Установка ректификационная

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский государственный университет

технологии и дизайна

Кафедра инженерной химии и промышленной экологии

Курсовой проект защищен с оценкой

Руководитель Нормоконтролер

____________ Чулкова Э.Н. ______________ Чулкова Э.Н.

Установка ректификационная

Расчетно-пояснительная записка

курсового проекта по дисциплине

«Процессы и аппараты химических производств»

Проект выполнил

Студент группы 4-ХД-5

Ю.Н. Баранова

Санкт Петербург 2009

Содержание

Задание на курсовое проектирование

Введение

1. Описание технологической схемы ректификационной установки

2. Расчет ректификационной колонны непрерывного действия

2.1 Материальный баланс

2.2 Определение скорости пара и диаметра колонны

2.3 Гидравлический расчет тарелок

2.4 Определение числа тарелок и высоты колонны

2.5 Тепловой расчет установки

3. Расчет подогревателя исходной смеси

4. Расчет центробежного насоса

Заключение

Список используемой литературы

Приложение

Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна

Кафедра «Инженерной химии и промышленной экологии»

Утверждаю

Зав. кафедрой

Профессор Панов В.П.

Задание

на курсовое проектирование

студенту Барановой Ю.Н. группы 4-ХД-5

Тема проекта

Ректификационная установка

Исходные данные

1. Тип ректификационной установки - колонна непрерывного действия с ситчатыми тарелками

2. Разделяемая смесь - вода - уксусная кислота

3. Производительность по исходной смеси, т/ч - 7,5

4. Содержание легколетучего компонента [%(масс.)]:

а) в исходной смеси

б) в дистилляте

в) в кубовом остатке

5. Начальная температура, °С - 20

6. Давление греющего пара - 280 кПа

Объем работы: 1. Расчетно - пояснительная записка

2. Графическая часть - технологическая схема - 2 листа, чертеж основного аппарата - 1 лист

Рекомендуемая литература

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии М.,2005

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии М., 2006

ректификационный установка гидравлический

Введение

Ректификация - разделение смесей жидкостей, основанное на неоднократном испарении жидкостей и конденсации паров.

Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга. 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.

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).

Различают периодическую и непрерывную ректификацию. При непрерывной ректификации смесь непрерывно подается на питающую тарелку.

Ректификационная установка включает в себя: ректификационную колонну, дефлегматор, холодильник - конденсатор, кипятильник, подогреватель исходной смеси, сборники дистиллята и кубового остатка. Дефлегматор, холодильник - конденсатор и подогреватель представляют собой теплообменники. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть колонны в виде флегмы. Конечными продуктами являются дистиллят (выходящий из верхней части колонны) и кубовый остаток (вытекающий из нижней части колонны). Исходная смесь поступает на питающую тарелку колонны, которая как бы делит ее на две части: верхнюю (укрепляющую) и нижнюю (исчерпывающую).

Ректификацию широко применяют в промышленности, например для получения спирта-ректификата, с отделением сивушных масел и альдегидных фракций; для выделения бензинов, керосинов и других фракций из нефти, а также получения компонентов воздуха (кислород, азот, инертные газы).

1. Описание технологической схемы ректификационной установки

Ректификационная колонна (приложение, рис.1) имеет цилиндрический корпус КР, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника К, который находится вне колонны. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок снизу вверх.

В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно низкокипящий компонент (НК). Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно высококипящий компонент (ВК), содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке.

Таким образом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается НК и покидает верхнюю тарелку в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.

Пары конденсируются в дефлегматоре Д, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе Р на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.

Жидкость, поступающая на орошение колонны - флегма, представляет собой почти чистый ВК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующемся из пара.

Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.

На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе П до температуры кипения жидкости на питающей тарелке. В подогреватель исходная смесь подается с помощью центробежного насоса (Н1, Н2) из емкости Е1.

Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части должно быть обеспечено большее укрепление паров, то есть обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, то есть исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.

Часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляют собой дистиллят (ректификат), или, верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике Х2 направляется в емкость Е3, откуда с помощью центробежного насоса Н4 отводится на производство. Жидкость, выходящая снизу колонны (близкая по составу к ВК), также делится на две части. Одна часть направляется в кипятильник, а другая - остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике Х1 направляется в емкость Е2, далее с помощью центробежного насоса Н3 направляется на склад.

На рис.1 приведена технологическая схема непрерывно действующей ректификационной установки, которая оснащена необходимыми контрольно-измерительными и регулирующими приборами, позволяющими автоматизировать их работу и проводить процесс с помощью программного управления в оптимальных условиях. Путем автоматического регулирования сводятся к минимуму колебания количества, состава и температуры исходной смеси, давления и расхода греющего пара и расхода охлаждающей воды.

2. Расчет ректификационной колонны непрерывного действия

Расчет ректификационной колонны непрерывного действия заключается в определении ее основных 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 типов и размеров тарелок.

2.1 Материальный баланс

Обозначим массовый расход дистиллята через кг/ч, расход кубового остатка через кг/ч.

Из уравнений материального баланса

Находим

Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях.

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

Относительный мольный расход питания:

Равновесные данные приведены в таблице 1:

X	0	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Y	0	9,2	16,7	30,3	42,5	53	62,6	71,6	79,5	86,4	93	100
T	118,1	115,4	113,8	110,1	107,5	105,8	104,4	103,3	102,1	101,3	100,6	100

Кривая равновесия точек перегиба не имеет (в соответствии с рисунком 2).

Определяем минимальное число флегмы:

где =0,643 - мольную долю бензола в паре, равновесном с жидкостью питания, определяем по диаграмме t - x,y (в соответствии с рисунком 3)

Рабочее число флегмы:

Уравнения рабочих линий:

а) в верхней (укрепляющей) части колонны

б) в нижней (исчерпывающей) части колонны

2.2 Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Среднюю концентрацию пара находим по уравнениям рабочим линиям:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Средние температуры пара определяем по диаграмме t - x,y (в соответствии с рисунком 3)

а) при

б) при

Средние мольные массы и плотности пара:

а)

б)

Средняя плотность пара:

Температура вверху колонны при равняется , а в кубе-испарителе при она равна (в соответствии с рисунком 3)

Плотность воды при а плотность уксусной кислоты при [5,приложение 1]

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне

Принимаем расстояние между тарелками h=300 мм, а c=0,032 [2, стр.333]

Скорость пара в колонне:

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней

температуре в колонне

где - мольная масса дистиллята, равная

Диаметр колонны:

так как то принимаем h=500мм, а c=0,075, тогда

Диаметр колонны:

По каталогу-справочнику «Колонные аппараты» берем .

Тогда скорость пара в колонне будет:

2.3 Гидравлический расчет тарелок

Выбираем ситчатую тарелку типа ТС-Р [3, стр.216]. Принимаем следующие размеры тарелки: диаметр отверстий высота сливной перегородки свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и в нижней части колонны по уравнению:

а) Верхняя часть колонны

где коэффициент сопротивления неорошаемых сетчатых тарелок со свободным сечением 7-10%;

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

где поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 102,5;

диаметр отверстий тарелки.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

Высота парожидкостного слоя:

Величину высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по формуле:

где объемный расход жидкости, ;

П - периметр сливной перегородки, м;

отношение плотности парожидкостного слоя к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0,5.

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

где - средняя мольная масса жидкости.

Периметр сливной перегородки П находим, решая систему уравнений:

где R=1,3 м - радиус тарелки;

приближенное значение площади сегмента.

Решение дает: П=1,173м, b=0,257м.

Находим по уравнению (3.6):

Высоту парожидкостного слоя на тарелке находим по уравнению (3.5):

Сопротивление парожидкостного слоя по уравнению (3.4):

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны находим по уравнению (3.1):

б) Нижняя часть колонны

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки по формуле (3.2):

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения по формуле (3.3):

где поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в нижней части колонны 108,51.

Объемный расход жидкости в нижней части колонны:

где

Высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по формуле (3.6):

Высота парожидкостного слоя по формуле (3.5):

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке по формуле (3.4):

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны по уравнению (3.1):

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h=0,5 м необходимое для нормальной работы тарелок условие

Для тарелок нижней части колонны, у которых гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок верхней части

0,50,26, следовательно, выше указанное условие соблюдается.

Проверим равномерность работы тарелок - рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях , достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями:

Рассчитанная скорость меньше м/с, следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.

2.4 Определение числа тарелок и высоты колонны

Наносим на диаграмму y - x рабочие линии верхней и нижней части колонны (рис.2) и находим число ступеней изменения концентраций . В верхней части колонны в нижней части , всего 17 ступеней.

Число тарелок рассчитываем по уравнению:

Для определения среднего к. п. д. тарелок з находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов и коэффициент динамической вязкости исходной смеси при средней температуре в колонне, равной 105,505.

При этой температуре давление насыщенного пара воды равно мм. рт. ст., уксусной кислоты мм. рт. ст., откуда

Динамический коэффициент вязкости воды при 105,505 равен 0,269 сП, уксусной кислоты 0,435 сП. Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси =0,352 сП = 0,352 Пас.

Тогда

По графику [2, стр. 302, рис.7 - 4] находим . Длина пути жидкости на тарелке:

По графику [2, стр.302, рис.7-5]находим значение поправки на длину пути . Средний к.п.д. тарелок по уравнению:

Для сравнения рассчитаем средний к.п.д. тарелки по критериальной формуле, полученной путем статистической обработке многочисленных опытных данных для сетчатых тарелок:

В этой формуле безразмерные комплексы:

где скорость пара в колонне, м/с;

относительная площадь свободного сечения тарелки;

высота сливной перегородки, м;

плотности пара и жидкости, кг/м;

коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси, м²/с;

поверхностное натяжение жидкости питания, Н/м.

Физико - химические константы отнесены к средней температуре в колонне.

Предварительно рассчитаем коэффициент диффузии

где

Пас;

K;

Коэффициент диффузии:

Безразмерные комплексы по формулам (4.6) и (4.7):

Средний к.п.д. тарелки по уравнению (4.5):

,

что близко к найденному значению .

Число тарелок находим по уравнению

в верхней части колонны:

в нижней части колонны:

Общее число тарелок n=32, с запасом n=34, из них в верхней части колонны 21, в нижней части 15 тарелок.

Высота тарельчатой колонны:

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

2.5 Тепловой расчет установки

Расход тепла, отдаваемого охлаждающей воде в дефлегматоре - конденсаторе, находим по уравнению:

где

где и - удельные теплоты конденсации воды и уксусной кислоты при .

Расход тепла, получаемого в кубе - испарителе от греющего пара, находим по уравнению:

Здесь тепловые потери приняты в размере 3% от полезно затрачиваемого тепла; удельные теплоемкости взяты соответственно при определена по рис.3.

Расход тепла в паровом подогревателе исходной смеси:

Здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси взята при средней температуре:

Расход тепла, отдаваемого охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

где удельная теплоемкость дистиллята взята при средней температуре

Расход тепла, отдаваемого охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

где удельная теплоемкость кубового остатка взята при средней температуре

Расход греющего пара, имеющего давления и влажность 5%;

а) в кубе - испарителе

где

б) в подогревателе исходной смеси

Всего: или

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20:

а) в дефлегматоре:

б) в водяном холодильнике дистиллята:

в) в водяном холодильнике кубового остатка:

3. Расчет подогревателя исходной смеси

Рассчитать и подобрать кожухотрубчатый подогреватель для нагревания бинарной смеси вода - уксусная кислота насыщенным водяным паром при условиях:

Ориентировочный расчет:

Средняя температура теплоносителя определяется по формуле:

Определение средней разности температуры потоков:

Температура греющего пара при равняется 131,2

следовательно, среднюю разность температур поток определяем как:

Тепловая нагрузка определяется по формуле:

Число труб на один ход:

где взята при средней температуре 61,25

Ориентировочную поверхность теплообменника определяем по формуле:

Принимаем:

Расход греющего пара определяем по формуле:

где при давлении 280кПа.

Выбираем стандартный теплообменник [3,стр.51]:

диаметр кожуха: 159 мм

диаметр труб:202 мм

число ходов: 1

общее число труб: 19 штук

поверхность теплообмена:2,5

длина труб: 2 м

площадь сечения потока:

в вырезе перегородок

между перегородками

площадь сечения 1 хода по трубам:

4. Расчет насосной установки

Подобрать насос для перекачивания бинарной смеси вода - уксусная кислота при t=20, расход смеси = 7500кг/ч

Выбор трубопровода

Для трубопровода примем скорость течения исходной смеси, равную 1 м/с. Тогда диаметр равен:

Выбираем стальную трубу с наружным диаметром = 56 мм, толщиной стенки = 3,5 мм.

Отсюда внутренний диаметр равен:

Фактическая скорость смеси в трубе определяется по формуле:

Определение потерь на трение и местное сопротивление

где вязкость смеси при 20

Re>2320. Примем абсолютную шероховатость равной Тогда коэффициент сопротивления трению определяем по формуле:

Определим потери напора на трение:

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений в соответствии с таблицей 13[2,стр.495]:

- вход в трубу с острыми краями ж=0,5

- выход из трубы ж=1

- колено(5 шт) ж=1,1

- вентиль(4 шт) ж=0,5

Сумма коэффициентов местного сопротивления:

Определим потери напора на местные сопротивление:

Сумма потерь:

Гидравлическое сопротивление теплообменника

Скорость движения исходной смеси в трубах:

площадь сечения 1 хода по трубам

Скоростное давление в трубах:

Потеря давления на преодоление трения в трубах:

где n - число ходов = 1

L - длина труб теплообменника = 2м

d теплообменника = 20мм

Скорость исходной смеси в штуцерах:

где

Скоростное давление в штуцерах:

Скорость в штуцерах меньше скорости в трубах

Входная и выходная камера: 1,52=3

Вход и выход из труб: 12=2

Общее гидравлическое сопротивление труб:

Рассчитываем напор насоса:

По объемному расходу = 7,33 и напору = 12 выбираем центробежный насос марки ХП 8/18 Д; n=2900 об/мин, расход=7,5, напор = 12,5 м [7]

Заключение

Процессы разделения многокомпонентных смесей органических продуктов являются одними из самых распространенных и сложных процессов химической и нефтехимической технологии. Они используются как на стадиях предварительной подготовки сырья, так и непосредственно в общей технологической схеме производства для разделения полупродуктов и получения продуктов высокой степени очистки. Эти процессы являются одними из самых энергоемких, и их эффективность часто определяет экономику производства в целом.

Ректификация наиболее часто применяемый метод для разделения продуктов и подготовки сырья в химической технологии. Она проста и дает возможность получить очень чистый продукт, однако при всех ее достоинствах, есть и ряд серьезных недостатков. Ректификационные колонны - это большие и металлоемкие аппараты, требующие крупных капиталовложений, более того это еще и энергоемкий процесс. На ректификацию может затрачиваться до 70% всей энергии производства. Поэтому становится насущной проблема разработки наиболее экономичной технологии разделения продуктов. При увеличении количества разделяемых компонентов увеличивается и число вариантов их разделения, отличающиеся друг от друга энергозатратами.

Список используемой литературы

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, Москва, 1971

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, Ленинградское отделение,1976

3. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию, Москва, 1991

4. Шаханов В.Д., Чулкова Э.Н., Багров И.В., Витковская Р.Ф. Курсовое проектирование по дисциплинам «Процессы и аппараты химических производств» и «Гидравлика и теплотехника», С-Пб,2004

5. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии, Москва,1962

6. Кувшинский М.Н., Соболева А.П. Курсовое проектирование по предмету: «Процессы и аппараты химической промышленности», Москва,1968

7. Каталог, Центробежные погружные насосы.

Размещено на Allbest.ru