Расчет ректификационной колонны непрерывного действия

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол - толуол по следующим данным:

Расход исходной смеси GF = 2,5 кг/с.

Содержание низкокипящего компонента - бензола в процентах по массе:

В исходной смеси - xF = 30%;

В дистилляте - xD = 98%;

В кубовом остатке - xW = 3%.

Колонна работает под атмосферным давлением.

Тип ректификационной колонны - тарельчатая колпачковая.

Рассчитать подогреватель исходной смеси для ректификационной колонны (кожухотрубчатый конденсатор), если известно, что для охлаждения используется пар, начальная температура 15 0С, конечная - 20 0С.



ВВЕДЕНИЕ

Ректификация - многократная дистилляция, проводимая таким образом, что восходящий поток пара взаимодействует с нисходящим потоком жидкости, обогащенной легколетучим компонентом. В результате массопередачи поднимающийся пар обогащается легколетучим компонентом, а стекающая жидкость труднолетучим. Ректификация заключается в противоточном взаимодействии паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, получающейся при конденсации паров.

Разделение осуществляется обычно в колонных аппаратах при многократном или непрерывном контакте фаз. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент, которым обогащаются пары, а из паровой - конденсируется преимущественно высококипящий компонент, переходящий в жидкость. В результате обмена компонентами между фазами в конечном счете пары представляют собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пары выходящие из верхней части колоны после их конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (верхний продукт) и флегму - жидкость, возвращающуюся для орошения колоны и взаимодействия с поднимающимися в колоне парами. Снизу удаляется жидкость представляющая собой почти чистый высококипящий компонент - кубовый остаток (нижний продукт). Часть остатка испаряют в нижней части колоны для получения восходящего потока пара.

Ректификация известна с начала девятнадцатого 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 производных органического синтеза, изотопов, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).



1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА РЕКТИФИКАЦИИ И ЕЁ ОПИСАНИЕ

Рис. 1.1 - Схема ректификационной установки непрерывного действия: 1 - емкость для исходной смеси; 2 - подогреватель; 3 - колонна; 4 - кипятильник; 5 - дефлегматор; 6 - делитель флегмы; 7 - холодильник; 8 - сборник дистиллята; 9 - сборник кубового остатка

Исходную смесь из емкости 1 центробежным насосом подают в теплообменник 2, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификацион-ную колонну 3, где состав жидкости равен составу исходной смеси xF . Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, обра-зующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка xW ,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 хD, получаемой в дефлегматоре 5 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 емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 7 и направ-ляется в емкость 9.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легко-летучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).



2. ПОДБОР МАТЕРИАЛА

Для рассчитываемого аппарата выбираем материал Х18Н10Т. Это нержавеющая сталь, имеющая хорошую коррозионную стойкость. Кроме того, сталь выдерживает достаточновысокие допускаемые напряжения. Помимо этого за счёт легирующих элементов, материал ре только прочный, но и достаточно пластичный.

Прибавка толщины детали для учёта коррозии Ск =П· Ка

С = П· Ка= 0,3·20 = 6мм., где П = 0,3 мм/год.

П = 0,3мм/год - коррозионная проницаемость для стали Х18Н10Т;

Та= 20лет - амортизационный срок службы аппарата.

Сталь Х18Н1ОТ применяется для обечаек, днищ, фланцев, трубных решеток, болтов, шпилек, валов, патрубков штуцеров, корпусов крышек, тарелок, фланцев и других деталей сварной, кованной, литой химической аппаратуры.

Остальные детали, не соприкасающиеся с токсичной, коррозионной средой, изготовляются из стали ст3.



3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Таблица 3.1 - Данные о равновесном составе пара над жидкостью [3]

x	y	t	P
0,00 10,7 20,7 30,3 39,3 48,6 57,8 67,3 77,3 87,5 100,00	0,00 21,9 38,1 50,9 60,9 69,6 76,9 83,5 89,3 94,5 100,00	110,7 105,9 101,9 98,4 95,4 92,6 90,0 87,5 85,1 82,8 80,2	760

По данным таблицы строим линию равновесия и диаграмму равновесия между жидкостью, и паром при постоянном давлении.



4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТА

4.1 Материальный баланс колоны

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

Из уравнения материального баланса.

GF = GD + GW;

GFxF = GDxD+ GWxW,

где GF , GD,, GW -производительность по исходной смеси, дистиллята и кубового остатка; XF, XD, XW - содержание легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке, массовые доли.

GD· 0,98+ GW· 0,03=2,5· 0,3·3600

GD· 0,98+ GW· 0,03=2700

GD = GF - GW =9000 - GW

(9000 - GW) 0,98 + GW· 0,03 = 2700

8820 - 0,98 GW + 0,03 · GW = 2700

- 0,95· GW = - 6120

GW =6442,11 кг/ч.

Для дальнейших расчётов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях.

Питание:

,

где MБ , MТ - молярная масса бензола и толуола.

MБ (С6 Н6) =12· 6+1· 6 = 78 г/моль

MТ (С6 Н5 СН3) = 12·· 7 + 1· 8 = 92 г/моль

Дистиллят:

Кубовый остаток:

Относительный мольный расход питания F:

Кривая равновесия точек перегиба не имеет.

Определяем минимальное число флегмы Rmin по уравнению:

y=0,56 - мольная доля бензола в паре, равновесном с жидкостью питания, определяем по графику А.

Определим рабочее число флегмы:

R = 1,3· R+ 0,3 = 1,3· 1,91 + 0,3 = 2,78

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

4.2 Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны:

Средние концентрации пара находим по уравнению рабочих линий:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Средние температуры пара определяем по диаграмме t - (x, y) приложение А Рис 2.

а) при y`= 0,75 t`= 90 0C

б) при y``= 0,27 t``= 105 0C

Средние мольные массы и плотности пара:

а)

б)

Средняя плотность пара в колонне:

Плотности жидких бензола и толуола близки. Температура вверху колонны при xD = 0,983 равняется tD= 81 0C, а в кубе - испарителе при x= 0,036 равняется t= 111 0C. (см. приложение А Рис 2)

Плотность жидкого бензола при 81 0C рБ.= 815 кг/м, а жидкого толуола при 111 0C рТ =776 кг/м. [5]

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

Определяя скорость пара щ в колонне по данным каталога - справочника ?Колонные аппараты? принимаем расстояние между тарелками h = 300мм, С = 0,044.

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне t= (81 + 111)/2 = 96 0C

где МD - молярная масса дистиллята, равная

MD= 0,983·78 +(1 - 0,983) · 92 = 78,238кг/кмоль.

Диаметр колонны:

По [2] принимаем D = 1400мм, тогда скорость пара в колонне будет:

4.3 Гидравлический расчет тарелок

Принимают, что свободное сечение патрубков должно составлять 10 - 15? от свободного сечения тарелки. Тогда количество колпачков (оно равно числу патрубков) определяется из соотношения:



штук.

Принимаем 56 колпачков по [4].

Диаметр патрубка принимают из ряда: 50, 75, 100, 125, 150.

Задаемся диаметром патрубка 75мм.

Диаметр колпачка находим из условия равенства скорости пара в газовом патрубке и в кольцевом сечении колпачка (т.е. если скорости пара равны, то равны их площади).

Примем толщину стенки патрубка 3мм.

Из практических и нормализованных данных размеры прямоугольных прорезей принимают следующие: ширина прорези bпр=2-7 мм, высота прорези hпр=10-50 мм, расстояние между прорезями 3-4 мм.

Принимаем ширину прорези bпр =5 мм, высота прорези hпр =20 мм, высоту сливного порога hпор = 60 мм, расстояние между тарелкой и верхним краем прорезей колпачка hв =40 мм

Располагаем колпачки по вершинам равностороннего треугольника.

Определяем скорость пара в прорезях

Длина окружности колпачка:

Количество прорезей

где а - расстояние между прорезями, а=3 мм

Принимаем nпр.=43

Схема колпачка.



Рис. 4.1

На каждой тарелке колонны расположено по 56 колпачков, каждый из которых имеет по 43 прямоугольных прорезей размером b h= 5 20мм. Расстояние между прорезями 3 мм; расстояние между тарелкой и верхним краем прорезей h= 40мм.

Определяем скорость пара в прорезях:

Гидравлическое сопротивление тарелки в колонне рассчитывается по формуле:

?p = ?p+ ?p+?p

Сопротивление сухой тарелки:

о - коэффициент сопротивления колпачковой тарелки, равен 3,0;

щ - скорость пара в прорезях, м/с;

- средняя плотность пара в колонне.

Сопротивление вызываемого силами поверхностного натяжения:



у=20 ·10-3 H/м

у - поверхностное натяжение, Н/м;

d - эквивалентный диаметр отверстия

, где f - площадь свободного сечения прорези; П - периметр прорези.

Тогда

.

Сопротивление столба жидкости на тарелке:

k - относительная плотность пены 0,5;

- средняя плотность жидкости в колонне, кг/м3;

l - расстояние от верхнего края прорези до конца порога, 20мм;

?h - градиент уровня жидкости, 10мм.

Общее сопротивление тарелки в колонне:

?pобщ = 106 + 10 + 200,5 = 316,5 Н/м2

4.4 Определение числа тарелок и высоты колонны

На диаграмму х-у (см. приложение А Рис 1) наносим рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число теоретических тарелок. В верхней части колонны n`= 9, в нижней части колонны n``= 8, всего 17 тарелок.

Число тарелок рассчитываем по уравнению:



Для определения среднего к.п.д. з тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов, и динамический коэффициент вязкости исходной смеси м при средней температуре в колонне, равной 96 0С.

При этой температуре давление насыщенного пара бензола

PБ= 1204 мм.рт.ст., толуола PТ= 492,5 мм.рт.ст. , откуда .

Динамический коэффициент вязкости при 96 0С бензола мБ=0,27·10Па·с и толуола мТ.= 0,29·10Па·с.

Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси

м = 0,28·10Па·с.

Тогда бм = 2,45· 0,28 = 0,685.

По графику находим зср = 0,53 [5, стр. 323].

Длина пути жидкости на тарелке

l = D - 2b = 1600 - 2· 0,26 = 0,88 м.

По графику находим ?=0.105 [5, стр. 324]

Тогда

з = з(1+?)=0,53(1+0,105)= 0,59

Число действительных тарелок:

в верхней части колонны

;

в нижней части колонны

;

Общие число тарелок n = 29, с запасом nТ = 30, из них в верхней части колонны 16 и в нижней части 14 тарелок.

Высота тарельчатой части колонны:

,

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

колонна тарелка штуцер реатификация

4.5 Тепловой расчет установки

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре - конденсаторе:

где:

где rБ, rТ.- удельные теплоты конденсации бензола и толуола при 82 0С.

rБ=391 кДж/кг, rТ=377,8 кДж/кг [5, табл. XLV, стр. 541-542]

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 tD= 81 0С, t= 111 0С, t= 103 0С, которые определены по рис. 3.2. [5, рис. XI, стр. 562]

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:



Здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси с=(0,339· 0,5+(1-0,339) · 0,445) · 4190 Дж/кг·К взята при средней температуре (103 + 15)/2 = 59 0С.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

где удельная теплоемкость дистиллята сD=0,47· 4190 Дж/кг·К взята при средней температуре (81 + 20)/2 = 50,5 0С.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

где удельная теплоемкость кубового остатка с=0,45· 4190 Дж/кг·К взята при средней температуре (111 + 20)/2 = 65,5 0С.

Расход греющего пара, имеющего давление р=3 кгс/см2 и влажность 5%:

а) в кубе - испарителе:

б) в подогревателе исходной смеси:

Всего: 0,53 + 0,22 = 0,75 кг/с или 2,7 т/ч

Расход охлаждающей воды при нагреве её на 20 0С:

а) в дефлегматоре

б) в водяном холодильнике дистиллята



в) в водяном холодильнике кубового остатка

Всего: 0,0174 м3/с или 62,64 м3/час.



5. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ УСТАНОВКИ

5.1 Расчет толщины обечаек

Формула для определения номинальной расчётной толщины стенки:

где p - внутреннее избыточное давление

р = с·g·h = 2,79·9,81·16,96 = 464,2 Па

с - средняя плотность пара в колонне; h - высота колонны.

Так как среда является слабо агрессивной, то принимаем сталь Х18Н10Т, для которой = 134МПа.

[] - допускаемое напряжение.

[] = з = 1·134 = 134МПа

з = 1 - поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки.

ц = 1 - коэффициент сварных швов.

s=s'+C

С - прибавка к расчетным толщинам; С = П· Ка= 0,3·20 = 6мм; П = 0,3мм/год - скорость коррозии; Ка= 20лет - срок службы аппарата.

S=4.43 + 6 = 10.43

По [4] толщину обечайки примем s = 10 мм.



5.2 Расчет толщины днища и крышки

Эллиптические днище и крышка

Рис. 5.1

Толщина стенки днища и крышки определяется по формуле:

R - радиус кривизны в вершине днища.

R = D - для эллиптических днищ с H = 0,25·D

H = 0,25·1400 = 350 мм.

R = 1400мм.

Принимаем толщину крышки и днища равной толщине стенки 10 мм.

Длину цилиндрической отбортованной части днища по [4] принимаем равной h1 = 50мм.

5.3 Расчет штуцеров

Расчет штуцеров сводится к диаметру штуцера:

щ - скорость жидкости 1,5 м/с, скорость пара 20 м/с.

Штуцер с приварным фланцем.

Рис. 5.2

Штуцер для выхода паров дистилята.

d=

.

Принимаем Dу =250 мм

Штуцер для входа флегмы.



Принимаем Dу =80 мм

Штуцер для входа паров дистиллята.

Принимаем Dу =200 мм_

Штуцер для входа питания

Принимаем Dу =100 мм

Штуцер для выхода кубового остатка.

Принимаем Dу=80 мм.

Выбираем стальные приварные фланцевые штуцера с приварными плоскими фланцами по ГОСТ 1255-67.

5.4 Расчет высоты аппарата

Hобщ = 11600(высота тарельчатой части) + 2000(опора) +3000(до 1-ой тарелки) + 1600 (от последней тарелки) + 600(высота крышки) + 200(вылет штуцера) + 2·50(высота отбортовки) + 500(добавка на люк) = 16960 мм = 16,96 м

Hцил= 3000 + 1090 + 3900 + 2·50 = 8090 мм = 8,09 м

Hж = n·hпор + 1.3(переливной порог) = 30· 0,06 + 1,3 = 3,1 м



6. РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО КОНДЕНСАТОРА

Тепловой и материальный расчет. [1]

Тепловая нагрузка аппарата

Расход воды.

G2 = GF = 9000

Средняя разность температур.

?t =(73-5)/ln(73/5)= 59?С

Р изб = 0,3МПа

Рабс = Р изб + 1 =4 ат

При Рабс =4 ат, чп =2141 °С

t кор =142,9 °С

с= xF· сб + (1 - xF ) сТ =0,339· 0,5 +(1-0,339) = 0,46·4190 = 1927,4

мF = xF· сб + (1 - мF ) сТ =0,339· 0,316 + (1-0,339)· 0,316 =0,32 МПа·с=0,00032

Примем минимальное ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению Кор=600Вт/м2·К. При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:

Примем ориентировочное знечение кр. Рейнольдса ReОР = 15000, определим соотношение n/z для труб диаметром d= 20х2мм:

где n - общее число труб,

z - число ходов по трубному пространству,

d - внутренний диаметр труб.

Уточненный расчет поверхности теплопередачи.

Примем диаметр кожуха D = 325 мм, диаметром труб 202мм, числом ходов z = 2 и общим числом труб n = 90

n/z = 90/2 = 45.[1, стр.60]

Действительное значение числа Рейнольдса Re2 равно:

PrF =

Коэффициент теплоотдачи к воде, пренебрегая поправкой (Pr/Pr):

Коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося на пучке вертикально расположенных труб:

Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений со стороны пара равна:

Коэффициент теплопередачи:

Требуемая поверхность теплопередачи:

Из выбранного ряда подходит теплообменник с длинной труб 4,0м и номинальной поверхностью F1 = 22,5 м2.

Рассчитаем запас по площади:



Гидравлическое сопротивление. рассчитываем по формуле

Скорость воды в трубах:

Коэффициент трения равен:

.

Диаметр штуцеров в распределительной камере:

dтр.ш =100мм = 0,1м

Скорость в штуцерах:

Гидравлическое сопротивление:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате курсового проекта рассчитана ректификационная колонна непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол - толуол, и подогреватель исходной смеси (кожухотрубчатый конденсатор) для данной установки.

Колонна имеет диаметр 1400 мм, 30 колпачковых тарелок, высоту 16,96 м, толщину обечайки, крышки и днища 10 мм.

Теплообменник имеет диаметр 325 мм; 90 труб диаметром 20*2 мм, длиной 4,0 м и поверхностью теплопередачи 22,5м2.

К достоинствам колпачковых тарелок относятся: высокая интенсивность работы вследствие большой поверхности контакта, устойчивость работы при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости

К недостаткам относятся: высокое гидравлическое сопротивление, сложны по устройству, большие затраты металла, малая предельно допустимая скорость газа.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аристова Н. А., Ноговицына Е.В. Процессы и аппараты химической технологии. Метод. указания к выполнению и оформлению курсовых проектов; Нижнетагил. технол. ин-т (фил.) УГТУ-УПИ.- Нижний Тагил: НТИ (ф) УГТУ-УПИ, 2014. - 68 с.

2. Каталог: Колонные аппараты. М.: ЦИНТИНХИМНЕФТЕМАШ, 1987. 28 с.

3. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. Кн.2. М.Л.: Наука, 1966. 1426 с.

4. Лащинский А.А., Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник под ред. канд. техн. наук А.Р. Толчинского Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1981. - 382 с., ил.

5. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов по ред. чл. - корр. АН России П. Г. Романкова. - 13-е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987г. М.:ООО ТИД "Альянс",2006.-576с.

Размещено на Allbest.ru

...