Расчет колонны для разделения бинарной смеси вода – уксусная кислота

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕМА

РАСЧЕТ КОЛОННЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ

СМЕСИ ВОДА - УКСУСНАЯ КИСЛОТА

Введение

Целью данной курсовой работы является расчет ректификационной колонны для разделения бинарной смеси вода - уксусная кислота.

Ректификация - представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру.

1 Технологическая схема

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

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 .

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 , 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 мой) состава х_Р, 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.

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

Такие установки оснащаются необходимыми контрольно - измерительными приборами, позволяющими автоматизировать их работу и проводить процесс с помощью программного управления в оптимальных условиях. Путем автоматического регулирования сводится к минимуму колебания количества, качества и температуры исходной смеси, давления и расхода греющего пара и расхода охлаждающей жидкости.

2 Расчет основного аппарата

2.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

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

Отсюда находим:

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости, определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы . Здесь - минимальное флегмовое число:

где и -- мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси; --концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.

Определим R - пересчитаем составы фаз из массовых долей в мольные по соотношению:

где и - молекулярные массы соответственно воды и кислоты, кг/кмоль.

Получим

Аналогично найдем: и кмоль/кмоль смеси.

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение можно найти путем технико - экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) . Здесь - минимальное флегмовое число:

где и - мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси; - концентрация легколетучего компонента в паре, находящимся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.

Подставив значения, получаем:



Задавая различные значения коэффициента избытка флегмы , определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме составов пара y - состав жидкости x (приложения 1-3) находим число тарелок N [1]. Равновесные данные для различных систем приведены в справочнике [4].

Результаты расчетов рабочего флегмового числа представлены в приложении 3 и приведены ниже:

Таблица 1

	1,1	1,35	1,6	1,7	1,85	2,1	2,35
	1,98	2,43	2,88	3.06	3,33	3.78	4,23
	17,1	12,5	10,6	10.2	9,7	9,1	8,3
N(R+1)	50,95	42,87	41,13	40,6	42	43,5	43,58

Минимальное произведение N(R+1)соответствует флегмовому числу R=3,1. При этом коэффициент избытка флегмы .

В приложении 3 изображены рабочие линии в диаграмме y - x при действительном флегмовом числе.

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

где и - мольные массы дистиллята и исходной смеси; и -средние мольные массы жидкости в верхней и нижних частях колонны.

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента - воды. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижних частях соответственно равны:

где и - мольные массы воды и уксусной кислоты; и -средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:

Тогда:

Мольная масса исходной смеси:

Подставив рассчитанные величины в уравнения для нахождения средних массовых расходов по жидкости в верхней и нижней частях колонны, получим:



Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

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

(8)

где

Тогда

Подставив численные значения в уравнения для нахождения средних массовых потоков пара в верхней и нижней частях колонны, получим:



2.2 Скорость пара и диаметр колонны

Поскольку отношения и физические свойства фаз и верхней и нижней частях колонны различны, определим скорости захлебывания для каждой части отдельно.

Найдем плотности жидкости и пара в верхней и нижней частях колонны при средних температурах и них и . Средние температуры паров определим по диаграмме t - x, y по средним составам фаз:

2.3 Высота колонны

Число действительных тарелок в колонне может быть определено графоаналитическим методом (построением кинетической линии). Для этого необходимо рассчитать общую эффективность массопередачи на тарелке (КПД по Мэрфри). Эффективность тарелки по Мэрфри с учетом продольного перемешивания, межтарельчатого уноса и доли байпасирующей жидкости приближенно определяется следующими уравнениями:

где - фактор массопередачи для укрепляющей части колонны; - фактор массопередачи для исчерпывающей части колонны; - локальная эффективность по пару; е -- межтарельчатый унос жидкости, кг жидкости / кг пара: - доля байпасирующей жидкости; S - число ячеек полного перемешивания; m - коэффициент распределения компонента по фазам в условиях равновесия.

Локальная эффективность связана с общим числом единиц переноса по паровой фазе на тарелке следующим соотношением:

,

где

Здесь - в ; - средняя мольная масса паров, кг/кмоль.

В настоящее время нет достаточно надежных данных для определения поверхности контакта фаз, особенно эффективной поверхности массопередачи при барботаже на тарелках. Поэтому обычно в расчетах тарельчатых колонн используют коэффициенты массопередачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки (). Коэффициент определяют по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

где и - коэффициенты массоотдачи, отнесенные к единице рабочей

площади тарелки соответственно для жидкой и паровой фаз, .

В литературе приводится ряд зависимостей для определения коэффициентов массоотдачи на тарелках различных конструкций. Однако большинство их получено путем обобщения экспериментальных данных по абсорбции и десорбции газов и испарению жидкостей в газовый поток. В ряде работ показано, что с достаточной степенью приближения эти данные можно использовать для определения коэффициентов массоотдачи процессов ректификации бинарных систем, для которых мольные теплоты испарения компонентов приблизительно равны. В частности, для тарелок барботажного типа рекомендуются обобщенные критериальные уравнения, которые приводятся к удобному для расчетов виду:

По этим уравнениям получают удовлетворительные результаты для расчета нейтральных и положительных бинарных смесей. Для отрицательных смесей необходимо учитывать поверхностную конвекцию.

2.4 Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержание барботажного слоя

Высоту светлого слоя жидкости для ситчатых тарелок находят по уравнению:

где - удельный расход жидкости на 1м ширины сливной перегородки, м?/с; b - ширина сливной перегородки, м; - высота сливной перегородки, м; и - поверхностное натяжение соответственно жидкости и воды при средней температуре в колонне; - в ;

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны

Паросодержание барботажного слоя находят по формуле:

где

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны

Необходимо определить вязкость паров и коэффициенты диффузии в жидкой и паровой фазах.

Для верхней части колонны:

где и - вязкость паров воды и уксусной кислоты при средней температуре верхней части колонны, ; и - средняя концентрация паров соответственно верхней и нижней части колонны:

Вязкость паров в верхней части колонны:

Вязкость паров в нижней части колонны:



Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре t (?C) равен:

;

Коэффициенты диффузии в жидкости при 20 ?C можно вычислить по приближенной формуле:

где А,В - коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя; и - мольные объекты компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см?/моль; - вязкость жидкости при 20 ?C, мПа:

А=1,27; В=4,7.

Температурный коэффициент b определяется по формуле:

где и принимаются при температуре 20 ?C. Тогда

Отсюда

Аналогично для нижней части колонны находит:

Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению:

где Т - средняя температура в соответствующей части колонны, К; P - абсолютное давление в колонне, Па. , тогда для верхней части колонны:

для нижней части колонны:

2.5 Коэффициенты массопередачи и высота колонны

Рассчитав коэффициенты молекулярной диффузии в жидкой и паровой фазах, вычисляем коэффициенты массоотдачи.

Для верхней части колонны:

- коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

- коэффициент массоотдачи в паровой фазе:

Для верхней части колонны:

- коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

- коэффициент массоотдачи в паровой фазе:

Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на

- для верхней части колонны

- для нижней части колонны:

Коэффициенты массоотдачи, рассчитанные по средним значениям скоростей и физических свойств паровой и жидкой фаз, постоянны для верхней и нижней частей колонны. В то же время коэффициент массопередачи -- величина переменная, зависящая от кривизны линии равновесия, т. е. от коэффициента распределения. Поэтому для определения данных, по которым строится кинетическая линия, необходимо вычислить несколько значений коэффициента массопередачи в интервале изменения состава жидкости от до . Пример расчета для определения координат одной точки кинетической линии дан ниже.

Пусть х=0,6. Коэффициент распределения компонента по фазам (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке) m=0,8. Коэффициент массопередачи вычисляем по коэффициентам массоотдачи в верхней части колонны:

- коэффициент массопередачи вычисляем по коэффициентам массоотдачи в верхней части колонны:

- общее число единиц переноса на тарелку находим по уравнению:

- локальная эффективность равна:

Для определения эффективности по Мэрфри необходимо рассчитать также фактор массопередачи , долю байпасирующей жидкости , число ячеек полного перемешивания S и межтарельчатый унос e.

Фактор массопередачи для верхней части колонны:

Для ситчатых тарелок при факторе скорости

принимают =0.1.

Для колонн диаметром более 600 мм с ситчатыми тарелками отсутствуют надежные данные по продольному перемешиванию жидкости, поэтому принимаем, что одна ячейка перемешивания соответствует длине пути жидкости и определим число ячеек полного перемешивания S как отношение длины пути жидкости на тарелке к длине l. Определим длину пути жидкости как расстояние между переливными устройствами:

Тогда число ячеек полного перемешивания на тарелке

Относительный унос жидкости е в тарельчатых колоннах определяется в основном скоростью пара, высотой сепарационного пространства и физическими свойствами жидкости и пара. В настоящее время нет надежных зависимостей, учитывающих влияние физических свойств потоков на унос, особенно для процессов ректификации. Для этих процессов унос можно оценить с помощью графических данных, представленных . По этим данным унос на тарелках различных конструкций является функцией комплекса . Коэффициент т, учитывающий влияние на унос физических свойств жидкости и пара, определяют по уравнению:

откуда

Высота сепарационного пространства равна расстоянию между верхним уровнем барботажного слоя и плоскостью тарелки, расположенной выше:

где Н - межтарельчатое расстояние, м; - высота барботажного слоя (пены), м .

В соответствии с каталогом, для колонны диаметром 800 мм расстояние ,

. Высота сепарационного пространства в нижней части колонны меньше чем в верхнем, поэтому определим для низа колонны:

Тогда

При таком значении комплекса унос е=0,12 кг/кг. Унос жидкости в верхней части колонны мало отличается от уноса в нижней части и в нашем примере е=0,184 кг/кг. Подставляя в уравнения (30) (33) вычисленные значения т, , , S и е, определяем КПД по Мэрфри :

Зная эффективность по Мэрфри, можно определить концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из тарелки по соотношению:

где и у* - концентрация соответственно легколетучего компонента в паре на входе в тарелку и равновесная с жидкостью на тарелке.

Отсюда:

Аналогичным образом подсчитаны у_к для других составов жидкости. Результаты расчета параметров, необходимых для построения кинетической линии, приведены ниже:

Параметр	Нижняя часть колонны		Верхняя часть колонны
X	0,2	0,3	0,4	0.5	0,6	0,75	0,85
m	1,3	1	0,95	0,9	0,8	0,7	0,65
	0,0355	0,0364	0,0365	0,0367	0,037	0,0373	0,0375
	0,844	0,865	0,867	0,872	0,879	0,886	0,891
	0,57	0,579	0,58	0,582	0,585	0,588	0,59
B	1,093	0,902	0,868	0,836	0,772	0,704	0,671
	0,7258	0,7096	0,706	0,704	0,698	0,6915	0,689
	0,637	0,6426	0,643	0,644	0,645	0,6456	0,6464
	0,543	0,5475	0,5478	0,5485	0,549	0,5496	0,5502
	0,2543	0,382	0,498	0,607	0,69	0,805	0,8775

Взяв отсюда значения х и у_к, наносят на диаграмму x-y точки, по которым проводят кинетическую линию. Построением ступеней между рабочей и кинетической линиями в интервалах концентраций от до определяют число действительных тарелок для верхней (укрепляющей) части и в интервалах от до - число действительных тарелок для нижней (исчерпывающей) части колонны . Общее число действительных тарелок:

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле:

где h - расстояние между тарелками, м; , - расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.

2.6 Гидравлическое сопротивление тарелок колонны

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определяют по формуле:

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

Полное гидравлическое сопротивление тарелки складывается из трех слагаемых:

.

Гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) тарелки:

Принимаем , получим:

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя (пены) на тарелках:

;

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

Тогда полное гидравлическое сопротивление одной тарелки:

Полное гидравлическое сопротивление тарелок:

3 Выбор конструкционных элементов аппарата

3.1 Выбор материала

Выбор материала производится исходя из условий работы аппарата. Так как среда агрессивная (вода - уксусная кислота), для данных условий ректификации подходит хромоникелевая сталь. Из хромоникелевых сталей наиболее широкое распространение для химического аппаратно- и машиностроения получили стали, содержащие 17-19% Cr и 8-10% Ni. По справочнику [6] выбираем для деталей колонны легированную сталь Х18Н10Т, скорость коррозии 0,1 мм/год. Данная сталь обладает наибольшей химической и коррозионной стойкостью при ее рабочих параметрах, обладает хорошей свариваемостью и допускает холодную и горячую механическую обработку, а также является недефицитной и устойчива в уксусной кислоте любой концентрации при любой температуре до температуры кипения включительно [6].

3.2 Подбор штуцеров

Выбираем стальные фланцевые тонкостенные штуцера [4].

Внутренний диаметр трубопровода круглого сечения рассчитывается по формуле [2]:

где Q - объемный расход перекачиваемого вещества, м?/с; - скорость вещества в трубопроводе, м?/с. Принимаем для жидкости , для пара [2].

Для исходной смеси:

Тогда

Принимаем стандартный диаметр штуцера d=50 мм.

Для кубовой жидкости:

Откуда

Принимаем d=50 мм.

Для флегмы:

где .

Тогда

Откуда

Принимаем d=32 мм.

Для пара:

где .

Тогда

Принимаем d=150 мм.

Результаты сведены в таблицу.

Таблица 3

		Давление условное до 0,6 МПа
32	38	3	155
50	57	3	155
150	159	6	155

3.2 Подбор фланцев

Выбираем для труб и трубопроводов стальные плоские приварные фланцы с соединительным выступом по ГОСТу 1255-67.

Результаты сведены в таблицу:

Таблица 4

, МПа	Размеры, мм	Число отверстий, z
								h
	32 50 150	120 140 260	90 110 225	70 90 202	60 81 192	39 59 161	41 61 164	10 10 13	10 12 16	12 12 16	14 14 18	M12 M12 M16	4 4 8

Для соединения крышки аппарата с царгой выбираем фланец плоский приварной с соединительным выступом по ОСТу 26-426-79.

Размеры приведены в таблице.

Таблица 5

D, мм		Размеры, мм	Число отверстий, z
					h	S	d
800		920	880	842	25	8	23	28

3.3 Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки

Расчетное давление в нижней части обечайки с учетом гидравлического давления столба жидкости [5]:

Допускаемое напряжение в рабочем состоянии [5]:

где - нормативное допускаемое напряжение для стали Х18Н10Т при 20 ?С, , т.к. аппарат изготавливается из листового проката.

Допускаемое напряжение при гидравлическом испытании:

где - предел текучести стали Х18Н10Т.



Расчетное значение внутреннего давления для жидкой среды:

Пробное давление при гидравлическом испытании:

где - нормативное допускаемое напряжение для стали при 20 ?С.

Коэффициент прочности продольных сварных швов обечайки , т.к. принято, что швы с двусторонним сплошным проваром выполнены автоматической дуговой сваркой [5].

Прибавки к расчетной толщине стенки:

для компенсации коррозии:

где П - скорость коррозии, мм/год; - время эксплуатации, лет.

Принимая , , , получим .

Расчетная и исполнительная толщины стенки цилиндрической обечайки:



Так как

<0,1, условие применимости формул выполняется

Таким образом, при толщине стенки S=8 мм обеспечивается прочность цилиндрической обечайки колонны как в рабочем состоянии, так и при гидравлическом испытании.

3.4 Расчет стандартных эллиптических днища и крышки

Эллиптическая форма днищ является наиболее распространенной в сварных химических аппаратах. Эллиптические крышки состоят из соответствующих стандартных днищ и сварных с ними стандартных фланцев ( размеры в табл. 5)

Выбираем стандартное эллиптическое днище с внутренним базовым диаметром по ГОСТу 6533-78.

Толщина стенки днища:

Допустимое давление:

- в рабочем состоянии:



- в испытании:

Так как <0,1 - условие применимости формул выполняется.

3.5 Подбор опоры аппарата

Масса корпуса аппарата рассчитывается по формуле [5]:

;

где .

Выбираем цилиндрическую опору для стальных колонных аппаратов с кольцевым опорным поясом [4].

Размеры опоры сведены в таблицу, мм.

Таблица 6

0,25	0,012	800	6	20	12	10	60	90	28	М24	6	1080	750	960	1100

3.6 Подбор люков

Рекомендуется устанавливать люк через каждые 5-10 тарелок - на корпусе аппарата имеется два люка. Выбираем люки с плоскими крышками и фланцами, с уплотнением на соединительном выступе по ОСТу 26-2002-77.

Таблица 7

	Размеры, мм	Число отверстий, z
	D				H		h		S
0,6	250	370	310	335	180	260	16	16	4	12

3.6 Подбор насоса

Устанавливаем, что заданным подаче и напору более всего соответствует центробежный насос марки Х8/18, для которого при оптимальных условиях работы , Н=11,3 м, . Насос обеспечен электродвигателем АО2-31-2 номинальной мощностью ,

. Частота вращения вала n=48,3 .

ректификационный колонна вода уксусный кислота

Список используемой литературы

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Химия, 1991. - 494 с.

2. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.

3. Михайлов Г.С. Процессы и аппараты химической технологии. Методические указания по выполнению курсового проекта / Г.С. Михайлов, П.Т. Петрик, В.А. Плотников, Е.Ю. Старикова. Кемерово, 2004.

4. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. - Л.: Машиностроение, 1981. - 382 с.

5. Михалев М.Ф. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. Примеры и задачи М.Ф. Михалев, И.П. Третьяков, А.И. Мильченко, В.В. Злобин. - Л.: Машиностроение, 1984. - 301 с.

6. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость металлов в агрессивных средах химических производств: Справочник. - М.: Химия, 1975. - 861 с.

Размещено на Allbest.ru