Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Томский Политехнический Университет»

Факультет - Химико-технологический

Кафедра - ОХТ

Дисциплина - ПАХТ

Расчёт ректификационной установки непрерывного действия

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

«Процессы и аппараты химической технологии»

КПФЮРА. 36000.00.000ПЗ

Исполнитель:

студент гр

Руководитель:

канд. техн. наук, доцент

Томск - 2009

Введение

Ректификация - процесс разделения гомогенных смесей летучих жидкостей путём двустороннего массообмена и теплообмена между неравновесными жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися противоположно друг другу.

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 колонны после их конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (верхний продукт) и флегму - жидкость, возвращающую для орошения колонны 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 колонны 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. Физико-химические основы

Достаточно высокая степень разделения однородных жидких смесей на компоненты может быть достигнута путем ректификации. Сущность процессов, из которых складывается ректификация, и получаемые при этом результаты можно проследить с помощью t - х - у - диаграммы.

Нагрев исходную смесь состава x₁ до температуры кипения получим находящийся в равновесии с жидкостью пар (точка b). Отбор и конденсация этого пара дают жидкость состава х₂ обогащенную НК (х₂>х₁).Нагрев эту жидкость до температуры кипения t₂, получим пар (точка d), конденсация которого дает жидкость с еще большим содержанием НК, имеющую состав x₃, и т. д. Проводя таким образом последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой практически чистый НК.

Аналогично, исходя из паровой фазы, соответствующей составу жидкости x₄, путем проведения ряда последовательных процессов конденсации и испарения можно получить жидкость (остаток), состоящую почти целиком из ВК.

В простейшем виде процесс многократного испарения можно осуществить в многоступенчатой установке, в первой ступени которой испаряется исходная смесь. На вторую ступень поступает на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров в первой ступени, в третьей ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени (после отбора из последней паров) и т. д. Аналогично может быть организован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующую ступень поступают для конденсации пары, оставшиеся после отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущей ступени.

При достаточно большом числе ступеней таким путем можно получить жидкую или паровую фазу с достаточно высокой концентрацией компонента, которым она обогащается. Однако выход этой фазы будет мал по отношению к ее количеству в исходной смеси. Кроме того, описанные установки отличаются громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую среду.

Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты достигается в процессах ректификации, проводимых обычно в более компактных аппаратах - ректификационных колоннах.

При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия.

В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается НК, а жидкость -- ВК.

Многократное контактирование приводит к практически полному разделению исходной смеси.

Таким образом, отсутствие равновесия (и соответственно наличие разности температур фаз) при движении фаз с определенной относительной скоростью и многократном их контактировании являются необходимыми условиями проведения ректификации.

Рисунок 1 - Изображение процесса разделения бинарной смеси путем ректификации на диаграмме t--х--у

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).

2. Технологическая схема ректификационной установки

Принципиальная схема ректификационной установки приведена на рисунке 2.1:

Рисунок 2.1 Схема ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарных смесей

1 - ректификационная колонна; 2 - подогреватель исходной смеси; 3 - дефлегматор; 4 - кипятильник (куб) колонны; 5 - теплообменник

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, где состав жидкости равен составу исходной смеси x_F.

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 Х_W, 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 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).

3. Технологический расчет

3.1 Задание и исходные данные

Произвести расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения смеси метанол-этанол, производительностью G_F = 6500 кг/ч по исходному раствору.

Тип колонны -- тарельчатая.

Содержание НК в смеси: = 0,2; _P = 0,98; = 0,03.

Давление греющего пара в испарителе и нагревателе исходной смеси P_{гр.пара} = 4 атм.

Исходная смесь подогревается в подогревателе от температуры 15 єС до температуры кипения при рабочем давлении в аппарате 10⁵ Па. Начальная температура охлаждающей дефлегматор воды 13 єС. В дефлегматоре предполагается полная конденсация всех паров, выходящих из колонны.

Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров -- диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит, от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа и размеров насадок.

3.2 Материальный баланс колонны и определение рабочего флегмового числа

Обозначим массовый расход дистиллята через G_Р кг/с, кубового остатка - G_W кг/с, исходной смеси- G_F кг/с.

Из уравнений материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия:

(1)

(2)

где G_F , G_Р ,G_W - массовые расходы питания, дистиллята и кубового остатка; х_F, х_Р, х_W - содержание легколетучего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке, массовые доли.

Отсюда находим:

G_w = 5336,8421 кг/час, = 1163,1579 кг/час.

Для расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях , X. M_мет = 32,049, M_эт = 46,07 - мольные массы метанола и этанола.

Питание:

x_F = (3)

ректификационный колонна пар тепловой

Дистиллят:

x_P =

Кубовый остаток:

x_W =

Определяем минимальное флегмовое число по уравнению:

 (4)

где =0,385 - мольная доля ацетона в паре равновесном с жидкостью питания, определяем по диаграмме.

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы в, определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочей линиям на диаграмме состав параY-состав жидкости X находим N [1]. Определение N приведены в приложениях, а результаты в таблице 2:

Таблица 2

в	1,01	1,1	1,15	1,2	1,25	2,0	2,5	3,0
R	5,033	5,48	5,73	5,98	6,23	9,96	12,46	14,95
N	28	24	21	21	20	15	14	14
N(R+1)	168,93	155,56	144,72	146,58	148,20	164,50	188,42	223,31

По полученным значениям строим график (см. приложение) и по графику определяем флегмовое число R=5,73.

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

(5)

Средний мольный состав жидкости:

а) в верхней части колонны ;

б) в нижней части колонны ;

Средние концентрации пара:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

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

(6)

где М_Р и М_F -- мольные массы дистиллята и исходной смеси;

М_В и М_Н -- средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

(8)

Верхней части:

Нижней части:

Тогда:

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колоны равны:

(9)

где М₁ - средние мольные массы паров:

Подставив численные значения, получим:

3.3 Расчет скорости пара и диаметра колонны

Найдем плотности жидкости с_{х в}, с_{x н} и пара с_{y в}, с_{y н} в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них t_в и t_н. Средние температуры паров определим по диаграмме t--х, у :

t_В= 76,7 °С; t_н= 70,3 °С.

Средние мольные массы и плотности пара:

(10)

 (11)

кг/м³;

кг/м³;

Средняя плотность пара в колонне: кг/м³.

Температура дистиллята (жидкой фазы) вверху колонны при равна 64,8 °С, а кубе-испарителе при она равна 77,2 °С (по диаграмме t-x,y).

Скорость пара в колонне:

в верхней части:; (12)

в нижней части: .

Средняя скорость паров:.

Средний массовый поток в колонне:

.

Диаметр колонны:

(13)

Принимаем диаметр 1600 мм.

При этом рабочая скорость пара будет:

.

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

Выберем сетчатую однопоточную тарелку типа ТС - Р. Характеристики тарелок типа ТС - Р при d = 1,2 м представлены в таблице 2.1 [1. прил. 2, 118]:

Таблица 2.1 -- Техническая характеристика тарелок типа ТС - Р (ГОСТ 26-805--73)

Параметр	Значение
Рабочее сечение тарелки, , м2	1,834
Диаметр отверстия, , мм	8
Шаг между отверстиями, , мм	16
Свободное сечение тарелки, м2	2,01
Сечение перелива,м	0,088
Периметр перелива, , м	0,795
Высота переливного порога, мм	50
Относительное свободное сечение тарелки, %	14,7

3.5 Гидравлический расчёт

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны рассчитываем по формуле

(14)

Где - полное гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей, Па

Полное гидравлическое сопротивление тарелки складывается из трех частей:

= (15)

Где - гидравлическое сопротивление сухой тарелки

- гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелки

- гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения.

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелках различно для верхней и нижней частей колонны:

(16)

Где g - ускорение свободного падения, м/с²

- средняя плотность жидкости в колонне, кг/м³

h₀- высота светлого слоя жидкости на тарелке.

h₀ = 0,0419+019•h_пер - 0,0135•+2,46•q

где h_пер - высота переливной коробки, м

V-объемный расход жидкости, м³/с

- скорость жидкости на тарелке, м/с

L_c - периметр слива, м.

V^/== (17)

V^//=

(18)

Скорость жидкости на тарелке:

На верхней:

На нижней:

Высота светлого слоя жидкости на тарелке:

Тогда гидравлическое сопротивление:

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

Тогда полное сопротивление одной тарелки верхней и нижней частей колонны равно:

Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны:

4. Определение числа тарелок и высоты колонны

Наносим на у-х диаграмму рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число ступеней изменения концентрации .

В верхней части колонны; в нижней части -- всего 21 ступеней.

Число тарелок вычисляем по уравнению: .

Для определения среднего к.п.д. тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов и динамический коэффициент вязкости исходной смеси при средней температуре в колонне.

При сП;сП [Д. Т. IX, 516]. Примем

сП.

Таким образом

.

По графику [2. рис. 7.4, 323] находим. Длина пути жидкости на тарелке.

Средний КПД тарелок с поправкой 0,09, равен:

.

Число тарелок в верхней части колонны: примем 22;

Число тарелок в верхней части колонны: примем 17.

Общее число тарелок 39 из них 22 в верхней части, 17 -- в нижней.

Высота тарельчатой части колонны: м [2. 356].

Общее сопротивление тарелок:

Расстояние между днищем колонны и нижней тарелкой, а также между верхней тарелкой и крышкой колонны определим исходя из необходимости равномерного распределения фаз по поперечному сечению колонны. Обычно это расстояние принимают равным [1. 107]. Для данного случаям. Примем .

Тогда общая высота колонны составит:м.

5. Тепловой расчет установки

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:

Вт;

здеськДж/кг,

где r_А и r_Б -- удельные теплоты конденсации метанола и этанола при 71 °С соответственно [2. табл. XLIII, 540].

Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара:

;

при

при

при

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

Вт

Дж/кг К при .

Расход теплоты отдаваемой охлаждающей воде в холодильнике дистиллята:

Вт

Дж/кг К при .

Расход теплоты в водяном холодильнике кубового остатка:

Вт.

Дж/кг К при .

Расход греющего пара имеющего давление р_абс = 4,0 кгс/см²:

- в кубе-испарителе

;

- в подогревателе исходной смеси

.

Всего G = 1,273 кг/с.

Расход охлаждающей воды при её нагреве на 18 °С в дефлегматоре:

В водяном холодильнике дистилята:

В водяном холодильнике кубового остатка:

Всего или 18142,036 м³/ч.

6. Конструктивно-механический расчет установки

6.1 Расчёт толщины обечайки

Р = 4 атм = 4,132 кгс/см2 = 0,4132 МН/м2.

Т.к. среда является агрессивной и токсичной, то принимаем материал стали Х18Н10Т, для которой у^#=138 МН/м² [рис, 3].

- допускаемое напряжние,

где - поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки (листовой прокат).

138 МН/м²Размещено на http://www.allbest.ru/

.

По табл. 14.7 [3] ц_ш = 0,95

Определим отношение определяющих параметров:

[у]*ц_ш/Р = 138*0,95/0,4132 3053,24 > 25

Номинальную расчетную толщину стенки обечайки для данного отношения согласно табл. 15.6 определяем по формуле:

Т.к. рекомендуемая минимальная толщина обечаек с D_В более 1200 мм равна 4 мм, то примем s¹= 4 мм.

- прибавка к расчетной толщине на коррозию,

где - скорость коррозии или эрозии, мм/год, примем ;

- срок эксплуатации аппарата,

Толщина стенки обечайки с учетом прибавок:

S = s¹ + c = 7 мм.

Принимаем в соответствии с сортаментом S= 8 мм.

Для обечаек с диаметром больше 1200мм должно выполняться условие:

8 - 2/1600 = 0,0037 - условие выполнено.

6.2 Расчёт толщины днища и крышки

Наиболее рациональной формой для цилиндрических аппаратов является эллиптическая форма днища и крышки. Эллиптические днища и крышки изготавливаются из листового проката штамповкой и могут использоваться в аппаратах с избыточным давлением до 10 МПа. Крышки и днища подбирают стандартными, по таблицам из справочной литературы.

Принимаем толщину крышки и днища равной толщине обечайки S=8мм.

Подбираем стандартные стальные отбортованные днище и крышку по (ГОСТ 6533-68)

Для днища и крышки подбираем фланцы [3]: тип 1, Р_у=0,6 МН/м², D_ф=1740 мм, s_min=10 мм, h = 42 мм. Болт М20, z = 60. Плоский, приварной, марка стали Х18Н10Т.

6.3 Расчёт изоляции колонны

Толщину теплоизоляционного слоя определим по соотношению:

;

где ;

;

, ; -- температуры стенки, изоляции и окружающей среды соответственно. Тогда

В качестве изоляционного материала выберем совелит с коэффициентом теплопроводности;

.

6.4 Расчёт штуцеров

Выберем штуцеры, исходя из соотношения: [1. 78].

Штуцер для ввода исходной смеси: м. По ОН-26-01-34-66 примем штуцер с D_y = 40 мм [3. табл. 27.3, 661] и соответствующий фланец к нему [3. табл. 21.9, 549].

Штуцер для ввода флегмы: мм. По ОН-26-01-34-66 примем штуцер с D_y = 40 мм [3. табл. 27.3, 661] и соответствующий фланец к нему [3. табл. 21.9, 549].

Штуцер для отвода кубового остатка:

м. По ОН-26-01-34-66 примем штуцер с D_y = 40 мм [3. табл. 27.3, 661] и соответствующий фланец к нему [3. табл. 21.9, 549].

Штуцер для вывода паров дистиллята:

. Тогда. По МН 4579-63-МН 4584-63 примем штуцер с D_y = 200 мм [3. табл. 27.1, 661] и соответствующий фланец к нему [3. табл. 21.9, 549].

Штуцер для ввода паров кубовой смеси:

. Тогда. Примем по ОН-26-01-34-66 штуцер с D_y = 400 мм [3. табл. 27.3, 661] и соответствующий фланец к нему [3. табл. 21.9, 549].

6.5 Опоры аппарата

Установка химических аппаратов на фундаменты или специальные несущие конструкции осуществляется большей частью с помощью опор.

Для установки нашего вертикального аппарата будем использовать опоры для вертикальных аппаратов.

Для того чтобы выбрать опору, необходимо рассчитать вес всего аппарата в рабочем состоянии.

Масса смеси в аппарате:

Масса обечайки аппарата:

Тогда общая масса аппарата:

М_апп = 22481,045 кг.

Вес всего аппарата:

G = m·g = 22481,045 · 9,81 · 10^-6 = 0,22 МН.

Рассчитаем толщину ребра:

где - максимальный вес аппарата при гидроиспытании, МН; - число опор, используем 1 опоры; - число ребер в опоре, принимаем 4;

- допускаемое напряжение на сжатие (примем равным 100 МН/м²);

- вылет опоры, м; - коэффициент, примем равным 0,45.

д = +0,001+0,003 = 0,049м = 49 мм.

Принимаем толщину ребра опоры, равную 50 мм.

Заключение

В процессе проделанной работы была рассчитана ректификационная установка для разделения смеси метанол - этанол.

Были получены следующие данные:

o диаметр колонны - 1600 мм;

o высота колонны - 14,4 м;

o толщина цилиндрической обечайки, элептического днища и крышки 8 мм.

Колонна состоит из 39 тарелок (22 в верхней части колонны и 17 в нижней) расстояние между тарелками 0,3 м. Тарелки ситчатые однопоточные типа ТС - Р свободное сечение тарелки 2,01 м². Скорость пара в рабочем сечении тарелки _Т = 1,062 м/с.

Проведены тепловой и механический расчёты установки, построены графики и таблицы.

Список использованной литературы

1. Дытнерский Ю.А., Процессы и аппараты химической технологии. 2-е изд., перераб. и дополн.- М.: Химия, 1980, 266с.

2. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.: Химия, 1987, 510с.

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

4. Касаткин А. Г., Основные процессы и. аппараты химической технологии. Изд. 9-е. М.: Химия, 1973, 750с.

Размещено на Allbest.ru