Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию РФ

Томский политехнический университет

Кафедра ОХТ

Ректификационная тарельчатая колонна непрерывного действия

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту

КП ФЮРА 230000. 000. 00 ПЗ

Исполнитель студент группы 5А42А

Руководитель проекта доцент кафедры ОХТ

Риффель В.Р.

Томск 2013

Введение

Ректификация - это процесс разделения жидких смесей, который сводится к одновременно протекающим и многократно повторяемым процессам частичного испарения и конденсации разделяемой смеси на поверхности контакта фаз. Ректификацию чаще всего проводят в колонных аппаратах. колонна кинетический изоляция обечайка

Ректификационные колонны предназначены для проведения процессов массообмена в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Колонные аппараты изготавливают диаметром 400-4000 мм для работы под давлением до 1.6 МПа в царговом (на фланцах) исполнении корпуса, для работы под давлением до 4 МПа в цельносварном исполнении корпуса.

В зависимости от диаметра, колонные аппараты изготавливают с тарелками различных типов. Колонные аппараты диаметром 400-4000 мм оснащают стандартными контактными и распределительными тарелками, опорами, люками, днищами и фланцами. На корпусе цельносваренного аппарата предусмотрены люки для обслуживания тарелок.

Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелок. При этом на ряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и т.д.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способность тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии и т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров: диаметр и высота. Оба параметра в значительной мере определяют нагрузками по пару и жидкости, типам тарелки, свойствами взаимодействующих фаз.

Ректификацию будем производить при атмосферном давлении 0.1МПа на ситчатых тарелках. На питание колонны будем подавать исходную смесь, подогретую до температуры кипения; флегму будем подавать в виде жидкости при температуре кипения; кубовый остаток будем испарять и подавать в виде насыщенного пара в низ колонны.

Начальные условия

Произвести расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения смеси бензол - толуол, производительностью .

Тип колонны -- тарельчатая.

Содержание НК в смеси: ; ; .

Давление греющего пара в испарителе и нагревателе исходной смеси .

Исходная смесь подогревается в подогревателе от температуры 25єС до температуры кипения при рабочем давлении в аппарате 10⁵ Па. Температура дистиллята и кубового остатка после холодильника 25єС.



1. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

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

;

Отсюда находим:

; .

Определим рабочее флегмовое число. Пересчитаем составы фаз из массовых долей в мольные по соотношениям:

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:



Тогда минимальное флегмовое число равно:

[1. 126].

1.1 Определение равновесного состава смеси

Данные о равновесном составе жидкости и пара системы бензол - толуол приведены в таблице 1.1 [2. табл. XLVII, 543].

Таблица 1.1 -- Равновесный состав жидкости и пара системы бензол-толуол при

to,C	Рбо	Рто	П
	мм.рт.ст	мольные доли
80	760	220	760	1,000	1,000
83	950	280	760	0,716	0,896
86	1000	300	760	0,657	0,865
89	1060	340	760	0,583	0,814
92	1120	360	760	0,526	0,776
95	1300	400	760	0,400	0,684
98	1400	465	760	0,316	0,581
101	1700	500	760	0,217	0,485
104	1800	560	760	0,161	0,382
106	2000	610	760	0,108	0,284
109	2150	690	760	0,048	0,136
111	2250	760	760	0,000	0,000

Уравнения рабочих линий для укрепляющей части:



Уравнения рабочих линий для исчерпывающей части:

Исходя из графиков оптимальное флегмовое число R=1,35.

Количество ступеней N=8.



2. Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

В верхней части колонны

;

В нижней части колонны

;

Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

В верхней части колонны

;

В нижней части колонны

;

Средние температуры пара определяем по диаграмме t-x,y диаграмме (данные в табл. 1.1).

;

;

Средние мольные массы и плотности пара:

;

;

;



;

Средняя плотность пара в колонне:

.

Температура дистиллята (жидкой фазы) вверху колонны при равна 80,7°С, а кубе-испарителе при она равна 109,1°С (по диаграмме t-x,y).

Плотность жидкого бензола при 80,7°С , а жидкого толуола при 109,1°С .

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

.

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне

:

,

где -- мольная масса дистиллята;

-- массовый расход дистиллята [2. 352-353].

Для ситчатых тарелок рабочая скорость газа: .

Верхняя часть: ;

Нижняя часть: ;

Массовый расход пара в различных частях колонны:

;

;

Ориентировочные диаметры:

;

[1. 131].

Примем одинаковый диаметр обоих частей в соответствии с рядом диаметров колонн, применяющихся в химической промышленности [3. 106].

Тогда действительная скорость пара в верхней и нижней частях соответственно будет равна:

; ;

Выберем ситчатые тарелки типа ТС-Р. Характеристики тарелок типа ТС-Р при представлены в таблице 2.1 [1. прил. 2, 118]:



Таблица 2.1 -- Техническая характеристика тарелок типа ТС-Р (ОСТ 26-805--73)

Параметр	Значение
Свободное сечение колонны, м2	0,785
Рабочее сечение тарелки, , м2	0,713
Диаметр отверстия, , мм	5
Шаг между отверстиями, , мм	10-18
Относительное свободное сечение тарелки, , %	13,6 - 4,2
Сечение перелива, м2	0,036
Относительная площадь перелива, %	4,6
Периметр перелива, , м	0,8
Масса, кг	41,5

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

;

[1. 131].



3. Определение высоты колонны с помощью метода кинетической кривой

Эффективность тарелки Мэрфи с учетом продольно перемешивания, межтарельчатого уноса и доли байпасирующей жидкости приближенно определяется следующими уравнениями:

;

;

;

,

где - фактор массопередачи для укрепляющей части колонны;

- фактор массопередачи для исчерпывающей части колонны;

- локальная эффективность по пару; е - межтарельчатый унос жидкости, кг жидкости/кг пара;

- доля байпасирующей жидкости;

S - число ячеек полного перемешивания;

m - коэффициент распределения компонента по фазам в условиях равновесия.

,



где .

Здесь в кмоль/(м²·с); - средняя мольная масса паров, кг/кмоль.

Коэффициент определяется по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

,

где и - коэффициенты массоотдачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки соответственно для жидкой и паровой фаз, кмоль/(м²·с).

;

.

Высоту светлого слоя жидкости h₀ для ситчатых тарелок находят по уравнению

,

гдеh_пер - высота переливной перегородки, м;

- линейная плотность орошения, м³/(м·с);

Q - объемный расход жидкости, м³/с;

L_с - периметр слива (ширина переливной перегородки), м.

Для верхней части колонны

.

Для нижней части колонны

.

Паросодержание барботажного слоя находят по формуле

,

где .

Для верхней части колонны

;.

;.

Коэффициенты диффузии в жидкости при средней температуре равен:

.

Коэффициенты диффузии в жидкости при 20 ⁰С можно вычислить по приближенной формуле:



,

где А, В - коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя;

и - мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см³/моль;

- вязкость жидкости при 20 єС, мПа·с.

;

.

Тогда коэффициент диффузии в жидкости при 20 єС равен:

.

Температурный коэффициент b определяют по формуле:

,

где и принимают при температуре 20 єС. Тогда

Отсюда

.

.

Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению



,

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

Тогда для верхней части колонны

.

Для нижней части колонны

.

Плотность орошения:

в верхней части колонны

,

.

в нижней части колонны

,

Для верхней части колонны

коэффициент массоотдачи в жидкой фазе

коэффициент массоотдачи в паровой фазе

.

Для нижней части колонны

коэффициент массоотдачи в жидкой фазе

коэффициент массоотдачи в паровой фазе

.

Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на кмоль/(м²·с):

для верхней части колонны

;

.

для нижней части колонны

;

.

Определим данные, по которым строится кинетическая линия.

Пусть х=0,65. Коэффициент распределения компонента по фазам (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке) m=0,7.

Коэффициент массопередачи вычисляем по коэффициентам массоотдачи в верхней части колонны:

.

Общее число единиц переноса на тарелку

.

Локальная эффективность равна

.

Фактор массопередачи для верхней части колонны:

.

Примем длину пути жидкости l=300 мм и определим число ячеек полного перемешивания:

.

Тогда число ячеек полного перемешивания на тарелке .

Относительный унос жидкости

,

.

Высота сеперационного пространства

.



- высота барботажного слоя пены, м.

Для колонны диаметром 1000 мм расстояние Н=400 мм. Высота сепарационного пространства в нижней части колонны меньше, чем в верхней, поэтому определим h_П для низа колонны:

.

Тогда

; .

При таком значении комплекса унос е=0,15 кг/кг.

Определяем к. п. д. по Мэрфи :

.

.

.

.

Зная эффективность по Мэрфи можно определить концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из тарелки у_к по соотношению

.

Отсюда

.

Аналогичным образом посчитаны у_к для других составов жидкости. Результаты расчета параметров, необходимых для построения кинетической линии:



Таблица 4

Величина	Нижняя часть колонны	Верхняя часть колонны
x	0,05	0,15	0,3	0,45	0,6	0,75	0,9
m	2,25	1,73	1,3	0,9	0,77	0,6	0,47
Kyf	0,024	0,026	0,029	0,031	0,032	0,034	0,035
noy	1,220	1,348	1,475	1,617	1,670	1,743	1,804
Ey	0,705	0,740	0,771	0,802	0,812	0,825	0,835
л	3,188	2,451	1,842	1,275	1,091	0,850	0,666
B	2,254	1,857	1,496	1,131	1,006	0,837	0,704
E''my	1,556	1,434	1,322	1,210	1,173	1,122	1,083
E'my	1,003	1,031	1,041	1,033	1,027	1,015	1,003
Emy	0,81	0,83	0,84	0,83	0,83	0,82	0,81
yвых	0,099	0,263	0,482	0,645	0,763	0,865	0,942
yk	0,09	0,25	0,46	0,62	0,74	0,85	0,94

Рис. 7. Определение числа действительных тарелок



Общее число действительных тарелок:

.



4. Гидравлический расчет

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны:

Верхняя часть колонны:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

;

-- скорость пара в рабочей части тарелки;

-- коэффициент сопротивления сухой ситчатой тарелки [3. 112];

-- относительное свободное сечение тарелки;

-- плотность паров в верхней части колонны;

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

-- поверхностное натяжение жидкости при средней температуре .

; ;

;

-- диаметр отверстий;

Сопротивление парожидкостного слоя:

;

-- высота сливной перегородки;

-- высота слоя над сливной перегородкой;

;

-- массовый расход дистиллята;

-- периметр сливной перегородки находим, решая систему уравнений:

;

-- ширина переливной зоны;

П = 0,68м;

b = 0,35м;

-- радиус тарелки;

-- принимают приближенно.

.

Примем для выбранной тарелки , тогда ;

Сопротивление парожидкостного слоя равно:

.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:

.

Нижняя часть колонны:

;

;

-- поверхностное натяжение жидкости при средней температуре .

; ;

;

-- мольная масса питания;

, ;

;

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:



.

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками (выбирается при диаметре колонны, необходимое для нормальной работы тарелок условие.

Для тарелок нижней части, у которых гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок верхней части: -- вышеуказанное условие соблюдается [2. 354-355].



5. Определение числа тарелок и высоты колонны графоаналитическим методом

Наносим на у-х диаграмму рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число ступеней изменения концентрации .

В верхней части колонны ; в нижней части -- всего 8 ступеней.

Число тарелок вычисляем по уравнению: .

Для определения среднего к.п.д. тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов и динамический коэффициент вязкости исходной смеси при средней температуре в колонне

.

При [Д. Н. XIV, 565]; [2. табл. XXXVIII, 536].

Тогда .

При ; [Д. Т. IX, 516]. Примем .

Таким образом . По графику [2. рис. 7.4, 323] находим . Длина пути жидкости на тарелке . Длина пути жидкости -- поэтому найденный к.п.д. не нуждается в дополнительной поправке [2. 323].

Число тарелок в верхней части колонны: ;

Число тарелок в верхней части колонны: ;

Общее число тарелок , с запасом примем , из них 10 в верхней части, 10 -- в нижней.

Высота тарельчатой колонны: [2. 356].

Расстояние между днищем колонны и нижней тарелкой, а также между верхней тарелкой и крышкой колонны определим исходя из необходимости равномерного распределения фаз по поперечному сечению колонны. Обычно это расстояние принимают равным [1. 107]. Для данного случая . Примем .

Тогда общая высота колонны составит:

.

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

[2. 356].



6. Тепловой расчет

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:

;

Здесь

,

где и -- удельные теплоты конденсации метанола и воды при 110°С соответственно [2. табл. XLIII, 540].

Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара:

;

Здесь тепловые потери приняты в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты; удельные теплоемкости взяты соответственно при ; ;; температура кипения исходной смеси найдена по диаграмме t-x,y.

(бензол);

(толуол);

(смесь), [2. н. XI, 562].



7. Конструктивно-механический расчет

7.1 Расчет тепловой изоляции

Толщину теплоизоляционного слоя определим по соотношению:

;

где ; ;

, ; -- температуры стенки, изоляции и окружающей среды соответственно. Тогда

В качестве изоляционного материала выберем совелит с коэффициентом теплопроводности ;

.

7.2 Выбор толщины обечайки. Подбор крышки и днища

Выберем толщину стенки обечайки. Для принимаем [1. 212].

Выберем стандартные отбортованные эллиптические днище и крышку, параметры которых примем при :

; , что соответствует и . Толщину стенки примем равной 10 мм [3. 440].



7.3 Расчет штуцеров и фланцевых соединений

Выберем штуцеры, исходя из соотношения:

[1. 78].

Штуцер для ввода исходной смеси:

.

По ОН-26-01-34-66 примем штуцер с [3. табл. 27.3, 661] и соответствующий фланец к нему [3. табл. 21.9, 549].

Штуцер для ввода флегмы:

.

По ОН-26-01-34-66 примем штуцер с [3. табл. 27.3, 661] и соответствующий фланец к нему [3. табл. 21.9, 549].

Штуцер для отвода кубового остатка:

.

По ОН-26-01-34-66 примем штуцер с [3. табл. 27.3, 661] и соответствующий фланец к нему [3. табл. 21.9, 549].

Штуцер для вывода паров дистиллята:



.

Тогда .

По ОН-26-01-34-66 примем штуцер с [3. табл. 27.3, 661] и соответствующий фланец к нему [3. табл. 21.9, 549].

Штуцер для ввода паров кубовой смеси:

.

Тогда .

По ОН-26-01-34-66 примем штуцер с [3. табл. 27.3, 661] и соответствующий фланец к нему [3. табл. 21.9, 549].



Список используемой литературы

1. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: Справочник -- Л: «Машиностроение», 1970 -- 748 с.

2. Павлов К.Ф, Романков П.Г. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии для вузов -- Л: «Химия», 1987 -- 576 с.

3. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектировании -- М: «Химия», 1983 -- 272 с.

Размещено на Allbest.ru

...