Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1 Материальный баланс колонны

1.1 Число тарелок и рабочее флегмовое число

2 Тепловой баланс колонны

3 Конструктивный расчет колонны

3.1 Расчет средних значений основных параметров паровой смеси и жидкости в колонне

3.2 Определение основных размеров колонны с капсульными колпачками

3.3 Определение гидравлического сопротивления тарелки

4 Расчет подогревателя кубового остатка

5 Расчет подогревателя острого пара

6 Аэродинамический расчет тракта исходной смеси

6.1 Сопротивление подогревателя кубового остатка

6.2 Сопротивление подогревателя острого пара

6.3 Выбор насоса

Список используемых источников

Введение

деаэрационная установка колонна

Ректификация -- массообменный процесс разделения однородной смеси летучих компонентов, осуществляемый путем противоточного многократного взаимодействия паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров.

Разделение жидкой смеси основано на различной летучести веществ. При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят --смесь, обогащенную низкокипящим компонентом (НК), и кубовый остаток --смесь, обогащенную высококипящим компонентом (ВК).

Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке, основным аппаратом которой является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам стекает жидкость, подаваемая в виде флегмы в верхнюю часть аппарата.

Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенное давление применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Атмосферное давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру кипения от 30 до 150 °С.

Существует непрерывная и периодическая ректификация.

Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны.

В промышленности применяют тарельчатые, насадочные, пленочные трубчатые и центробежные пленочные аппараты. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого -- обеспечение взаимодействия жидкости и пара.

Преимущественное использование тарельчатых колонн в процессах перегонки объясняется их значительно большей производительностью по сравнению с насадочными.

Наиболее распространены колпачковые тарельчатые колонны, хотя в последнее время получили преимущество ситчатые, клапанные, чешуйчатые и другие более эффективные виды барботажных устройств, главным назначением которых является максимальное развитие межфазного контакта, что способствует интенсификации массообмена между парами и флегмой. Помимо этого выбор типа контактного устройства определяется и такими факторами, как экономия материала, стоимость, легкость изготовления, чистки и ремонта, стойкость к коррозии, малое падение напора при прохождении паров, широта диапазона устойчивой работы тарелки.

1 Материальный баланс колонны

Уравнение материального баланса для всего количества смеси

,

где - количество исходной смеси, кг/ч;

- количество дистиллята, кг/ч;

- количество кубового остатка, кг/ч.

Уравнение материального баланса для низкокипящего компонента

,

где - массовые доли спирта в начальной смеси, в дистилляте и кубовом остатке соответственно, %.

Из уравнений материального баланса получаем систему уравнений

Массовые доли находим из выражения

,

где молекулярные массы компонентов - этилового спирта и воды соответственно:

мольные концентрации хF = 18%; хD = 90%; хW = 6%.

;

;

.

Совместное решение системы уравнений дает:

1.1 Число тарелок и рабочее флегмовое число

Теоретическое число тарелок, при котором обеспечивается полное физико-химическое равновесие между стекающей с тарелки жидкостью и поднимающимися парами при полном перемешивании жидкости на тарелке и равномерном распределении пара по ее сечению, определяем графическим способом с построением ступеней изменения концентраций. Для этого строим yx-диаграмму (рис.1.1.1).

Рисунок 1.1.1 - Диаграмма равновесия для бинарной смеси этиловый спирт - вода

Определяем минимальное флегмовое число

Рабочее флегмовое число

где - коэффициент избытка флегмы, (формула 9.18 [3]). Принимаем .

Отрезок OМ=В на рис.1.1

На рис.1.1.1 MN - рабочая линия укрепляющей части колонны. Точка W - точка пересечения MN и xF. FW - рабочая линия исчерпывающей части колонны.

По yx-диаграмме (рис.1.1.1) определяем теоретическое число тарелок (ступеней изменения концентраций). Для этого строим ступенчатую линию, состоящую из горизонтальных и вертикальных отрезков, в пределах изменения x от xD до xW.

Теоретическое число тарелок

.

Для определения действительного числа тарелок колонны необходимо определить коэффициент полезного действия тарелки .

Таблица 1.1.1 - Вязкость этилового спирта и его водных растворов, спз

Коэффициент полезного действия тарелки

где - вязкость разгоняемой жидкости, табл.1.1.1;

- относительная летучесть.

Относительную летучесть определяем по формуле

где - температуры кипения компонентов при атмосферном давлении

Действительное число тарелок

.

Таким образом, в исчерпывающей части колонны будет 6 тарелки, а в

укрепляющей - 26.

2 Тепловой баланс колонны

Рисунок 2.1 - Фазовая диаграмма для бинарной смеси этиловый спирт - вода

По фазовой диаграмме (рис. 2.1) находим температуру кипения исходной смеси

Температура кипения дистиллята

Температура кипения остатка

Уравнение теплового баланса ректификационной колонны

где - теплота, поступающая с исходной смесью;

- теплота, поступающая с греющим паром;

- теплота, поступающая с флегмой;

- теплота, уходящая из колонны с парами;

- теплота, уходящая из колонны с кубовым остатком;

- потери в окружающую среду.

Количество тепла, вносимое начальной смесью

где - удельная теплоемкость смеси.

где - удельная теплоемкость спирта, табл.2.1;

- удельная теплоемкость воды, .

Таблица 2.1 - Теплоемкость этилового спирта и его водных растворов, ккал/кг·град

где - расход греющего пара;

- энтальпия водяного пара;

- энтальпия конденсата при атмосферном давлении.

Энтальпию водяного пара находим по таблицам физических свойств воды при данном давлении пара

Энтальпию конденсата находим из тех же таблиц воды и водяного пара при атмосферном давлении (p=1 атм)

Тепло, вносимое флегмой

где - удельная теплоемкость флегмы.

Удельная теплоемкость спирта определяется по табл.2.1 при соответствующей концентрации раствора и температуре.

Тепло, уносимое парами, поднимающимися с верхней тарелки в дефлегматор

где - теплоты парообразования компонентов (спирта и воды

соответственно);

- находим по табл.2.1.



Таблица 2.2 - Теплота испарения этилового спирта в зависимости от температуры

Теплоту парообразования спирта находим по табл.2.1

Теплоту парообразования воды находим по таблицам воды и водяного пара при температуре

Тепло, уносимое с кубовым остатком

Удельную теплоемкость находим по табл.2.1.

Тепло, затрачиваемое на подогрев исходной смеси от первоначальной температуры до температуры кипения

Значение температуры принимается приближенно и будет уточняться при расчете тепловой нагрузке подогревателя острого пара.

Здесь удельная теплоемкость исходной смеси берется из табл.2.1 по средней температуре

Уравнение теплового баланса для колонны

где - удельные энтальпии водяного пара и его конденсата

соответственно при атмосферном давлении, определяются по

таблицам физических свойств воды и водяного пара.

Из уравнения теплового баланса колонны находим расход греющего пара с учетом 5% потерь в окружающую среду

Расход охлаждающей воды в дефлегматоре

где - соответственно температуры охлаждающей на выходе и на

входе в дефлегматор, .



Расход охлаждающей воды в конденсаторе

где - соответственно температуры дистиллята насыщенного и на

выходе из конденсатора, ;

- соответственно температуры охлаждающей на выходе и на

входе в конденсатор, .

Температуры приняты в соответствии с методикой расчета приведенной в [1].

3 Конструктивный расчет колонны

3.1 Расчет средних значений основных параметров паровой смеси и жидкости в колонне

Для определения размеров колонны вычислим средние значения основных параметров паровой смеси и жидкости в колонне.

Количество поднимающихся паров

Количество стекающей жидкости в укрепляющей части колонны равно количеству флегмы

Количество стекающей жидкости в исчерпывающей части колонны

По рабочей линии yx-диаграммы (рис. 1.1.1) определяем состав пара в точке F, соответствующий составу исходной смеси, точка yF

Затем находим среднюю молярную долю пара в верхней части колонны

Средняя молярная доля пара в нижней части колонны

где - состав пара в точке W (рис. 1.1.1), .

Средняя молярная доля пара в колонне

По фазовой диаграмме (рис. 2.1) находим, что величине соответствует температура пара .

Средняя плотность пара при и р=1 ат по уравнению состояния составляет

где - средняя молекулярная масса пара, имеющего концентрацию

,

где - молярная доля спирта в жидкости при ; более точно ее

значение можно определить по формуле

;

R - универсальная газовая постоянная,

T - абсолютная температура пара при , .

Объемный расход пара составит

Средняя молярная доля жидкости в верхней части колонны

Плотность жидкости в верхней части колонны

где - плотность низкокипящего компонента (спирта), определяется

по табл. 3.1 при и , ;

- плотность высококипящего компонента (воды), определяется

по таблицам физических свойств воды и водяного пара при

, .

Таблица 3.1.1 - Плотность этилового спирта и его водных растворов, кг/м3

Средняя молярная доля жидкости в нижней части колонны



Плотность жидкости в нижней части колонны

где - плотность низкокипящего компонента (спирта), определяется

по табл. 3.1 при и , .

Средняя плотность жидкости в колонне

Объемный расход жидкости в верхней части колонны

Объемный расход жидкости в нижней части колонны

3.2 Определение основных размеров колонны с капсульными колпачками

Для уменьшения уноса жидкости с поднимающимися парами желательно иметь большее расстояние между тарелками, но в этом случае возрастает общая высота колонны.

По табл. 3-10 [1] расстояние между тарелками для колонных аппаратов с капсульными колпачками принимают 200-350 мм и более.

Принимаем .

Определяем по рис. 3.2.1 по значению и предельно допустимую скорость пара в колонне

Рисунок 3.2.1 - График для определения допустимой скорости пара

Рабочую скорость обычно принимают равной

Принимаем

Определяем сечение колонны

Тогда диаметр колонны

Согласно табл. 3-10 [1]

Активная высота колонны

Исходя из табл. 3-11 [1], основные размеры нормализованных колпачковых тарелок со сливными устройствами сегментного типа принимаем при :

- количество колпачков

- площадь сечения переливной сегментной трубы в свету ;

- длина сливного борта .

Истинная площадь поперечного сечения колонны, свободная для прохода пара

где - общая площадь колонны, .

Соответственно действительная скорость пара в свободном сечении колонны

Выбираем круглые колпачки. При стандартных патрубках с внутренним диаметром площадь сечения одного патрубка

Определим размеры колпачков. Поскольку при конструировании колпачков исходят из равенства площадей, имеем

где - площадь поперечного сечения газового патрубка;

- площадь между верхним краем газового патрубка и колпачком;

- площадь кольцевого пространства между газовым патрубком и

колпачком;

- площадь сечения прорезей одного колпачка.

Схема колонны с указанными размерами колпачков приведена на рис. 3.2.2.

Рисунок 3.2.2 - Схема колонны с колпачковыми тарелками

- высота слива (высота приемной перегородки); - высота слоя жидкости над приемной перегородкой; - высота колпачка; - высота слоя светлой жидкости; - высота перелива; - высота слоя вспененной жидкости над переливом; - расстояние между тарелками; - высота слоя вспененной жидкости в переливном устройстве; - высота слоя пены на тарелке; - высота прорези; - открытие прорези.

Площадь можно определить по формуле

где - расстояние от верхнего края патрубка до колпачка по вертикали.

Из равенства имеем

Площадь кольцевого пространства между газовым патрубком и

колпачком находим по формуле

где - наружный диаметр патрубков, (стр.159 [1]);

- диаметр колпачка внутренний.

Исходя из равенства , имеем

Выбираем колпачки с внутренним диаметром и наружным диаметром (табл. 3-11 [1]).

Принимаем прямоугольные прорези шириной и высотой .

Площадь сечения одной прорези

При условии равенства проходных сечений для пара в патрубке и в прорезях колпачка определяем число прорезей в колпачке

Определяем скорость пара в прорезях. Фактическое живое сечение в прорезях колпачков на одной тарелке составляет

Живое сечение прорезей

Тогда скорость пара в прорезях

Находим скорость, соответствующую полному открытию прорезей

где - коэффициент, для колпачковых тарелок (стр. 159 [1]);

- коэффициент сопротивления, табл. 3.2.1.

Таблица 3.2.1 - Коэффициент сопротивления для различных тарелок



Поскольку , принятые компоновка и конструкция колпачков обеспечивают полное открытие прорезей.

3.3 Определение гидравлического сопротивления тарелки

Гидравлическое сопротивление тарелки складывается из следующих составляющих

где - сопротивление сухой тарелки;

- сопротивление столба жидкости на тарелки, соответствующего

глубине барботажа;

- сопротивление, обусловленное силами поверхностного

натяжения жидкости.

Сопротивление сухой тарелки определим по формуле

Зная периметр (длину сливного порога) , определяем высоту уровня жидкости над сливным порогом по формуле

где - отношение плотности пены к плотности чистой жидкости

(принимаем , стр. 160 [1]).

Для верхней части колонны

Для нижней части колонны

Сопротивление столба жидкости на тарелке вычисляем по формуле

где - расстояние от верхнего края прорезей до верха сливного порога,

принимаем , стр.160 [1].

Для верхней части колонны

Для нижней части колонны

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, вычисляем по формуле

где - поверхностное натяжение жидкости, определяем по табл. 3.3.1;

- эквивалентный диаметр прорези в колпачковой тарелке.

Таблица 3.3.1 - Поверхностное натяжение этилового спирта и его водных растворов, дин/см

Для верхней части колонны , для нижней части колонны .

Для верхней части колонны

Для нижней части колонны

Общие сопротивления тарелок

где - число тарелок в укрепляющей и в исчерпывающей части

колонны соответственно, , .

4 Расчет подогревателя кубового остатка

Подогреватель кубового остатка - теплообменник, подогревающий исходную смесь за счет теплоты кубового остатка. Расчет теплообменника сводится к определению поверхности теплообмена.

Горячий раствор кубового остатка:

- массовый расход

- температура на входе в подогреватель

- теплоемкость кубового остатка, вследствие малой концентрации низкокипящего компонента, принимаем равной теплоемкости воды

Исходный холодный раствор:

- массовый расход

- температура на входе в подогреватель

- температура на выходе из подогревателя (принимаем в соответствии с рис. 3-5 [1])

- теплоемкость , при средней температуре (табл. 2.1).

Тепловая нагрузка

Уравнение теплового баланса для подогревателя кубового остатка (потерями теплоты в окружающую среду пренебрегаем)

Из уравнения теплового баланса определяем конечную температуру холодного раствора

Рисунок 4.1 - Противоточная схема движения теплоносителей в подогревателе кубового остатка

1 - холодный теплоноситель; 2 - горячий теплоноситель;

Дtб - большая разность температур;

Дtм - меньшая разность температур;

Схема движения теплоносителей - противоточная. Определяем средний температурный напор для противоточной схемы. Для этого находим большую и меньшую разность температур

Установим отношение

Поскольку последнее отношение меньше двух, то средний температурный напор определяем по выражению

Тогда ориентировочную площадь поверхности теплообмена находим из уравнения теплопередачи

где - коэффициент теплопередачи от жидкости к жидкости, ориентировочно принимаем по

таблице 4.1

Таблица 4.1 - Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи К

По рассчитанной площади поверхности теплообмена по табл. 2.3 [2] выбираем кожухотрубчатый теплообменник со следующими параметрами

- диаметр кожуха

- диаметр труб

- число ходов

- число труб

- длина труб

- поверхность теплообмена

В кожухотрубчатом теплообменнике в межтрубное пространство направляем горячий кубовый остаток, а холодная исходная смесь направляется в трубы подогревателя, для того, чтобы уменьшить количество загрязнений в последнем растворе. Поскольку в межтрубном пространстве находится горячий теплоноситель, то следует предусмотреть тепловую изоляцию кожухотрубчатого теплообменника для уменьшения рассеяния теплоты в окружающую среду.

5 Расчет подогревателя острого пара

В подогревателе острого пара исходный раствор, подогретый в подогревателе кубового остатка до температуры , догревается до температуры кипения при давлении в колонне (1 атм) за счет теплоты парообразования конденсирующегося острого пара.

Раствор исходной смеси:

- массовый расход

- температура на входе в подогреватель

- температура на выходе из подогревателя

- теплоемкость , при средней температуре (табл. 2.1).

Острый пар:

- давление пара

- температура пара (определяется как функция давления по таблицам физических свойств воды и водяного пара)

- удельная теплота парообразования (определяется как функция давления по таблицам физических свойств воды и водяного пара)

Тепловая нагрузка

Уравнение теплового баланса для подогревателя острого пара (потерями теплоты в окружающую среду пренебрегаем)

где - расход пара на подогреватель.

Из уравнения теплового баланса определяем расход пара

Рисунок 5.1 - Противоточная схема движения теплоносителей в подогревателе острого пара

1 - исходный раствор; 2 - конденсирующийся пар;

Дtб - большая разность температур;

Дtм - меньшая разность температур;

Выбираем противоточную схему движения теплоносителей. Определяем средний температурный напор для противоточной схемы. Для этого находим большую и меньшую разность температур

Установим отношение

Поскольку отношение разностей температур оказалось меньше двух, средний температурный напор можно определить как среднее арифметическое между большей и меньшей разностями температур

Тогда ориентировочная площадь поверхности теплообмена находим из уравнения теплопередачи

где - коэффициент теплопередачи, ориентировочно принимаем по

таблице 4.1 для теплообмена от конденсирующегося водяного пара к

воде

По рассчитанной площади поверхности теплообмена по табл. 2.3 [2] выбираем кожухотрубчатый теплообменник со следующими параметрами

- диаметр кожуха

- диаметр труб

- число ходов

- число труб

- длина труб

- поверхность теплообмена

В кожухотрубчатом теплообменнике в межтрубное пространство направляем острый пар, а холодная исходная смесь направляется в трубы подогревателя.

6 Аэродинамический расчет тракта исходной смеси

Аэродинамический расчет тракта исходной смеси выполняется для определения потерь давления в подогревателе кубового остатка, в подогревателе острого пара и в трубопроводе на местных сопротивлениях.

Определив потери давления, по напору выбираем из справочных данных подходящий насос, который обеспечит необходимый напор для перекачки исходной смеси в колонну.

Суммарные потери давления находим из выражения

где - гидравлическое сопротивление подогревателя кубового

остатка;

- сопротивление подогревателя острого пара;

- потери давления на местных сопротивлениях трубопровода.

6.1 Сопротивление подогревателя кубового остатка

Скорость исходного раствора в трубах теплообменника

где - плотность исходного раствора в подогревателе при средней

температуре , определяем по табл. 3.1.1

- внутренний диаметр труб.

Значение критерия Рейнольдса для движения исходного раствора

где - вязкость исходного раствора при средней температуре

, определяем по табл. 1.1.1

Сравниваем полученное значение критерия Рейнольдса с критическим значением

Поэтому режим течения в трубах ламинарный. Для ламинарного режима течения коэффициент трения определяется по формуле

Местное сопротивление на входе в распределительную камеру и на выходе из нее рассчитываем по скорости движения в штуцерах.

Таблица 6.1.1 - Диаметры условного прохода штуцеров кожухотрубчатых теплообменников

Скорость движения раствора в штуцерах

где - диаметр условного прохода штуцера (табл. 6.1.1),

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в трубном пространстве (стр. 69 [2])

где - входная и выходная камеры;

- вход в трубы и выход из них.

Суммарные потери давления в подогревателе кубового остатка

6.2 Сопротивление подогревателя острого пара

Скорость исходного раствора в трубах теплообменника

где - плотность исходного раствора в подогревателе при средней

температуре , определяем по табл. 3.1.1

- внутренний диаметр труб.

Значение критерия Рейнольдса для движения исходного раствора

где - вязкость исходного раствора при средней температуре

, определяем по табл. 1.1.1

Сравниваем полученное значение критерия Рейнольдса с критическим значением

Полученное значение критерия Рейнольдса больше критического значения, поэтому коэффициент сопротивления определяем по формуле

где - относительная шероховатость труб,

где - высота выступов шероховатостей, принимаем (стр.

69 [2]).

Скорость движения раствора в штуцерах

где - диаметр условного прохода штуцера (табл. 6.1.1),

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в трубном пространстве (стр. 69 [2])

где - входная и выходная камеры;

- вход в трубы и выход из них.

Суммарные потери давления в подогревателе острого пара

6.3 Выбор насоса

Рассчитаем потери давления на местных сопротивлениях трубопровода. Местные сопротивления будут складываться из поворотов трубопровода тракта исходной смеси. Коэффициент сопротивления поворота определяем из табл. 6.3.1 в зависимости от диаметра трубопроводе.

Скорость движения исходного раствора в трубопроводе принимаем по справочным данным (стр. 16 [2]) для оптимального диаметра трубопровода

Таблица 6.3.1 - Коэффициенты местного сопротивления для колена с углом 900

Диаметр трубопровода

Коэффициент местного сопротивления выбираем для

Потери давления на местных сопротивлениях трубопровода



где - средняя плотность исходного раствора по тракту исходной

смеси,

Суммарные потери давления находим из выражения

Выбираем консольный насос общего назначения для воды с минимальными напором и мощностью электродвигателя (табл. 3.1 [3]):

- марка насоса К8/18;

- подача

- напор

- количество оборотов

- тип электродвигателя 4А80А2;

- мощность электродвигателя

Список используемых источников

1. Лебедев П. Д., Щукин А. А. «Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. (Курсовое проектирование)»: Учеб. пособие - М.: Энергия, 1970.-408с.

2. Борисов Г. С., Брыков В. П., Дытнерский Ю. И. и др. Под ред. Дытнерского Ю. И. «Основные процессы и аппараты химической технологии»: Пособие по проектировсанию. Изд. 2-е , перераб. и дополн. - М.: Химия, 1991.-496с.

3. Иоффе И. Л. «Проектирование процессов и аппаратов химической технологии»: Учеб. - Л.: Химия, 1991.-352с.

Размещено на Allbest.ru