Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 31
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол - уксусная кислота по следующим данным:
1.
Расход исходной смеси
GF
= 5,0 кг/с.
2.
Содержание низкокипящего компонента - бензола в процентах по массе:
· В исходной смеси
–
xF
=
35%;
· В дистилляте
–
xD
= 90
%;
· В кубовом остатке
–
xW
= 6
%.
3.
Колонна работает под атмосферным давлением.
4.
Тип ректификационной колонны
–
тарельчатая колпачковая.
Рассчитать холодильник дистиллята для ректификационной колонны (кожухотрубчатый теплообменник), если известно, что для охлаждения используется вода, начальная температура 15 0
С, конечная - 35 0
С.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА РЕКТИФИКАЦИИ 5
2. ПОДБОР МАТЕРИАЛА 7
3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 8
4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ 10
5. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ УСТАНОВКИ 19
6. РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА 2
6
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 30
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 3
1
ВВЕДЕНИЕ
Ректификация
–
многократная дистилляция, проводимая таким образом, что восходящий поток пара взаимодействует с нисходящим потоком жидкости, обогащенной легколетучим компонентом. В результате массопередачи поднимающийся пар обогащается легколетучим компонентом, а стекающая жидкость труднолетучим. Ректификация заключается в противоточном взаимодействии паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, получающейся при конденсации паров.
Разделение осуществляется обычно в колонных аппаратах при многократном или непрерывном контакте фаз. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент, которым обогащаются пары, а из паровой - конденсируется преимущественно высококипящий компонент, переходящий в жидкость. В результате обмена компонентами между фазами в конечном счете пары представляют собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пары выходящие из верхней части колоны после их конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (верхний продукт) и флегму - жидкость, возвращающуюся для орошения колоны и взаимодействия с поднимающимися в колоне парами. Снизу удаляется жидкость представляющая собой почти чистый высококипящий компонент - кубовый остаток (нижний продукт). Часть остатка испаряют в нижней части колоны для получения восходящего потока пара.
Ректификация известна с начала девятнадцатого века, как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию всё шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производных органического синтеза, изотопов, полупроводников и различных других веществ высокой
чистоты).
1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА РЕКТИФИКАЦИИ
Схема ректификационной установки непрерывного действия
1
–
емкость для исходной смеси; 2
–
подогреватель; 3
–
колонна;
4
–
кипятильник; 5
–
дефлегматор; 6
–
делитель флегмы; 7
–
холодильник; 8
–
сборник дистиллята; 9
–
сборник кубового остатка
Рис. 1.1.
Исходную смесь из емкости 1
центробежным насосом подают в теплообменник 2
, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 3
, где состав жидкости равен составу исходной смеси
xF
. 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
xW
,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 жидкостью (флегмой) состава х
D
, получаемой в дефлегматоре 5
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 емкость 8
.
Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 7
и направляется в емкость 9
.
Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).
2.
ПОДБОР МАТЕРИАЛА
При конструировании химической аппаратуры следует применять стойкие металлические и неметаллические конструкционные материалы в заданных агрессивных средах. Материалы должны быть химически и коррозионностойкими в заданной среде при её рабочих параметрах, обладать хорошей свариваемостью и соответствующими прочностными и пластическими характеристиками в рабочих условиях, допускать холодную и горячую механическую обработку, а также иметь возможно низкую стоимость и быть недефицитными. При выполнении прочностных расчетов в первую очередь сталкиваются с необходимостью оценки общей поверхностной коррозии выбираемого конструкционного материала, характеризующегося проницаемостью П мм/год.
Всегда нужно стремиться к выбору конструкционных материалов, характеризующихся минимальной проницаемостью.
В расчетах аппаратуры на прочность потеря по толщине материала на коррозию учитывается соответствующей прибавкой С, определяемой амортизационным сроком службы аппарата и проницаемость по формуле:
С = ПТа
= 0,1·20 = 2мм.
, где П
≤
0,1 мм/год
.
С
–
прибавка к расчетным толщинам; П = 0,1мм/год
–
скорость коррозии; Та
= 20лет
–
срок службы аппарата.
Принимаем сталь Х18Н1ОТ, для которой
[ [ η
= 1
–
поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки.
Сталь Х18Н1ОТ применяется для обечаек, днищ, фланцев, трубных решеток, болтов, шпилек, валов, патрубков штуцеров, корпусов крышек, тарелок, фланцев и других деталей сварной, кованной, литой химической аппаратуры, работающих со средами средней и повышенной стоимости в пределах
t
-254 до +6000
С и неограниченным давлением.
Остальные детали, не соприкасающиеся с токсичной, коррозионной средой, изготовляются из стали ст3.
3.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Таблица 3
.
1
Данные о равновесном составе пара над жидкостью.
[3]
x
y
t
P
0,00
6,47
8,91
12,72
19,23
24,97
29,93
38,04
45,39
64,51
100,00
0,00
31,49
38,82
47,82
57,76
64,43
68,59
74,21
77,52
85,04
100,00
118,7
109,51
106,82
103,71
99,44
96,23
93,99
90,85
88,96
84,72
80,2
760
По данным таблицы строим линию равновесия и диаграмму равновесия между жидкостью и паром при постоянном давлении.
Линия равновесия.
Рис. 3.1.
Диаграмма равновесия между жидкостью и паром при постоянном давлении.
Рис. 3.2.
4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ
4.1. Материальный баланс
Уравнение материального баланса.
GF
=
GD
+
GW
;
GF
xF
=
GD
xD
+
GW
xW
,
где
GF
,
GD
,,
GW
–
производительность по исходной смеси, дистиллята и кубового остатка;
XF
,
XD
,
XW
–
содержание легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке, массовые доли.
Для дальнейших расчетов выразим концентрации в мольных долях.
Исходная смесь:
где
M
Б
,
M
У.К.
–
молярная масса бензола и уксусной кислоты
Дистиллят:
Кубовый остаток:
Относительный мольный расход питания
F
:
Определим минимальное число флегмы
Rmin
:
y Определим рабочее число флегмы:
R
= 1,3· К
Уравнения рабочих линий:
а) верхней (укрепляющей) части колонны:
б) нижней (исчерпывающей) части колонны:
4.2. Определение скорости пара и диаметра колонны.
Средние концентрации жидкости:
а) в верхней части колонны
б) в нижней части колонны:
Средние концентрации пара находим по уравнению рабочих линий:
а) в верхней части колонны
б) в нижней части колонны
Средние температуры пара определяем по диаграмме
t
–
(
x
,
y
) рис. 3.2.
а) при
y
`
б) при
y
``
Средние мольные массы и плотности пара:
а) б) Средняя плотность пара в колонне:
Температура вверху колонны при
xD
= 0,874 равняется
tD
= 81,7 0
C, а в кубе
–
испарителе при
x Плотность уксусной кислоты при 111,7 0
C
ρ
У.К.
= 936,94 кг/м Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:
Определяя скорость пара
ω
в колонне по данным принимаем расстояние между тарелками
h
= 300мм, С = 0,032.
Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне
t где М
D
- молярная масса дистиллята, равная
Диаметр колонны:
По [2] принимаем
D
= 1600мм, тогда скорость пара в колонне будет:
4.3. Гидравлический расчет колпачковой тарелки.
Принимаем следующие размеры колпачковой тарелки:
Высота сливного порога
h Диаметр патрубка принимают из ряда: 50, 75, 100, 125, 150.
Задаемся диаметром патрубка 75мм.
Диаметр колпачка находим из условия равенства скорости пара в газовом патрубке и в кольцевом сечении колпачка (т.е. если скорости пара равны, то равны их площади).
Примем толщину стенки патрубка 3мм.
Принимаем ширину прорези
b
пр
=5 мм,
высоту прорези
h
пр
=20 мм.
Количество колпачков на тарелке Принимаем
n
= 45 штук.
Длина окружности колпачка: Количество прорезей где а - расстояние между прорезями, а=4 мм
Принимаем
n
пр.
=
38
Схема колпачка.
Рис. 3.1.
На каждой тарелке колонны расположено по 45 колпачков, каждый из которых имеет по 38 прямоугольных прорезей размером
b Определяем скорость пара в прорезях:
Гидравлическое сопротивление тарелки в колонне рассчитывается по формуле:
∆
p
=
∆
p Сопротивление сухой тарелки:
ξ
–
коэффициент сопротивления колпачковой тарелки, равен 3,0;
ω
Сопротивление вызываемого силами поверхностного натяжения:
σ
=
19,8
·10-3
H/
м
σ
–
поверхностное натяжение, Н/м;
d Тогда
Сопротивление столба жидкости на тарелке:
k
–
относительная плотность газожидкостного слоя, 0,5;
l
–
расстояние от верхнего края прорези до конца порога, 20мм;
∆
h
–
градиент уровня жидкости, 10мм.
Общее сопротивление тарелки в колонне:
∆
p
общ
= 230 + 10 + 223 = 463 Н/м2
4.4. Определение числа тарелок и высоты колонны.
На диаграмму х-у (см. рис.3.1.) наносим рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число теоретических тарелок. В верхней части колонны
n
`
Число тарелок рассчитываем по уравнению:
Для определения среднего к.п.д.
η
тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов, При этой температуре давление насыщенного пара бензола
P
Б
= 1344 мм.рт.ст., уксусной кислоты
P
У.К.
= 420 мм.рт.ст. , откуда Динамический коэффициент вязкости при 100,25 0
С бензола
μ
Б
=0,26·10 Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси
μ
= 0,36·10 Тогда
αμ
= 3,2· 0,36 = 1,15.
По графику находим
ηср
= 0,48 [5, стр. 323].
Длина пути жидкости на тарелке
l
=
D
–
2
b
= 1600
–
2·300 = 1000 мм = 1,0 м.
По графику находим
∆
=0.03 [
5
, стр. 324]
Тогда
η
=
η
Число действительных тарелок:
· в верхней части колонны
· в нижней части колонны
Общие число тарелок
n
= 12, с запасом
n
Т
= 14, из них в верхней части колонны 7 и в нижней части 7 тарелок.
Высота тарельчатой части колонны:
Общее гидравлическое сопротивление тарелок:
4.5. Тепловой расчет установки.
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре
–
конденсаторе:
где: где
r
Б
,
r
У.К.
- удельные теплоты конденсации бензола и уксусной кислоты при 81,7 0
С.
r
Б
=391 кДж/кг,
r
У.К.
=388 кДж/кг [5, табл.
XLV
, стр. 541-542]
Расход теплоты, получаемой в кубе
–
испарителе от греющего пара:
Здесь тепловые потери приняты в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты: удельные теплоемкости взяты соответственно при
tD
= 81,7 0
С,
t Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:
Здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси с
(93
,
5 + 20)/2 = 57 0
С.
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:
где удельная теплоемкость дистиллята с
D
= 1885,5 Дж/кг·К взята при средней температуре (82 + 30)/2 = 56 0
С.
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:
где удельная теплоемкость кубового остатка с
Расход греющего пара, имеющего давление р а) в кубе
–
испарителе:
б) в подогревателе исходной смеси:
Всего: 0,74 + 0,38 = 1,12 кг/с или 4 т/ч
Расход охлаждающей воды при нагреве её на 20 0
С:
а) в дефлегматоре
б) в водяном холодильнике дистиллята
в) в водяном холодильнике кубового остатка
Всего: 0,0877 м3
/с или 316 м3
/час.
5. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ УСТАНОВКИ
5.1.Расчет толщины обечаек.[4]
Исполнительную толщину стенки аппарата, нагруженной внутренним избыточным давлением, рассчитывают по формуле:
где
p
–
внутреннее избыточное давление
р =
ρ
·
g
·
h
= 2,275·9,81·11,7 = 261,1
Па
ρ
–
средняя плотность пара в колонне;
h
–
высота колонны.
Так как среда является слабо агрессивной, то принимаем сталь
Х18Н10Т
, для которой С
–
прибавка к расчетным толщинам; С = ПТа
= 0,1·20 = 2мм; П = 0,1мм/год
–
скорость коррозии; Та
= 20лет
–
срок службы аппарата.
[ [ η
= 1
–
поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки.
φ
= 1
–
коэффициент сварных швов.
По [4] толщину обечайки примем
s
= 6мм.
5.2. Расчет толщины днища и крышки.[4]
Эллиптические днище и крышка
Рис. 5.1.
Толщина стенки днища и крышки определяется по формуле:
R
–
радиус кривизны в вершине днища.
R
=
D
–
для эллиптических днищ с
H
= 0,25·
D
H
= 0,25·1600 = 400мм.
R
= 1600мм.
Принимаем толщину крышки и днища равной толщине стенки 6мм.
Длину цилиндрической отбортованной части днища по [4] принимаем равной
h
1
= 50мм.
5.3. Расчёт изоляции колонны.
[4]
Определим необходимую толщину слоя изоляции аппарата, внутри которого температура 111,7 0
С. Примем температуру окружающего воздуха
t Найдем коэффициент теплоотдачи в окружающую среду лучеиспусканием и конвекцией:
α
=9.74+0.07(
t
ст
-
t
возд
)= 9.74 + 0.07(35-10)=11.49 Вт/м2
*К
t
ст
- температура со стороны окружающей среды,
t
ст
= 35 0
С;
Найдем удельный тепловой поток:
q
=
α(
t
ст
-
t
возд
)=11.49(35-10)= 287.25 Вт/м2
Принимая, что все термическое сопротивление сосредоточено в слое изоляции, можно записать:
q
=
la
(
t
ст
-
t
возд
)/
b
где
la
= 0.098
–
теплопроводность совелита,
b
=
la
(
t
ст
-
t
возд
)/
q
= 0.098(111,7-10)/287,25 = 0,035 м
Т.к. наиболее горячая часть колонны
–
это куб, то для всей колонны можно принять ту же толщину изоляции.
5.4. Расчет штуцеров.
[4]
Расчет штуцеров сводится к диаметру штуцера:
ω
–
скорость жидкости 2м/с, скорость пара 20м/с.
Штуцер с приварным фланцем.
Рис. 5.2.
5.4.1 Штуцер для ввода исходной смеси.
VF
=
GF
/
r
F
= 5,0/900,5 = 0,005 м3
/с
где По ОСТ 26-1404-76 примем штуцер с наружным диаметром_____________________________________________________________________________________________________________________________ 89мм, с условным проходом
D
у
=80 мм.
5.4.2 Штуцер для ввода флегмы.
По ОСТ 26-1404-76 примем штуцер с наружным диаметром_____________________________________________________________________________________________________________________________ 45мм, с условным проходом
D
у
=40мм.
5.4.3 Штуцер для отвода кубового остатка.
V
w
=
Gw
= 3,28 м3
/с
По ОСТ 26-1404-76 примем штуцер с наружным диаметром_____________________________________________________________________________________________________________________________ 57мм, с условным проходом
D
у
=50мм.
5.4.4 Штуцер для вывода паров дистиллята.
V
=
GD
(
R
+1)/
ρ
П
r
П
=
r
' = 2,45 кг/м3
- плотность пара вверху колонны
V
= 1,72(0,951+1)/2,45= 1,37м
3
/с
По ОСТ 26-1404-76 примем штуцер с наружным диаметром_____________________________________________________________________________________________________________________________ 325мм, с условным проходом
D
у
=300мм.
5.4.5 Штуцер для ввода паров кубовой смеси.
V
=
GW
/
r
П
r
П
=
r
″
= 2,1кг/м3
- плотность пара внизу колонны
V
=3,28/2,1=1,56 м3
/с
По ОСТ 26-1404-76 примем штуцер с наружным диаметром_____________________________________________________________________________________________________________________________ 377мм с условным проходом
D
у
=350мм.
Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 1255-67
Фланец штуцера
.
Рис. 5.3.
Табл.5.1.
Список штуцеров
Назначение штуцера
Условный проход, мм
Наружный диаметр, мм
Число болтов, шт
Размер болтов
Ввод исходной смеси
80
89
8
М16
Ввод флегмы
40
45
4
М16
Вывод кубового остатка
50
57
4
М16
Вывод паров дистиллята
300
325
12
М20
Ввод паров кубовой остатка
350
377
16
М22
5.5. Расчет весовых характеристик и высоты аппарата. Расчет толщины стенки опоры и катета сварного шва, соединяющего опору с корпусом.
5.5.1. Расчет высоты аппарата. [
2
]
H
общ
= 3900(высота тарельчатой части) + 2000(опора) + 2800(до 1-ой
тарелки) + 1600 (от последней тарелки) + 600(высота крышки) + 200(вылет штуцера) + 2·50(высота отбортовки) + 500(добавка на люк) = 11700 мм = 11,7 м
H
цил
= 2800 + 1090 + 3900 + 2·50 = 7890 мм = 7,89 м
H
ж
=
n
·
h
пор
+ 1.3(переливной порог) = 14·0,05 + 1,3 = 2,0 м
5.5.2. Расчет веса аппарата.
[4]
Общий вес аппарата оценим путем расчета веса его частей:
Q Q Q Вес корпуса:
Q где
Q
ц
- вес цилиндрической части корпуса;
Q
D
–
внутренний диаметр колонны;
s
–
толщина обечайки;
Н
ρ
м
- плотность стали, 7850кг/м3
.
Q Вес жидкости:
V ρ
ж
- плотность воды, 715,36кг/м3
.
Вес тарелок:
5.5.3 Катет сварного шва.
L τ
Примем
h 5.5.4 Толщина стенки цилиндрической опоры:
Принимаем толщину цилиндрической опоры 6мм.
6. РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
6.1. Тепловой и материальный расчет. [1]
Горячий раствор в количестве
GD
= 1,72 кг/с охлаждается от
t
1н
= 82
˚
C
до
t
1к
= 30
˚
С. Начальная температура воды
t
2Н
= 15
˚
С, в результате охлаждения горячего раствора вода нагревается на 20
˚
С, конечная температура воды
t
2К
= 35
˚
С. Горячая жидкость при средней температуре
t
1ср
= 56
˚
С имеет следующие физико-химические характеристики:
ρ
1
= 840 кг/м3
,
λ
1
= 0,14 Вт/м.
К,
μ
1
= 0,4078.
103
Н.
с/м2
, с1
= 1885,5 Дж/кг.
К. Вода при средней температуре
t
2ср
= 25
˚
С имеет следующие физико-химические характеристики:
ρ
2
= 997 кг/м3
,
λ
2
|