Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Описание технологической схемы

2. Физико-химические свойства перерабатываемых веществ

3. Расчёт насадочной ректификационной колонны

3.1 Выбор типа насадки и режима работы колонны

3.2 Материальный баланс колонны и определение рабочего флегмового числа

3.3 Расчёт скорости пара и диаметра колонны

3.4 Расчёт высоты насадки и общей высоты колонны

3.5 Расчёт гидравлического сопротивления насадки

4. Расчёт размеров и выбор деталей аппарата

4.1 Расчет толщины обечайки

4.2 Расчёт толщины днища и крышки

4.3 Трубы, фланцы и штуцера

4.3.1 Труба “Дефлегматор - Колонна”

4.3.2 Труба “Колонна - Ёмкость кубового остатка”

4.3.3 Труба “Колонна - Дефлегматор”

4.3.4 Труба “Кипятильник - колонна”

4.3.5 Труба “Исходная смесь - Колонна”

4.4 Расчёт опоры

4.5 Выбор тарелок

Вывод

Список литературы

Введение

Ректификация -- это тепломассообменный процесс, применяемый для разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения. Процесс осуществляется при контактировании потоков пара и жидкости, имеющих разные составы и температуры: пар содержит больше высококипящих компонентов и имеет более высокую температуру, чем вступающая с ним в контакт жидкость.

Организация потоков пара и жидкости, а также их взаимодействие реализуются в специальных массообменных аппаратах -- ректификационных колоннах. Поток пара создается за счет подвода тепла в нижнюю часть колонны и испарения находящейся там жидкой смеси. Поток жидкости (орошения, флегмы) организуется за счет отвода тепла из верхней части колонны и конденсации поступающего туда пара. Взаимодействие потоков осуществляется в специальных контактных устройствах (КУ), размещенных по высоте колонны.

Ректификационная колонна -- это противоточный колонный аппарат, в котором по всей его высоте реализуется процесс тепломассообмена между стекающей вниз флегмой (жидкостью) и поднимающимся вверх паром. Процесс тепломассообмена заключается в непрерывном "обмене" теплом и отдельными компонентами между жидкой и паровой фазами. Жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза -- более низкокипящим. Движущей "силой" этого обмена на границе двух фаз является стремление жидкой и паровой фазы к их равновесному состоянию. Равновесным состоянием фаз называется такое их сосуществование, при котором не происходит никаких видимых качественных или количественных изменений этих фаз. Равновесие фаз считается достигнутым только в том случае, когда одновременно удовлетворяются два условия: равны температуры фаз и равны парциальные давления каждого компонента в паровой и жидкой фазах. Второе условие означает, что процесс перехода через границу раздела фаз каждого компонента из жидкой фазы в паровую фазу, и наоборот, завершен, т.е. составы жидкой и паровой фазы стабилизировались, а концентрации компонентов в отдельно взятой фазе одинаковы в каждой точке ее объема.

В данной работе приведен расчет насадочной ректификационной колонны для разделения бинарной смеси хлороформ - бензол.

1. Описание технологической схемы

Исходная смесь из емкости насосом подается сначала в подогреватель исходной смеси , где нагревается до температуры кипения, а затем в колонну где происходит разделение. Кубовый остаток самотеком поступает в испаритель, а затем в виде пара поступает снова в колонну, под нижнюю тарелку. Нагрев в подогревателе и испарителе осуществляется насыщенным водяным паром, отводящимся затем в виде конденсата. На насадках в колонне происходят непрерывные процессы испарения и конденсации, в результате которых и происходит разделение.

Смесь с преимущественным содержанием низкокипящего компонента(дистиллят) в виде пара выходит сверху колонны, поступает в дефлегматор, где и охлаждается до полной конденсации. Затем одна часть ее в виде флегмы возвращается в колонну ,а другая часть в количестве 2808 кг/ч поступает в холодильник дистиллята, где охлаждается до 25 С. После охлаждения дистиллят поступает в емкость , откуда насосом перекачивается на склад.

Кубовый остаток в количестве 5688 кг/ч насосом перекачивается в холодильник кубового остатка, где охлаждается до 25°С. После охлаждения кубовый остаток поступает в емкость, откуда насосом перекачивается на склад.



2. Физико - химические свойства перерабатываемых веществ

Таблица 1

Бензол
Тем-ра кипения C	80.2
Молярная масса (кг/моль)	78
температура С	20	68.2	80
Плотность (кг/м3)	879	-	815
Вязкость (мПа*С)	0.65	0.36	0.316
Мольный объём (см3/моль)	-	-	95.706
Поверхностное натяжение (Н/м)	-	-	0.0021
Хлороформ
Тем-ра кипения C	61.2
Молярная масса (кг/моль)	119.5
температура С	20	68.2	80
Плотность (кг/м3)	1489	1398	-
Вязкость (мПа*С)	0.75	0.365	0.33
Мольный объём (см3/моль)	-	84.692	-
Поверхностное натяжение (Н/м)	-	0.002053	-

Таблица 2. Система Хлороформ-Бензол

T0С	x	y
80.6	0	0
79.8	8	10
79	15	20
78.2	22	30
77.3	29	40
76.4	36	50
75.3	44	60
74	54	70
71.9	66	80
68.9	79	90
61.4	100	100

Диаграмма представлена на рис.1

3. Расчёт насадочной ректификационной колонны

3.1 Выбор типа насадки и режима работы колонны

Ориентировочный выбор размера насадочных тел можно осуществить исходя из следующих соображений. Чем больше размер элемента насадки, тем более её свободный объём и, следовательно, выше производительность. Однако вследствие меньшей удельной поверхности эффективность крупных насадок несколько ниже.

Поэтому насадку большего размера применяют, когда требуется высокая произво- дительность и сравнительно невысокая степень чистоты продуктов разделения.

В ректификационных колоннах, работающих при атмосферном давлении, для разде- ления агрессивных жидкостей, а также в тех случаях, когда не требуется частая чистка аппарата, обычно применяют керамические кольца Рашига размером

50Х50Х5 мм.

Удельная поверхность насадки а=87,5 (м²/м³)

Свободный объём Е=0,875 (м²/м³)

Насыпная плотность 530 (кг/м²)

Насадочные колонны могут работать в различных гидродинамических режимах:

1.Плёночный

2.Подвисания

3.Эмульгирования

В колоннах с крупной насадкой осуществление процесса в режиме эмульгирования приводит к резкому уменьшению эффективности разделения, что объясняется существенным возрастанием обратного перемешивания жидкости и значительной неравномерностью скорости паров по сечению аппарата. Введение процесса в режиме подвисания затруднено вследствие узкого интервала изменения скоростей пара, в котором этот режим существует.

Поэтому выберем плёночный режим работы колонны.

Выбор режима работы и типа насадки основывается на рекомендациях приложения [2].

3.2 Материальный баланс колонны и определение рабочего флегмового числа

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

F=P+W

F*Xf=P*Xp+W*Xw

W=F*(Xp-Xf)/(Xp-Xw)=2.36*(0.91-0.34)/(0.34-0.06)=1.58 [кг/с]

P=F-W=2.36-1.58=0.78 [кг/с]

Составы фаз в мольных долях

Из диаграммы равновесия между паром и жидкостью при постоянном давлении определяем Yfp равновесное при Xf1=0.252 кмоль/кмоль смеси

Уравнения рабочих линий:

А) верхней(укрепляющей) части колонны

Yв=0,877*Х+0,106

Б) нижней(исчерпывающей) части колонны

Yн=1,357*Х-0,014

Диаграмма рабочих линий представлена на рис 1.

Средний мольный состав жидкости

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе лк - Хлороформа. Мольная масса жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

3.3 Расчёт скорости пара и диаметра колонны

Для ректификационных колонн, работающих в плёночном режиме при атмос - ферном давлении, рабочую скорость можно принимать на 20-30% ниже скорости захлёбывания.

Из диаграммы t - x,y берём средние температуры паров в верхней и нижней частях колонны, где температуру верха при Xw1=0.04 (кмоль/кмоль смеси) ,а низа при Xp1=0.868 (кмоль/кмоль смеси)

Диаграмма [t - x,y] представлена на рис.2

Плотность пара

Вязкость жидкой смеси

Предельная скорость

Примем рабочую скорость на 30 % ниже предельной.

Диаметр верхней части ректификационной колонны равен:

Диаметр нижней части ректификационной колонны равен:

Выберем стандартный диаметр обечайки

Тогда действительные рабочие скорости паров будут равны:

3.4 Расчёт высоты насадки и общей высоты колонны

Высоту насадки рассчитывают по модифицированному уравнению массопередачи:

noy - общее число единиц переноса по паровой фазе [м]

hoy - общая высота единицы переноса [м]

Таблица 3 . Данные для определения числа единиц переноса.

Y(моль)	Yr(моль)	1/(yr-y)
0.04	0.05	100
0.18955	0.2	95.69378
0.28454	0.3	64.68305
0.327	0.34	76.92308
0.36	0.4	25
0.4218	0.5	12.78772
0.492	0.6	9.259259
0.579	0.7	8.264463
0.685	0.8	8.695652
0.799	0.9	9.90099
0.983	1	58.82353

Диаграмма приведена на рис. 3

Общее число единиц переноса по паровой фазе вычисляем графическим методом

т.е. методом трапеций.

Общее число единиц переноса в верхней части колонны.

Общее число единиц переноса в нижней части колонны.

Массовая плотность орошения Ls



Определим коэффициенты С, ? и Ф из рис 6.6 а и 6.6 б приложения [1] для дальнейшего расчёта высоты единицы переноса в жидкой и паровой фазах.

Высота слоя насадки одной секции, которая из условия прочности опорной решётки и нижних слоёв насадки, а также из условия равномерности распределения жидкости по насадке не должна превышать 3 м

Исходя из рекомендаций [1]

Мольные объёмы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения

Вязкость жидкости при 20 С верха и низа колонны

Коэффициенты, зависящие от свойств растворённого вещества и растворителя выбраны исходя из рекомендаций [1].

Температурный коэффициент b

Коэффициент диффузии в жидкости при 20 С

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре

Высота единицы переноса в жидкой фазе

Вязкость паров

Коэффициент диффузии в паровой фазе



Коэффициенты

Высота единицы переноса в паровой фазе

Коэффициент распределения

Значения mн и mв для нижней и верхней частей колонны определены арифме - тическим усреднением локальных значений m в интервалах изменения составов жидкости соответственно от Xw до Xf и от Xf до Xp.

Общая высота единиц переноса для верхней и нижней частей колонны

Высота насадки

Общая высота насадки в колонне

С учётом того, что высота слоя насадки в одной секции Z равна 3 м, общее число секций в колонне составляет 22 (10 секций в верхней части и 12 - в нижней)

Общая высота колонны

Hp - высота промежутков между секциями насадки и принимаем равной 0,5 м.

Zв и Zн - высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой

Zв=0,6 м

Zн=1,5 м

Значения Zн, Zн и Hp выбирают в соответствии с рекомендациями [1].

3.5 Расчёт гидравлического сопротивления насадки

Критерий Рейнольдса для газа в верхней и нижней частях колонны:

Следовательно, режим движения турбулентный. Для турбулентного режима коэффициент сопротивления сухой насадки в виде беспорядочно засыпанных колец Рашига находят по уравнению l=16/(Rey)^0.2



Гидравлическое сопротивления сухой насадки в верхней и нижней частях колонны

Плотность орошения

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки

Общее гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в колонне

4. Расчёт на прочность

химический колонна флегмовый обечайка

4.1 Расчет толщины обечайки

E=1.91*10⁵ [МН/м²] -модуль упругости материала обечайки при её расчётной температуре t⁰C=100^oC.

_т=200 [МН/м²] - предел текучести материала обечайки при расчётной температуре

t⁰C=100^oC.

П=0,1[мм/год] - коррозийная проницаемость.

_а=10 лет амортизационный срок службы аппарата.

Ск=П*_а

L - длина аппарата.

=0,022 м

Проверка расчёта

Первое условие

0.3<78.6<116

Второе условие

78.6>58.7

Исходя из выполненных условий принимаем толщину обечайки равной 0,022 м

4.2 Расчёт толщины днища и крышки

“Крышка 1000-22”
Толщина[мм]	Hв[мм]	Dв[мм]	Fв[м2]	V[м3]	Dзаг[мм]
22	250	1000	1,16	170*10-3	1222

“Днище 1000-22”
Толщина[мм]	Hв[мм]	Dв[мм]	Fв[м2]	V[м3]	Dзаг[мм]
22	250	1000	1,16	170*10-3	1222

4.3 Трубы, фланцы и штуцера

Выбор фланцев производится для труб с диаметрами, рассчитанными ниже по формуле

Скорость паровой фазы принимаем равной 15-25 м/с [2]

Скорость жидкой фазы принимаем равной 1,5-3 м/с [2]

Так как в аппарате и вспомогательных устройствах р <= 2.5 МПа и t < 300 °C то используются плоские приварные фланцы. Во фланцевых соединениях при данных условиях применяются болты. В качестве прокладок используются прокладки из фторопласта со следующими характеристиками:

4.3.1 Труба “Дефлегматор - Колонна”

1. Расчет трубы: Стандарт 48Х3-Х18Н10Т

Расход - 4,952 [кг/с]

Скорость 1,5-3 [м/с]

Dmax=55 [мм]

Dmin=39 [мм]

D=47 [мм]

Толщина стенки =1 [мм]

2. Выбор фланца:

Фланец плоский приварной

С соединительным выступом.

ГОСТ 1255-67

D_у= 50 [мм]

D_н= 57 [мм]

D=130 [мм]

D_б=100 [мм]

D₁=80 [мм]

D_болта=М12

Z=4

H=10 [мм]

Фланец 50 - 2.5

Штуцер Dу=50

4.3.2 Труба “Колонна - Ёмкость кубового остатка”

1. Расчет трубы: Стандарт 48Х3-Х18Н10Т

Расход - 6,354 [кг/с]

Скорость 1,5-3 [м/с]

Dmax=81 [мм]

Dmin=57 [мм]

D=69 [мм]

Толщина стенки =1 [мм]

Фланец 70-2.5

4.3.3 Труба “Колонна - Дефлегматор”

Расход - 5,735 [кг/с]

Скорость 15-25 [м/с]

Dmax=279 [мм]

Dmin=216 [мм]

D=247,5 [мм]

Толщина стенки =1 [мм]

Фланец 250-2.5

4.3.4 Труба “Кипятильник - колонна”

Расход - 4,777 [кг/с]

Скорость 15-25 [м/с]

Dmax=281 [мм]

Dmin=218 [мм]

D=247,5 [мм]

Толщина стенки =1 [мм]

Фланец 250-2.5

4.3.5 Труба “Исходная смесь - Колонна”

Расход - 2,36 [кг/с]

Плотность смеси на входе в колонну

Скорость 15-25 [м/с]

Dmax=46 [мм]

Dmin=32 [мм]

D=39 [мм]

Толщина стенки =1 [мм]

Фланец 40-2.5

4.4 Расчёт опоры

В качестве опоры для аппаратов колонного типа применяются юбочные опоры. Qмах - масса аппарата, полностью заполненного тяжелой жидкостью при условиях, сходными с условиями окружающей среды.

Qмin -масса пустого аппарата.

Mв - ветровой момент.

q(в) - удельная ветровая нагрузка=10 КПа. k1=0.7 k2=2.

Нагрузка на бетон q(бет)=2 МПа б(т)=240 МПа, б(ид)=146 МПа, б(н)=380 МПа,

Е=2 ГПа

_кр=2600 [кг/м³]

Толщина стенки s = 22 [мм]

L=0.07 [м]

h=0,5 [м]

Dн=1,052 [м]

D1=1,192 [м]

D2=0,2 [м]

Мв= 0.5*k1*k2*q(в)*Hк¤*Dн =57880 [Н*м]

Fмax=Qmax*g=*Hк*D_в*_см*g+P_нас+g*(m_дно+m_кр+m_об) [кг]

Fмin=Qmin*g=P_нас+g*(m_дно+m_кр+m_об) [кг]

P_нас=530*Hк**D²_в=108228 [кг]

m_дно=m_кр=288 [кг] из [3]

m_об=((D_н-D_в)*Hк) *_ст=32084,52 [кг]

Fмin=Qmin*g=452780.2 [H]

Fмax=Qmax*g=2,9 [MH]

Проверка на прочность материала

=(F*Dв+4*Мв)/(*Dв*s)=947523 [Н] < б(ид)

max=3.898 [МПа] < 2* q(бет) = 4 [МПа]

min=0,3729 [МПа] < 2* q(бет) = 4 [МПа]

Колонна устойчива, но закрепление болтами необходимо для правильной установки аппарата. Используем четыре болта М24.

Лапы стальные сварные опорные для вертикальных стальных аппаратов выбираем из соотношения h/l=5.

Материал лап Ст.3.

4.5 Выбор тарелок

Оросительная тарелка

ТСН - 3 (ОСТ 26-705-73)
Диаметр[мм]	Свободное сечение колонны[м2]	D1[мм]	D2[мм]	D3[мм]	h[мм]	Жидкостный патрубок
						d	t	n
1000	0,785	580	660	190	-	45	80	30

Распределительная тарелка

ТСН - 2 (ОСТ 26-705-73)
Диаметр[мм]	Свободное сечение колонны[м2]	D1[мм]	D2[мм]	h[мм]	h1[мм]	Жидкостный патрубок
						d	t	n
1000	0,785	580	560	470	210	45	80	37

Вывод

В результате проектного расчета ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси хлороформ - бензол в количестве 8,5 т/ч,

я получил следующие результаты:

Диаметр колонны 1 м

Высота колонны 78.6 м

Высота насадки 65 м

Колонна выполнена из стали Х18Н10Т, т.к. смесь является агрессивной, токсичной и взрывоопасной жидкостью.

Чертёж колонны общего вида представлен в приложении 1.

Список использованной литературы

1. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков, “Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов” ХТ, Л.: Химия, 1987. - 576 с.

2. А.Г. Касаткин “Основные процессы и аппараты химической технологии“

3. А.А. Лащинский, .А.Р. Толчинский “Основы конструирования и расчёта химической аппаратуры”

4. Д.И. Дытнерский “Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию”.

Размещено на Allbest.ru