Ректификационная установка непрерывного действия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

РЕКТИФИКАЦИОННАЯ УСТАНОВКА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

1. Исходные данные

1. Разделяемая смесь - этиловый спирт - вода (С₂Н₅ ОН + Н₂О)

2. Производительность по исходной смеси: G_F =6800 кг/ч

3. Концентрация легколетучего компонента (в масс. %)

- в исходной смеси: Їх_F -16,4 %

- в дистилляте: х_D -92 %

- в кубовом остатке: х_w -0,025 %

4. Температура исходной смеси: t_н =21⁰ С

5. Давление в колонне: р =760 мм рт. ст.

6. Конструкция колонны - тарельчатая с круглыми колпачками.

7. Обогрев колонны острым паром.

Рассчитать размеры ректификационной колонны, поверхности кипятильника, дефлегматора, подогревателя исходной смеси, холодильника дистиллята и кубового остатка, параметры насоса для подачи исходной смеси. Всю аппаратуру подобрать по стандарту и ГОСТу.

2. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

а. Производительность колонны по дистилляту G_D и кубовому остатку G_W определим из уравнений материального баланса колонны:

G_F = G_D + G_W ; G_F•х_F = G_D•х_D + G_W•х_w,

откуда

0,164•6800 = 0,92• G_D + 0,00025• G_W

6800 = G_D + G_W, из этой системы уравнений определяем:

0,164•6800 = 0,92• G_D + 0,00025• (6800 - G_D)

1115,2 = 0,92• G_D + 0,00025• (6800 - G_D) ; 0,9199• G_D = 1113,8

G_D = 1113,8 /0,9199= 1210,8кг/ч

G_W = 7400 - G_D = 6800- 1210,8= 5589,2 кг/ч

б. Для дальнейшего расчета необходимо концентрации питания, дистиллята и кубового остатка выразить в мольных долях.

Молекулярная масса С₂Н₅ ОН -М_сп= 46

Молекулярная масса Н₂ О - М _Н2О = 18

Питания:

Кубового остатка:

колонна кипятильник насос дистиллятор

Относительный мольный расход питания:

F = (x_D - x_w) / (x_F - x_w) = (0,818 - 0,00098) / (0,071 - 0.00098) = 11,67

в. Определяем минимальное число флегмы.

R_min = (х_D - y^*) / (y^* - х_F)

y^* = 0,24 - мольная доля спирта в паре, равновесном с жидкостью питания

R_min = (0,818- 0,24) / (0,24 - 0,071) = 3,42

Примем рабочее число флегмы в 1,5 раз больше минимального:

R = R_min •1,5 = 3,42•1,5 = 5,13

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны

y =R•x /(R + 1) + x_D/(R + 1) = 5,13•x /(5,13+ 1) +0,818/(5,13+ 1)

y = 0,84•х + 0,133

б) нижней (исчерпывающей) части колонны

y = (R+F)•x /(R + 1) -(F -1)• x_w /(R + 1) =(5,13+11,67)•x /(5,13 + 1) -(11,67 -1)• 0.00098 /(5,13 + 1) = 2,74 •x -0.0017

3. Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны

x^?_ср= (x_F + x_D) / 2 = (0,071+ 0,818) / 2 = 0,445

б) в нижней части колонны

x^??_ср= (x_F + x_w) / 2 = (0,071 + 0.00098) / 2 = 0,036

Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочей линии

а) в верхней части колонны

у^?_ср= 0,84• x^?_ср + 0,133 = 0,84• 0,445 + 0,133 = 0,507

б) в нижней части колонны

у^??_ср= 2,44• x^??_ср - 0,0017 = 2,44• 0,036 - 0,0017= 0,086

Определим скорость пара скорость пара в колонне с учетом поправки для тарелки с колпачками.

Находим среднюю плотность пара в колонне.

Плотность пара, выходящего из куба испарителя (принимая, что пар состоит из чистой воды):

с_w^” = М _Н2О • Т₀ / 22,4 • Т = 18•273 /22,4•373 =0,59 кг/м³

температура кипения воды Т = 373⁰ К

Т₀ = 273⁰ К

Плотность пара, поступающего в дефлегматор (принимая, что пар состоит из чистого спирта):

с_D^” = М _{С2Н5 ОН} • Т₀ / 22,4 • Т = 46•273 /22,4•351 = 1,6 кг/м³

температура кипения спирта: Т =273+78 = 351⁰ К

Средняя плотность пара:

С_п= (с_w^”+ с_D^”) / 2 =(0,59+1,6)/2 =1,1 кг/м³

Плотность жидкого этилового спирта при 78⁰ С с_сп = 735 кг/м³, плотность воды при 100⁰ С с_Н2О = 958 кг/м³, принимаем среднюю плотность жидкости в колонне: с_ж = (735 + 958) /2 = 846 кг/м³

Определяем скорость пара в колонне по уравнению:

щ = С v с_ж / с_п

С = 0,03 - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками,рабочего давления в колонне, нагрузки колонны по жидкости.

щ = 0,03 v 846 / 1,1= 0,83м/с

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне t_ср = (78+100) = 89⁰ С, T_ср =273+89 = 362⁰ К

V = G_D •(R +1)• 22.4• T_ср •р₀ / М_D• Т₀ •3600•р = 1210,8 •(5,13 +1)• 22.4• 362 •1,033 / 40,9• 273•3600•1 = 1,55 м³ /с

М_D - мольная масса дистиллята, М_D = 0,818•46 +0,182•18 = 40,9 кг/кмоль

Диаметр колонны:

D = v V / 0.785•щ = v 1,55 / 0.785•0.83 = 1,54 м

Принимаем по каталогу: D =1600 мм, тогда скорость пара в колонне будет:

щ = V / 0.785• D² = 1,55 / 0.785• 1,6 ² = 0,77 м/с

4. Определение числа тарелок

По диаграмме у-х находим число ступеней изменения концентрации

n_т, в верхней части колонны n_т^? = 8, в нижней части колонны n_т^?? = 3

n_т = n_т^? + n_т^?? = 8+3 = 11

Число тарелок рассчитываем по уравнению: n = n_т / з, где:

з = 0,47 - к.п.д. тарелок

n = 11/ 0, 47 = 23,4,принимаем n = 25 тарелок: в верхней части 20, в нижней -5

Высота тарельчатой части колонны Н_т =(n -1)•h =(25 -1)•0.3 = 7,2 м

Общая высота колонны:

Н_к = Н_т+ Н_кн+ Н_кв,

где:

Н_кн-= (1,5-2) D = (1,5-2) 1600 =2400-3200, принимаем 2500 мм-высота нижней (кубовой) камеры

Н_кв-= (0,5-1) D = (0,5-1) 1600 =800-1600, принимаем 1300 мм-высота верхней (сепарационной) камеры

Н_к = 7,2+ 2,5+ 1,3 =11 м.

5. Тепловой расчет установки

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре - конденсаторе, находим по уравнению:

Q_д = G_D (1+R) r_D,

r_D = r_э• x_D + (1 - x_D) r_в,

r_э = 850 кДж/кг -удельная теплота конденсации этилового спирта при t =78⁰C

r_в = 2310 кДж/кг - удельная теплота конденсации воды при t =78⁰C

r_D = 850• 0,92+ (1 - 0,92) 2310 = 966,8 кДж/кг

Q_д = [1210,8/3600 ](1+5,13) 966,8•10³ = 1993270 Вт

Уточненный расход острого пара с учетом тепловых потерь Q _пот в размере w_п = (3-5) % от полезно затрачиваемой теплоты в соответствии с уравнением составит:

G_оп = (1+ w /100) (Q_д + G_D•c_D•t_D + G_w•c_w•t_w - G_F•c_F•t_F) / I_п (1- ?), где

? - влажность пара в долях (принимают ? = 0,02 -0,05), (1- ?) - сухость пара.

С учетом, что сопротивление одной колпачковой тарелки ?р_т составляет около 800 Па, давление в кубе колонны приблизительно равно:

Р_к = Р_атм + n•?р_т,

где Р_атм = 101300 Па (760 мм рт.ст.) ;

n = 25 тарелок

Р_к = 101300 + 25•800 =121300 Па =1,21 кгс/см²

По табл. LVII, I_п =2692 кДж /кг и t_w = 108.2⁰C

По диаграмме х,у -t, t_D = 78,3⁰C

t_F =86,8 ⁰C

Удельные теплоемкости с_D,c_w,c_F, определяются по формуле:

с_D = с^?_э•х_D + с^?_в• (1-х_D) = 0,765•0,92 + 4,19• (1-0,92) = 1,04 кДж/кг•К=1040Дж/кг•К

с_w = с^??_э•х_w+с^??_в•(1-х_w) =0,85•0,025 + 4, 23• (1-0,025) = 4,145кДж/кг•К=4145Дж/кг•К

с_F = с^???_э•х_F + с^???_в• (1-х_F) =0,8•0,164 + 4,19• (1-0,164) =3,63кДж/кг•К=3630 Дж/кг•К

где: с^?_э, с^??_э, с^???_э -удельные теплоемкости этилового спирта при температурах

t_w = 108.2 ⁰C, t_D = 78,3 ⁰C, t_F =86,8 ⁰C по номограмме Х1

с^?_в, с^??_в, с^???_в -удельные теплоемкости воды при тех же температурах по табл.ХХХ1Х

G_оп = (1+ 3 /100) [1993270 + (1210,8/3600)•1040•78,3+

(5589,2/3600)•4145•108,3- (6800/3600)•3630•86,8] / 2692•10³ (1- 0,05) = 0,85 кг/с

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси при нагреве ее до температуры кипения, t_F =86,8⁰C составит:

Q_под = (1+w/100)• G_F• с^?_F• (t_F - t_н),

где:t_н = 22⁰ С (из условия)

с^?_F = с^???_э•х_F + с^???_в• (1-х_F) = 0,71•0,164 + 4,19• (1-0,164) =3,62кДж/кг•К=3620 Дж/кг•К

- удельная теплоемкость исходной смеси при средней температуре (t_F + t_н)/2 = (86,8 + 21)/2 = 53,9⁰ С

Q_под = [(1+3/100)• 6800/3600]• 3620• 53,9 = 379615 Вт

Расход греющего пара в подогревателе исходной смеси (с давлением и влажностью острого пара равен:

G_пп = Q_под / r_п• (1- ?)

где:r_п - удельная теплота конденсации греющего пара при давлении Р =Р = 1,36 кг/см²,по табл.LVII, r_п = 2239 кДж/кг

G_пп = 379615 / 2239•10³• (1- 0,03) = 0,165 кг/с

Общий расход пара на установку:

G_п = G_оп + G_пп = 0,85+0,165 = 1,015 кг/с = 3,65 т/ч

Количество теплоты Q_д = 1993270 Вт, которое принимает вода от конденсирующего в дефлегматоре пара, определено ранее.

Расход теплоты, который вода принимает в холодильнике дистиллята:

Q_хд = G_D• c ^?_D (t_D - t ^?_D)

c ^?_D =4,18 кДж/кг•К -теплоемкость дистиллята при средней температуре (t_D + t ^?_D)/2 =(78,3 + 40)/2 =50,65 ⁰С

температуры охлажденных дистиллята t ^?_D и кубового остатка t ^?_w могут быть приняты на (10 -20)⁰ С больше t _н = 21 ⁰С

принимаем: t ^?_D =40⁰С, t ^?_w =40⁰С

Q _хд = (1210.8/3600)• 4,18 •10³ (78,3 - 40)=53845 Вт

Расход теплоты, который вода принимает в холодильнике кубового остатка:

Q _хк = G _w • c ^? _w (t _w - t ^? _w)

c ^?_D =4,19 кДж/кг•К -теплоемкость дистиллята при средней температуре (t _w + t ^? _w)/2 =(108,2 + 40)/2 =74,1⁰ С

Q _хк = (5589.2/3600)• 4,19 •10³ (108,2 - 40)=443655Вт

Расходы охлаждающей воды:

В дефлегматоре:

G_в =Q_д / c_в (t_к - t_н)•с_в = 1993270 / 4190• (60 - 21)•1000 =0,0122 м³/с

t_к - максимально нагретая вода в дефлегматоре на (10 -20) ⁰С меньше t_D = 78,3 ⁰ С, принимаем t_к =60 ⁰ С

В холодильнике дистиллята:

G ^?_в =Q_хд / c^?_в (t ^? _к - t_н)•с_в = 53845/ 4190• (60 - 21)•1000 =0,0003 м³/с

t ^? _к = t_к =60 ⁰ С

В холодильнике кубового остатка:

G ^??_в =Q_хк / c^??_в (t ^?? _к - t_н)•с_в = 443655/ 4190• (90 - 21)•1000 =0,0015 м³/с

t ^??_к - температура воды на выходе из холодильника кубового остатка, принимается на (10 -20) ⁰С меньше t _w = 108,2⁰С, принимаем t _w =90 ⁰С.

6. Подбор вспомогательного оборудования

1. Определение диаметров трубопроводов:

d = v V ? 0.785 •щ ;

V - объемный расход, V = G / с

щ - скорость жидкости или пара

с - плотности транспортируемых потоков

а) исходной смеси:

d_ж = v (G_F / с_cр) ? 0.785 •щ = v(1,89/1000) ? 0,785 •2 = 0,035 м

G_F =6800 кг/час =6800/3600 =1,89 кг/ с

с_cр =846 кг/м³ средняя плотность жидкости

щ_ж = 1,5-3 м/с - скорость жидкости, принимаем щ_ж = 2м/с

Принимаем трубу 45х2,50 ГОСТ8733-74

б) дистиллята:

d_ж = v (G_D / с_cр) ? 0.785 •щ = v 0,34/1000 ? 0,785 •0.2 = 0,047 м

G_D =1210,8 кг/час =1210,8/3600 =0,34 кг/ с

с_cр =846 кг/м³ средняя плотность жидкости

щ_ж = 0,1-0,5 м/с - скорость жидкости самотеком, принимаем щ_ж = 0,2м/с

Принимаем трубу 57х2,5 ГОСТ8733-74

в) кубового остатка:

d_ж = v (G_W / с_cр) ? 0.785 •щ = v (1,55/1000) ? 0,785 •0.4 = 0,08 м

G_W =5589,2 кг/час =5589,2/3600 =1,55 кг/ с

с_cр =846 кг/м³ средняя плотность жидкости

щ_ж = 0,1-0,5 м/с - скорость жидкости самотеком, принимаем щ_ж = 0,3м/с

Принимаем трубу 89х3 ГОСТ8733-74

Острого пара:

d_г = v V ? 0,785 • щ_п = v(0,85/1,1) ? 0,785 •25 = 0,198 м

V₀ = G_оп = 0,85 кг/с

Средняя плотность пара:

С_п= 1,1 кг/м³

щ_п = 20-40 м/с - скорость пара, при Р = 13,33 •10⁴ Па, принимаем щ_г = 25м/с

Принимаем трубу 219х3.5 ГОСТ 20295 -74.

2. Подбор подогревателя исходной смеси.

Нагрев исходной смеси до температуры кипения проводится в пластинчатом теплообменном аппарате.

G_F = 1,89 кг/с, с₂ = 846 кг/м³, µ₂ =0,00218 Па•с, л₂ = 0,547 Вт/ (м•К), r₂=835000 Дж/кг, Pr₂ = 7,5

От температуры t _1н = 21⁰С до t _1к= 86,8⁰С

1) Тепловая нагрузка аппарата Q_под = 379615 Вт

2) Расход греющего пара G_пп = 0,165кг/с

Для подогрева используем насыщенный водяной пар давлением 0,6 МПа. Температура конденсации t₁ = 158.1 ⁰С. Характеристики конденсата при этой температуре: с₁ = 908 кг/м³, µ₁ = 0,000177 Па•с, л₁ = 0,683 Вт/ (м•К), r₁=2095000 Дж/кг, Pr₁ = 1,11

3) Средняя разность температур:

? t_ср = (t₁ - t _1н) - (t₁ - t _1к)/ ln [(t₁ - t _1н)/ (t₁ - t _1к)] = (158.1 - 21) - (158.1 - 86.8) / ln [ (158.1 - 21) / (158.1 - 86.8)] = 100,6 ⁰С

4) Коэффициент теплопередачи в пластинчатом теплообменнике примем:

К_ор =1250 Вт / (м²•К), тогда ориентировочное значение требуемой поверхности:

F_ор = Q_под / (? t_ср•К_ор) = 379615/ (100,6•1250) =3,02 м²

Рассмотрим пластинчатый подогреватель поверхностью 5,0 м², поверхность пластины 0,3 м², число пластин N= 20.

5) Скорость жидкости и число Re в каналах площадью поперечного сечения канала S= 0,0011 м² и эквивалентным диаметром канала d_э = 0,008 м² равны:

щ₂ = G_F / с₂ •(N/2) •S = 1.89/ 846•(20/2) •0.0011 =0.2 м/c

Re₂ = щ₂• d_э• с₂ / µ₂ = 0,2• 0,008• 846 / 0,00218 =621

Коэффициент теплоотдачи от жидкости рассчитаем по формуле:

б₂ =(л₂/ d_э)•а• Re ^0,7₂• Pr ^0,43₂ = (0,547 / 0,008)•0,1• 621 ^0,7• 7,5 ^0,43 = 1468 Вт/(м²•К)

а = 0,1 - коэффициент при площади пластины 0,3 м²

Для определения коэффициента от пара примем, что ?t ? 10 град. Тогда в каналах с приведенной длиной L= 1,12 м

Re₁ = G_пп• L /(µ₁•5) =0,165 • 1,12 /(0,000177•5) = 209

б ₁ = (л₁/ L)•а• Re ^0,7₁• Pr ^0,43₁ =(0,683/ 1,12)•322• 209^0,7• 1,11 ^0,43 = 8643 Вт/(м²•К)

а = 322 - коэффициент при площади пластины 0,3 м²

Термическим сопротивлением загрязнений со стороны пара можно пренебречь толщина пластин 1,0 мм, материал - нержавеющая сталь, л_ст =17,5 Вт/ (м•К). Сумма термических сопротивлений стенки пластин и загрязнений со стороны жидкости составит:

? д/л = 0,001/17,5 +1/ 5800 =0,000229 (м²•К) /Вт

Коэффициент теплопередачи:

К = (1/б₁ + 1/б₂ + ? д/л)^-1 = (1/8643 + 1/1468 + 0,000229)^-1 =975 Вт/(м²•К)

Проверим правильность принятого допущения относительно ?t:

?t = К• t₁ / б ₁ = 975• 105,3 / 8643 =11,88 > 10

F = Q_под / (t₁• К)= 379615/ (105,3 • 975) = 3,7 м²

Теплообменник устанавливаем с номинальной поверхностью 5,0 м²

Масса этого аппарата М = 291 кг

6) Гидравлическое сопротивление пластинчатого подогревателя ю

Диаметр присоединяемых штуцеров d_ш = 0,065м

Скорость жидкости в штуцерах: щ_ш = 2,0•4 / (846•р•0,065²) =0,69 м/с < 2.5м/с, поэтому их гидравлическое сопротивление можно не учитывать.

Коэффициент трения о = а₂ /⁴v Re₂ = 19,3/ ⁴v 928 =3,5

Для однопакетной компоновки пластин х =1

Гидравлическое сопротивление:

?р_пп = о •(L/d_э)•(с₂• щ₂² /2) = 3.5 •(1.12/0,008)•(846• 0,2² /2) = 8290 Па

3. Подбор насоса подачи жидкости в ректификационную колонну:

Необходимый напор насоса:

Н = Д Р_с / с•g

Сопротивление сети:

Д Р_с = Н_г• с_ж •g + (1+ л•L_т /d_n + ?ж_т)• с_ж• щ_ж² /2+ Д Р_доп+?р_пп =

Н_г = Н_кн + Н_п + Н_т =2,5+ 1,2 + 1.2 =4.9 м

Н_кн- высота нижней камеры, Н_нк = 2,5 м

Н_п=1,2 м - высота подставки

Н_т = h (n-1)= 0,3(5-1) =1.2 м

g=9,81м/с² -ускорение свободного падения

плотность исходной смеси: с_ж = 846 кг/м³

л - коэффициент гидравлического трения в трубопроводе, зависит от критерия Рейнольдса

Re_ж = щ_ж•d_ж•с_ж / м_в = 2•0,05•846 /2,18• 10^-3 =38800

вязкость смеси при температуре 20⁰С: м_в= 2,18 сП=2,18• 10^-3 н•сек/м²

при Re < 560 /е =560/0,002 =280000

л =0,11•(е+68/Re)^2.5 =0,11•(0,002+68/38800)^0,2.5 =0,027

е =? /d = 0,1/50 = 0,002

?= 0,1 мм - шероховатость новой стальной трубы

L_т - длина трубопровода (20-40) м, принимаем 30 м

ж_т1 -потери напора в отводах ж_т1 =0,5 (принимаем 8 отводов) ж_т1 =0,5•8 =4

ж_т2 -потери напора в вентилях ж_т1 =4 (принимаем 2 вентиля) ж_т1 =4•2 =8

?ж_т = ж_т1 + ж_т2 =4+8 = 12

Д Р_доп =25*800=20000 Па =2,0 м вод.ст - сопротивление тарелок

?р_пп = 18795 Па =1,9 м вод.ст - сопротивление подогревателя

ДР_с = 4,9•846•9.81 + (1+ 0.027•30 /0,05 + 12)• 846• 2² /2 +2000•9,81+1900•9,81=127532

1275327/ 846•9.81 = 15,37 м вод.ст

Производительность Q = G_F/ с_ж =1.89 / 846=0.0505 м³/с

Выбираем насос по производительности и напору -Х280/29 имеющим ;

Q = 0,08 м³/с, Н = 21 м вод.ст.

Литература

1. Ю.И. Дытнерский. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Химия. 1991 г.

2. Ректификационная установка непрерывного действия /Методические указания к курсовому проекту. СПб ГТУ РП. 2007 г.

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

Размещено на Allbest.ru

...