Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Обґрунтування методу виробництва, характеристика сировини та готової продукції

2. Вибір основного апарата, огляд реферативних матеріалів

3. Технологічна частина

3.1 Вихідні дані для розрахунку

3.2 Матеріальний баланс ректифікаційної колони і визначення робочого флегмового числа,

3.3 Розрахунок швидкості пару і діаметра колони

3.4 Розрахунок висоти насадки

3.5 Розрахунок гідравлічного опору насадки

3.6 Тепловий баланс ректифікаційної колони

4. Вибір та розрахунок допоміжного обладнання

4.1 Розрахунок насосної установки

4.2 Розрахунок підігрівника

4.3 Розрахунок холодильника

4.4 Точки контролю

5. Питання екології, ресурсо- та енергозбереження

Висновок

Перелік посилань

Вступ

Ректифікація - один з самих розповсюджених технологічних процесів, в хімічній, харчовій та інших галузях промисловості.

Ректифікація - процес розділення бінарної або багатокомпонентної гомогенної суміші летких рідин на практично чисті компоненти, збагачені легколетучими або важколетучими компонентами; процес відбувається в результаті контакту не рівноважних потоків пара і рідини.

Розділення вихідної суміші оцтова кислота - вода засновано на різній летючості речовин. При ректифікації початкова суміш ділиться на дві частини: дистилят - суміш, що збагачена низькокиплячим компонентом (НК) - оцтова кислота, і кубовий залишок - суміш, що збагачена висококиплячим компонентом (ВК) - вода.

Ректифікаційні апарати є основними апаратами хімічної промисловості. Значний ріст споживання продуктів хімічного виробництва, більше тверді вимоги до їхньої якості, розширення асортиментів продуктів, що випускають, викликає необхідність створення колон, що володіють високою продуктивністю й ефективністю.

Процес ректифікації призначений для поділу деяких сумішей на практично чисті компоненти або фракції, що розрізняються температурою кипіння.

Розрізняють суміші із двох компонентів (бінарні), багатокомпонентні й складні. До складних сумішей відносять нафта і її фракції.

Фізична сутність процесу ректифікації полягає у двосторонньому масо- і теплообміні між нерівноважними потоками пари й рідині або високій турбулізації поверхні контактуючих фаз.

У результаті масообміну пара збагачується низькокиплячим, а рідина - висококиплячим компонентами. При певнім числі контактів можна одержати пари, що складаються в основному з низькокиплячих, а рідина - з висококиплячих компонентів.

Процеси ректифікації здійснюються в колонних апаратах при багатократному або безперервному контакті фаз. При кожному контакті з рідини випаровується низькокиплячий компонент, яким збагачуються пари, а з парової конденсується висококиплячий компонент, що переходить в рідину. В результаті обміну компонентами між фазами в кінцевому розрахунку пари представляють собою практично чистий низько киплячий компонент. Пари, що виходять з верхньої частини колони після їх конденсації в окремому апараті дають дистилят (верхній продукт) і флегму - рідину, що повертається для зрошування колони і взаємодії з парами, що піднімаються в колоні. Рідина, що виділяється з нижньої частини колони представляє собою майже чистий високо киплячий компонент - кубовий залишок (нижній продукт). Частина залишку випаровується в нижній частині колони для одержання потоку пару.

Ректифікація відома з початку дев'ятнадцятого століття, як один з важливіших технологічних процесів головним чином спиртової і нафтової промисловості. В наш час ректифікацію все частіше застосовують в самих різних областях хімічної технології, де виділення компонентів в чистому вигляді має важливе значення (у виробництвах органічного синтезу, ізотопів, напівпровідників та різних інших речовин високої чистоти).

1. Обґрунтування методу виробництва, характеристика сировини та готової продукції

Оцтова кислота (CHCOOH) - це безбарвна кислота з різким запахом і кислим смаком. Оцтова кислота належить до слабких кислот. Вона у всіх відношеннях змішується з водою, спиртом, ефіром, бензолом і нерозчинна в сірковуглецю. Чисту оцтову кислоту одержують ректифікацією.

Ректифікацію можна проводити періодичним або безперервним способом.

При періодичній ректифікації суміш завантажується в куб колони й нагрівається парою, що проходить через змійовик. Після цього як суміш у кубі закипить, що утворяться пари починають надходити в колону, звідки направляються в дефлегматор, де конденсуються. Частина конденсату (флегма) стікає назад у колону, інша частина (дистилят) надходить у холодильник і звідси виділяється в приймач дистиляту.

При такому процесі в колоні відбувається зміцнення парів, а у кубі - вичерпування суміші. Вичерпування триває протягом деякого часу; коли досягається необхідна сполука суміші, операція закінчується й залишок відводиться з куба.

У міру протікання процесу умови роботи установки поступово змінюються. На початку процесу в колону надходять із куба пари, багаті НК. У цей період потрібно порівняно невелика кількість флегми, щоб виділити з парів ВК, який міститься в них. У ході процесу пари, що виходять із куба будуть усе більше збагачуватися ВК, а для виділення його з парів кількість флегми повинне бути збільшене. Якщо ж кількість флегми залишити постійним, буде зростати вміст ВК у дистиляті.

При безперервній ректифікації суміш подається в середню частину колони через теплообмінник, що обігрівається залишком або парою. У верхній частині колони, розташованої вище точки уведення суміші, відбувається зміцнення парів. У нижній частині колони, розташованої нижче точки уведення суміші, відбувається вичерпування рідини. З вичерпної колони рідина стікає в кип'ятильник, що обігрівається паром. У кип'ятильнику утворяться пари, що піднімаються нагору по колоні, залишок безупинно відводиться з куба. Пари, що виходять зі зміцнювальної частини колони, надходять у дефлегматор, звідки флегма повертається в колону, а дистилят направляється в холодильник.

Переваги безперервної ректифікації в порівнянні з періодичною:

1. Умови роботи установки не змінюються в ході процесу, що дозволяють установити точний режим, спрощує обслуговування й полегшує автоматизацію процесу.

2. Відсутні простої між операціями, що приводить до підвищення продуктивності установки.

3. Витрата тепла менше, причому можливо використання тепла залишку на підігрів вихідної суміші в теплообміннику.

Завдяки перерахованим перевагам у виробництвах великого масштабу застосовують безперервну ректифікацію.

2. Вибір основного апарата, огляд реферативних матеріалів

Технологічна схема ректифікаційної установки показана на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1- Технологічна схема ректифікаційної установки:

1 - ректифікаційна колона ; 2 - куб; 3 - бак - зберігач; 4 - напірний бак; 5 - дефлегматор; 6 - збірник дистиляту; 7 - холодильник кубового залишку; 8 - збірник кубового залишку; 9 - насос; 10 - ротаметр; 11 - фільтр.

При безперервній ректифікації початкова суміш вода - оцтова кислота з баку - зберігачу 3 насосом 9 через фільтр 11 подається в напірний бак 4. Із напірного баку 4 вихідна суміш через ротаметр потрапляє в підігрівач, що міститься в кубі 2, де вона нагрівається кубовим залишком. Температуру вихідної суміші після підігріву визначають за показаннями термометра. З підігрівача нагріта суміш поступає на розділення в ректифікаційну колону. З вичерпної частини колони рідина стікає в куб - випарник 2, що має усередині змійовик, обігріваючий парою. Конденсат гріючої пари із змійовика відводиться в каналізацію. Витрата гріючої пари регулюється вентилем, а тиск визначається по манометру. В кубі - випарнику частина рідини перетворюється в пару, а інша відводиться в якості кубового залишку - продукту, що збагачений важко летучим компонентом. Кубовий залишок проходить холодильник 7, де охолоджується водою, і потрапляє в збірник кубового залишку 8. Із збірника кубовий залишок повертається в бак - зберігач 3. Збірники 6, 8 і між трубний простір дефлегматора 5 спільні з атмосферою, що забезпечує роботу колони під атмосферним тиском. Із зміцьнюючої частини колони пар, що збагачений низько киплячим компонентом, потрапляє в дефлегматор 5, який охолоджується водою. Витрата води виміряється ротаметром, а температура її на вході і виході - термометрами. Рідина, що утворилась в дефлегматорі 5 після повної конденсації пару, ділиться на дві частини. Одна частина конденсату у вигляді флегми подається на зрошування колони, а інша частина конденсату відбирається у вигляді готового продукту розподілу - дистиляту, який потрапляє в збірник дистиляту 6, а потім направляється в бак - зберігач 3. кількість флегми і дистиляту вимірюється ротаметрами.

Початковий склад пару приблизно рівний складу кубового залишку .В результаті масообміну з рідиною пар збагачується легко летучим компонентом. Для більш повного збагачення верхню частину колони орошають в відповідності з заданим флегмовим числом рідиною (флегмою) складу Х, яка одержується в дефлегматорі 4 шляхом конденсації пару, що виходить з колони.

Основними регулюючими параметрами є:

1) склад рідини в верхній і нижній частинах колони;

2) витрати і температура вихідної суміші;

3) тиск в верхній частині колони;

4) температура і рівень рідини в кубі.

Стабілізація складу рідини в верхній частині колони відбувається шляхом зміни витрати флегми, в нижній частині - витрати гріючої пари.

Витрати вихідної суміші стабілізується при допомозі регулятора витратив. Діафрагма і виконавчий пристрій цього регулятора встановлюється до теплообмінника, так як після нагрівання вихідної суміші до температури кипіння потік рідини в теплообміннику містить парову фазу, що порушує роботу діафрагми і виконавчого пристрою.

Якщо вихідна суміш надходить в колону з меншою температурою, ніж температура кипіння, то її потрібно підігріти парами, які йдуть з нижньої частини колони. Конденсація парів при цьому збільшується, що порушує весь режим процесу ректифікації. Тому температуру вихідної суміші стабілізують змінами витрати пари, який подається в підігрівач.

Тиск в верхній частині колони стабілізується шляхом зміни подачі охолоджуваної води, яка подається в дефлегматор.

В процесі ректифікації контролюються витрати, тиск, температури за допомогою контролюючо-вимірювальних приладів (КВП).

Таким чином, в ректифікаційній колоні здійснюється безперервний нерівно важний процес розподілу вихідної бінарної суміші на дистилят з високим вмістом легко летючого компонента і кубовий залишок, збагачений важко летучим компонентом.

Ректифікаційна установка з поділу бінарної суміші оцтова кислота - вода є безвідхідним виробництвом, тому що конденсати суміші використаються в промисловості як вихідна сировина для інших виробництв.

Для ректифікації застосовують майже винятково апарати колонного типу - насадочні (рис. 2.2) й барботажні ректифікаційні колони.

У насадочних колонах звичайно застосовується насадка з кілець Рашига. Найпоширеніші кільця розміром 25х25х3 мм.

У процесі ректифікації в насадочних колонах не потрібен відвід тепла, а кількість рідини, що зрошує, звичайно досить велика. У зміцнювальній колоні кількість рідини менше кількості пара, що піднімається, на кількість дистиляту, що відводиться; у вичерпній колоні кількість рідини більше, ніж у зміцнювальній, на кількість суміші, що відводиться.

Нерівномірний розподіл рідини по перетину колони може привести до недостатньо чіткого поділу компонентів, особливо при великому діаметрі колони. Низький гідравлічний опір насадочних колон існує лише при ректифікації у вакуумі. Насадочні ректифікаційні колони застосовуються головним чином невеликого діаметра (приблизно до 1 м), а також при ректифікації у вакуумі й для поділу хімічно агресивних речовин.

Конструкція насадочної ректифікаційної колони безперервної дії з кип'ятильником показана на рисунок 2.2.

Рисунок. 2.2 - Конструкція насадочної ректифікаційної колони безперервної дії з кип'ятильником:

1 - корпус; 2 - насадка; 3 - опорна решітка; 4 - розподілювач флегми; 5 - патрубок для злиття кубового залишку; 6 - кип'ятильник; 7 - зрошувач.

3. Технологічна частина

3.1 Вихідні дані для розрахунку

Вихідна суміш: вода - оцтова кислота.

Тип колонного апарата - колона насадочна.

Маса вихідної суміші, що потрапляє у колону- G_F=6,5 т/год.

Зміст оцтової кислоти в суміші, % (мас):

у вихідній суміші - X_F= 34;

у дистиляті - X_D= 88

у кубовому залишку - X_w = 1,4

Температура вихідної суміші - t_F = 25⁰C

Тиск пари, що гріє, - Р = 0,35 МПа

Початкова температура води - t_нв = 20^оС

3.2 Матеріальний баланс ректифікаційної колони і визначення робочого флегмового числа

Продуктивність колони по дистиляту і кубовому залишку визначається з рівнянь матеріального балансу колони:

G_D+G_W = G_F (3.1)

G_D• X_D+ G_W• X_W = G_F• X_F, (3.2)

Де G_D - кількість дистиляту, кг/год;

G_W - кількість кубового залишку, кг/год ;

G_F - 6500 кг/год - кількість вихідної суміші;

X_D = 88 % (мас) - вміст оцтової кислоти в дистиляті;

X_W = 1.4 % (мас) - вміст оцтової кислоти в кубовому залишку;

X_F = 34 % (мас) - вміст оцтової кислоти у вихідній суміші.

Вирішуємо спільно рівняння (3.1) і (3.2):

G_D+G_W = G_F = G_D+G_W = 6500

G_D• X_D+ G_W• X_W = G_F• X_F, = G_D• 0,88 + G_W• 0,014 = 6500• 0,34

Звідки G_D = 2447 кг/год. G_W = 4053 кг/год.

Для подальшого розрахунку необхідно концентрацію живлення дистиляту та кубового залишку виразити в мольних долях за формулою:

Х = (3.3)

Де:

х - масова концентрація компонентів;

М = 60 - молекулярна маса оцтової кислоти;

М = 18 - молекулярна маса води.

Для вихідної суміші:

X_F = 0,134

Для дистиляту:

X = 0,687

Для кубового залишку:

Х = 0,0042

Відносна мольна витрата живлення:

F = = 5,3

Мінімальне число флегми в ректифікаційній колоні безперервної дії знаходимо за формулою:

R_min = (x - y^*_F)/(y^*_F - x) (3.4) = 0,687 - 0,213)/(0,213 - 0,134) = 6

Де y^*_F = 0,213- вміст оцтової кислоти в парі, що знаходиться в рівновазі з рідиною живлення.

Для визначення оптимального (робочого) флегмового числа приймаємо декілька значень коефіцієнтів надлишку флегми і розрахуємо для цих значень R і величину В. По знайденим даним нанесемо на діаграму у-х(рис 3.2) відповідні лінії робочих концентрацій і визначимо число ступенів зміни концентрації у відповідності з прийнятими значеннями коефіцієнта надлишку флегми : 1,07; 1,36; 1,74; 2,33; 3,30; 5,26. Розрахуємо флегмове число для кожного значення надлишку флегми за формулою:

(3.5)

В нашому випадку = 6, тоді буде:

.

По цим даним розрахуємо відрізок для всіх значень …:

(3.6)



За обчисленими величинами на графік (рис.3.2) нанесемо значення … і з'єднаємо їх з точкою А. Місце перетину з лінією кожного значення В з'єднаємо з точкою С. Таким чином визначимо положення ліній робочих концентрацій для кожного значення надлишку флегми. Потім від концентрації до концентрації між рівноважною кривою і кожною з робочих ліній проведемо ламані (ступені), по яким визначимо число ступенів зміни концентрації. Всі дані представимо у вигляді таблиці.

Таблиця:

	1,07	1,36	1,74	2,33	3,3	5,26
R	6,42	8,16	10,44	13,98	19,8	31,56
N	32	21	18	15	13,5	12
N(R+1)	237,44	192,36	205,92	224,7	280,8	390,72

Мінімальний добуток:

N (R+1)

Відповідає флегмовому числу R=8,1. При цьому коефіцієнт надлишку флегми = 8,1: 6 =1,35. Робочі лінії і ступені зміни концентрації для верхньої (укріплюючої) і нижньої частин колони у відповідності з найденим значенням R. Робоче число флегми також можна знайти за формулою:

. (3.7)

R=1,3·6+0,3 = 8,1

Рівноважні склади рідини й пари бінарної суміші вода - оцтова кислота наведені у таблиці 3.1.

Таблиця 3.1 - Рівноважні склади рідини й пари суміші вода - оцтова кислота (мол. %):

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,0C	118,1	115,4	113,8	110,1	107,5	105,8	104,4	103,3	102,1	101,3	100,6	100

Будуємо графік t - x,y (рис. 3.1) з якого визначимо температури рідини:

t= 102,3⁰C; t = 112,5⁰C; t = 117,9 ⁰C; y_F = 0,213

Рівняння робочої лінії для верхньої частини колони має вигляд:

= + (3.8)

Відрізок, відсічений робочою лінією укріпляючої колони на осі ординат діаграми рівноваги, визначимо з рівняння:

(3.9)

=0,098.

Знайдемо значення відрізка В, що визначає положення лінії оптимальних робочих концентрацій:

. (3.10)

= 0,075.

Графічно визначимо кількість ступенів зміни концентрації в верхній та нижній частині:

Для верхньої частини колони - N = 8

Для нижньої частини колони - N =13.

Середні масові втрати (загрузки) по рідині для верхньої і нижньої частини колони визначаються з відношень:

(3.11)

(3.12)

Де і М - мольні маси дистиляту і вихідної суміші;

і - середні мольні маси рідини в верхній і нижній частинах колони. Мольну масу дистиляту в даному випадку можна прийняти рівній мольній масі легколетючого компонента - оцтової кислоти. Мольна маса рідини у верхній і нижній частинах колони відповідно дорівнює:

(3.13)

, (3.14)

Де і - мольні маси оцтової кислоти і води; і - середній мольний склад рідини відповідно у верхній і нижній частині колони:

= (3.15)

==0,412 кмоль/кмоль суміші.

(3.16)

= 0,069 кмоль/кмоль суміші. Тоді = 35,3кг/кмоль. =20,9 кг/кмоль. Мольна маса вихідної суміші: =23,6 кг/кмоль. Підставивши, одержимо:

=11661,2 кг/год = 3,24 кг/с.

12660,6 кг/год = 3,52 кг/с.

Середні масові потоки пара в верхній і нижній частинах колони відповідно дорівнює:

(3.17)

. (3.18)

Тут і - середні мольні маси парів у верхній і нижній частинах колони:

(3.19)

, (3.20)

. (3.21)

=0,44 кмоль/кмоль суміші.

(3.22)

=0,1 кмоль/кмоль суміші.

=0,197 (визначили завдяки діаграмі х-у на рис 3.2).

Тоді: =36,5 кг/кмоль.

=22,2 кг/кмоль.

Підставивши, одержимо:

=13546,2 кг/год = 3,76 кг/с.

8239,1 кг/год = 2,29 кг/с.

3.3 Розрахунок швидкості пару і діаметра колони

При заданій витраті V і прийнятій швидкості діаметр визначається за рівнянням:

D = (3.23)

Об'ємна витрата газу визначається за рівнянням:

Масова витрата газу визначається за рівнянням:

, (3.24)

Де - площа поперечного перетину потоку, м;

- середня швидкість потоку, м/с;

- густина пару, кг/м.

Знайдемо густину пару і і рідини і у верхній і нижній частинах колони при середніх температурах в них і [3,с.128]. Температури парів визначаємо з діаграми t - x,y: =103,7С; =114,5С; =117,9С.

Середня температура пари у верхній частині колони:

t_в.ср. = (t_F+ t_D) / 2 (3.26)

t_в.ср. = (114,5+ 103,7) / 2 = 109,1С

Середня температура пари в нижній частині колони:

t_{н. ср.} = (t_W + t_F) / 2 (3.27)

t_{н. ср} = (117,9+114,5) / 2 = 116,2 єС.

Тоді:

(3.28)

(3.29)

Де Т =273 К - абсолютна температура.

1,16 кг/м³,

0,7 кг/м³.

Визначимо середню густину пари в колоні:

(3.30)

кг/м³

Завдяки рівнянню (3.25) переведемо масову витрату в об'ємну:

==6989,3 м³ /год =1,9 м³/с

Середню густину рідини у верхній частині колони при середньому вмісті оцтової кислоти знаходимо за формулою:

= _о +_в (1- ) (3.31)

= 1060 0,412 + 1000 (1-0.412) = 1024,6 кг/м³,

де _о = 1060 кг/м³ -густина оцтової кислоти (по табл. 3 (3, с. 551));

_в = 1000 кг/м³ -густина води (по табл. 3 (3, с. 551))

і - середній мольний склад рідини відповідно у верхній і нижній частині колони. Визначимо середню густину рідини в нижній частині колони при середньому вмісті оцтової кислоти:

= _о +_в (1- ) (3.32)

=1060 0,069 + 1000 (1-0,069) = 1034,2 кг/м³,

Середня густина рідини в колоні:

 (3.33)

_ср. = = 1029,4 кг/м³.

В'язкість рідких сумішей знаходимо з рівняння:

(3.34)

Де і - в'язкості оцтової кислоти і води при температурі суміші( по табл. ІІ (2, с.806)). Тоді в'язкість рідини у верхній і нижній частині колони дорівнює відповідно:

0,431 мПа·с

0,467 мПа·с

Середня в'язкість рідини в колоні становить:

(3.35)

мПа·с

Діаметр насадочної колони визначається залежно від кількості і швидкості пари, що піднімається.

Оптимальну швидкість пари, яка відповідає початку емульгування (інверсія фаз) - точка навантаження, вважаючи на повний переріз колони, визначається з рівняння (7-47):

lg А - 1,75 (3.36)

Де - питома поверхня насадки, м/м;

- прискорення вільного падіння, м/сек;

- вільний об'єм насадки, м/ м;

і - густина пари(газу) і рідини, кг/ м;

- в'язкість рідини, мПа·с;

А = - 0,125 - постійна для парорідинних сумішей при ректифікації;

L і G - витрати рідини і пари, кг/год.

Приймаємо насадку з керамічних кілець Рашига розміром 25х25х3 і знаходимо: = 200 м/м;

= 0,74 м/ м;

Знаходимо відношення витрат рідини і пари за формулами:

для верхньої частини колони:

= (3.37)

= = 0,89.

Для нижньої частини колони:

, (3.38)

Тут:

==6,75.

=1,6

Знаходимо середнє відношення витрат рідини і пари у колоні:

=1,2

= 0,93 кг/ м- середня густина пари в колоні;

= 1029,4 кг/ м- середня густина рідини;

=0,449 - в'язкість рідини при середній температурі.

Робоча швидкість пари (газу) в звичайних насадочних колонах рівна:

= (0,6 : 0,85) = (0,6 : 0,85) 5,7 = 3,4 : 4,8 м/с

Приймаємо середнє значення швидкості = = 4,1 м/с

Діаметр колони визначаємо за формулою (4.3..1): D== 0,77 м.

Виберемо (1, гл.VI. розділ 1,4) стандартний діаметр обичайки D=0,8м.

3.4 Розрахунок висоти насадки

Для ректифікаційних насадочних колон висота слою насадки Н може бути визначена за рівнянням (7-66):

Н=h• n (3.39)

Де n - число ступенів зміни концентрації (теоретичних тарілок);

h - висота слою насадки, еквівалентного однієї ступені зміни концентрації, м; визначається з рівняння (7-68):

 (3.40)

Де і- в'язкість пари і рідини, н·сек/м;

і - густина пари(газу) і рідини, кг/ м;

m - тангенс кута нахилу рівноважної лінії.

В'язкість пари для верхньої частини колони визначаємо за рівнянням:

, (3.41)

Де і - в'язкість парів оцтової кислоти і води при середній температурі верхньої частини колони, мПа·с;

- середня концентрація парів.

Середню концентрацію парів знаходимо за формулою:

(3.42)

Де івизначаються за допомогою діаграми у-х.

Підставивши, одержимо:

В'язкість парів оцтової кислоти при середній температурі верхньої частини колони (=109,1С) визначаємо: =0,42 спз = 0,0042 мПа·с;

В'язкість парів води при середній температурі верхньої частини колони (=109,1С) визначаємо: =0,259 спз=0,00259 мПа·с;

мПа·с;

В'язкість пари для нижньої частини колони визначаємо за рівнянням:

, (3.43)

Де і - в'язкість парів оцтової кислоти і води при середній температурі нижньої частини колони, мПа·с;

- середня концентрація парів.

Середню концентрацію парів знаходимо за формулою:

(3.44)

Де івизначаються за допомогою діаграми у-х.

Підставивши, одержимо:

В'язкість парів оцтової кислоти при середній температурі нижньої частини колони (=116,2С) визначаємо: =0,44 спз=0,0044 мПа·с;

В'язкість парів води при середній температурі нижньої частини колони (=116,2С) визначаємо: =0,27 спз=0,0027 мПа·с;

мПа·с;

Середня в'язкість пару в колоні:

(3.45)

мПа·с.

Знаходимо відношення витрат рідини і пару за формулами:

Для верхньої частини колони:

= (3.46)

= = 1,1

Для нижньої частини колони:

(3.47) = =0,6

Тут:

=6,75.

Знаходимо середнє відношення витрат рідини і пару у колоні:

=0,85

Кут нахилу рівноважної лінії визначаємо на рис. 3.2: б = 33°, тоді m = tg б = tg 33° = 0,649.

= = lg 1,85 = 0,27

h=44,3

= 44,3 • 1,33 • 0,99 • 3,125 • 0,0017 • 0,74 • 0,95 • 3,79 · 0,83 · 0,6 = 0,41 = 410 мм.

Отже, необхідна висота слою насадки становить:

Н= 410 · 21 = 8610мм = 8,61м

3.5 Розрахунок гідравлічного опору насадки

Гідравлічний опір насадки ?Р визначається за рівнянням:

?Р = • , (3.48)

Де - густина зрошення у колоні, м/(м·с);

- гідравлічний опір сухої насадки, визначається за формулою:

= , (3.49)

Де Н - висота насадки, м;

- еквівалентний діаметр для різних насадок, для керамічних кілець розмірами 25 х 25 х 3: = 0,015 м;

- вільний об'єм, для керамічних кілець розмірами 25 х 25 х 3: = 0,74; - середня густина пари в колоні; - середня швидкість потоку, м/с; - коефіцієнт опору сухої насадки, який залежить від режиму руху газу в насадці. Критерій Рейнольдса для газу в колоні знайдемо за формулою:

, (3.50)

Де - середня в'язкість пари в колоні.

Отже, режим руху турбулентний.

Для турбулентного режиму коефіцієнт опору сухої насадки у вигляді безпорядково засипаних кілець Рашига знаходять за рівнянням:

(3.51)

= 2,14.

Гідравлічний опір сухої насадки дорівнює:

?Рс=17564 Па.

Густина зрошування у колоні визначається за формулою:

, (3.52)

L= кг/с.

Підставивши одержимо:

=0,0065 м/(м·с)

Гідравлічний опір зрошуваної насадки у колоні:

?Р = =224684,7 Па.

реферативний ректифікація гідравлічний

3.6 Тепловий баланс ректифікаційної колони

Кількість тепла Q_к, який необхідно подавати в куб колони, визначаємо по рівнянню теплового балансу колони з дефлегматором:

Q = Q + G· C·t+ G_w · C_w · t_w - G·C· t, (3.53)

Де Q і Q - теплові навантаження (витрати) дефлегматора і кип'ятильника.

Q - кількість тепла, що забирає вода в дефлегматорі визначається з рівняння:

Q = G (R + 1) , (3.54)

Де - теплота випару флегми.

Теплоту випару флегми визначаємо з рівняння:

(3.55)

Де = 94,3 ккал/кг = 395 · 10 дж/кг;

= 546 ккал/кг = 2280 · 10 дж/кг;

- молярна доля оцтової кислоти.

Підставляємо:

= 621,2 · 10 дж/кг.

Отже, теплові витрати дефлегматора становлять:

Q= (8,1+1) 621,2 · 10 = 3842 кВт.

Значення теплоємності вихідної суміші С, готового продукту С і кубового залишку Сw в рівнянні теплового балансу визначають за формулою:

С = С • Х + С • Х + ... + СХ, (3.56)

Де С, С, С - теплоємність компонентів при температурах суміші;

Х, Х, Х - масові долі компонентів.

Теплоємність оцтової кислоти С при температурі 102,3°, 112,5°,117,9° відповідно рівні: 0,59 ккал / кг·град; 0,65 ккал / кг·град; 0,68 ккал / кг·град або 0,59 · 4,19 = 2,47 кДж / кг·град; 0,65 · 4,19 = 2,72 кДж / кг·град; 0,68 · 4,19 = 2,85 кДж / кг·град. Для води при тих же самих температурах теплоємність практично постійна і рівна 4190 Дж / кг·град = 4,19 кДж / кг·град.

Таким чином теплоємності рівні:

С- теплоємність дистиляту:

С= С_о · Х + С_в (1-Х)

С= 2,47 · 0,88 + 4,19 (1- 0,88) = 2,67 кДж / кг · град;

С - теплоємність вихідної суміші:

С= C_о · Х + C_в (1- Х)

С= 2,72 · 0,34 + 4,19 (1- 0,34) = 3,69 кДж / кг · град;

С_w - теплоємність кубового залишку:

С_w = С_о · Х_w + C_в (1- Х_w)

С_w = 2,85 · 0,014 + 4,19 (1- 0,014) = 4,17 кДж / кг · град;

Витрати тепла в кубі колони з урахуванням теплових втрат (Qп - теплові втрати, приймаються заздалегідь в розмірі 3 % від корисно витраченої теплоти) складають:

Q_k = (3842 + · 2,67 ·102,3 + · 4,17 · 117,9 - · 3,69 · 112,5) · 1.03 =3947кВт.

Визначимо витрату пари, що гріє, у кубі колони за формулою:

G = Q_k/r· (3.57)

G =3947/2156·0,95 = 1,9 кг/с = 6840 кг/год ,

де r = 2156 кДж/кг - теплота паротворення пари, що гріє, при тиску Р = 0,35 Мпа; =0,95 - степінь сухості пари.

Витрату води в дефлегматорі знаходимо за формулою:

(3.58)

де - теплоємкість води;

;

t₁ = 20⁰С - початкова температура води;

t₂ = 40⁰С - кінцева температура води.

= 45,8 кг/с;

Витрату води в холодильнику дистиляту знаходимо за формулою:

(3.59)

= = 4857кг/год = 1,3 кг/с. Витрату води в холодильнику кубового залишку знаходимо за формулою:

(3.60)

= 15711 кг/год = 4,4 кг/с.

Загальні витрати води складають:

= (3.61)

= 45,8+1,3+4,4=51,5 кг/с.

4. Вибір та розрахунок допоміжного обладнання

4.1 Розрахунок насосної установки

Насосна установка призначена для подачі вихідної суміші через підігрівник у ректифікаційну колону.

Потужність електродвигуна привода насосної установки визначимо за формулою:

N = P^.V / 1000, кВт (4.1)

Де V - об'єм вихідної суміші;

= 0,7 - к.к.д. привода насосної установки;

P - напір, що розвивається насосом.

Завдяки рівнянню (3.25) переведемо масову витрату в об'ємну:

==6,3 м³ /год =0,002 м³/с

Отже:

N == 0,64 кВт

Для подачі вихідної суміші в колону приймаємо відцентровий насос типу Х8/30, що має наступну технічну характеристику:

Продуктивність - V = 0,0024 м³/с;

Напір - Н = 17,7 м;

Насос має електродвигун АО2-32-2 потужністю 4 кВт, , частотою оберту вала .

4.2 Розрахунок підігрівника

Підігрівник призначений для підігріву вихідної суміші від початкової температури t₁ = 25⁰C до температури кипіння t₂ = 112,5⁰C.

Підігрів суміші виробляється паром тиском Р = 0,35 МПа з температурою t_н = 139⁰C.

Температурні умови процесу:

t_б = 114⁰С; t_м = 26,5⁰С

t_б /t_м =114/26,5 = 4,3 > 2

Середній температурний напір визначимо за формулою:

(4.2)

.

Необхідна поверхня теплообміну підігрівника визначається за формулою:

F = Q/K^.t_cp (4.3)

Де Q - кількість тепла затраченого гріючою парою на вихідну суміш;

К = 340 Вт/м^2.к - прийнятий коефіцієнт теплопередачі від пари, що конденсується, до органічної рідини. Кількість тепла затраченого гріючою парою на вихідну суміш визначаємо за формулою:

Q = , (4.4)

Де = 6500 кг/год - кількість вихідної суміші;

= 2,67 кДж/кг· град - теплоємність вихідної суміші.

Q = (6500/3600) · 2,67 · (112,5 - 25) = 422 кВт.

F = 422^.10/340·60 = 20,6 м²

Приймаємо за ДСТ 15518-78 пластинчастий теплообмінник поверхнею 25 м² , що має наступну технічну характеристику:

Типорозмір пластини, - 0,3;

Розміри пластини, м:

Довжина - 1,37;

Ширина - 0,3;

Товщина - 0,001

Число пластин, шт. - 86;

Еквівалентний діаметр каналу, м - 0,008;

Площа перерізу каналу, - 0,0011;

Приведена довжина каналу, м - 1,12;

Змочений периметр в перерізі каналу, м - 0,55

Діаметр штуцера - 0,05;

Маса апарату - 756.

4.3 Розрахунок холодильника

Холодильник призначений для охолодження оцтової кислоти від температури t₁ = 100°C, до температури t₂ = 30°C.

Охолодження ведеться водою, початкова температура якої t₃ = 20°C, кінцева: t₄ = 40°C.

Температурні умови процесу:

?t_б = 60°C;

?t_м = 10°C

(t_б /t_м) = (60/10) = 6 > 2

Середній температурний напір визначимо за формулою:

(4.5)

.

Кількість тепла, повідомлювана оцтовою кислотою воді:

Q = ? (t₁-t₂), (4.6)

Де = 2447 кг/год - витрата оцтової кислоти;

= 4,17 кДж / кг ? град - теплоємність кубового залишку.

Q = кВт

Необхідна поверхня холодильника визначається за формулою:

F = Q /(K ? ?t_ср. ) (4.7)

Де К = 800 Вт / м² ? К - коефіцієнт тепловіддачі від рідини до води.

F = 198 ? 10/ 800 ? 28 = 8.8 м²

Приймаємо за ДСТ 15118-79 кожухотрубний холодильник з наступною технічною характеристикою:

- діаметр кожуха - d = 273 мм

- діаметр трубок - d = 25x2 мм

- довжина трубок - L = 3 м

- поверхня теплообміну - F = 9 м²

4.4 Точки контролю

Контролю підлягають наступні параметри технологічного процесу ректифікації:

- температури вихідної суміші, дистиляту, кубового залишку й гріючої пари, що необхідна для підігріву вихідної суміші;

- рівень рідини у баку - зберігачу, напірному баку, збірнику дистиляту;

- тиск у верхній частині колони;

- витрати вихідної суміші, дистиляту й кубового залишку.

5. Питання екології, ресурсо- та енергозбереження

У статті 16 Конституції України встановлено, що зобов'язанням держави є забезпечення екологічної безпеки і підтримки екологічної рівноваги на території України, подолання наслідків Чорнобильської аварії - катастрофи планетарного масштабу і збереження генофонду українського народу.

Обов'язок кожної людини - не заподіювати шкоди природі, відшкодовувати заподіяний їй збиток (ст. 66).

Екологічний стан в Україні характеризується як критичний. Низький рівень екологічної культури населення внаслідок незадовільної екологічної освіти і виховання, нераціональна структура народного господарства, зв'язана з застосуванням матеріало- і енергетичних технологій, низький технічний рівень технологій очищення газоповітряних викидів в атмосферу і скидань стічних вод у водойми і переробка відходів промисловості і комунально-побутового господарства, а також загальна криза економіки країни призводять до зниження продуктивності господарства, погіршення стану здоров'я людей і навіть до зменшення чисельності населення внаслідок переваги смертності над народжуваністю. Це відбувається на фоні руйнування фізичного капіталу (заводів, фабрик, аграрних господарств тощо) і нераціонального використання природних ресурсів. При цьому значно погіршується стан довкілля і створюється загроза завдання непоправної шкоди біологічному і ландшафтному різноманіттю - лісовим, гірським і морським екосистемам, водоймам, лукам, землям тощо.

З метою подолання відмітних недоліків у 1998 р. Верховна Рада України прийняла постанову «Про застосовані напрямки державної політики в області охорони навколишнього природного середовища, використання природних ресурсів і забезпечення екологічної безпеки», яка розглядається як Державна програма охорони навколишнього середовища в Україні. В цій програмі сформульовані основні пріоритети та завдання охорони навколишнього природного середовища і раціонального використання природних ресурсів.

В проекті, що розробляється забруднення виробничих приміщень і навколишнього середовища може відбутися тільки в аварійних випадках. Тому при роботі на установці особливу увагу необхідно приділяти стану апаратів і машин, трубопроводів, для чого треба ретельно виконувати операції з повсякденного огляду обслуговування та усіх видів ремонтних робіт за планом ППР.

З точки зору енергозбереження доцільно використання тепла, що утворюється в дефлегматорі на господарчі потреби виробництва і таке інше.

Висновок

У дійсній курсовій роботі розрахована й проектована ректифікаційна установка безперервної дії для поділу суміші вода - оцтова кислота продуктивністю G = 6500 кг / год.

Дано оцінку матеріалів, що переробляють, виконаний опис існуючих схем ректифікації, дана характеристика застосовуваних у цих схемах ректифікаційних апаратів. Виконано опис технологічної схеми установки, наведений перелік основного й допоміжного устаткування, визначені заходи щодо охорони навколишнього середовища. Описано конструкцію ректифікаційної колони з переліком основних вузлів і деталей, описані процеси, що протікають у колоні, при поділі бінарних сумішей у колонних апаратах насадочного типу.

У технологічній частині проекту виконані розрахунки матеріального й теплового балансів, визначено робоче флегмове число, а також основні геометричні параметри апарату - діаметр колони, висота насадки і гідравлічний опір насадки.

Обрано насосну установку для подачі вихідної суміші в ректифікаційну колону, розраховані й обрані підігрівник вихідної суміші й холодильник дистиляту. виробництво ректифікація обладнання

У графічній частині проекту розроблені технологічна схема й загальний вид ректифікаційної колони.

Перелік посилань

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию /Под ред. Ю.И. Дытнерского.. - М.: Химия, 1983, 270 с.

2. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1968.- 848 с.

3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - М. - Л.: Химия, 1970.- 560 с.

4. Справочник химика. - 2-е узд., перераб. и доп. - Т.1. - М.: Химия, 1962. - 1070с.

5. Иоффе И. Л. Проектирование процес сов и аппаратов химической технологи: Учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1991. - 352с.

Размещено на Allbest.ru