Ректификационная колонна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

Пояснительная записка к курсовому проекту

Ректификационная колонна



Содержание

Введение

1. Описание функциональной схемы

2. Технологический расчет

3. Конструктивный расчет

4. Гидравлический расчет

5. Механический расчет

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В химической технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Путем переноса одного или более компонентов из фазы в фазу можно разделять как гетерогенные, так и гомогенные системы (газовые смеси, жидкие растворы и др.), причем наиболее часто процессы массопередачи используют для разделения гомогенных систем. ректификация тарельчатый бинарный

Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка (дистилляция и ректификация).

Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Простая перегонка применима только для разделения смесей, летучести компонентов которой существенно различны. Значительно более полное разделение жидких смесей на компоненты достигается путем ректификации.

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах.

Ректификация известна с начала 19 века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию всё шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров и др.) Процессы перегонки осуществляется периодически или непрерывно. Процесс ректификации протекает на поверхности раздела фаз, поэтому аппараты должны обеспечивать развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом.

По способу образования этой поверхности ректификационные аппараты можно разделить на следующие группы:

1) поверхностные и плёночные;

2) насадочные;

3) барботажные (тарельчатые);

4) распыливающие.

Тарельчатые ректификационные колонны нашли широкое распространение в промышленности. В настоящее время применяются разнообразные конструкции тарелок. По способу слива жидкости с тарелки их можно подразделить:

1) тарелки со сливными устройствами;

2) тарелки без сливных устройств.

К тарелкам со сливными устройствами относятся: ситчатые, колпачковые, клапанные и балластные, пластинчатые.

В тарелке без сливных устройств газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия или щели. На тарелке одновременно с взаимодействием жидкости и газа путем барботажа происходит сток части жидкости на нижерасположенную тарелку - «проваливание» жидкости. Поэтому тарелки такого типа обычно называют провальными. К ним относятся дырчатые, решётчатые, трубчатые и волнистые тарелки.

Выбор конкретного вида тарелки зависит от многих факторов, например гидравлическое сопротивление тарелки, диапазон устойчивой работы, эффективность, производительность по жидкости и газу и т.д.

Ситчатые тарелки обладают невысоким сопротивлением, большой эффективностью и интенсивностью, требуют малого расхода металла и легкости монтажа.

Колпачковые тарелки обладают достаточно большой областью работы, большой эффективностью и обеспечивают легкость пуска и остановки аппарата.

Клапанные тарелки обладают большой областью устойчивой работы, малым брызгоуносом, требуют малого расстояния между тарелками, имеют высокую интенсивность и эффективность.



1. Описание функциональной схемы

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, где состав жидкости равен составу исходной смеси хF.

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

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 хW , 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) состава хР, 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.



2. Технологический расчет

Задание: Рассчитать и спроектировать тарельчатую ректификационную колонну непрерывного действия для разделения бинарной смеси. Исходная смесь подается при температуре кипения. Разделение проводится при атмосферном давлении.

Смесь: CS2-CCl4

Производительность колонны: = 7000 кг/ч = 1,94 кг/c

Содержание легколетучего компонента в исходной смеси: 20%масс

Содержание легколетучего компонента в дистилляте: 85%масс

Содержание легколетучего компонента в кубовом остатке: 1,4%масс

2.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

1) Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса колонны:

отсюда находим:

1,94 • (0,85 ? 0,20) / (0,85 ? 0,014) = 1,50 кг/с

1,94 - 1,50 = 0,44 кг/с

2) Переводим массовые концентрации в мольные доли:

кмоль/кмоль смеси

кмоль/кмоль смеси

кмоль/кмоль смеси

? молекулярная масса сероуглерода- легколетучего компонента;

? молекулярная масса четыреххлористого углерода - труднолетучего компонента;

3) По данным строим равновесную кривую

Данные по парожидкостному равновесию для системы сероуглерод-четырехлористый углерод при нормальном давлении

x, кмоль/кмоль смеси	y, кмоль/кмоль смеси	T, °C
0	0	76,7
2,96	8,23	74,9
6,15	15,55	73,1
11,06	26,60	70,3
14,35	33,25	68,6
25,85	49,50	63,8
39,08	63,40	59,3
53,18	74,70	55,3
66,30	82,9	52,3
75,74	87,86	50,4
86,04	93,20	48,5
100	100	46,3

4) Минимальное флегмовое число:

5) Рабочее флегмовое число R

где в - коэффициент избытка флегмы (берем произвольно)

1,05 • 3,05 = 3,2

1,35 • 3,05 = 4,12

1,75 • 3,05 = 5,34

2,35 • 3,05 = 7,17

0,92/4,2 = 0,22

0,92/5,12 = 0,18

0,92/6,34 = 0,15

0,92/8,17 = 0,11

6) Для определения оптимального флегмового числа производим следующее: Построим диаграммы равновесия x,y. На диаграммах отложим значения В, затем построим рабочие линии укрепляющей и исчерпывающей части колонны и нанесем линии обозначающие теоретические тарелки. По количеству пиков, определим число теоретических тарелок N.

Полученные результаты сводим в таблицу:

в…………………1,05 1,35 1,75 2,35

R……………… 3,2 4,12 5,34 7,17

N……………… 9 8 7,5 7

N(R+1)……… 37,8 41 47,55 57,2

По данным таблицы строим график, и определяем оптимальное рабочее флегмовое число принимаем R = 3,2

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

Средний мольный состав жидкости соответственно верхней и нижней частей колонны:

0,63 кмоль/кмоль смеси

0,19 кмоль/кмоль смеси

Средние мольные массы жидкости соответственно верхней и нижней частей колонны:

= 0,63 · 76 +(1 - 0,63) · 154 = 104,9 кг/кмоль

= 0,19 · 76 +(1 - 0,19) · 154 = 139,2 кг/кмоль

Мольная масса соответственно исходной смеси и дистиллята:

кг/кмоль

кг/кмоль

Подставим рассчитанные величины в уравнения и получим:

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны:

, - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

Средние мольные составы паров для верхней и нижней частей колонны (0,96):

(0,96 + 0,56)/2 = 0,76 кмоль/кмоль смеси

(0,08 + 0,56)/2 = 0,32 кмоль/кмоль смеси

2.2 Скорость пара и диаметр колонны

1) Предельная скорость пара для ситчатых тарелок определяется по формуле:

с = 0,05 при расстоянии между тарелками 400мм [2, c.314, рис.7.2].

Определяем средние температуры паров и жидкости по данным равновесия

52 °С

66 °С

Плотность жидкости и пара в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них:

т

При средней температуре верхней части 52°С плотности жидкого СS2 и CCl4 соответственно равны 1190 кг/м3 и 1530 кг/м3 [2,c.495,т.IV]

По закону аддитивности:

= 1190 · 0,63 + 1530 · 0,37 = 1360 кг/м3

При средней температуре нижней части 66°С плотности жидкого СS2 и CCl4 соответственно равны 1169 кг/м3 и 1525 кг/м3 [2,c.495,т.IV]

По закону аддитивности:

= 1169 · 0,19 + 1525 · 0,81 = 1443 кг/м3

Допустимая скорость верхней и нижней части колонны соответственно равно:

0,96 м/c

2) Ориентировочный диаметр колонны:

Диаметр колонны в верхней части колонны:

Диаметр колонны в нижней части колонны:

= (0,86 + 0,92)/2 = 0,89 м

Выберем стандартный диаметр обечайки колонны:

d = 1 м. При этом рабочая скорость пара:

0,76 м/с

По [1, c.216] выбираем стандартную ситчатую тарелку ТС диаметром 1000 мм:

Свободное сечение колонны S = 0,785 мІ;

Периметр слива Lc = 0,8 м;

Относительная площадь для прохода паров Fc = 12%;

Рабочее сечение тарелки ST = 0,713 мІ;

Диаметр отверстия d = 5 мм;

Шаг между отверстиями t = 15 мм;

Масса m = 41,5 кг.

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

0,76 · 0,785 · 12/0,713 = 0,84

2.3 Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержание барботажного слоя

Для ситчатых тарелок высоту слоя жидкости h0 находим по формуле для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

= 0,03м - высота сливной перегородки;

- удельный расход жидкости на 1 метр ширины сливной перегородки в верхней части колонны;

- удельный расход жидкости на 1 метр ширины сливной перегородки в нижней части колонны;

Вязкость жидкости в верхней части колонны:

0,347 мПа·с

0,337 мПа·с

0,334 мПа·с

0,321 мПа·с

= 0,63 · 0,347 + 0,337 · 0,37 = 0,34 мПа·с

= 0,19 · 0,334 + 0,321 · 0,81 = 0,32 мПа·с

Для верхней части колонны:

Паросодержание барботажного слоя е находят по формуле:

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

2.4 Коэффициенты диффузии и вязкости паров

Коэффициенты диффузии в жидкости для верхней части колонны:

0,63 • 0,39 + 0,37 • 1,05 = 0,63 мПа • с

0,19 • 0,39 + 0,81 • 1,05 = 0,92 мПа • с

Вязкости СS2 и CCl4 взяты при 20°С

Плотности СS2 и CCl4 взяты при 20°С

здесь

А = 1, В = 1

v1 = 122 - мольный объем СS2

v2 = 144 - мольный объем CCl4

Коэффициент диффузии в жидкости для нижней части колонны:

Коэффициент диффузии паров в верхней части колонны:

Коэффициент диффузии паров в нижней части колонны:

Коэффициент вязкости паров в верхней части колонны:

Здесь взяты вязкости паров СS2 и CCl4 при 52°С.

Коэффициенты вязкости паров нижней части колонны:

Здесь взяты вязкости паров СS2 и CCl4 при 66°С

2.5 Коэффициенты массоотдачи и высота колонны

Коэффициент массоотдачи в жидкости для верхней части колонны:

Коэффициент массоотдачи в жидкости для нижней части колонны:

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе для верхней части колонны:

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе для нижней части колонны:

Переводим полученные коэффициенты массоотдачи в нужную размерность на :

Расчет КПД методом Мерфи.

Коэффициент массопередачи:

Общее число единиц переноса на тарелку:

Локальная эффективность:

Фактор массопередачи:

Доля байпасирующей жидкости:

При факторе скорости

; [5, c.202]

Число ячеек полного перемешивания:

,

здесь L = 0,35м - длина пути жидкости соответствующей одной ячейке перемешивания.

Коэффициент m, который влияет на унос жидкости с тарелки:

а) верхняя часть колонны:

б) нижняя часть колонны:

Yk= Yн + Emy*(Y*-Yн )=0,7+0,38(0,79-0,7)=0,73

Аналогичные расчеты проводим и для других точек результаты сводим в таблицу.

№ п/п	Параметр	Нижняя часть	Верхняя часть
1	x	0,05	0,10	0,30	0,45	0,60	0,75
2	m	2,5	1,5	1,25	0,87	0,57	0,64
3	Ky	0,012	0,013	0,014	0,015	0,016	0,016
4	noy	0,393	0,426	0,445	0,476	0,508	0,508
5	л	3,28	1,96	1,64	1,141	0,75	0,84
6	Ey	0,32	0,34	0,36	0,37	0,39	0,39
7	B	1,15	0,81	0,74	0,59	0,5	0,5
8	Emy``	0,412	0,408	0,426	0,424	0,438	0,439
9	Emy`	0,35	0,37	0,39	0,40	0,42	0,42
10	Emy	0,32	0,33	0,35	0,36	0,38	0,37
11	Yk	0,1	0,26	0,47	0,63	0,73	0,83

По данным таблицы строим кинетическую линию на рис. 6.

По рисунку определим, что число действительных тарелок 13.

Nв = 7 шт. - в верхней части колонны;

Nн = 6 шт. - в нижней части колонны.

N = NB + NH = 7 + 6 + 1 = 14 тарелок.

Высота тарельчатой части колонны определяется по формуле:

Н = h · (n - 1) + Zв + Zн = 0,5 · (14 - 1) + 1 + 2,5 = 10 м, здесь

в=1 м - высота сепарационного пространства;

Zн=2,5 м - высота кубовой части [1, c.235].



3. Конструктивный расчет

Диаметр штуцера для ввода исходной смеси:

, принимаем 50 мм,

Диаметр штуцера для вывода паров из колонны:

,

;

принимаем 300 мм; - скорость потока насыщенных паров [3, c.16].

Диаметр штуцера для ввода флегмы:

, принимаем 50 мм,

Здесь - расход флегмы;

Диаметр штуцеров для слива жидкости из куба для подачи в кипятильник:

, принимаем 80 мм,

Здесь - скорость потока при движении самотеком [3, c.16];

Рассчитаем диаметр трубопровода выхода кубового остатка:

, принимаем 50 мм



4. Гидравлический расчет

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определяет по формуле:

,

где и гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны, Па.

Полное гидравлическое сопротивление тарелки складывается из трех слагаемых:

1) Гидравлическое сопротивление сухой клапанной тарелки [1, c.244]:

Па

Па

Здесь - коэффициент сопротивления сухой ситчатой тарелки [1, c.210]

2) Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелках различно для верхней и нижней частей колонны:

Па

Па

3) Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

Тогда полное гидравлическое сопротивление одной тарелки верхней и нижней частей колонны равно:

Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны:



5. Механический расчёт

1) Расчёт толщины обечайки

Главным составным элементом корпуса большинства химических аппаратов является обечайка. В химическом аппаратостроении наиболее распространены цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления, рациональным расходом материала и достаточной прочностью.

Для ректификационной колонны, диаметром 1000 мм, примем стандартную минимальную толщину стенки корпуса д = 8 мм и проверим, выполняется ли условие

где Ск - прибавка к номинальной толщине детали, учитывающая разрушающее действие среды на материал:

- амортизационный срок службы аппарата (принимаем = 10 лет); П - коррозионная проницаемость, мм/год (принимаем П = 0,1 мм/год).

Тогда

мм

Проверяем выполнение условия

0,01<0,1

Поскольку условие выполняется, принимаем толщину обечайки д = 10 мм.

2)Расчёт толщины днища

Составными элементами корпусов химических аппаратов являются днища, которые обычно изготовляются из того же материала, что и обечайки, и привариваются к ней. Днище неразъёмное ограничивает корпус вертикального аппарата снизу и сверху. Форма днища может быть эллиптической, сферической, конической и плоской. Наиболее рациональной формой днищ для цилиндрических аппаратов является эллиптической. Эллиптические днища изготавливаются из листового проката штамповкой.

Толщину днища принимаем равной толщине обечайки и проверяем выполнение условие

0,01<0,125

Следовательно, условие выполняется.

3) Расчёт фланцевых соединений и крышки

Расчёт фланцевого соединения заключается в определении диаметра болтов, их количества и размеров элементов фланцев.

Основной исходной величиной при расчёте болтов является расчётное растягивающее усилие в них. При рабочих условиях расчётное растягивающее усилие в болтах определяем по формуле:

где - средний диаметр уплотнения (прокладки), м;

РП - расчётная сила осевого сжатия уплотняемых поверхностей в рабочих условиях, необходимая для обеспечения герметичности, МН;

р - рабочее давление, МПа.

Расчётную силу сжатия прокладки прямоугольного сечения определяем по формуле

где b - эффективная ширина прокладки (причём b = b0, если b0 ? 1см; b =, если b0 > 1;

b0 - действительная ширина прокладки (в м), определяемая конструкцией уплотнительной поверхности,

b0 = 2 мм,

b = 1,4;

к - коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки (для прокладки из паронита принимаем к = 2,5).

МН

МН

Диаметр болтовой окружности можно приближённо определить по формуле:

где DB - внутренний диаметр фланца, обычно равный наружному диаметру аппарата, м.

м

Расчётный диаметр болтов определяем по формуле:

и затем округляем в меньшую сторону до ближайшего стандартного размера (Dг - наружный диаметр сварного шва на фланце, м).

м

Число болтов находим по формуле:

где Fб - площадь сечения выбранного болта по внутреннему диаметру резьбы, м2;

уД - допускаемое напряжение в болтах, МН/м2.

Рассчитанное число болтов округляем до ближайшего числа, кратного четырём. Наружный диаметр фланца определяем по формуле

м

Для определения высоты плоского фланца предварительно находим следующие величины:

приведенную нагрузку на фланец при рабочих условиях (в МН):

МН

вспомогательную величину Ф при рабочих условиях (в м2):

где - предел текучести материала фланцев при рабочей температуре, МН/м2 (для стали Х18Н10Т принимаем = 240 МН/м2),

ш1 - коэффициент, зависящий от соотношения .

м2

вспомогательную величину А (в м2):

где д - толщина обечайки, соединяемой фланцем, м;

ш2 - коэффициент, зависящий от соотношения .

Поскольку , то высоту фланца определяем по формулам

м

м

Из двух значений выбираем большее, h = 0,071 м.

4) Расчёт опор аппаратов

Выбор типа опоры зависит от ряда условий: места установки аппарата, соотношения высоты и диаметра аппарата, его массы и т.д. Расчёт опоры колонного аппарата, устанавливаемого на открытой площадке, проводим, исходя из ветровой и сейсмической нагрузок. При расчёте лап определяем размеры рёбер. Отношение вылета к высоте ребра l/h принимаем равным 0,5. Толщину ребра определяем по формуле:

где G - максимальный вес аппарата, МН (во время испытания, когда весь аппарат заполнен водой);

n - число лап (не менее двух);

z - число ребер в одной лапе (одно или два);

уС.Д. - допускаемое напряжение на сжатие (принимаем равным 100 МН/м2);

l - вылет опоры, м; коэффициент к принимаем вначале 0,6, а затем уточняем по графику зависимости к от l/д.

Прочность сварных швов должна отвечать условию

где Lш - общая длина сварных швов, м;

hш - катет сварного шва, м (hш = 0,008 м);

фш.с. - допускаемое напряжение материала шва на срез, МН/м2 (фш.с. = 80 МН/м2 ).

Определим максимальный вес аппарата:

кг

кг

кг

кг

Р = т?g = 77012,82 ? 9,8 = 754725,654 Н = 0,754725 МН

Примем число лап n = 4, конструкцию лап - двухреберную, вылет лапы l = 0,2 м. Высота лапы h = l / 0,5 = 0,4 м. Толщину ребра при к = 0,6 определяем по формуле:

м

Отношение l/д = 0,2/0,02 = 10. По графику зависимости к от l/д. проверяем коэффициент к. Он принимает значение, близкое первоначально принятому, поэтому персчёт толщины ребра не требуется. Общая длина сварного шва

м

Проверяем выполнение условия для прочности сварных швов

0,1886 МН < 0,75264 МН

т.е. прочность обеспечена.



Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта были рассчитаны материальный и тепловой балансы. Выполнен конструктивный расчет проектируемого аппарата, в ходе которого определены основные размеры проектируемой колонны:

Диаметр колонны- 1000 мм

Высота колонны -10000 мм

Определены диаметры штуцеров, подобраны стандартные конструктивные элементы. Вычерчена графическая часть: общий вид аппарата и технологическая схема ректификационной установки.



Список использованной литературы

1.Ю.И.Дытнерский "Основные ПАХТ" ? Пособие по проектированию. Г.С.Борисов, В.П.Брыков и др. Под ред. Ю.И.Дытнерского, 3-е издание, стереотипное. М.: ООО ИД альянс»,2007. - 496 с.

2.К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков "Примеры и задачи по курсу ПАХТ" Изд. 8-е, пер.и доп. JL, «Химия», 1986. - 552 с.

3.Н.Б. Варгафтик "Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей". М.:Физматгиз, 1963 . - 708 с.

4. А.А.Лащинский, А.Р.Толчинский; ”Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: Справочник” под редакцией инж. Н.Н.Логинова. 4-е изд., ООО Торгово-Издательский Дом «Арис»,2010.-753 с.

5.Коган В.Б. “Равновесие между жидкостью и паром” Фридман В.М., Кафаров В.В.. Кн.1-2,М.-Л: Наука.1966. 640-786 с.

Размещено на Allbest.ru

...