Расчет ректификационной установки

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является ректификация.

Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности.

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков паров и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент, которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно высококипящий компонент, переходящий в жидкость. Такой двусторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить, в конечном счете, пары, представляющие собой почти чистый НКК. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят и флегму - жидкость для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым ВКК.

Процесс ректификации может осуществляется периодически или непрерывно.

В ректификационных установках используют главным образом аппараты двух типов: насадочные и тарельчатые. Кроме того, для ректификации под вакуумом применяют: пленочные и роторные колонны. Ректификационные колонны снабжены теплообменными устройствами - кипятильником (кубом) и дефлегматором. Кроме того, для уменьшения потерь тепла в окружающую среду ректификационные аппараты покрывают тепловой изоляцией.

Если сравнивать тарельчатые и насадочные ректификационные аппараты, то отмечено, что тарельчатая колонна обладает значительно большей производительностью по сравнению с насадочной. Преимущество тарельчатой колонны так же в том, что насадочные колонны целесообразно использовать при диаметре не более 0,8 м. При дальнейшем увеличении диаметра ухудшается равномерное распределение флегмы по насадке, образуются каналы, по которым преимущественно устремляется флегма, и эффективность колонны резко снижается.

В данном курсовом проекте процесс ректификации проводится под атмосферным давлением. Под вакуумом процесс ректификации проводится для разделения высококипящих жидких смесей. Повышенное давление - для разделения смесей находящихся в газообразном состоянии. Атмосферное давление применяют при разделении смесей, имеющих температуру кипения от 30С до 150С.

1. Технологическая схема установки

Рис. 1. Схема непрерывно действующей ректификационной установки: 1 - ректификационная колонна (а - укрепляющая часть, б - исчерпывающая часть); 2 - кипятильник; 3 - дефлегматор; 4 - делитель флегмы; 5 - подогреватель исходной смеси; 6 - холодильник дистиллята (или холодильник-конденсатор); 7 - холодильник остатка (или нижнего продукта); 8, 9 - сборники; 10 - насосы

2. Материальный баланс ректификационной колонны

Материальный баланс установки составляем для определения расходов флегмы и дистиллята, а так же для определения флегмового числа.

Физико-химические свойства веществ, входящих в исходную смесь:

· Вода:

температура кипения: 100С;

плотность (при температуре 20С): 998 кг/м3;

мольная масса: 18,01 кг/кмоль;

· Уксусная кислота:

температура кипения: 118 С;

плотность (при температуре 20С): 1049,8 кг/м3;

мольная масса: 60,05 кг/кмоль.

Пусть, согласно рис. 2, в колонну поступает F кмоль исходной смеси, состав которой хF мольных долей НКК. Сверху из колонны удаляется G кмоль, образующегося после конденсации флегму и дистиллят. Количество получаемого дистиллята - Р кмоль, его состав хР мольных долей НКК. На орошение колонны возвращается флегма в количестве Ф кмоль, причем ее состав равен составу дистиллята (хФ = хР мольных долей). Снизу из колонны удаляется W кмоль остатка состава хW мольных долей НКК.

Рис. 2. К составлению материального баланса ректификационной колонны: 1 - колонна; 2 - куб; 3 - дефлегматор

гидравлический ректификация дефлегматор

Расчет будем производить по НКК. В данном процессе им является вода.

Уравнения материального баланса колонны будут иметь вид:

(1)

Обозначим массовый расход дистиллята через GD кг/ч, расход кубового остатка через GW кг/ч.

Выразим концентрации питания - хF, дистиллята - хD и кубового остатка - хW в массовых долях.

Питание:

(2)

Дистиллят:

(3)

Кубовый остаток:

(4)

Тогда из уравнений материального баланса запишем:

(5)

Находим GF= 73387,5 кг/ч, GW = 64087,5 кг/ч.

Определяем мольный расход питания:

(6)

Строим кривую равновесия (см. рис. 3) по данным, приведенным в таблице 1:

Таблица 1

	Содержание воды, %
t, c	ж.	пар
118,10	0,00	0,00
115,40	5,00	9,20
113,80	10,00	16,70
110,10	20,00	30,20
107,50	30,00	42,50
105,80	40,00	53,00
104,40	50,00	62,60
103,20	60,00	71,60
102,10	70,00	79,50
101,30	80,00	86,40
100,60	90,00	93,00
100,00	100,00	100,00

Рис. 3. Зависимость y от x

Рис. 4. Зависимость t - x,y

Как видно из рис. 3 кривая равновесия перегибов не имеет.

Определяем минимальное число флегмы:

(7)

где yF* = 0,43 - мольная доля уксусной кислоты в паре, равновесном с жидкостью питания, определяем по диаграмме y - х.

Рабочее число флегмы:

(8)

Определяем уравнения рабочих линий:

· верхней (укрепляющей) части колонны:

(9)

· нижней (исчерпывающей) части колонны:

(10)

3. Определение скорости пара и диаметра колонны.

Определяем 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 (рис. 4):

· при у`ср=0,621: t`ср=104С (Т`ср=t`ср+Т0=104+273=377 К);

· при у``ср=0,256: t``ср=111С (Т``ср=t``ср+Т0=111+273=384 К).

Определяем средние мольные массы и плотности пара:

Средняя плотность пара в колонне:

Температура в верху колонны при xD=0,84 равняется 101 0С, а в кубе-испарителе при хW=0,11 она равна 113 0С (см. рис. 4).

Плотность воды при 101 0С: сб= 958 кг/м3, а уксусной кислоты при 113С:

ст = 934 кг/м3.

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

Определяем скорость пара в колонне по уравнению:

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

сж сп - плотности жидкости и пара, кг/м3.

Т. к. в нашем случае сж сп, то формулу (5.9) можно переписать следующим образом:



Принимаем расстояние между тарелками h=500 мм. Для ситчатых тарелок находим значение коэффициента С=0,078.

Скорость пара в колонне:

Определяем среднюю температуру в колонне:

С; тогда

Определяем объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре:

где MD - мольная масса дистиллята, равная:

Определяем диаметр колонны:

По каталогу-справочнику «колонные аппараты» берем D=3600 мм, тогда скорость пара:

4. Гидравлический расчет тарелок

По ГОСТ 26-805-73 для колонны диаметром 3600 мм выбираем ситчатую однопоточную тарелку ТС-Р со следующими конструктивными размерами:

- свободное сечение колонны, м2: 10,2;

- рабочее сечение тарелки, м: 9;

- диаметр отверстия, мм: 4;

- шаг между отверстиями, мм 12;

- относительное свободное сечение тарелки, %: 7,98;

- сечение перелива, м2: 4,59;

- относительная площадь перелива, %: 5,7;

- периметр слива, м: 2,24;

- масса, кг: 305.

Рассчитаем гидравлические сопротивление тарелки в верхней и в нижней части колонны по формуле:

· Верхняя часть колонны.

Определяем гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

где =1,82 - коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 7-10%.

- скорость пара в отверстиях тарелки.

Определяем сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

где `= 58,510-3 Н/м - поверхностное натяжение жидкостей при средней температуре в верхней части колонны при tср=107,5С, d0=0,004 м - диаметр отверстий тарелки.

Определяем сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

Высота парожидкостного слоя:

hП - высота сливной перегородки;

h` - высота слоя над сливной перегородкой.

Величину h рассчитываем по формуле:

где V`Ж - объемный расход жидкости, м3/с;

П - периметр сливной перегородки, м,

- отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости.

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

где:

- средняя мольная масса жидкости.

П и b находим решая совместно систему уравнений:

Отсюда: П= 2,642 м и b= 0,578 м.

Находим h`:

По полученным данным определяем высоту парожидкостного слоя на тарелке:



Определяем сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:

· Нижняя часть колонны.

Расчет проводим аналогично расчету верхней части.

где ``=18,710-3 Н/м - поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в нижней части колонны при tср=111С.

где:

;

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:

Проверяем, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h=0,5 м необходимое для нормальной работы тарелок условие:

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

0,5>0,326 - следовательно, вышеуказанное условие соблюдается.

Проверим равномерность работы тарелок - рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях 0 min достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями:

Т.к. 0> 0 min, следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.

5. Определение числа тарелок и высоты колонны

Рис. 5

Наносим на y - x диаграмму рабочие линии верхней и нижней части колонны (рис. 5) и находим число ступеней изменения концентрации nТ. В верхней части колонны , в нижней части колонны , всего 12,5 ступеней.

Число тарелок рассчитываем по уравнению:

где - средний КПД тарелок.

Для определения находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов: и коэффициент динамический вязкости исходной смеси при средней температуре в колонне, равной 107,5С.

При этой температуре давление насыщенного пара воды РВ.= 967,57 мм. рт. ст., уксусной кислоты РУК= 554,63 мм. рт. ст.. Следовательно:

Определяем динамические коэффициенты вязкости:

· воды: 0,23 сП;

· уксусной кислоты: 0,4 сП.

Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси:

Тогда:

По диаграмме для приближенного определения среднего КПД тарелок находим =0,54. Длина пути жидкости на тарелке:

где D=3,6 м - диаметр колонны; =0,578 м

По графику определяем значение поправки на длину пути =0,22.

Определяем средний КПД тарелок с учётом поправки:

Для сравнения рассчитаем средний КПД тарелки по критериальным уравнениям:

В нашем случае:

Определяем число тарелок с помощью рассчитанного значения КПД:

· в верхней части колонны

· в нижней части колонны

Общее число тарелок n=25, с запасом n=27, из них в верхней части колонны 16 и в нижней части 11 тарелок.

Высота тарельчатой части колонны:



Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

6. Тепловой расчет установки

Определяем расход тепла, отдаваемого охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:

где

- удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре;

R - рабочее число флегмы;

- удельная теплота конденсации воды.

- удельная теплота конденсации уксусной кислоты.

Определяем расход тепла, получаемого в кубе-испарителе от греющего пара:

В данном расчете тепловые потери Qпот приняты в размере 3% от полезно затрачиваемого тепла; удельные теплоемкости взяты соответственно при tD=101С, tW=113С и tF=107,5С.

Определяем расход тепла в паровом подогревателе исходной смеси:

где tнач=18С.

В данном расчете тепловые потери Qпот приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси:

взята при средней температуре С.

Определяем расход тепла, отдаваемого охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

где tкон=25 0С; удельная теплоемкость дистиллята взята при средней температуре С.

Определяем расход тепла, отдаваемого охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

где tкон=250С; удельная теплоемкость кубового остатка взята при средней температуре С.

Определяем расход греющего пара, имеющего давление рабс= 4 атм и влажность x= 5%:

· в кубе-испарителе

где rг.п.=2141103 кДж/кг - удельная теплота конденсации греющего пара при

рабс=4 атм.

· в подогревателе исходной смеси

(8.7)

Всего:

Определяем расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20 0С:

· в дефлегматоре

где св=4190 Дж/кгК - удельная теплоемкость охлаждающей воды; в=1000 кг/м3 - плотность охлаждающей воды;

· в водяном холодильнике дистиллята

· в водяном холодильнике кубового остатка

Всего:

7. Механический расчёт аппарата

Среда в аппарате токсичная, коррозионно-активная, из условия коррозионной стойкости выбираем материал обечайки (днища, крышки) - сталь Ст20 со скоростью проникновения коррозии П = 0,4 мм/г.

Расчет толщины стенки обечайки:

S ? SR + C,

где:

PR - внутреннее давление;

где h - расстояние между сварными швами крышки и днища.

- плотность воды при н.у. 998 кг/м3.

цР - коэффициент прочности сварных швов.

цР = 0,95

[у] - допускаемое напряжение.

Для стали Ст20 при t = 1130С [у] = 149 МПа

С - прибавка на коррозию.

ТА = 20 лет.

С = П•ТА

С = 0,4·20 = 8 мм

Так как минимальная толщина стенки при заданном диаметре равна 16 мм, а при рабочем давлении мы получили 1,8 мм, то принимаем толщину стенки 16 мм.

Выбор днища:

,

где:

R - радиус кривизны;

РR - давление в условиях гидравлического испытания.

Так как минимальная толщина стенки при заданном диаметре равна 16 мм, а при рабочем давлении мы получили 3,685 мм, то принимаем толщину днища и крышки 16 мм.

Расчет фланцев.

Условный диаметр рассчитываем исходя из объёмного расхода и рекомендуемой скорости движения среды. Для жидкости 1м/с, для газа (пара) 25 м/с

Так как давление в аппарате атмосферное выбираем тип фланцев - плоские приварные.

Материал фланцев: сталь Ст20, шпилек: Ст3.

Фланец питания колонны:

где V - объемный расход питания.

щ - линейная скорость потока; щ = 1 м/с.

Принимаем D = 200 мм.

Материал прокладки - асбестовый картон.

Фланец дистиллята: V = 2,610 м3/с, щ = 25 м/с.

Принимаем D = 500 мм

Материал прокладки - асбестовый картон.

Фланец кубового остатка:



V = 0,019 м3/с

щ = 1 м/с.

Принимаем D = 200 мм.

Материал прокладки - асбестовый картон.

Фланец флегмы:

V=0,014 м3/с

Принимаем D = 150.

Материал прокладки - асбестовый картон.

Литература

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971.

2. Методические указания к курсовому проектированию по курсу "Процессы и аппараты химической технологии", кафедра МАПП, Пермь, 1992.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 2007.

4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 2004.

5. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. Л.: Машиностроение, 1981 г.

6. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т. 1,2 - Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. - 852с.

Размещено на Allbest.ru

...