся паром. Поток флегмы в середине колонны смешивается с исходной смесью и обе орошают нижнюю часть насадки.

В случае если разгоняемый продукт состоит из двух компонентов, конечными продуктами являются дистиллят, выходящий из верхней части колонны и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны). В нашем случае получают чистый бензол и чистый хлороформ.

3. Расчет ректификационной колонны

3.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических параметров - диаметра и высоты. Оба параметра определяются гидродинамическим режимом работы колонны.

Производительность колонны по дистилляту P и кубовому остатку W определим из материального баланса колонны:

F = P + W; F• = P• + W• (3.1)

где , , - содержание легколетучего компонента в массовых долях в исходной смеси, в дистилляте и кубовом остатке соответственно.

Переведем расход исходной смеси из килограмм в час в килограмм в секунду:

F = 9000/3600 = 2,5 кг/с.

Отсюда находим:

кг/с,

P = F - W = 2,5 - 1,25 =1,25 кг/с.

Для расчета материального баланса пересчитаем составы фаз из массовых x_F, x_P, x_W в мольные доли по соотношениям:

(3.2)

, (3.3)

, (3.4)

кмоль/кмоль смеси,

кмоль/кмоль смеси,

кмоль/кмоль смеси.

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение R_опт можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки R_опт используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы = R/R_min. Здесь R_min - минимальное флегмовое число:

, (3.5)

.

Коэффициент избытка флегмы в = 1,3, найдем флегмовое число:

, (3.6)

R = 1,3 • 1,234 = 1,6042.

Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют из соотношений:

, (3.7)

, (3.8)

где М_Р и М_F - мольные массы дистиллята и исходной смеси; М_В и М_Н - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Рисунок 3.1 - График равновесия между паром и жидкостью при постоянном давлении

Для построения рабочей линии рассчитываем расстояние В:

B = x_p/(R+1) = 0,932/(1,6042+1) = 0,358.

Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

, (3.9)

, (3.10)

где М_б и М_х - мольные массы бензола и хлороформа; х_ср.В и х_ср.Н - средний мольный состав жидкости соответственной в верхней и нижней частях колонны:

х_ср.В = (х_Р + х_F)/2 = (0,932 + 0,6043)/2 = 0,3022 кмоль/кмоль смеси;

х_ср.Н = (х_F + х_W)/2 = (0,6043 + 0,1451)/2 = 0,3747 кмоль/кмоль смеси.

:

кг/кмоль;

кг/кмоль.

Мольная масса исходной смеси и дистиллята:

кг/кмоль;

Подставим рассчитанные величины в уравнения (3.7) и (3.8), получим:

кг/с;

кг/с.

Средние массовые потоки пара в верхней G_В и нижней G_Н частях колонны соответственно равны:

G_В = P•(R + 1)•M'_В/M_P; G_Н = P•(R + 1)•M'_H/M_P. (3.11)

где M'_В и M'_H - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

M'_В = М_б•у_ср.В + М_х•(1-у_ср.В); M'_Н = М_б•у_ср.Н + М_х•(1-у_ср.Н). (3.12)

где

у_ср.В = (у_Р + у_F)/2 = (0,932+0,0,725)/2 = 0,8285 кмоль/кмоль смеси

у_ср.Н = (у_F + у_W)/2 = (0,725+0,1415)/2 = 0,43325 кмоль/кмоль смеси

Тогда:

M'_В = 78,11•0,8285 + 119,38•(1-0,8285) = 85,188 кг/кмоль;

M'_Н = 78,11•0,43325 + 119,38•(1-0,43325) = 101,4998 кг/кмоль.

Подставив численные значения в уравнение (3.11), получим:

G_В = 1,25•(1+1,6042)•85,188/78,11 = 3,599 кг/c;

G_Н = 1,25•(1+1,6042)•101,4998/78,11 = 4,23 кг/c.

3.2 Скорость пара и диаметр колонны

Предельную фиктивную скорость пара, при которой происходит захлебывание насадочных колонн, определяют по уравнению (3.13):

, (3.13)

где а - удельная поверхность насадки, м²/м³; - свободный объем насадки, м³/м³ (в ректификационных колоннах работающих при атмосферном давлении для разделения агрессивных жидкостей, а также в тех случаях, когда не требуется частая чистка аппарата, обычно применяют кольца Рашига. Для данного случая примем насадку из колец Рашига размером 505050 мм. Удельная поверхность насадки 87,5 м²/м³, свободный объем насадки 0,785 м³/м³, насыпная плотность 530 кг/м³), , - средние плотности пара и жидкости, кг/м³.

Найдем плотности жидкостей , и пара , в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них t_в и t_н. Средние температуры паров определим по диаграмме t - x, y, по средним составам фаз: t_в= 74,5С, t_н=79С.

Рисунок 3.2 - Температуры паров

Тогда:

; , (3.14)

Отсюда получим:

кг/м³; кг/м³.

Данные плотности бензола и хлороформа:

;

Вязкость жидких смесей находим по уравнению (3.15)

lgµ_x = x_cplgµ_хб + (1-x_cp)lgµ_хх (3.15)

где µ_хб и µ_хх - вязкости жидких бензола и хлороформа при температуре смеси.

Тогда вязкость жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

lg µ_xв = 0,3022•lg0,373+(1-0,3022)lg0,371 = -0,4299,

lg µ_xн = 0,3747 •lg0,323+(1-0,3747)lg0,314 = -0,4985,

откуда

µ_xв = 0,372 мПа·с, µµ_xн = 0,317 мПа·с

Для выбранной насадки, т.е. колец Рашига мм; удельная поверхность а = 87,5 м²/м³, свободный объём = 0,785 м³/м³, насыпная плотность 530 кг/м³.

Предельная скорость пара для верхней части колонны:

,

µ_пв = 2,253 м/с.

Аналогично для нижней части колонны:

,

µ_пн = 1,83 м/с.

Примем рабочую скорость на 30% ниже предельной:

µ_в = 1,577м/с, µ_н = 1,281 м/с.

Диаметр колонны определяют из уравнения расхода:

(3.16)

Как правило, несмотря на разницу в рассчитанных диаметрах укрепляющей и исчерпывающей частей колонны (вследствие различия скоростей и расходов паров), изготовляют колонну единого диаметра, равного большему из рассчитанных.

м,

м.

Выберем стандартный диметр обечайки колонны из таблицы стандартных диаметров d_ст=1,2 м. При этом рабочая скорость пара:

,

,

что составляет 47 и 83% от предельных скоростей соответственно.

3.3 Высота насадки

Высоту насадки H рассчитывают по модифицированному уравнению массопередачи:

(3.17)

где n_oy - общее число единиц переноса по паровой фазе, h_oy - общая высота единицы переноса, м. Обычно этот интеграл определяют численным методом, но будем решать графическим методом.

Таблица 3.1 - Данные для решения интеграла

y	y*	y*-y	1/(y*-y)
0,15	0,19	0,04	25
0,2	0,26	0,06	16,6
0,3	0,365	0,065	15,4
0,35	0,425	0,075	13,3
0,4	0,48	0,08	12,5
0,5	0,59	0,09	11,1
0,55	0,61	0,06	16,6
0,6	0,66	0,06	16,6
0,7	0,74	0,04	25
0,75	0,79	0,04	25
0,8	0,85	0,05	20
0,9	0,95	0,05	20
0,92	0,93	0,01	100

Общее число единиц переноса вычисляют по уравнению (3.18):

(3.18)

Данные для графического изображения приведены в таблице 3.1.

По рисунку 3.3 (в соответствии с формулой 3.18) находим общее число единиц переноса в верхней n_{oy в} и нижней n_{oy н} частях колонны:



Рисунок 3.3 - Графическое определение общего числа единиц переноса

Общую высоту единиц переноса найдем по уравнению аддитивности:

(3.19)

где h_x и h_y - частные высоты единиц переноса соответственно в жидкой и паровой фазах, m - средний коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колонны.

Отношение нагрузок по пару и жидкости:

для верха

для низа

где:

 (3.20)

Подставив численные значения, получила:

f = 2,5•78,11/(1,25•94,44) = 1,654.

Высота единиц переноса в жидкой фазе:

h_x = 0,258•Ф•c•Pr_x^0,5•Z^0,15, (3.21)

где с и Ф - коэффициенты; Pr _x = µ_x/(с _x •D _x) - критерий Прандтля для жидкости; Z - высота слоя насадки одной секции, которая из условия прочности опорной решетки и нижних насадки не должна превышать 3м.

Высота единиц переноса в паровой фазе:

(3.22)

где ш - коэффициент; Pr _y = µ_y/(с _y •D _y) - критерий Прандтля для пара; Ls=L/(0,785·d²) - массовая плотность орошения, кг/(м²•с); d - диаметр колонны, м; f₁=µ_x^0,16; f₂=(1000/с _x)^1,25; f₃ = (72,8•10^-3)^0,8/у.

Для расчета h_x и h_y необходимо определить вязкость паров и коэффициенты диффузии в жидкой D_x и D_y фазах.

Рассчитаем вязкость паров в верхней и нижней части колонны:

(3.23)

где µ_yб и µ_ух - вязкость паров бензола и хлороформа при средней температуре верхней части колонны, мПа·с; y_в - средняя концентрация паров в верхней части колонны.

Тогда получим:

Аналогично для нижней части колонны:

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре рассчитывается:

D_x = D_{x 20}•[1+b·(t-20)] (3.24)

Коэффициент диффузии в жидкости при 20°С можно вычислить по приближенной формуле 3.25.

(3.25)

А, В- коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя, х_б, х_х - мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см³/моль, µ_х- вязкость жидкости при 20°С, мПа•с.

Тогда коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20⁰С равен:

Для нижней части колонны:

Температурный коэффициент определяют по формуле 3.26:

(3.26)

где µ_х и _х принимают при температуре 20 ⁰С, тогда для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Отсюда для верхней части колонны:

D_{х в}=3,98 •10^-9• [1+0,0096• (72,5-20)]= 5,98•10^-9 м²с,

и для нижней части колонны:

D_{х н} =3,59•10^-9• [1+0,013• (78,5-20)]= 2,93•10^-9 м²с.

Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть рассчитан по формуле 3.27:

(3.27)

где T - средняя температура в соответствующей части колонны, К; P - абсолютное давление в колонне, Па.

Тогда для верхней части колонны:

и для нижней части колонны:

Таким образом, для верхней части колонны по формуле

3.21:

для нижней части колонны:

Для верхней части колонны рассчитывается по формуле 3.22:

и для нижней части колонны:

Найдем общую высоту единиц переноса для верхней и нижней части колоны по уравнению 3.19:

h_oyв = 2,06+1,35·(1,6+1)•0,135/1,6 = 3,36 м,

h_oyн = 0,91+1,62·(1,6+1)·0,21/(1,6+1,65) = 2,18 м.

Рассчитаем высоту насадки в верхней и нижней части колонны:

Н_в = 5·3,36 = 16,8 м - для верхней части колонны,

Н_н = 9·2,18 = 19,62 м - для нижней части колонны.

Рассчитаем общую высоту насадки в колонне:

Н = Н_в+ Н_н = 16,8+19,62 = 36,42 м.

Определяют общую высоту колонны по уравнению 3.28:

H_к = Z·n+(n-1)•h_p+Z_в+Z_н, (3.28)

где, Z - высота слоя насадки, примем ее 3 м; h ? расстояние между насадками, м; Z_в и Z_н ? расстояние соответственно между верхней насадкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней насадкой, м.

H_к = 3•14+(14-1)•0,5+1+2 = 51,5 м.

3.4 Гидравлическое сопротивление насадки

Гидравлическое сопротивление насадки находят по уравнению:

, (3.29)

Рассчитывается гидравлическое сопротивление сухой насадки по уравнению:

(3.30)

где л - коэффициент сопротивления сухой насадки, зависящий от режима движения газа в насадке.

Рассчитаем критерий Рейнольдса для газа в верхней и нижней частях колонны по формуле:

(3.31)

тогда для верхней и нижней частей колонны:

Отсюда следует, что режим движения турбулентный.

Для турбулентного режима коэффициент сопротивления сухой насадки в виде беспорядочно засыпанных колец Рашига находиться по уравнению:

(3.32)

Для верхней и нижней частей колонны:

,

Гидравлическое сопротивление сухой насадки в верхней и нижней частях колонны равно:

Рассчитаем плотность орошения в верхней и нижней частях колонны по формуле:

 (3.33)

Для верхней и нижней частей колонны:

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в верхней и нижней частях колонны:

Общее гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в колонне:

ДР = ДР_в+ ДР_н = 14218,6 + 29393,51 = 43612,11 Па.

4. Подбор вспомогательного оборудования

4.1 Ориентировочный расчет кубового испарителя

Определим тепловую нагрузку теплообменника. Потерями в теплообменнике пренебрежём.

, (4.1)

где ? количество теплоты, отдаваемой охлаждающему агенту в дефлегматоре-конденсаторе (Вт), r_P - теплота парообразования дистиллята при t_{P ?} температуре дистиллята на выходе из верхней части колонны (Дж/кг), т.е. при t_P=63,5^оC.

(4.2)

r_P =243,14·10³· 0,932 + 400,5·10³· (1 - 0.932) = 253840,48.

Тогда:

Определяем теплоёмкость по формуле:

(4.3)

Тогда теплоемкость питания при t = 74,5^оC:

определим теплоёмкость дистиллята при t_P = 63,5^оС:

теплоёмкость кубового остатка при t_W = 79^оC:

Тогда:

Q_k = 653639,24+1,25•1065,4•63,5+1,25•1841,6•79-2,5•1841,6•74,5=578697,74 Вт.

В качестве греющего агента примем водяной пар с t=110^оС. Определить требуемую поверхность теплообмена можно по формуле 4.5:

(4.4)

Определим среднюю разность температур:

Примем ориентировочно коэффициент теплопередачи от конденсирующего пара к кипящей жидкости по таблице 2.1 на странице 47[1].

_Тогда:

Выбираем стандартный теплообменник по таблице 2.3 на странице 51 [1].

ГОСТ 15118-79: D=600 мм, d=25Ч2 мм, L=4 м, F_т/о=65 м².

Кубовый испаритель с длиной труб 4 м и поверхностью 65 м² подходит с запасом (определяем по формуле 4.7), который составляет 4,5%:

.

4.2 Расчет и подбор дефлегматора

В качестве охлаждающего агента примем воду с начальной температурой равной 15⁰С до 40⁰С.

Тепловая нагрузка:

, (4.5)

где G - расход конденсирующегося пара, определяемый по уравнению:

; (4.6)

r - теплота парообразования при температуре вверху колонны, т.е. 63,5⁰С; r_P=253840,48 Дж/кг.

Тогда:

Примем, что охлаждающая вода нагревается до t=40⁰C и определим среднюю разность температур:

63,5⁰C 63,5⁰C 40⁰C 15⁰C

Примем К_ор=600 Вт/(м²•К) по таблице 2.1 на странице 47 [1].

Тогда требуемая поверхность теплообмена:

Выбираем стандартный теплообменник по таблице 2.3 на странице 51[1],

ГОСТ 15118-79: D=600 мм, d=25Ч2 мм, Z=4, n=206, L=2 м, F_т/о=32 м².

Запас площади определяем по уравнению:

? = (F-F_т/о)•100/ F_т/о, (4.7)

Запас составляет 1,27%:

? = (32-31,6)•100/ 31,6 = 1,27%.

4.3 Расчет и подбор подогревателя исходной смеси

Расчёт теплообменника для подогрева исходной смеси до температуры кипения перед подачей в колонну от начальной температурой равной 40⁰С (по заданию) до температуры 74,5⁰С (по t-x,y(рисунок 3.2)). Используем тепло греющего пара воды. Примем, что температура греющего пара равна 110⁰С.

Определим, какое количество теплоты сможет отдать кубовый остаток, при охлаждении, т.е. найдём тепловую нагрузку теплообменника по уравнению:

, (4.8)

где - теплоёмкость кубового остатка при средней температуре в колонне.

Примем противоток теплоносителей. Определим среднюю разность температур:

40⁰C 74,5⁰C

110⁰C 110⁰C

Принимаем ориентировочно значение коэффициента теплопередачи для системы органическая жидкость - органическая жидкость К_ор=400 Вт/(м²•К) по таблице 2.1 на странице 47 [1]. Тогда требуемая поверхность теплообмена:

Выбираем стандартный теплообменник по таблице 2.3 на странице 51[1],

ГОСТ 15118-79: D=273 мм, d=20Ч2 мм, Z=1, n=61, L=1 м, F_т/о=4,0 м².

Запас площади определяем по уравнению 4.7. Запас составляет 8,11%:

? = (4,0-3,7)•100/ 3,7 = 8,11%.

4.4 Расчет трубопроводной сети и подбор насоса

Рассчитаем трубопроводную сеть и подберем насос, который необходимо установить для подачи исходной смеси в колонну.

Выбираем трубопровод. Массовый расход питания F=2,5 кг/с, средняя плотность с_F=1173,7 кг/м³.

Определим объемный расход питания:

V_F = F/_F. (4.9)

V_F = 2,5/1173,1=0,00213 м³/с.

Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения, равную щ=2 м/с. Тогда диаметр трубопровода равен:

(4.10)

Выбираем стальную трубу наружным диаметром 38 мм, внутренний диаметр трубы d=35 мм [1] страница 16. Фактическая скорость воды в трубе по уравнению:

(4.11)

Расчет гидравлического сопротивления трубопровода. Примем, что коррозия трубопровода незначительна. Тогда Д=0,15 мм (по [1] страница 14). Относительная шероховатость труб по уравнению:

(4.12)

Далее получим:

1/е=17,54; 10/е=175,4; 560/е=9824,56.

Определим потери на трение и местные сопротивления. Для этого определим критерий Рейнольдса по уравнению (3.31) :

Отсюда следует, что режим турбулентный (т.к. Re больше 560/е). Таким образом, в трубопроводе имеет место турбулентное трение, и расчёт коэффициента трения л следует проводить по формуле:

л = 0,11•(е + 68/Re)^0,25. (4.13)

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений. Примем по [1] страница 14-15 значения коэффициентов имеющихся местных сопротивлений:

вход в трубу (принимаем с острыми краями) о₁=0,5;

выход из трубы о₂=1;

прямоточный вентиль о₃=0,773;

колено под углом 90° при диаметре труб 40 мм: о₄=1,6.

По монтажной схеме, представленной на рисунке 4.1, видно, что число колен равно 5, число вентилей - 4.

Рисунок 4.1 - Монтажная схема

Сумма коэффициентов местных сопротивлений:

?ж = 0,5+5•1,6+4•0,773+1 = 12,6.

Потерю давления определим по формуле:

, (4.14)

где L - длина трубопровода. Принимаем длину трубопровода 15 м. Тогда:

Выбор насоса. Находим потребный напор насоса по формуле:

(4.15)

где p₁ - давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость, Па; p₂ - давление в аппарате, в который подается жидкость, Па; ДР_К - гидравлическое сопротивление колонны, Па; Н_г - геометрическая высота подъема жидкости, м; h_п -потери напора, м.

Принимаем Н_г= 13,21 м. Примем, что емкость, из которой перекачивается питающая смесь, находится под атмосферным давлением, т.е. р₁=0,1•10⁶ Па. Давление в ректификационной колонне р₂=0,1•10⁶ Па.

Потребный напор насоса составляет:

H = (0,1•10⁶-0,1•10⁶+1626842,84)/(1173,7•9,81) +13,21+8,69 = 36,3 м.

Такой напор при заданной производительности обеспечивается одноступенчатыми центробежными насосами. Полезную мощность насоса определим по формуле:

, (4.16)

N_п = 1173,7•9,81•0,00213•36,3=890,25 Вт.

Принимаем , найдем мощность на валу двигателя по уравнению:

(4.17)

где коэффициент полезного действия насоса; коэффициент полезного действия передачи от электродвигателя к насосу.

N = 890,25/(1•0,6) = 1483,8 Вт.

Заданным подаче и напору более всего соответствует центробежный насос марки Х500/37, для которого при оптимальных условиях работы Q=1,5·10^-3 м/с, Н=37 м, _н=0,7. Насос обеспечен электродвигателем типа АО-103-6 с N_н=160 кВт, _дв=0,93 из таблицы 1 на странице 38 [1].

Заключение

В данной курсовой работе был рассмотрен процесс ректификации и произведены расчеты основного оборудования, а также было подобрано вспомогательное оборудование из стандартного. В результате расчетов были получены результаты, представленные ниже:

- ректификационная колонна высотой 51,5 м, диаметром 1,2 м. Количество насадок - 14 штук, высота насадки - 3м, расстояние между насадками - 0,5 м;

- кубовой испаритель: диаметр кожуха 600 мм, диаметр труб 25Ч2 мм, длина трубы 4 м, поверхность теплообмена 65 м²;

- дефлегматор: диаметр кожуха 600 мм, диаметр труб 25Ч2 мм, длина трубы 2м, число ходов - 4, общее число труб - 204, поверхность теплообмена 32 м²;

- подогреватель исходной смеси: диаметр кожуха 273 мм, диаметр труб 20Ч2 мм, длина трубы 1 м, число ходов - 1, общее число труб - 61, поверхность теплообмена 4,0 м²;

- центробежный насос марки Х500/37, для которого при оптимальных условиях работы Q=1,5·10^-3 м/с, Н=37м, _н=0,7. Насос обеспечен электродвигателем типа АО-103-6 с N_н=160 кВт, _дв=0,93.

Список использованных источников

1. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1991.

2. Касаткин А.Г. Основные аппараты химической технологи. - М.: Химия, 1973.

3. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи) / П.Г. Романков, В.Ф. Фролов, О.Н. Флисюк и др. - СПб.: Химия, 1993.

4. Справочник химика «Основные свойства неорганических и органических соединений». -М.?Л.: Химия, 1964.

5. Калiшук. Д.Г., Саевiч Н.П. Тэхналагiчныя працэсы i аппараты галiны. Метатадычныя указаннi да курсавой работы па аднаiменнай дысцыплiне. - Мн.: БДТУ, 2001.

6. Калишук. Д.Г., Протасов С.К., Марков В.А. Процессы и аппараты химической технологии. Методические указания к курсовому проектированию по одноименной дисциплине. - Мн.: БТИ, 1992.

7. Варгафтик Н.Б. Справочник по таплофизическим свойствая газов и жидкостей. - М.: Наука, 1972.

8. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. - М.-Л.: Наука, 1966.

9. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1987.

Размещено на Allbest.ru

...