Баланс ректификационного процесса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Ректификация - это процесс разделения жидких смесей, который сводится к одновременно протекающим и многократно повторяемым процессам частичного испарения и конденсации разделяемой смеси на поверхности контакта фаз. Ректификацию чаще всего проводят в колонных аппаратах.

Ректификационные колонны предназначены для проведения процессов массообмена в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Колонные аппараты изготавливают диаметром 400-4000 мм для работы под давлением до 1.6 МПа в царговом (на фланцах) исполнении корпуса, для работы под давлением до 4.0 МПа в цельносварном исполнении корпуса.

В зависимости от диаметра, колонные аппараты изготавливают с тарелками различных типов. Колонные аппараты диаметром 400-4000 мм оснащают стандартными контактными и распределительными тарелками, опорами, люками, днищами и фланцами. На корпусе цельносваренного аппарата предусмотрены люки для обслуживания тарелок.

Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и т.д.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способность тарелки работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии и т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров диаметр и высота. Оба параметра в значительной мере определяются нагрузками по пару и жидкости, типом тарелки, свойствами взаимодействующих фаз [1].

Разделяемая смесь близка по свойствам к идеальной смеси, без образования азеотропных смесей и других осложнений. Поэтому ректификацию будем проводить при атмосферном давлении 0.1 МПа на ситчатых тарелках. На питание колонны будем подавать в виде жидкости при температуре кипения; кубовой остаток будем испарять, и подавать в виде насыщенного пара в низ колонны.

1. Материальный баланс

Мольные массы компонентов смеси:

;

;

Массовая концентрация начальной смеси, дистиллята и кубового остатка:

;

;

;

Определение количества дистиллята, исходной смеси и кубового остатка

;

;

;

2. Определение флегмового числа

Атмосферное давление:

;

Давление в колонне:

;

Строим таблицу равновесного состава [1, рис.XIV]:

111		300
115	800	380	0.905	0.952
120	900	480	0.667	0.789
125	1000	600	0.4	0.526
132	1570	500	0	0

То таблице находим состав пара равновесного с начальной смесью, с дистиллятом и кубовым остатком:

;

;

;

Определяем минимальное флегмовое число:

;

1. Принимаем коэффициент избытка флегмы:

;

Рабочее флегмовое число:

;

Координата точки b:

;

Строим кривую равновесия:

С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:

;

Находим произведение:

;

2. Принимаем коэффициент избытка флегмы:

;

Рабочее флегмовое число:

;

Координата точки b:

;

Строим кривую равновесия:

С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:

;

Находим произведение:

;

3. Принимаем коэффициент избытка флегмы:

;

Рабочее флегмовое число:

;

Координата точки b:

;

Строим кривую равновесия:

С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:

;

Находим произведение:

;

4. Принимаем коэффициент избытка флегмы:

;

Рабочее флегмовое число:

;

Координата точки b:

;

Строим кривую равновесия:

С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:

;

Находим произведение:

;

Строим зависимость

:



Из графика находим оптимальное флегмовое число и число теоретических тарелок при этом:

; ;

3. Определение действительного числа тарелок упрощенным методом

ректификация флегмовый баланс

Относительная летучесть начальной смеси:

;

По [1, табл.IX] находим вязкости компонентов:

;

;

Вязкость жидкости на питательной тарелке:

;

Общий коэффициент полезного действия в тарелке:

;

Число действительных тартелок:

;

Принимаем:

;

4. Определение расхода греющего пара

Находим температуры кипения начальной смеси, дистиллята и кубового остатка:

;

;

;

Находим теплоемкости начальной смеси, дистиллята и кубового остатка [1, рис.XI]:

Находим теплоемкости чистых компонентов при температуре начальной смеси:

; ;

; ;

Теплоемкость начальной смеси:

;

Находим теплоемкости чистых компонентов при температуре дистиллята:

; ;

; ;

Теплоемкость дистиллята:

;

Находим теплоемкости чистых компонентов при кубового остатка:

; ;

; ;

Теплоемкость кубового остатка:

;

Удельные теплоты парообразования компонентов [1, табл.XLV]:

;

;

Удельная теплота парообразования смеси на верхней тарелке:

;

Тепло, вносимое начальной смесью:

;

Тепло, вносимое флегмой:

;

Тепло, уносимое парами, поднимающимися с верхней тарелки:

;

Тепло, уносимое кубовым остатком:

;

;

где потери тепла в окружающую среду. Находим:

;

Принимаем, что давление греющего пара равно:

;

Удельная теплота парообразования греющего пара при данном давлении [1, табл.LVI]:

;

Расход греющего пара:

;

5. Определение расхода воды в дефлегматоре и конденсаторе

Принимаем, что температура охлаждающей воды равна:

;

Температура воды на выходе из дефлегматора и конденсатора:

;

Теплоемкость воды:

;

Расход воды в дефлегматоре:

;

Принимаем, что температура охлажденного дистиллята равна:

;

Расход воды в конденсаторе:

;

6. Определение диаметра и высоты колонны

а) Укрепляющая часть колонны:

средняя температура:

;

Средняя абсолютная температура:

;

Средний состав жидкости в мольных процентах:

;

Средний состав пара в мольных процентах:

;

Средняя молекулярная масса пара:

;

Средняя плотность смеси:

;

По [1, табл.IV] находим плотности компонентов в жидком состоянии при средней температуре:

;

;

Средний массовый состав:

;

Плотность жидкости:

;

Принимаем расстояние между тарелками:

;

Скорость пара в свободном сечении колонны:

;

Диаметр колонны:

;

б) Исчерпывающая часть колонны:

средняя температура:

;

Средняя абсолютная температура:

;

Средний состав жидкости в мольных процентах:

;

Средний состав пара в мольных процентах:

;

Средняя молекулярная масса пара:

;

Средняя плотность пара перегоняемой смеси:

;

По таблицам находим плотности компонентов в жидком состоянии при средней температуре:

;

;

Средний массовый состав:

;

Плотность жидкости:

;

Принимаем расстояние между тарелками:

;

Скорость пара в свободном сечении колонны:

;

Диаметр колонны:

;

Окончательно принимаем стандартный диаметр колонны для обоих частей:

7. Определение высоты колонны

Высота сепарационной части над верхней тарелкой:

;

Расстояние от нижней тарелки до днища колонны:

;

Высота колонны:

;

8. Конструктивно-механический расчет

Определение диаметров патрубков

Присоединение трубной арматуры к аппарату, а также технологических трубопроводов для подвода и отвода различных жидких и газообразных продуктов производится с помощью штуцеров или вводных труб. По условиям работоспособности чаще всего применяются разъемные соединения (фланцевые штуцера).

В химических аппаратах для разъемного соединения составных корпусов и отдельных частей применяются фланцевые соединения, преимущественно круглой формы. На фланцах присоединяются к аппаратам трубы, арматура и т.д.

1. Скорость подвода исходной смеси:

;

Расчетный диаметр патрубков:

;

Принимаем стандартный диаметр патрубка:

d=0.04 м;

2. Скорость отвода пара:

;

Расчетный диаметр патрубка:

;

Принимаем стандартный диаметр патрубка:

;

3. Скорость подвода флегмы:

;

Расчетный диаметр патрубка:

;

Принимаем стандартный диаметр патрубка:

d=0.1 м;

4. Скорость отвода кубового остатка:

;

Расчетный диаметр патрубка:

;

Принимаем стандартный диаметр патрубка:

d=0.08 м;

Все фланцы подсоединяемых трубопроводов плоские стальные приварные на номинальное расчетное избыточное давление 0.25 МПа (по ГОСТ 1255-54).

Все фланцы соединяемых частей корпуса аппарата (корпус, крышка, днище) плоские стальные приварные на номинальное расчетное избыточное давление 0.3 МПа.

9. Выбор типа уплотнения

Проведем выбор типа уплотнения и материала прокладки.

Давление в аппарате атмосферное, максимальная температура не более 150 С, среда агрессивная, токсичная, взрывопожароопасная. Согласно [5] выбираем уплотнение с прокладкой типа «шип-за» для всех фланцевых соединений (штуцера, части корпуса) аппарата. Согласно [5] форма поперечного сечения прокладки прямоугольная, материал прокладки картон асбестовый кислостойкий ГОСТ 2850-58 [5] (для всех фланцевых соединений).

10. Выбор конструкционных материалов аппарата

Выбор конструкционного материала осуществляем с учетом рабочих температур, агрессивности сред и их концентраций. По рекомендациям /2, с. 309/ для корпуса аппарата выбираем высоколегированную коррозионно-стойкую сталь 12Х18Н10Т.

11. Конструкция корпуса и толщина стенки корпуса

Так как давление в аппарате равно атмосферному, корпус колонны изготовлен цельносварным. Минимальная толщина стенок корпуса колонного аппарата обуславливается его диаметром. Для аппарата в интервале диаметров 400-2000 мм, принимаем [10, стр. 28]:

;

Для удобства сборки, а также ремонта и обслуживания аппарата предусмотрим установку люков по высоте аппарата с диаметрально противоположных сторон корпуса. Люки представляют собой штуцера с фланцевыми крышками. Выберем стандартный люк (по ГОСТ 26-2015-77) с диаметром 500 мм [1].

12. Выбор днища

Для проектируемого аппарата () выбираем стандартное эллиптическое отбортованное днище (крышку) с толщиной стенки s=10 мм «Днище 1800Х10-50-09Г2С ГОСТ 6533-78» [5].

13. Расчет опоры аппарата

Опоры для аппаратов в химической промышленности выбираются из расчета максимальной нагрузки, которую опора должна выдержать, во время испытания. Материал опоры выбирается в зависимости от температуры рабочей среды, емкости аппарата и т.д. Выберем сталь Ст3 сп3 ГОСТ 38071 [1].

Плотность стали:

;

Масса цилиндрической части корпуса:

Массы эллиптической крышки:

;

Масса тарелки [10, табл. 2.9]:

;

Масса корпуса:

;

Плотность воды:

;

Масса воды в рубашке аппарата при испытании:

;

Общая масса аппарата:

;

Вес аппарата:

;

Реакция одной опоры:

;

Подбираем по [5, табл. 29.1]<<Опора ОВ-I-10000 ОН 26-01-69-68>>

14. Гидравлический расчет

Скорость газа в отверстиях тарелки

;

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

;

Относительная плотность газожидкостной эмульсии на тарелке, принимаем:

;

Высота сливной перегородки:

Z=0.025 м;

Высота слоя жидкости над сливной перегородкой:

;

Сопротивление слоя жидкости:

;

Полное сопротивление тарелки:

;

Полное гидравлическое сопротивление для прохождения пара через колонну из куба в дефлегматор:

;

15. Расчет тепловой изоляции

Допустимая температура поверхности изоляции:

;

Температура окружающего воздуха:

;

Коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к воздуху:

;

Наружная поверхность теплообмена:

;

Потери тепла в окружающую среду:

;

Коэффициент теплопроводности изоляционного материала (асбест):

;

Толщина изоляционного слоя:

;

Список литературы

1. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию М.: Химия, 1991. 496 с.

2. Справочник химика. ТомIII: Химическое равновесие и кинетика. Свойства растворов. Электродные процессы. М.: Химия, 1964, 1093 с.

3. Справочник химика. Том VI: Характеристика сырья и продуктов производства органической технологии, техника безопасности и промышленная санимария. М.: Химия, 1978, 1093 с.

4. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд.2-е В 2-х кН.М.: Химия, 1995. 400 с., ил.

5. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: Справочник. Л.: Машиностроение, 1970. 752 с.

6. Лащинский А.А. Коструирование сварных химических аппаратов: Справочник. Л.: Машиностроение, 1981. 382 с.

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

8. Анурьев В.И. Справочник коеструктора-машиностроителя. В 3-х т. Т.1. 5-е изд. Перераб. И доп. М.: Машиностроение, 1978.

9. Анурьев В.И. Справочник коеструктора-машиностроителя. В 3-х т. Т.2. 5-е изд. Перераб. И доп. М.: Машиностроение, 1978.

10. Процессы и аппараты химической технологии. Проектирование рекфикационный колонн. Часть 1. Основы теории расчета и основные конструкции ректификационных колонн. Методические указания к курсовому проектировании для студентов химико-технологического и заочного энерго-механического факультетов. Томск: изд. ТПУ, 1997. 32 с.

Размещено на Allbest.ru