Ректификационная колонна

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «ПОЛОЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ И ОХРАНЫ ТРУДА

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: «Процессы и аппараты химической технологии»

на тему : «Расчет ректификационной установки для разделения бинарной смеси вода-уксусная кислота»

Разработал: Студент гр. 13-МА

Мацкевич А.М.

Проверила: Доц. каф. ХТ и ОТ

Сафронова Е.В.

Новополоцк 2016



Введение

Курсовой проект по дисциплине “Процессы и аппараты химической технологии” является завершающим этапом. Его основой является расчёт ректификационной установки для разделения смеси вода - уксусная кислота.

Для разделения жидких смесей применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, ректификации, экстракции, адсорбции и т.д.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационных тарельчатых или насадочных аппаратах колонного типа. Для создания разности температур потоков в нижнюю часть колонны подводят тепло, а из ее верхней части тепло отводят.

В реальных условиях ректификационной колонны равновесие уходящих из контактной зоны потоков пара и жидкости может не достигаться, в связи с чем эти потоки будут иметь разные температуры, а их составы определяться не только уравнениями равновесия, но и более сложными зависимостями.

Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара, число контактных ступеней. При соответствующем выборе параметров обеспечивается разделение исходной смеси на компоненты (фракции), удовлетворяющие определенным требованиям.

Рис. 1. Принципиальная схема ректификационной установки

1 - емкость для исходной смеси; 2,9 - насосы; 3 - теплообменник-подогреватель; 4 кипятильник; 5 ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - емкость для сбора дистиллята; 10 - холодильник кубовой жидкости; 11 - емкость для кубовой жидкости.

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 1. Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси x_F.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка x_W, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкость (флегмой) состава x_Р, получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовой остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).



1. Материальный баланс

Уравнение материального баланса составляем на основании задания:

Производительность по сырью: .

Концентрации низкокипящего компонента (% мас.):

В исходной смеси: ;

В дистилляте: ;

В кубовом остатке: ;

Смесь подается в колонну при температуре начала кипения.

Из уравнений материального баланса (7.4 и 7.5, [1]):

;

где - массовые расходы сырья, дистиллята и кубового остатка соответственно.

Для дальнейших расчетов необходимо перевести массовые концентрации низкокипящего компонента в мольные:

Исходная смесь:

.

Дистиллят:

.

Кубовой остаток:

.

где ,-- молярная масса воды и уксусной кислоты соответственно.

=18, =60 г/ моль



2. Построение равновесной и рабочей линий и диаграммы

Для построения диаграммы t-x, y воспользуемся данными таблицы 2.1

Таблица 2.1

t, °C	Pв, мм рт.ст.	Pук, мм рт.ст.	П, мм рт.ст.	x	y
128	1875	1000	1875	1	1
130	2200	1100		0,70455	0,82667
132	2400	1200		0,5625	0,72
134	2500	1250		0,5	0,66667
136	2600	1300		0,44231	0,61333
138	2750	1350		0,375	0,55
140	3000	1400		0,29688	0,475
142	3200	1500		0,22059	0,37647
144	3300	1600		0,16176	0,28471
146	3600	1700		0,09211	0,17684
148	3700	1750		0,0641	0,1265
150	3800	1875		0	0

Мольную концентрацию воды в жидкой фазе определим по закону Дальтона:

;

Мольную концентрацию воды в паровой фазе определим по уравнению (6.8, [1]):

.

В результате получаем диаграмму для бинарной смеси вода-уксусная кислота (рис. 2.1):

Рис. 2.1. Диаграмма .

где - мольные концентрация низкокипящего компонента (вода) в жидкой и паровой фазе смеси вода-уксусная кислота соответственно.

Далее используем данные, представленные в таблице 2.1, для построения равновесной линии () для заданной смеси.

Для построения рабочей линии необходимо найти флегмовое число R, чтобы это сделать найдем сначала минимальное флегмовое число по уравнению (7.10, [1]):

,

где - мольная доля воды в паре, равновесном с жидкостью питания. Находим из диаграммы (рис. 2.2):

Рис. 2.2. Диаграмма с изображением равновесной линии процесса ректификации.

.

Рабочее число флегма определяется по уравнению (7.12, [1]):

.

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

;

;



б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

где - относительный мольный расход исходной смеси:

.

;

На основе полученных выше данных построим рабочую линии на диаграмме х-у, сделаем это следующим образом:

1) Проведем линию х=х_D до пересечения с диагональю и получим точку А.

2) Отложим на оси у отрезок B=0,279 ( из уравнения верхней части колонны) - получим точку B;

3) Соединим точки А и B - получим прямую АB;

4) Проведем линию х=x_Fдо пересечения с AB и получим точку C;

5) Проведем линию х=х_w до пересечения с диагональю и получим точку D;

6) Соединим точки С и D; в результате получаем ACD - рабочая линия.

Нанесем рабочие линии на диаграмму на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Диаграмма с изображением рабочих линий процесса ректификации.



3. Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны:

;

б) в нижней части колонны:

.

Найдём средние концентрации пара по уравнениям рабочих линий:

а) в верхней части колонны:

;

б) в нижней части колонны:

Средние температуры пара определяем по диаграмме (рис. 3.1):

Рис. 3.1. Диаграмма для нахождения температур пара и .

а) при ,

б) при .

Средние мольные массы и плотности пара:

а) в верхней части колонны:

;

б) в нижней части колонны:

;

.



Средняя плотность пара в колонне:

.

Температура в верху колонны при равняется , а в кубе-испарителе при она равна (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Диаграмма для нахождения температур пара и .

Плотность воды при ,уксусной кислоты при .

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

.



По данным каталога-справочника «Колонные аппараты» [3] принимаем расстояние между тарелками . Для ситчатых тарелок по графику (рис. 7.1, [1]) находим . А, Б - колпачковые тарелки с круглыми колпачками; В - ситчатые тарелки.

Скорость пара в колонне определим по уравнению (7.17 a, [1]):

.

Объёмный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне:

;

,

где - мольная масса дистиллята, равная:

.

Диаметр колонны:

.

Принимаем . Тогда скорость пара в колонне будет:



4. Определение гидравлического сопротивления тарелок и давления в кубе колонны

Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки по ОСТ 26-805-73:

Диаметр отверстий , высота сливной перегородки .

По каталогу-справочнику «Колонные аппараты» [3] для колонны диаметром 2400 мм выбираем ситчатую тарелку типа ТС-Р2 со следующими конструктивными размерами:

Свободное сечение колонны - ;

Рабочее сечение тарелки - ;

Шаг между отверстиями - ;

Относительное свободное сечение тарелки - ;

Сечение перелива - ;

Относительная площадь перелива - ;

Периметр слива - ;

Масса - .

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны по уравнению (1.60, [1]):

,

пренебрегаем, т.к. оно слишком мало относительно .

а) Верхняя часть колонны:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

,



где - коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением ;

- скорость пара в отверстиях тарелки.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

Высота парожидкостного слоя:

Величину - высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по формуле:

где - объёмный расход жидкости,;

- периметр сливной перегородки,;

- отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0,5.

Объёмный расход жидкости в верхней части колонны:

где - средняя мольная масса жидкости,

Находим :

Периметр сливной перегородки П нахожу с помощью решения системы уравнений:

Высота парожидкостного слоя на тарелке:

Сопротивление парожидкостного слоя:

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны: вакуум ректификация уксусный пар

б) Нижняя часть колонны:

;

);

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:



Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками необходимое для нормальной работы тарелок условие:

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

Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается.

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

Рассчитанная скорость следовательно, тарелка будет работать всеми отверстиями.



5. Определение числа тарелок и высоты колонны

Находим число ступеней изменения концентрации в колонне по диаграмме (рис. 5.1):

Рис. 5.1. Диаграмма c изображением теоретических тарелок.

В верхней части колонны в нижней части колонны всего 15 ступеней.

Число тарелок рассчитываем по уравнению (7.19, [1]):



где - число теоретических тарелок;

- средний к.п.д. тарелок.

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

При этой температуре давление насыщенного водяного пара насыщенного пара уксусной кислоты , откуда:

Динамический коэффициент вязкости воды при равен Динамический коэффициент вязкости уксусной кислоты Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси

Тогда:

По графику (рис. 7.4, [1]) находим

Длина пути жидкости на тарелке:

По графику (рис. 7.5, [1]) находим значение поправки на длину пути

Средний к.п.д. тарелок определяем по уравнению (7.20, [1]):

Число тарелок:

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Общее число тарелок с запасом из них в верхней части колонны 18 и в нижней части 7 тарелок.

Для определения высоты колонны использую формулу:

где - высота крышки, мм;

- высота сепарационной части, мм;

- высота верхней тарельчатой части, мм;

- высота эвопарационного пространства, мм;

- высота нижней тарельчатой части, мм;

- высота кубовой части, мм;

- высота юбки, мм.

По каталогу-справочнику «Колонные аппараты» [3] для колонны диаметром 2400 мм принимаем

Принимаем 3 люка-лаза (2 в верхней части колонны, 1в нижней). В месте установки люка-лаза расстояние между тарелками принимаем 800 мм.

Принимаем

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:



6. Расчёт теплового баланса колонны

Для колонны непрерывного действия с учётом потерь тепла в окружающую среду имеем:

Приход тепла:

- количество тепла, подводимого в куб колонны, ;

- количество тепла, вносимое сырьём, ;

Расход тепла:

- количество тепла, уносимое дистиллятом, ;

- количество тепла, уносимое остатком, ;

- количество тепла, отводимое дефлегматором, ;

- потери в окружающую среду, .

Таким образом, уравнение теплового баланса

(6,1)

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению:

,

,

где и - удельные теплоты конденсации воды и уксусной кислоты при 128.

Расход теплоты, получаемой в кубе испарителе от греющего пара, находим, решая данное уравнение относительно

Здесь тепловые потери приняты в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты; удельные теплоемкости рассчитываем в зависимости от температур и состава жидкости:

При ( из диаграммы t-x,y стр.11)

,

При ( из диаграммы t-x,y стр.11)

,

При ( из диаграммы t-x,y стр.11)

,

Расход теплоты в подогревателе смеси:

,

где - начальная температура сырья; - удельная теплоемкость исходной смеси при средней температуре (134+18)/2=76 єС.

,

Тепловые потери приняты в размере 5 %.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

,

где-конечная температура охлаждённого дистиллята, удельная теплоемкость дистиллята при средней температуре (128+25)/2=76,5єС.



,

.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

,

где - конечная температура охлаждённого кубового остатка,

- удельная теплоемкость кубового остатка при средней температуре (142+25)/2=83,5єС.

,

,

Расход греющего пара, имеющего следующие характеристики

Температура греющего пара должна быть больше температуры куба на 15 градусов, принимаем t_г.п=142+15=157

-удельная теплота конденсации греющего пара;

ц=5% -влажность греющего пара;

Температура конденсации = 157^оС;

а) в подогревателе исходной смеси:

б) в кубе-испарителе:

Всего расход греющего пара: 4,67+0,93=5,6 кг/с.

Расход охлаждающей воды при нагреве её на

а) в дефлегматоре:

б) в водном холодильнике дистиллята:

в) в водяном холодильнике кубового остатка:

Всего:

Массовый расход горячей струи при температуре в кубе колоны:

,

7. Расчет и подбор теплообменного оборудования

Выбираем коэффициент теплопередачи из табл.4.8[1]. При передаче тепла от конденсирующегося пара к воде.

7.1 Расчет дефлегматора

Примем, что охлаждающая вода, проходящая по трубам, нагревается от 18 до 38°С.

Ориентировочно определяем величину площади поверхности теплообмена:

Из таблицы 2.9.[5] выбираем четырехходовой кожухотрубчатый теплообменник по ГОСТ 15121-79:

-внутренним диаметром кожуха.D= 800мм,

- поверхность теплообмена 173 м²

- диаметром труб 20х2,

- длина труб 4 м,

- общее число труб 690,

-расположение вертикальное.

Запас поверхности:

7.2 Подбор подогревателя сырья

Принимаем начальную температуру сырья равной t=18°С, t_f=134 ⁰C.

Принимаем K=200 Вт/м²град (по табл. 2.1 [2]).

Из таблицы 2.3.[4] выбираем четырехходовой кожухотрубчатый теплообменник по ГОСТ 15118-79:

-внутренним диаметром кожуха.D= 600мм,

- поверхность теплообмена 93 м²

- диаметром труб 20х2,

- длина труб 4 м,

- общее число труб 316.

Запас поверхности:

7.3 Уточнённый расчет

Рассчитываем число Рейнольдса:

При

Re=2300<2498<10000 -значит режим движения жидкости переходный.

7.3.2. Находим значение критерия Нуссельта для переходного режима:

, где:

,

где - коэффициент теплопроводности,;c - удельная теплоёмкость.

[1,номограмма. 11],

Коэффициент теплоотдачи холодного потока:



Сумма термических сопротивлений стенки труб нержавеющей стали и загрязнений со стороны органической жидкости греющего пара по данным таблиц ХХХI [1]и XXVIII [1]:

Коэффициент теплоотдачи теплого потока (конденсация паров дистилята на вертикальной поверхности труб):

кг/м³

Рассчитываем коэффициент теплопередачи:

По найденному значению определяем поверхность теплопередачи:

Запас поверхности:

Выбор кипятильника.

1.Ориентировочно определяем величину площади поверхности теплообмена:

где K=2200 Вт/м²град - коэффициент теплопередачи, принят по таблице 4.8[1].

Из таблицы 2.3.[4] выбираем четырехходовой кожухотрубчатый теплообменник по ГОСТ 15121-79:

-внутренним диаметром кожуха.D= 1000мм,

- поверхность теплообмена 314 м²

- диаметром труб 25х2,

- длина труб 6 м,

- общее число труб 666.

Запас поверхности:

Подбор холодильника дистиллята.

Принимаем начальную температуру воды равной t_вн=18°С, а конечную

t_вк=38 ⁰C.

Принимаем K=1200 Вт/м²град (по табл. 2.1 [2]).

Из таблицы 2.3.[4] выбираем одноходовой кожухотрубчатый теплообменник по ГОСТ 15118-79:

-внутренним диаметром кожуха.D= 325мм,

- поверхность теплообмена 14,5 м²

- диаметром труб 25х2,

- длина труб 3 м,

- общее число труб 62.

Запас поверхности:

Подбор холодильника кубового остатка.

Разность температур:

Принимаем K=250 Вт/м²град (по таблице 2.1 [2]).

Из таблицы 2.3.[4] выбираем четырехходовой кожухотрубчатый теплообменник по ГОСТ 15118-79:

-внутренним диаметром кожуха.D= 800мм,

- поверхность теплообмена 139 м²

- диаметром труб 25х2,

- длина труб 4 м,

- общее число труб 442.

Запас поверхности:



8. Расчет и подбор сырьевого насоса

Геометрическая высота подъема смеси, температура 18. На линии нагнетания () расположены 3 отвода под углом ,1 нормальный вентиль, 1 теплообменник. На линии всасывания () установлено 1 прямоточный вентиль, 2 отвода под углом (в обоих случаях отношение радиуса изгиба к внутреннему диаметру трубопровода равно 4).

Выбираем насос (по напору и мощности):

Выбираем диаметр трубопровода, приняв скорость смеси во всасывающий и нагнетательной линиях одинаковой и равной 1,5 .

Выбираем стальной трубопровод с незначительной коррозией с наружным диаметром 76 Внутренний диаметр d= 68 мм. Фактическая скорость:

Рассчитываем потери на трение и местные сопротивления.



Режим турбулентный.

Среднее значение абсолютной шероховатости стенок труб (табл. 12 [1]). Относительная шероховатость.

По графику 1.5 [1] находим значение коэффициента трения ??=0,035.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений для всасывающей линии:

,

,

где- прямоточный вентиль;

- отвод под углом ;

- коэффициент местного сопротивления входа в трубу с острыми краями Тогда

(8.2)

.

Потери напора на всасывающей линии:

(8.3)

Сумма коэффициентов местных сопротивлений для нагнетательной линии:

,

- отвод под углом ;

- нормальный вентиль.

- Местное сопротивление перехода

Тогда ,

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве теплообменника:

, (8.4)

Где

скорость в трубном пространстве, z - число ходов, n - число труб.

(-вход в трубу (выход из трубы))

.

Потери напора на нагнетательной линии:

Общие потери напора:

,

.

Выбираем насос:

Рассчитаем полный напор, развиваемый насосом:



-давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость, ; П - давление в аппарате, в который подается жидкость, ; - избыточное давление в колонне, определяемое как произведение числа тарелок верхней части колонны и сопротивления одной тарелки.

Полезная мощность насоса:

Для ц/б насоса средней производительности принимаем:

Тогда мощность, потребляемая двигателем насоса:

.

По таблице 1 [4] (стр. 36) устанавливаем, что по заданной производительности и напору следует выбрать центробежный насос со следующими характеристиками:

- марка Х20/31;

- Q =

- H = 31 м;

-;

- ;

- двигатель ВАО-41-2;

- мощность = 5,5 кВт;

- n =.

Для ц/б насосов запас напора, необходимый для исключения кавитации рассчитывается по формуле:



9. Подбор штуцеров

Расчет штуцеров ведем по формуле (1.21 [5]):

где D - диаметр штуцера, V, W - расход и скорость среды соответственно.

1. Для ввода сырья в колонну:

принимаем скорость сырья

- плотность при вводе сырья в колонну (при).

Расход сырья при входе в колонну:

;

Принимаем штуцер по ОСТ 26 - 1404 - 76 - ОСТ

по табл. 10.2 [5],

D = 0,08м

Скорость на входе сырья в колонну:

2. Штуцер для вывода дистиллята:

,

где.

Принимаем скорость дистиллята .

,

Принимаем штуцер по ОСТ 26 - 1404 - 76 - ОСТ26 - 1410 - 76 по табл. 10.2 [5] D = 0,5 м. Тогда

.

3. Для возврата флегмы в колонну:

- плотность флегмы при вводе в колонну (при).).

Принимаем скорость флегмы.

Принимаем штуцер по ОСТ 26 - 1404 - 76 - ОСТ26 - 1410 - 76

по табл. 10.2 [4] D = 0,08 м, тогда

4. Для ввода горячей струи в колонну:

Примем скорость горячей струи пара 15 м/c

Расход горячей струи:

, где.

Принимаем штуцер по ОСТ 26 - 1404 - 76 - ОСТ26 - 1410 - 76

по табл. 10.2 [5] D = 0,7м

5. Для отвода жидкости из куба:

Объемный расход жидкости в нижней части колонны:

- плотность кубового остатка при выводе из колонны (при ).

Принимаем скорость кубового остатка

Принимаем штуцер по ОСТ 26 - 1404 - 76 - ОСТ26 - 1410 - 76

по табл. 10.2 [5]

D = 0,15 м, тогда



Список литературы

1. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов. - Л.: Химия, 1976. 552 с.

2. Гурвич В. Л. Сосновский Н. П. Избирательные растворители в переработке нефти. Справочная книга. 1975, 320 стр.

3. Бретшнайдер Ст. Свойства жидкостей и газов. Химия, 1966, стр. 197.

4. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под редакцией Ю.И. Дытнерского, 2 - е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. - 496 с.

5. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник/ Лащинский А.А., Л,: Машиностроение,1981. - 382 с.

Размещено на Allbest.ru