Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение профессионального высшего образования

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет химических технологий

Кафедра Промышленной экологии, Процессов и аппаратов химической технологии

Курсовая работа

РЕКТИФИКАЦИОННАЯ УСТАНОВКА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Разработал:

Студент группы 64-4

Гончаров И.А.

Красноярск 2006

Содержание

• Реферат
• Введение
• Физико-химические характеристики продукта
• 1. Расчет ситчатой тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия
• 1.1 Принципиальная технологическая схема и ее описание
• 1.2 Рассчитаем необходимые концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка
• 1.3 Материальный баланс процесса ректификации
• 1.4 Расчет флегмового числа
• 1.5 Определение средней концентрации воды в жидкости
• 1.6 Определяем средние концентрации воды в паре
• 1.7 Определение скорости пара и диаметра в колонне
• 1.8 Определение высоты колонны
• 2. Гидравлический расчет колонны
• 2.1 Сопротивление сухой тарелки
• 2.2 Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения
• 2.3 Сопротивление парожидкостного слоя
• 3. Тепловой расчет ректификационной колонны
• 3.1 Расчет тепловой изоляции колонны
• 4. Расчет вспомогательного оборудования
• 4.1 Кипятильник (куб - испаритель)
• 4.1.1 Определение коэффициента теплопередачи
• 4.2 Дефлегматор
• 4.3 Холодильник для дистиллята
• 4.4 Холодильник для кубового остатка
• 4.5 Подогреватель
• Заключение
• Список использованной литературы
• Приложения

Реферат

В курсовой работе приведены результаты расчета ректификационной колоны непрерывного действия, предназначенной для разделения бинарной смеси вода - уксусная кислота.

Введение

Простая перегонка.

Фракционная перегонка. Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и конденсируются. Процесс осуществляют периодическим или непрерывным способом.

Если простая перегонка проводится периодически, то в ходе отгонки НК содержание его в кубовой жидкости уменьшается. Вместе с тем, изменяется во времени и состав дистиллята, который обедняется НК по мере протекания процесса. В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих различный состав. Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава, называется фракционной, или дробной, перегонкой.

Ректификация - разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате противоточного взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси.

Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости.

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).

Непрерывно действующие установки. Ректификационная колонна имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится вне колонны, т. е. является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара.

Влияние агрегатного состояния и температуры исходной смеси на работу колонны.

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 подаваемой на разделение смеси.

Исходная смесь может поступать в колонну не только в жидком, но и в парообразном состоянии или в виде смеси жидкости и пара. При прочих равных условиях -- заданны составах дистиллята у_D и остатка x_W, давлении Р в колонне и др. -- подвод тепла в колонну минимален в случае подачи в нее жидкой исходной смеси, предварительно нагретой до температуры кипения t_K на питающей тарелке.

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). Кипятильники имеют поверхность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

В периодически действующих колоннах куб является не только испарителем, но и емкостью для исходной смеси. Поэтому объем куба должен быть в 1,3--1,6 раза больше его единовременной загрузки (на одну операцию). Обогрев кипятильников наиболее часто производится водяным насыщенным паром.

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). Однако вопрос о направлении конденсирующихся паров и охлаждающего агента внутрь или снаружи труб следует решать в каждом конкретном случае, учитывая желательность повышения коэффициента теплопередачи и удобство очистки поверхности теплообмена.

Физико-химические характеристики продукта

Продуктом этой смеси являются вода и уксусная кислота.

Вода

Молекулярный вес 18,02 кг/моль;

Плотность 998 кг/м³;

Температура плавления 0⁰С;

Температура кипения 100⁰С;

Бесцветная жидкость.

Вода - самое распространенное химическое вещество. Она является хорошим растворителем большого числа веществ, например щелочей, многих кислот и солей. Химическая активность воды достаточно высокая. Чистая вода необходима многим отраслям современной промышленности, она используется для проведения многих технологических процессов. Очищенная питьевая вода применяется в бытовых целях.

Уксусная кислота

Молекулярный вес 60,05 кг/моль;

Плотность 1049 кг/м³;

Температура плавления 16,75⁰С;

Температура кипения 118,1⁰С;

Бесцветная жидкость.

Уксусная кислота хорошо растворима в воде. Эта кислота встречается в природе. Она содержится во многих животных и растительных организмах, образуется при скисании многих продуктов и вина. Является важным продуктом химической промышленности: является промежуточным продуктом синтеза многих органических веществ, красителей, искусственных волокон. Она используется также в пищевых целях для консервирования продуктов и как приправа.

Таблица 1 - Равновесные составы жидкостей (х) и пара (у) в мол % и температуре кипения (t) єС двойных смесей при 400мм рт.ст.

Смесь	x	0	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Вода- уксусная кислота	y	0	9,2	16,7	30,3	42,5	53	62,6	71,6	79,5	86,4	93	100
	t	118,1	115,4	112,8	110,1	107,5	105,8	104,4	103,3	102,1	101,3	100,6	100

1. Расчет ситчатой тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия

Расчет ректификационной колоны сводится к определению ее основных параметров - диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который в свою очередь, зависит, от скорости и физических свойств фаз, а так же от типа и размеров тарелок.

Ситчатые тарелки имеют достаточно высокую эффективность, низкое сопротивление и малую металлоемкость. Они применяются преимущественно в колоннах для обработки чистых жидкостей при атмосферном давлении и вакууме.

1.1 Принципиальная технологическая схема и ее описание

• Рисунок 1 - Схема непрерывно действующей ректификационной установки
• Непрерывно действующие установки. Ректификационная колонна имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится вне колонны, т. е. является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара.
• Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх.
• Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна х₁ (по низкокипящему компоненту), а ее температура t₁. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием НК у₁>х₁.
• Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т. е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.
• На второй тарелке жидкость имеет состав x₂ содержит больше НК, чем на первой (х₂ > х₁), и соответственно кипит при более низкой температуре (t₂ < t₁). Соприкасаясь с ней, пар состава y₁ частично конденсируется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав у₂ > x₂, и т. д.
• Таким образом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.
• Пары конденсируются в дефлегматоре, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.
• Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара.
• Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.
• На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называемую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.
• Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено, возможно, большее укрепление паров, т. е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.
• В дефлегматоре могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их, соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или, верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике 6 направляется в сборник дистиллята. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята. Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК), также делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипятильник, а другая -- остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике направляется в сборник.

1.2 Рассчитаем необходимые концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка

Для дальнейших расчетов необходимо концентрации исходной смеси дистиллята и кубового остатка выразить в массовых долях.

;

;

,

где х_А - мольная доля низкокипящего компонента в жидкости;

М_А - молекулярная масса низкокипящего компонента, кг/кмоль;

М_В - молекулярная масса высококипящего компонента, кг/кмоль.

Молекулярная масса вода - 18,02 кг/кмоль, уксусная кислота - 60,05 кг/кмоль.

1.3 Материальный баланс процесса ректификации

Материальный баланс всей ректификационной колонны может быть представлен двумя уравнениями:

по всему продукту

,

по легколетучему компоненту

,

где х_f, х_D, х_w - молярные составы (мольные доли) низкокипящего компонента (НК) соответственно в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке.

Решим систему:

;

.

;

.

Из этой системы уравнений находим:

;

.

По имеющимся данным о равновесии между жидкостью и паром строим изобары температур кипения и конденсации смеси t=f(x,y) и линию равновесия на диаграмме y=f(x).

1.4 Расчет флегмового числа

Флегмовое число может принимать значения в диапазоне R_min<R<?. С увеличением флегмового числа уменьшается число единиц переноса n_ox, число теоретических отупений изменяется концентрации N_T и следовательно, уменьшается высота колонны. В то же время увеличение R влечет увеличение потока пара, это все ведет к увеличению диаметра колонны. Таким образом, рациональный характер влияния флегмового числа на технико-экономические показатели проектируемой установки ставит задачу определения оптимального флегмового числа.

Для определения минимального флегмового числа на диаграмме y-x (Рисунок А1) проводят вертикали x=x_D и x=x_F до пересечения с рабочей линией. Через точки проводят линии с пересечением с осью ординат. Линия «А-В»- рабочая линия верхней части колонны. Отрезок В отсекаемый этой линией на оси ординат , связан с минимальным флегмовым числом соотношением:

где исходя из которого и рассчитывают величину R_min по формуле:

.

Минимальное флегмовое число при условии, когда кривая равновесия выпуклая и не имеет впадин, можно рассчитать по формуле:



Чтобы найти - мольную долю низкокипящего компонента в паре, равновесным с исходной смесью.

Для нашего случая.

Отсюда, .

Как известно, R_опт - оптимальным считается флегмовое число, соответствующие функции n_ox(R+1)=f(R), где

n_ox - число единиц переноса,

R - флегмовое число.

Для расчета R_опт следует воспользоваться расчетом в рекомендуемом ниже порядке.

Принимают различные значения коэффициента избытка флегмы в=1,1ч3,6 и определяют соответствующие значения числа:

.

Определяют величину отрезка B, отсекаемого рабочей линией, укрепляющей части колонны па оси ординат по формуле:

;

где x_D - концентрация дистиллята.

Результаты сносим в таблицу 2.

Таблица 2

в	1,1	1,2	2,0	2,8	3,6
R	6,0	6,54	10,9	15,26	19,62
B	0,13	0,125	0,08	0,06	0,045

Для каждого рабочего флегмового числа R на диаграмме y-x строят рабочие линии. Для этого на оси ординат откладывают расчетную величину В и полученную точку соединяют с точкой «А» имеющей координаты y_D, x_D, причем y_D=x_D. Точка «С» соответствует допущению y_W=x_W. Точка «В» находится на пересечении линий x=x_F и рабочей линии, укрепляющей части колонны.

Между построенными рабочими линиями и линиями равновесия проводят произвольное число горизонталей в пределах от x_W до x_D. Для каждой горизонтали находят величины x и x^*, по которым рассчитывают дроби . Все значения заносят в таблицы 3 - 7.

Таблица 3 При в=1,1

X	0,05	0,23	0,4	0,5	0,6	0,7	0,94
X*	0,03	0,22	0,345	0,432	0,522	0,62	0,91
	50	100	18,2	14,7	12,8	12,5	33,3

Таблица 4 При в=1,2

X	0,05	0,23	0,4	0,5	0,6	0,7	0,94
X*	0,03	0,217	0,342	0,43	0,517	0,617	0,91
	50	76,9	17,2	14,3	12,1	12,1	33,3

Таблица 5 При в=2,0

x	0,05	0,23	0,4	0,5	0,6	0,7	0,94
X*	0,03	0,195	0,32	0,41	0,5	0,605	0,91
	50	28,6	12,5	11,1	10	10,5	33,3

Таблица 6 При в=2,8

X	0,05	0,23	0,4	0,5	0,6	0,7	0,94
X*	0,03	0,185	0,312	0,4	0,492	0,6	0,91
	50	22,2	11,4	10	9,3	10	33,3

Таблица 7 При в=3,6

X	0,05	0,23	0,4	0,5	0,6	0,7	0,94
X*	0,03	0,172	0,3	0,392	0,487	0,592	0,91
	50	17,2	10	9,3	8,9	9,3	33,3

По данным таблиц строят графики =f(x) (Приложение 3).

Результаты сносим в таблицу 8.

Таблица 8 - Данные для расчета оптимального флегмового числа

в	1,1	1,2	2,0	2,8	3,6
R	6,0	6,54	10,9	15,26	19,62
B	0,13	0,125	0,08	0,06	0,045
nох	25	22	15	14	13
nох(R+1)	175	165,9	178,5	227,64	268,06

По данным таблицы 8 строим график n_ох(R+1)=f(R) (Рисунок 2). Значения R, соответствующие минимуму кривой, представляет собой оптимальную величину флегмового числа R_опт. R_опт=6,54.

Эту величину и принимаем в дальнейших расчетах за оптимальное рабочее число флегмы. Число ступеней изменения концентрации (число теоретических тарелок) при этом равно 22.

Относительный мольный расход питания:



Рисунок 2 - Определение оптимального флегмового числа

.

Составим уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

;

.

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

;

.

1.5 Определение средней концентрации воды в жидкости

1) Проценты мольные:

а) в верхней (укрепляющей) части колонны:

;

.

б) в нижней (исчерпывающей) части колонны:

;

.

2) Проценты массовые:

а) в верхней (укрепляющей) части колонны:

;

.

б) в нижней (исчерпывающей) части колонны:

Средние температуры жидкости определяем по диаграмме t - x,y (рисунок 4):

при ;

при .

Средняя плотность жидкости по высоте колонны определяется по уравнению:

,

где с_А, с_В - плотности низкокипящего и высококипящего компонентов при средней температуре в колонне, соответственно, кг/м³.

а) в верхней части колонны:

;

б) в нижней части колонны:

.

Для колонны в целом:

.

1.6 Определяем средние концентрации воды в паре

Рассчитываем средние концентрации низкокипящего компонента в паре:

а) в верхней (укрепляющей) части колонны: x_D=y_D=0,94,

;

б) в нижней (исчерпывающей) части колонны: x_W=y_W=0,05,

,

где y_F - концентрация низкокипящего компонента в паре на питающей тарелке. Определяется в точке пересечения линий рабочих концентраций, построенных при оптимальном флегмовом числе R=6,54.

Средние температуры пара определяем по диаграмме t - x,y (рисунок А2):

при ;

при.

Средние молекулярные массы и плотности пара:

а) в верхней (укрепляющей) части колонны:

средняя молекулярная масса пара

;

средняя плотность пара

.

б) в нижней (исчерпывающей) части колонны:

средняя молекулярная масса пара

;

средняя плотность пара

.

Для колонны в целом:

Определим объемный расход пара, поступающего в дефлегматор, м³/с:

,

где M_D - мольная масса дистиллята, кг/кмоль.

М_D=М_Аy_D+ М_в(1-y_D)=18,02·0,94+60,05·(1-0,94)=20,54кг/кмоль.

Тогда:

.

1.7 Определение скорости пара и диаметра в колонне

Средняя плотность пара в колонне:

.

Средняя плотность жидкости в колонне:

.

Определяем скорость пара в колонне. Принимаем расстояние между тарелками h=450 мм. По графику (рис.7.2 стр.323 [1]) находим С=0,066.

;

.

Тогда диаметр колонны:

;

.

По каталогу - справочнику «Колонные аппараты» принимаем D=2400 мм. Тогда скорость пара в колонне будет:

;

.

1.8 Определение высоты колонны

Наносим на диаграмму х-у наносим рабочие линии верхней и нижней части колонны (Рисунок А1) и находим число ступеней изменения концентрации n_Т. В верхней части колонны , в нижней части .

Число тарелок рассчитывается по уравнению:

.

Для определения к.п.д. тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов:

,

и динамический коэффициент вязкости исходной смеси при средней температуре в колонне, равной 109,2⁰С.

При этой температуре давление насыщенного пара воды , уксусной кислоты (номограмма XIV стр. 565 [1]), откуда:

.

Динамический коэффициент вязкости воды равен 0,21 мПа?с, уксусной кислоты равен 0,38 мПа?с. Принимаем.

Тогда:

.

По графику (рис 7.4 стр. 323 [1]) находим .

Для сравнения рассчитаем средний КПД тарелки по критериальной формуле, полученной путем статистической обработки многочисленных опытных данных для ситчатых тарелок:

.

В этой формуле безразмерные комплексы:

;

,

где - скорость пара в колонне, м/с;

- относительная площадь сечения тарелки;

- высота сливной перегородки, м;

и - плотности пара и жидкости, кг/м³;

- коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси, м²/с;

- поверхностное натяжение жидкости питания, Н/м.

Физико-химические константы отнесены к средней температуре в колонне. Предварительно рассчитаем коэффициент диффузии :

.

В нашем случае:

, ,

,

; .

Коэффициент диффузии:

.

Безразмерные комплексы:

;

.

Средний КПД тарелки:

,

Что близко к найденному значению .

Число тарелок:

а) в верхней части колонны

;

б) в нижней части колонны

.

Общее число тарелок , с запасом , из них в верхней части колонны 24 и в нижней части 14 тарелок.

Высота тарельчатой части колонны:

.

Общая высота колонны:

,

где - расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны, (высота сепарационного пространства), принимаем 1,0 м; - расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны, (высота кубовой части), принимаем 2,5 м.

Значение данных величин приводятся в Приложении Б6 [2].

.

ректификация колонна тарелка подогреватель

2. Гидравлический расчет колонны

В соответствии с рассчитанным выше диаметром колонны по приложениям (Приложение 5.2 стр.216-217 [3]) подбираем стандартную колонну и тарелки. Принимаем к установке колонный аппарат диаметром 2400 мм; колонна компонуется из ситчатых тарелок типа ТС-Р. Основные параметры тарелки приведены в таблице 2.

Таблица 9 - Характеристика ситчатой тарелки

Диаметр колонны, D, мм	Свободное сечение колонны, м2	Рабочее сечение тарелки	Диаметр отверстия, d, мм	Шаг между отверстиями t, мм	Относительное свободное сечение тарелки Fc, %	Сечение перелива, м2	Относит площадь перелива, %	Периметр слива Lc, м	Масса тарелки, кг
2400	4,52	3,9	4	10	6	0,317	6,9	1,57	172

Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: d=4мм, высота перегородки h_п=40мм. Свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 10% от общей площади тарелки.

Гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны рассчитывается по уравнению:

,

где - сопротивление сухой тарелки, Па;

- сопротивление, вызванное силами поверхностного натяжения, Па;

- сопротивление парожидкостного слоя на тарелке, Па.

Находим значения каждого из составляющих гидравлического сопротивлений тарелки .

2.1 Сопротивление сухой тарелки

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

,

где - коэффициент сопротивления тарелки: для ситчатых тарелок со свободным сечением отверстий 7-10% - =1,82; - скорость пара в отверстиях тарелки, м/с.

Скорость пара в отверстиях тарелки при .

.

Сопротивление сухой тарелки:

Для верхней части колонны

;

Для нижней части колонны

.

2.2 Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения

,

где у - поверхностное натяжение в верхней и нижней части колонны при средней температуре жидкости, Н/м.

Для верхней части колонны:

,

где , - поверхностное натяжение воды и уксусной кислоты при t_ср=105⁰С (табл. XXIV стр. 526 [1]);

,

.

Для нижней части колонны:

,

где , - поверхностное натяжение воды и уксусной кислоты при t_ср=116,9⁰С (табл. XXIV стр. 526 [1]);

,

.

2.3 Сопротивление парожидкостного слоя

,

где g - ускорение свободного падения, м/с²;

- относительная плотность пены (принимаем k=0,5);

- плотность жидкости, кг/м³;

- высота слоя над сливной перегородкой, м;

h_пж - высота парожидкостного слоя, м.

.

Величину определяют по уравнению:

,

где V_ж - объемный расход жидкости, м³/с;

П - периметр сливной перегородки (длина дуги), м.

Периметр сливной перегородки (длину дуги) определяем по выражению:

,

где - угол выреза сливной перегородки.

.

Объемный расход жидкости:

а) в верхней части колонны

,

где ,

,

;

б) в нижней части колонны

,

где ,

,

.

Находим высоту слоя над сливной перегородкой:

а) в верхней части колонны

;

б) в нижней части колонны

.

Высота парожидкостного слоя на тарелке:

а) в верхней части колонны

;

б) в нижней части колонны

.

Сопротивление парожидкостного слоя:

а) в верхней части колонны

;

б) в нижней части колонны

.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки:

а) в верхней части колонны

;

б) в нижней части колонны

.

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h_m=0,45м необходимое для нормальной работы тарелок условие:

.

Для тарелок нижней части колонны, у которых гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок верхней части:

.

Следовательно, принятое расстояние между тарелками достаточно для создания гидравлического затвора.

Определим минимальную скорость пара в отверстиях , необходимую для равномерной работы тарелки

;

.

Рассчитанная скорость меньше . Следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.

Общее гидравлическое сопротивление колонны с ситчатыми тарелками:

.

3. Тепловой расчет ректификационной колонны

Расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью от конденсирующего пара в кубе-испарителе колонны

,

где -расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, Вт;

-тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт;

-теплоемкость исходной смеси, дистиллята, кубовой жидкости, соответственно, Дж/кг?К.

Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:

,

где - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;

- массовые доли компонентов.

Температура кипения смеси t_F=109,2^оC, кубового остатка t_W=115,4^оC и дистиллята t_D=100,5^оC; теплоемкости воды и уксусной кислоты при этих температурах определяем по номограмме (ХI, с.562 [1]) (А-вода, В-уксусная кислота)

;

;

.

Теплоемкости смесей:

;

;

.

Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара:

,

- удельная теплота конденсации дистиллята, Дж/кг;

,

где , - удельная теплота конденсации компонентов А и В при температуре t_D=100,5^оC (табл. XLV стр.541 [1]).

.

.

Тепловые потери колонны в окружающую среду:

,

где -температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем ;

- температура воздуха в помещении, ;

- суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(м²К),

;

.

-наружная поверхность изоляции колонны, определяем по формуле:

;

.

Потери тепла в окружающую среду:

;

.

Расход тепла в кубе колонны с учетом тепловых потерь:

Расход греющего пара в кипятильнике (давление р_абс=6,303ат, влажность 5%):

.

Расход тепла в паровом подогревателе исходной смеси рассчитывается по формуле:

,

где - теплоемкость исходной смеси при средней температуре, равной

.

,

где - теплоемкости воды и уксусной кислоты при (ХI, с.562 [1]).

.

.

Расход греющего пара в подогревателе исходной смеси (давление р_абс=6,303ат, влажность 5%):

;

.

Общий расход пара равен:

.

Расход воды в дефлегматоре при нагревании ее на 20⁰С:

;

.

Расход воды в холодильнике дистиллята при нагревании ее на 20⁰С:

;

.

Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании ее на 20⁰С:

;

.

Общий расход воды в ректификационной установке:

;

.

3.1 Расчет тепловой изоляции колонны

В качестве изоляции берем асбест (л_из=0,151 Вт/м?К). Исходя из упрощенного соотношения (для плоской стенки) имеем:

,

где -толщина изоляции, м;

-температура внутренней поверхности изоляции, принимаем ее ориентировочно на 10-20⁰С ниже средней температуры в колонне .

Определяем толщину изоляции:

;

.

Проверяем температуру внутренней поверхности изоляции:

;

.

расхождение: 84-83,6=0,4⁰С<1°С.

4. Расчет вспомогательного оборудования

4.1 Кипятильник (куб - испаритель)

Температурные условия процесса. Кубовый остаток кипит при 115,4⁰С. Согласно заданию, температура конденсации греющего пара равна 160⁰С (р_абс=6,303атм).

Следовательно, средняя разность температур:

160-115,4=44,6⁰С.

Тепловая нагрузка

.

Выбор конструкции.

Кипятильники ректификационных колонн непрерывного действия по устройству сходны с кипятильниками выпарных аппаратов. При небольших поверхностях теплообмена куб колонны обогревается змеевиком или горизонтальной трубчаткой, пересекающей нижнюю часть колонны; при этом греющий пар пропускается по трубам.

При больших поверхностях теплообмена применяют выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

Определяем ориентировочно максимальную величину площади теплообмена. По (табл. 4.8 стр. 172 [1]) для данного случая теплообмена (от конденсирующегося водяного пара к кипящей жидкости) принимаем значение минимального коэффициента теплопередачи К_min=340Вт/м²К.

Тогда максимальная поверхность теплообмена:

;

.

Предварительно выбираем для расчета выносной кипятильник кожухотрубчатый теплообменник с трубами диаметром 20Ч2 мм, длина труб 9,0м. (табл. 2.3 стр. 51 [3])

4.1.1Определение коэффициента теплопередачи

Принимаем среднее значение тепловой проводимости загрязнений стенок со стороны конденсирующегося водяного пара , со стороны кубового остатка (почти чистая уксусная кислота) .

Теплопроводность стали л=46,5Вт/м?К.

Таким образом,

;

.

Коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К), со стороны конденсирующегося водяного пара определяем по формуле:

,

где л - коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/м?К;

Н - высота кипятильных труб, м;

p - плотность конденсата, кг/м³;

r - удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

м - динамический коэффициент вязкости конденсата, Па*с.

Значение коэффициентов теплопроводности, динамической вязкости, плотности определяем по (табл. XXXIX стр. 537 [1]).

.

Коэффициент теплоотдачи для кипящей уксусной кислоты находим по формуле

,

где - коэффициент теплопроводности кипящей уксусной кислоты при t_W=115,4⁰С (стр. 561 [1]);

- плотность кипящей уксусной кислоты (стр. 512 [1]);

- динамической коэффициент вязкости кипящей уксусной кислоты при t_W=115,4⁰С (стр. 556 [1]);

- поверхностное натяжение уксусной кислоты (стр. 526 [1])

коэффициент b определяется по формуле:

,

где с - плотность паров уксусной кислоты при t_W=115,4⁰С рассчитывается по формуле:

,

где с₀ - плотность паров уксусной кислоты при нормальных условиях, равна

,

где М - мольная масса уксусной кислоты;

Т₀ - температура при нормальных условиях, К;

Т - температура кипения уксусной кислоты, К;

Р, Р₀ - давление в кипятильнике при рабочих и нормальных условиях.

.

.

Коэффициент теплопередачи для кипящей уксусной кислоты равен:

;

.

Коэффициент теплопередачи:

.

Удельная тепловая нагрузка

.

Откуда

.

Это уравнение решаем графически, задаваясь значениями q , y-левая часть уравнения.

При q=39000 Вт/м²у=-0,84.

При q =41000 Вт/м²у=0,78.

При у=0 находим q=40035,7 Вт/м².

Рисунок 3 - Графическое определение удельного расхода тепла

Коэффициент теплопередачи

;

.

Площадь поверхности теплообмена

;

.

С запасом 15-20% принимаем по каталогу (табл.2.3 стр.51 [3]) 4-хходовой теплообменник.

Характеристика теплообменника

Поверхность теплообмена…………………………..397м²;

Диаметр кожуха……………………………………...1200мм;

Диаметр труб…………………………………………202мм;

Длина труб……………………………………………4м;

Количество труб……………………………………...1580.

Расчеты остальных теплообменников выполняются. Задаваясь ориентировочными значениями коэффициентов теплопередачи [1].

4.2 Дефлегматор

В дефлегматоре конденсируется вода с небольшим количеством уксусной кислоты. Температура конденсации паров дистиллята t_D=100,5^оC.

Температуру воды на входе в теплообменник примем 18⁰С, на выходе 38⁰С.

Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи:

100,5⁰С 100,5⁰С

38⁰С 18⁰С

;

;

.

По (табл. 4.8, с 172. [1]) коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара органических веществ к воде находится в пределах (конденсаторы) 340-870 Вт/м²К.

Принимаем наименьший коэффициент теплопередачи К=340 Вт/м²К

Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара .

Поверхность дефлегматора находим из основного уравнения теплопередачи

;

.

C запасом принимаем одноходовой теплообменник с поверхностью F=663м² (табл. 2.3, с 51 [3]).

Характеристика теплообменника

Поверхность теплообмена…………………………..663м²;

Диаметр кожуха……………………………………...1000мм;

Диаметр труб…………………………………………202мм;

Длина труб……………………………………………9м;

Количество труб……………………………………...1173.

4.3 Холодильник для дистиллята

В холодильнике происходит охлаждение дистиллята до температуры конденсации до 30⁰С.

100,5⁰С 30⁰С

38⁰С 18⁰С

;

;

.

Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от дистиллята в дефлегматоре пара

.

Принимаем К=300Вт/м²?К.

Поверхность теплообмена холодильника дистиллята находим из основного уравнения теплопередачи

.

C запасом принимаем одноходовой теплообменник с поверхностью F=26м² (табл. 2.3, с 51 [3]).

Характеристика теплообменника

Поверхность теплообмена……………………………………….26м²;

Диаметр кожуха наружный……………………………………...400мм;

Диаметр труб……………………………………………………...252мм;

Длина труб………………………………………………………...3м;

Количество труб……………………………………......................111.

4.4 Холодильник для кубового остатка

В холодильнике кубового остатка происходит охлаждение кубовой жидкости от температуры кипения до 30⁰С.

115,4⁰С 30⁰С

38⁰С 18⁰С

;

;

.

Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от кубовой жидкости .

Принимаем К=250Вт/м²К.

Поверхность теплообмена холодильника кубовой жидкости

.

C запасом принимаем 4-хходовой теплообменник с поверхностью F=240м² (табл. 2.3, с 51 [3]).

Характеристика теплообменника

Поверхность теплообмена…………………………..240м²;

Диаметр кожуха……………………………………...800м;

Диаметр труб…………………………………………202мм;

Длина труб……………………………………………6м;

Количество труб……………………………………...638.

4.5 Подогреватель

Служит для подогрева исходной смеси от t_н=18-20^оС до температуры t_F=109,2⁰C. Исходная смесь подогревается водяным насыщенным паром с температурой 160⁰С.

160⁰С 160⁰С

20⁰С 109,2⁰С

.

Принимаем К=120Вт/м²?К.

Поверхность теплообмена подогревателя находим из основного уравнения теплопередачи:

;

.

C запасом принимаем двухходовой теплообменник с поверхностью F=286м² (табл. 2.3, с 51 [3]).

Характеристика теплообменника

Поверхность теплообмена…………………………..286м²;

Диаметр кожуха……………………………………...1000м;

Диаметр труб…………………………………………202мм;

Длина труб……………………………………………4м;

Количество труб……………………………………...1138.

Заключение

В результате проведенного расчета мы определили:

Диаметр D=2400 мм и высоту колонны H=20,15 м.

Произвели гидравлический и тепловой расчет колонны.

Рассчитали и подобрали вспомогательное оборудование.

Список использованной литературы

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов под ред. чл. корр.АН России П.Г. Романкова. - 12 -е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987г. М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. - 576с.

2. Массообменные процессы: Учебное пособие по курсу «Процессы и аппараты химических производств» Ч.2/ Л.И.Ченцова и др. Под общ. ред. Левина Б.Д.-Красноярск: СибГТУ, 2004.-237с.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по пректированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2 - е изд., перераб. и дополн. М.: Химия 1991. - 496с.

4. А.Г.Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. - 10 - е изд., стереотипное, доработанное. Перепеч. сизд. 1973г. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. - 753с.

Приложение 1

Диаграмма зависимости мольной доли НК в паре от мольной доли НК в жидкой фазе

Приложение 2

Диаграмма зависимости температур кипения и конденсации от состава фаз

Приложение 3

График зависимости =f(x)



Размещено на Allbest.ru

...