Расчет ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Задание на проектирование

1. Физико-химические свойства сырья и продуктов

2. Описание технологической схемы

3. Виды ректификационных колонн

4. Расчет ректификационной колонны

4.1 Материальный баланс процесса

4.2 Определение минимального флегмового числа

4.3 Построение рабочих линий. Определение теоретического числа тарелок

4.4 Определение объемов и объемных скоростей пара и жидкости

4.5 Определение основных геометрических размеров колонны

4.6 Расчет высоты переливного устройства тарелки

4.7 Эффективность тарелки в верхней части колонны

4.8 Эффективность тарелки в нижней части колонны

4.9 Расчет высоты колонны

4.10 Расчет гидравлического сопротивления колонны

5. Расчет диаметров штуцеров, подбор фланцев

6. Расчет вспомогательного оборудования

6.1 Расчет дефлегматора

6.2 Расчет холодильника

6.3 Расчет холодильника кубового остатка

6.4 Расчет подогревателя исходной смеси

6.5 Расчет подогревателя кубового остатка

6.6 Расчет насоса для перекачивания исходной смеси

7. Конструктивный расчет

7.1 Расчет толщины обечайки

7.2 Расчет опоры

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Ректификация - массообменный процесс разделения однородной смеси летучих компонентов, осуществляемый путем противоточного многократного взаимодействия паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров.

Разделение жидкой смеси основано на различной летучести веществ. При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят - смесь, обогащенную низкокипящим компонентом, и кубовый остаток - смесь, обогащенную высококипящим компонентом.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке основным аппаратом которой является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам стекает жидкость, подаваемая в виде флегмы в верхнею часть аппарата.

Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше или ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенное давление применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Атмосферное давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру кипения от 30 до 150°С.

Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемого дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны.

В промышленности применяют тарельчатые, насадочные, пленочные трубчатые и центробежные пленочные аппараты. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата.

Тарельчатые контактные устройства, в ректификационной колонне, подразделяются на: колпачковые, ситчатые, клапанные, решетчатые, провальные и т.п.

Преимущественное использование тарельчатых колонн в процессах ректификации объясняется их значительно большей производительностью по сравнению с насадочными.

Задание на проектирование

Выполнить технологический расчет ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси с определением основных геометрических размеров колонного аппарата.

Исходные данные:

Производительность колонны по сырью, G_F-9000 кг/ч - 2,5 кг/с

Разделяемые компоненты:

Низкокипящий компонент (НКК) этанол

Высококипящий компонент (ВКК) вода

Концентрация низкокипящего компонента:

в сырье, х_F - 18%

в дистиляте, х_D - 91%

в кубовом остатке, х_W - 0,025%.

1. Физико-химические свойства сырья и продуктов

Этанол (этиловый спирт - С₂Н₅ОН) - бесцветная подвижная жидкость с жгучим вкусом и характерным запахом. Молекулярная масса этанола 46 г/моль. Температура кипения этанола 78,4°С, температура плавления - 114,15°С, плотность при 20°С= 0, 794 т/м³.

Этанол смешивается во всех отношениях с водой, спиртами, глицерином, диэтиловым эфиром и другими органическими растворителями. С некоторыми из них (водой, бензолом, этилацетатом, хлороформом) он образует азеотропные смеси различного состава. Азеотропная смесь этанола с водой, содержащая 95,6 об.% этанола, кипит при постоянной температуре 78,1°С. Для получения безводного («абсолютного») этанола в промышленности используют специальные методы его обезвоживания, например, абсолютирование бензолом, оксидами или солями кальция и магния.

Температура самовоспламенения этанола составляет 422,8°С. С воздухом пары его образуют взрывчатые смеси с температурой вспышки 13,0°С в следующих пределах взрываемости: нижний 3,28 об.% и верхний 18,95 об.%. Этанол обладает наркотическим действием, ПДК этанола равна 1000 мг/м³, класс опасности четвертый.

Этанол является одним из наиболее важных и крупнотоннажных продуктов основного органического синтеза (мировое производство этанола в 2005 году составило 20 млн т/год).

Вода - это прозрачная жидкость без запаха, вкуса, а в малом объеме и без цвета.

Молекулярная масса воды - 18,0160, химическая формула - Н2О. Максимальная плотность дистиллированной воды - 1 г/см куб. при температуре 3,982 гр. С и нормальном давлении 1 атм.

Вода - единственное известное нам вещество, которое встречается в естественных условиях на поверхности Земли в твердом, жидком и газообразном состоянии.

Вода - уникальный растворитель. Она растворяет больше солей и прочих веществ, чем любая другая жидкость.

Воду очень трудно окислить, сжечь или разложить на составные части. Вода - химически стойкое вещество.

Вода окисляет почти все металлы и разрушает даже самые твердые горные породы.

Вода имеет редкую способность при замерзании расширяться, вследствие чего лед плавает на воде, остающейся в жидкой фазе. Только немногие вещества (висмут, галлий, германий и др.) имеют такую же аномалию, при которой твердая фаза легче жидкой.

Вода в форме сферических капель имеет наименьшую поверхность при заданном объеме. Поверхностное натяжение (на границе с воздухом при 20 гр. С равно 72,75 дин/см) является необходимым условием капиллярных процессов, столь важных для жизнедеятельности растений и животных.

Пресная вода замерзает не при температуре наибольшей плотности (4 гр. С), а при 0 гр.С.

Вода обладает способностью поглощать большое количество теплоты и сравнительно мало при этом нагреваться. У воды очень высокая скрытая теплота плавления льда (79 кал/г) и испарения (539 кал/г при 100 гр. С), т. е. она поглощает значительное количество дополнительной теплоты при неизменности температуры в процессе замерзания и при кипении.

Дистиллированная вода очень плохо проводит электрический ток, но даже весьма малые добавки солей превращают ее в хороший проводник.

Удельная теплоемкость воды выше, чем у большинства веществ (кроме водорода и аммиака): при 100 гр. С=0,487 кал/г- град, а при 15 гр. С=1,000 кал/г град. Плавление льда сопровождается увеличением его удельной теплоемкости почти вдвое. С повышением температуры теплоемкость воды уменьшается и только после 40 гр. С начинает увеличиваться.

2. Описание технологической схемы установки

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис 1. Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания.

Рис. 1 Принципиальная схема ректификационной установки: 1 - емкость для исходной смеси; 2,9- насосы; 3- теплообменник-подогреватель; 4- кипятильник; 5 - ректификационная колонна; 6- дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - емкость для сбора дистиллята; 10 - холодильник кубовой жидкости; 11 - емкость для кубового остатка.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой), получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

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

3. Виды ректификационных колонн

В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого -- обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых или ситчатых), либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.

Тарельчатые колпачковые колонны наиболее часто применяют в ректификационных установках. Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования ее уровня на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др. Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобчатые, S-образные, чешуйчатые, провальные и другие конструкции тарелок. В расчетах необходимо учитывать особенности конструкций тарелок.

Клапанные тарелки показали высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем. Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10-15% площади сечения колонны. Скорость пара достигает 1,2 м/с. Клапаны изготовляют в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним или нижним ограничителем подъема.

Тарелки, собранные из S-образных элементов, обеспечивают движение пара и жидкости в одном направлении, способствуя выравниванию концентрации жидкости на тарелке.

Чешуйчатые тарелки подают пар в направлении потока жидкости. Они работают наиболее эффективно при струйном режиме, возникающем при скорости пара в чешуях свыше 12 м/с. Площадь живого сечения составляет 10% площади сечения колонны. Чешуи бывают арочными и лепестковыми; их располагают на тарелке в шахматном порядке. Простота конструкции, эффективность и большая производительность -- преимущества этих тарелок.

Пластинчатые тарелки собраны из отдельных пластин, расположенных под углом 4-9° к горизонтам. В зазорах между пластинами проходит пар со скоростью 20-50 м/с. Над пластинами установлены отбойные щитки, уменьшающие брызгоунос. Эти тарелки отличаются большой производительностью, малым сопротивлением и простотой конструкции.

К провальным относят тарелки решетчатые, колосниковые, трубчатые, ситчатые (плоские или волнистые без сливных устройств). Площадь живого сечения тарелок изменяется в пределах 15-30%. Жидкость и пар проходят попеременно через каждое отверстие в зависимости от соотношения их напоров. Тарелки имеют малое сопротивление, высокий КПД, работают при значительных нагрузках и отличаются простотой конструкции.

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. 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: 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.

Трубчатые пленочные ректификационные колонны состоят из пучка вертикальных труб, по внутренней поверхности которых тонкой пленкой стекает жидкость, взаимодействуя с поднимающимся по трубам паром. Пар поступает из куба в трубки. Флегма образуется в дефлегматоре непосредственно на внутренней поверхности трубок, охлаждаемых водой в верхней их части. Диаметр применяемых трубок-5--20 мм. Эффект работы пленочного аппарата возрастает с уменьшением диаметра трубок. Трубчатые колонны характеризуются простотой изготовления, высокими коэффициентами массопередачи и весьма малыми гидравлическими сопротивлениями движению пара. Многотрубные (и длиннотрубные) колонны с искусственным орошением имеют значительно меньшие габаритные размеры и массу, чем тарельчатые.

Ситчатые колонны применяют главным образом при ректификации спирта и жидкого воздуха. Допустимые нагрузки по жидкости и пару для них относительно невелики, и регулирование режима их работы затруднительно. Массо- и теплообмен между паром и жидкостью в основном происходят на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточны для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и создания сопротивления ее отеканию через отверстия. Ситчатые тарелки необходимо устанавливать строго горизонтально для обеспечения прохождения пара через все отверстия тарелки, а также во избежание стекания жидкости через них. Обычно диаметр отверстий ситчатой тарелки принимают в пределах 0,8-3,0 мм.

Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, представляющая собой вертикальный цилиндрический аппарат, конструктивно состоящий из стандартных и нормализованных деталей и узлов (корпусов, крышек, днищ, штуцеров, люков-лазов, смотровых люков, опор и т.д.), встроенной или вынесенной греющей камеры и внутреннего устройства. Такие колонны изготавливают в основном из листовой стали, реже из меди, чугуна, керамики, стекла. Пары перегоняемой жидкости в колонне поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы. В большинстве случаев конечными продуктами являются дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).

По конструкции корпусов различают в основном три типа колонн:

- Корпус собран из отдельных царг, соединяемых между собой фланцами на прокладке. Крышку и днища крепят таким же способом. В таком корпусе не устраивают люков лазов;

- Корпус цельносварной, крышку крепят с помощью фланцевого соединения. Для осмотра в корпусе предусматривают смотровые люки;

- Корпус цельносварной, к нему приваривают крышку и днище. Для монтажа и демонтажа тарелок его обязательно снабжают люками-лазами.

4. Расчет ректификационной колонны

4.1 Материальный баланс процесса

Составляем материальный баланс для определения количеств и состава веществ, участвующих в процессах ректификации.

Материальный баланс колонны, обогреваемой паром

(4.1)

где G_F - производительность установки по исходной смеси, кг/с;

G_D - производительность установки по дистилляту, кг/с;

G_W - производительность установки по кубовому остатку, кг/с.

Материальный баланс для НКК

(4.2)

где - массовая доля легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте, кубовом остатке соответственно, %.

Для нахождения производительности по кубовому остатку, преобразуем выражение (4.2)

Из уравнения (4.1) определяем расход дистиллята, подставив найденные данные



Для дальнейших расчётов выразим концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка в мольных долях по формулам (4.3-4.5).

Исходная смесь

(4.3)

Дистиллят

(4.4)

Кубовый остаток

(4.5)

Где М_Э ,М _В - молярная масса этанола и воды, соответственно, г/моль.



4.2 Определение минимального флегмового числа

Для определения минимального флегмового числа строим кривую равновесия (по табл. 1).

Проводим прямую CВ, для этого на диагонали наносим точку С с абсциссой х_D=0,798, а на кривой равновесия точку В с абсциссой х_F=0,089. Измерив отрезок В_мах, отсекаемый прямой СВ на оси ординат находим значение минимального флегмового числа по формуле

(4.6)

Где R_min - минимальное флегмовое число.

Преобразуя формулу (4.6), получим

Таблица 1. Равновесные составы жидкости и пара для смеси бензол-толуол

x	y	t
0,5	5,28	98,5
0,65	6,49	95,8
1,24	11,9	96,6
1,75	15,8	95,4
2,92	22,4	92,8
3,74	27,1	92,2
5,38	32,8	90
9,7	42,2	86,6
20,3	52,4	83,3
32	57,7	81,8
42,3	62,1	80,7
50,7	65,6	80,1
68,5	74,3	78,9
83,8	84,6	78,3
92,1	91,8	78,2
100	100	78,1

В уравнение рабочих линий входит рабочее флегмовое число, определяемое по формуле

(4.7)

Рис.4 Построение равновесной и рабочей линий колонны

Подставляя данные, получим

R=1,3*1,31+0,3=2

4.3 Построение рабочих линий укрепляющей и исчерпывающей частей колонны. Определение числа теоретических тарелок

Чтобы определить количество тарелок, надо графически изобразить линии рабочего процесса в колонне(рис. 4). Колонну непрерывного действия от места ввода исходной смеси делят на две части: верхняя часть колонны называется укрепляющей, а нижняя часть исчерпывающей. При построении линий рабочих концентраций укрепляющей и исчерпывающей части колонны откладываем на оси ординат отрезок ОД, длина которого определяется соотношением:

(4.8)

Подставляя найденные значения, получим

Через точки С и Д проводим прямую СД, а через точку В - вертикаль до пересечения с линией СД и получаем точку В₁, соединив ее с А и С, получаем СВ₁ - линия рабочих концентраций укрепляющей части колонны, АВ₁ - линия концентраций исчерпывающей части колонны.

Число теоретических тарелок определяем путем построения ступенчатой линии между линией равновесия и линиями рабочих концентраций в пределах от х_D до х_W. Количество теоретических тарелок в нижней части - 7, в верхней части колонны - 10. Всего 17 теоретических тарелок.

4.4 Определение объёмов и объёмных скоростей пара и жидкости

Средняя плотность жидкости находится по формуле

(4.12)

где х_СР - средняя мольная концентрация НКК в жидкости, которая определяется:

для верхней части колонны по формуле

(4.13)

для нижней части колонны по формуле

(4.14)

Рис.5 Зависимость состава жидкости и пара от температуры

По диаграмме t - x, y (рис. 5), при средних концентрациях жидкости х_ВСР и х_НСР , определим средние температуры жидкости: t_ВСР=80,5 °С и t_НСР=91,5°С.

По таблице IV, XXXIX [4] определяем плотность с компонентов в зависимости от температуры t.

При t_ВСР=80,5°С с_Э =734,5 кг/м³; с_В= 971,7кг/м³.

При t_НСР=91,5°С с_Э =724,1 кг/м³; с_В =724,1 кг/м³.

Подставим получившиеся значения в выражение (4.12).

Для верхней части

Для нижней части

Определяем среднюю плотность пара по уравнению

(4.16)

где М_СРП - средняя мольная масса пара, определяется по формуле

(4.17)

где у_СР - мольная концентрация НКК в парах, которая для верхней части колонны определяется по уравнению

(4.18)

Для нижней части колонны определяется по уравнению

(4.19)

Подставив найденные значения в формулу (4.17), получим:

в верхней части колонны

в нижней части колонны

Подставим найденные значения в формулу (4.16).

Для верхней части колонны

Для нижней части колонны

Объемная скорость пара в колонне будет равна

(4.20)

Подставив известные значения, получим

для верхней части колонны

в нижней части колонны

Определяем максимальную объёмную скорость жидкости по формуле

 (4.21)

где L_Ж - средний массовый расход по жидкости в колонне, находим по формулам:

для верхней части

(4.22)

для нижней части

(4.23)

где М_D, М_F - мольные массы дистиллята и исходной смеси, г/моль; М_ЖВ, М_ЖН - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Находим средние мольные массы жидкости

в верхней части колонны

в нижней части колонны

Мольная масса дистиллята

Мольная масса исходной смеси

Подставляя найденные данные в формулы (4.22, 4.23), получим

Подставим в (4.21) полученные значения и определим максимальную объемную скорость жидкости:

в верхней части

в нижней части

4.5 Определение основных геометрических размеров ректификационной колонны

Оценочная скорость пара рассчитывается по формуле

(4.24)

для верхней части колонны

для нижней части:

Диаметр колонны D_К определяем в зависимости от скорости и количества поднимающихся по колонне паров.

(4.25)

Для верхней части колонны

Для нижней части колонны

Тогда средний диаметр колонны равен

Принимаем стандартный диаметр 800 мм.

Действительную скорость пара в колонне находим по формуле

(4.26)

Выберем тарелку типа ТСК-1 по ОСТ 26-808-73 для колонны диаметром 800 мм.

Основные характеристики тарелки:

Рабочая площадь тарелки, м² - 0,395

Площадь слива, м² - 0,021

Длина пути жидкости, м - 0,52

Периметр слива, м - 0,57

4.6 Расчет высоты переливного устройства тарелки

Высота подпора жидкости над сливным порогом рассчитывается по формуле

(4.27)

где V_ЖСР - средний объемный расход жидкости, м³с; L_С - периметр слива тарелки, м.

Средний объемный расход жидкости находим по формуле

(4.28)

Подставим значения в формулу (4.27)

Высота глубины барботажа равна

(4.29)

где с_СР - средняя плотность жидкости, кг/м³; Р - давление в колонне, Па.

Средняя плотность жидкости

(4.30)

Тогда, по формуле (4.29)

Выбираем количество патрубков и колпачков. Площадь сечения тарелки находим по формуле

(4.31)

Принимая живое сечение тарелки ц=0,1, находим общую площадь сечения патрубков

(4.32)

Выбираем круглые колпачки. При стандартных патрубках внутренним диаметром d_П=62 мм, площадь сечения одного патрубка равна

(4.33)

Количество патрубков и колпачков найдем по формуле

(4.34)

Принимаем количество патрубков 17 шт.

Определяем размеры колпачка. Площадь между верхним краем патрубка и колпачком равна

(4.35)

где h_У - высота установки колпачка, м.

Из условия S₁=S₂=S₃=S_К, находим

Площадь кольцевого пространства между патрубком и колпачком равна

(4.36)

где d_К - внутренний диаметр колпачка, м; D_П - наружный диаметр патрубка, м.

Отсюда найдем диаметр колпачка

Выбираем колпачок с внутренним диаметром 92 мм и наружным диаметром 100мм. Прорези прямоугольные, шириной b=8мм, высотой l=15 мм.

Площадь сечения одной прорези

(4.37)

Из условия S₁=S_К (S_К - площадь прорезей одного колпачка), находим количество прорезей

(4.38)



Общая ширина прорезей в одном колпачке 25·8=200 мм, периметр колпачка равен 3,14·100=314 мм. Таким образом, расстояние между прорезями составляет 314-200/25=4,5 мм, что можно считать достаточным.

Определим скорость газа в прорезях. Фактическое живое сечение в прорезях колпачков одной тарелки

(4.39)

Откуда

Скорость газа в прорезях равна

(4.40)

Высота переливного устройства равна

Рис. 6 - Переливное устройство и колпачок в сборе

(4.41)

Подставляя значения, получим

4.7 Эффективность тарелки в верхней части колонны

Находим вязкость паров по формуле

(4.42)

Где С - критерий Сазерленда для этанола и воды.

Вязкость пара находим по формуле

Объемный расход жидкости, отнесенный к средней ширине потока жидкости на тарелке, где l_СР находим по формуле

(4.43)

Коэффициент продольного перемешивания в жидкой фазе

(4.44)

где - скорость пара, рассчитанная на рабочую площадь тарелки, м/с.

(4.45)

Подставляя данные в формулу (4.44), получим

Высота запаса жидкости равна

(4.46)

Коэффициент диффузии для паровой фазы найдем по формуле

(4.47)

где Р - давление в колонне, МПа; н_Э,н_В - диффузные мольные объемы компонентов.

Диффузионный критерий Прандтля равен

(4.48)

Фазовое число единиц переноса равно

(4.49)

Коэффициент диффузии для разбавленного раствора этанола в воде

(4.50)

где ц - фактор диссоциации воды, равен 2,6; М - молекулярная масса воды, г/моль.

Среднее время пребывания жидкости на тарелке

(4.51)

Подставляем значения

Фазовое число единиц переноса

(4.52)

Находим фактор массопередачи

где m₁ -тангенс угла наклона равновесной кривой в точке х_ср,в,m₁=0,561.

Средний массовый расход пара найдем по формуле

(4.53)

Подставляем значения

для верхней части

для нижней части

Общее число единиц переноса равно

(4.54)

Рассчитаем локальную эффективность. Принимаем для паровой фазы модель идеального вытеснения.

Критерий Пекле для продольного перемешивания

(4.55)

Коэффициент з найдем по формуле

(4.56)

Эффективность по Мэрфри

(4.57)

где - коэффициент, который находим по формуле

(4.58)

Подставляем значения в формулу (4.57)

4.8 Эффективность тарелки в нижней части колонны

Вязкость паров находим по формуле (4.42)

Вязкость смеси равна

Объемный расход жидкости, отнесенные к средней ширине потока жидкости на тарелке

Cкорость пара, рассчитанная на рабочую площадь тарелки по формуле (4.45) равна

Коэффициент продольного перемешивания в жидкой фазе по уравнению (4.44)

Высота запаса жидкости (4.46)

Коэффициент диффузии для паровой фазы (4.47)

Диффузионный критерий Прандтля (4.48)

Фазовое число единиц переноса по формуле (4.49)

Коэффициент диффузии для разбавленного раствора этанола в воде рассчитываем по уравнению (4.50)

Среднее время пребывания жидкости на тарелке (4.51)

Фазовое число единиц переноса (4.52)

Фактор массопередачи

Для его нахождения определим тангенс угла наклона к линии равновесия, обозначим как m₂=3,34.

Общее число единиц переноса по уравнению (4.54)



Рассчитаем локальную эффективность. Принимаем для паровой фазы модель идеального вытеснения.

Критерий Пекле для продольного перемешивания (4.55)

Коэффициент з (4.56)

Эффективность по Мэрфри, уравнения (4.57, 4.58)

4.9 Расчет высоты колонны

Число действительных тарелок

(4.59)

Для верхней части колонны

Для нижней части колонны

Общее число действительных тарелок 31 шт.

Высота колонны рассчитывается по формуле

(4.60)

где z_в - расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны, принимаем 0,8 м; z_н- расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны, принимаем 1 м.

4.10 Расчет гидравлического сопротивления колонны

Сопротивление сухой тарелки равно

(4.61)

где о- коэффициент сопротивления, для колпачковой тарелки 4,5-5.

Высоту уровня жидкости над сливным порогом определяем по формуле

(4.62)

где k - отношение плотности пены к плотности жидкости, принимаем 0,5.

Сопротивление столба жидкости равно

(4.63)

Эквивалентный диаметр прорези составляет

Сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения, для воды примем у=73?10^-3н/м. Тогда

(4.64)

Общее сопротивление тарелки

Полное сопротивление колонны

5. Расчёт диаметров штуцеров, подбор фланцев

Рассчитаем диаметры основных штуцеров, через которые проходят известные по величине материальные потоки, а именно: штуцер подачи исходной смеси, штуцеры выхода паров из колонны, штуцер выхода кубового остатка.

Независимо от назначения штуцера его диаметр рассчитывают из уравнения расхода

(5.1)

где V - объёмный расход среды через штуцер, м³/с; ? - скорость движения среды в штуцере, м/с; с - плотность среды, кг/м³.

Рассчитаем штуцер подачи исходной смеси

Выбираем по ОСТ 26-1404-76 стандартный штуцер диаметром 100 мм.

Рассчитаем штуцер отвода дистиллята

Выбираем по ОСТ 26-1404-76 стандартный штуцер диаметром 200 мм.

Рассчитаем штуцер отвода кубового остатка

Выбираем по ОСТ 26-1404-76 стандартный штуцер диаметром 80 мм.

Рассчитаем штуцер подачи флегмы. Для этого найдем расход флегмы по формуле

(5.2)

Подставляем в формулу (5.1)

Выбираем по ОСТ 26-1404-76 стандартный штуцер диаметром 80 мм.

Рассчитаем штуцер подвода паров кубового остатка. Примем, что в кипятильнике испаряется 50%, тогда

Выбираем по ОСТ 26-1404-76 стандартный штуцер диаметром 300 мм.

Для всех штуцеров выбираем стандартные фланцы тип 1[9]. Уплотнительный материал принимаем паронит марки ПОН (ГОСТ481-80).

6. Расчет вспомогательного оборудования

6.1 Расчет дефлегматора

В дефлегматоре происходит конденсация паров дистиллята.

Расход охлаждающей воды в дефлегматоре находим, преобразуя уравнение

(6.1)

где r - удельная теплота парообразования дистиллята, кДж/кг; с_В - теплоемкость воды, кДж/кг·К; t_К,t_Н - конечная и начальная температура воды, ⁰С.

Расход воды будет равен

Поверхность дефлегматора найдем по формуле

(6.2)

где Q_D - теплота, которую необходимо отвести для конденсации, Вт; k - коэффициент теплопередачи, подбирается по справочнику; Дt - разность начальной и конечной температуры воды, ⁰С;

Теплоту, которую необходимо отвести, найдем по формуле

(6.3)

Тогда

По ГОСТ 15122-79 подбираем одноходовой дефлегматор с площадью теплообмена 120 м², диаметром кожуха 800 мм, с трубами 20Ч2 длинной 3 м и количеством труб 638 шт.

6.2 Расчет холодильника дистиллята

В холодильнике происходит охлаждение дистиллята от температуры кипения 78,4°С до 40°С.

Расход воды в холодильнике дистиллята найдем по формуле

(6.4)

где с_D - удельная теплоемкость дистиллята при температуре кипения, Дж/кг·К; с_В - теплоемкость воды, Дж/кг·К; Дt_D, Дt_В - разность температур на входе и на выходе теплообменника дистиллята и воды, соответственно, °С.

Находим теплоемкость дистиллята при температуре кипения

Подставляем значения в формулу (6.4)

Теплоту, которую необходимо отвести в холодильнике дистиллята, находим по формуле (6.3)

Находим среднюю разность температур по формуле

(6.5)

где t_DН, t_DК - начальная и конечная температуры дистиллята, °С; t_ВН, t_ВК - начальная и конечная температура охлаждающей воды, °С.

Найдем поверхность теплообмена по формуле (6.2)

По ГОСТ 15122-79 подбираем одноходовой холодильник с площадью теплообмена 7,5 м², диаметром кожуха 273 мм, с трубами 20Ч2 длинной 2 м и количеством труб 61 шт.

6.3 Расчет холодильника кубового остатка

В холодильнике происходит охлаждение кубового остатка от температуры кипения 99,9°С до 40°С.

Находим теплоемкость кубового остатка при температуре кипения

Расход воды в холодильнике кубового остатка найдем по формуле

Теплоту, которую необходимо отвести в холодильнике, находим по формуле (6.3)

Находим среднюю разность температур по формуле (6.5)

Найдем поверхность теплообмена по формуле (6.2)

По ГОСТ 15122-79 подбираем одноходовой холодильник с площадью теплообмена 40 м², диаметром кожуха 600 мм, с трубами 25Ч2 длинной 2 м и количеством труб 257 шт.

6.4 Расчет подогревателя исходной смеси

В теплообменнике происходит нагрев исходной смеси от температуры 20°С до температуры кипения 86,9°С.

Находим теплоемкость исходной смеси

Теплоту, которую необходимо затратить на нагрев смеси, находим по формуле (6.3)

Расход греющего пара на подогрев смеси до температуры кипения найдем по формуле

(6.6)

Находим среднюю разность температур

Найдем поверхность теплообмена по формуле (6.2)

По ГОСТ 15122-79 подбираем двухходовой подогреватель с площадью теплообмена 42 м², диаметром кожуха 400 мм, с трубами 20Ч2 длинной 4 м и количеством труб 166 шт.

6.5 Расчет подогревателя кубового остатка

В теплообменнике происходит испарение кубового остатка при температуре кипения.

Расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью от греющего пара в подогревателе кубового остатка, равен

(6.7)

где Q_П - тепловые потери, принимаем 10% от тепла в колонне, Вт.

Подставляем значения в формулу (6.7)

Находим среднюю разность температур

Найдем поверхность теплообмена по формуле (6.2)

По ГОСТ 15122-79 подбираем одноходовой подогреватель с площадью теплообмена 81 м², диаметром кожуха 600 мм, с трубами 25Ч2 длинной 4 м и количеством труб 257 шт.

6.6 Расчет насоса для перекачивания исходной смеси

Для подбора насоса подачи исходной смеси необходимо знать полный напор, создаваемый насосом, а также производительность насоса.

Напор, создаваемый насосом, находим по формуле

(6.8)

где Р₂, Р₁ - давление во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, Па; с_F - плотность исходной смеси, кг/м³; g - ускорение свободного падения, м/с²; Н_Г - геометрическая высота всасывания, м; Н_П - потери напора на трение и местные сопротивления, м.

Геометрическая высота складывается из высоты опоры колонны (1,5м), расстояния от днища до первой тарелки (1 м), расстояния до тарелки питания (12·0,3=3,6 м) и равна 6,1 м.

Потери напора находим по формуле

(6.9)

где Н_ПВС - потери во всасывающем трубопроводе, м; Н_ПН - потери в нагнетательном трубопроводе, м.

Потери напора во всасывающем трубопроводе равны

(6.10)

где ДР_ВС - гидравлическое сопротивление во всасывающем трубопроводе, Па.

(6.11)

где l_ВС - длина всасывающего трубопровода, м; л - коэффициент шероховатости; d - диаметр трубопровода, м; Уо_ВС - сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Примем стальной трубопровод диаметром 100 мм, с незначительной коррозией. Определим режим течения исходной смеси в трубопроводе.

Режим турбулентный, тогда среднее значение абсолютной шероховатости стенок труб е=0,2мм. Относительная шероховатость d/е=100/0,2=500, чему соответствует л=0,0235. Принимаем длину всасывающего трубопровода 15 м. На нем установлены 2 прямоточных вентиля и 3 отвода под углом 90°. Сумма коэффициентов местных сопротивлений будет равна

Тогда

Подставляем значения в формулу (6.10)

Принимаем длину нагнетательного трубопровода 30 м. На нем установлено 8 отводов под углом 90°, 3 прямоточных вентиля и подогреватель исходной смеси. Тогда гидравлическое сопротивление нагнетательного трубопровода равно

(6.12)

где ДР_МТР - гидравлическое сопротивление межтрубного пространства подогревателя исходной смеси, Па.

(6.13)

где m - число труб, омываемое потоком, равно ; x - число перегородок, равное 10; Re_МТР - критерий Рейнольдса для межтрубного пространства; щ_МТР - скорость движения жидкости в межтрубном пространстве, м/с; щ_МТРШ - скорость движения жидкости в штуцере, м/с.

Скорость движения жидкости в межтрубном пространстве равна

(6.14)

где S_МТР - площадь сечения потока между перегородками, м².

Тогда

Сумма коэффициентов местных сопротивлений будет равна

Подставляем значения в формулу (6.12)

Потери напора на нагнетательном трубопроводе равны

Общие потери напора по формуле (6.9)

Необходимый напор насоса

Полезная мощность насоса

Необходимая мощность двигателя при КПД 0,6

Выбираем насос марки Х20/31 с производительностью Q=5,5·10^-3, напором Н=25 м, двигатель АОЛ-12-2 мощностью 1,1кВт.

ректификационная колонна бинарный смесь

7. Конструктивный расчет

7.1 Расчет толщины обечайки

Расчетная толщина обечайки аппарата нагруженного внутренним давлением равна

(7.1)

где Р_р - расчетное давление в аппарате, МПа; ц - коэффициент прочности сварных швов, равный 0,9;

Для обечайки выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т. Тогда расчетная толщина равна

Фактическая толщина равна

(7.2)

где С - прибавка на коррозию, мм; С₀ - прибавка до целого значения, мм.

Прибавка на коррозию равна

(7.3)

где Т - срок службы аппарата, лет; w - коррозия материала, м/год.

Примем толщину обечайки 6 мм. Также по справочнику подберем эллиптические крышку и днище толщиной 6 мм.

7.2 Расчет опоры

Для расчета толщины стенки опоры необходимо найти вес аппарата наполненного водой по формуле

(7.4)

где m_К - масса колонны, кг; g - ускорение свободного падения, кг/м·сек².

Масса колонны равна

(7.5)

где m_КОР - масса корпуса колонны, кг; m_Н2О - масса воды, помещающейся в колонну, кг.

Масса обечайки рассчитывается по формуле

(7.6)

Масса тарелок равна

(7.7)

где m'_Т - масса одной тарелки, кг.

Примем массу наружных элементов равной 15% от массы обечайки, тогда масса корпуса будет равна

Тогда масса корпуса равна

Масса воды в аппарате равна

(7.8)

Масса заполненного аппарата

Подставляем данные в формулу (7.4)

По ОСТ 26-487-78 подбираем опору цилиндрическую тип 3 с кольцевым опорным поясом, с толщиной стенки 6 мм, толщиной основания 20 мм, число болтов крепления 6шт, болты М24.

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта были рассчитаны материальный баланс процесса ректификации бинарной смеси по исходным данным. Выполнен конструктивный расчёт проектируемого аппарата, в ходе которого определены основные размеры проектируемой колонны - диаметр колонны 800 мм, высота колонны 10,4 мм.

Определены диаметры штуцеров, подобранны стандартные конструктивные элементы.

Также был рассчитано и подобрано вспомогательное оборудование.

Вычерчена графическая часть: общий вид аппарата и технологическая схема ректификационной установки.

Список используемой литературы

1. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1991.-352 с.

2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1995.-Ч. 1,2.- 766с.

3. Красовицкий Ю.В. Процессы и аппараты пищевых производств (теория и расчеты)[Текст]:учебное пособие/Ю.В. Красовицкий, Н.С. Родионова, А.В. Логинов; Воронеж. гос. технолог. акад. Воронеж, 2004,304 с.

4. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособие для студ. хим-технолог. спец. вузов/ К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; Под. ред. П.Г. Романкова. - 10-е изд. перераб. и доп.- Л.: Химия, 1987. - 676 с.

5. Чернобыльский И.И. Машины и аппараты химических производств./ И.И. Чернобыльский, А.Г. Бондарь, Б.А. Гаевский и др.; Под ред. И.И. Чернобыльского.-3-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1974. - 456с.

6. Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической технологии / А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган. - 5-е изд., стереотип. - М.: Химия, 1983.-783 с.

7. Колонные аппараты: Каталог. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1978. 31 с.

8. Логинов А.В. Процессы и аппараты химических и пищевых производств (пособие по проектированию) / А.В. Логинов, Н.М. Подгорнова, И.Н. Болгова; Воронеж. гос. технолог. акад. Воронеж, 2003. 264 с.

9. Лащинский А.А. Основы расчета и конструирования химической аппаратуры: Справочник. / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский; Под.ред. Н.Н. Логинова. 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1970.-753 с.

Размещено на Allbest.ru

...