Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 31
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ АНГАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ КАФЕДРА МАШИН И АППАРАТОВ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
по процессам и аппаратам химической технологии на тему: «Спроектировать ректификационную установку для разделения бензол – толуол» Проектировал студент гр. Мху – 06 – 1 Руководитель проекта Подоплелов Е. В. Ангарск, 2009 СОДЕРЖАНИЕ
1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА 2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТА 2.1 Материальный баланс колонны 2.2 Пересчет массовых долей 2.3 Расчет рабочего флегмового числа 2.4 Расчет физико-химических параметров процесса колонны 2.5 Определение диаметра колонны 2.6 Определение тангенса угла наклона 2.7 Определение высоты колонны 2.8 Гидравлический расчет колонны 2.9 Расчет патрубков 2.10 Расчет кипятильника СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Ректификация
– частичное или полное разделение гомогенных жидких смесей на компоненты в результате различия их летучести и противоточного взаимодействия жидкости, получаемой при конденсации паров, и пара, образующегося при перегонке. Ректификация широко распространена в химической технологии и применяется для получения разнообразных продуктов в чистом виде, а также для разделения газовых смесей после их сжижения (разделение воздуха на кислород и азот, разделение углеводородных газов и др.). Процесс ректификации не применяется при разделении чувствительных к повышенным температурам веществ, при извлечении ценных продуктов или вредных примесей из сильно разбавленных растворов, разделении смесей близкокипящих компонентов. Технологическая схема процесса ректификации представленная на рис.1. Исходную смесь из промежуточной емкости-1 центробежным насосом-2 подают в теплообменник-3, где подогревают до температуры кипения и подают в колонну на ту тарелку, где кипит смесь того же состава хF
, т.е. на верхнюю тарелку нижней исчерпывающей части колонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту. Внутри ректификационной колонны-4 расположены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движется пар, поступающий из выносного куба – испарителя (кипятильника)-5 (куб – испаритель может размещаться и непосредственно под колонной). На каждой тарелки происходит частичная конденсация пара труднолетучего компонента и за счет конденсации – частичное испарение легколетучего компонента. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка хW
, т.е. обеднен легколетучим компонентом. Таким образом, пар, выходящий из куба – испарителя и представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мере движения вверх обогащается легколетучим компонентом и покидает колонну в виде почти чистого пара легколетучего компонента. Для полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава хР
, получаемой в дефлегматоре-6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Пар конденсируется в дефлегматоре, охлаждаемом водой. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике-7 и направляется в промежуточную емкость-8. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучим компонентом. Из куба – испарителя отводят нижний продукт или кубовый остаток. Рис. 1. Технологическая схема ректификационной установки
2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТА
2.1 Материальный баланс колонны
Производительность колонны по дистилляту Р
и кубовому остатку W
определяется из уравнений материального баланса: где F
, Р,
W
– расход исходной смеси, дистиллята, кубового остатка, кг/с; Х
F
, ХР
, Х
W
– концентрация низкокипящего компонента в исходной смеси, кубовой остатке и дистилляте. F
=
10000 кг/ч = 2,78 кг/с W
= 2,78 – 1,26 = 1,52 кг/с Пересчет массовых долей в мольные: где MA
и M
Б
– молярные массы низкокипящего (бензол) и высококипящего (толуол) компонентов, кг/кмоль. 2.3 Расчет рабочего флегмового числа Для технологического расчета ректификационной колонны необходимо построить равновесную зависимость между жидкостью и паром для смеси в координатах У–X
и t
–X
,У
. Определяем минимальное флегмовое число: Рабочее флегмовое число определяется как где β
– коэффициент избытка флегмы (β
= 1,02÷3,5). Определяется рабочее флегмовое число R
, отрезок B
, число теоретических тарелок в колонне nT
, путем вписывания «ступенек» между равновесной и рабочими линиями. Рабочие линии строятся для каждого отрезка Таблица 2 Строится график в координатах 2.4 Расчет физико-химических параметров процесса колонны
Средние массовые расходы жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений: LB
=
P
·
R
= Ф =
4421 · 2,2 = 9726,2 кг/ч
LH
= Ф +
F
=
P
·
R
+
F
=
9726,2 + 10000 = 19726,2 кг/ч
Средний расход пара по колонне постоянен: G
=
P
· (
R
+ 1)
= 4421 · (2,2 + 1) = 14147,2 кг/ч
средние концентрации жидкости:
средние концентрации пара:
где По диаграмме а)
средние мольные массы жидкости:
б)
средние мольные массы пара:
в)
средние плотности пара:
г)
средние плотности жидкости:
где ρ1
и ρ2
– плотности массы соответственно низкокипящего и высококипящего компонентов при температурах д)
средние вязкости пара:
где е)
средние вязкости жидкости:
где
2.5 Определение диаметра колонны
Рабочая скорость пара для насадочной колонны: где ρп
и ρж
– плотность пара и жидкости. Насадка – Кольца Рашига 25х25х3. f
=200м2
/м3
Е=0,74 м2
/м3
Низ колонны: Верх колонны: Диаметр колонны рассчитывают отдельно для верхней и нижней частей колонны: Рассчитанные диаметры верхней и нижней частей колонны отличаются друг от друга на 3,5% < 10%, принимаем колонну одного диаметра, равного: D=1600 мм. Принимаю d аппарата равным 1600 мм с насыпной насадкой, перераспределительными тарелками типа ТСН-ll (ОСТ 26-705-73) и распределительной тарелкой типа ТСН-lll (ОСТ 26-705-73). Рабочая скорость пара в колонне при выбранном диаметре: 2.6 Определение тангенса угла наклона
Коэффициент массопередачи зависит от угла наклона кривой равновесия, причем этот угол является переменной величиной. Поэтому линию равновесия из графика Х-У
(рис. 1) разбивают на равные участки вертикальными линиями, проведенными через точки Х1
= 0,1; Х2
= 0,2 и т. д. Для каждого участка определяют тангенс угла наклона отрезка кривой равновесия: 2.7 Определение высоты колонны
Расчет высоты насадки методом ВЭТТ:
Действительная высота насадки:
Общая высота насадки: Высота колонны определяется по формуле: где 2.8 Гидравлическое сопротивление слоя орошаемой насадки
где где где Гидравлическое сопротивление для верхней части колонны:
Гидравлическое сопротивление для нижней части колонны:
Общее гидравлическое сопротивление для всей колонны:
2.9 Расчет патрубков Внутренний диаметр патрубка определяется из уравнений расхода: где G
– массовый расход перекачиваемой среды, кг/с; ρ
– плотность среды, кг/м3
; ω
– скорость движения жидкости, м/с Внутренний диаметр штуцера для вывода дистиллята из колонны: Стандартный диаметр патрубка d
у
= 200 мм (наружный диаметр 219 мм, толщина стенки 6 мм). Внутренний диаметр штуцера для ввода пара в колонну: Стандартный диаметр патрубка d
у
= 300 мм (наружный диаметр 325 мм, толщина стенки 8 мм). Внутренний диаметр штуцера на входе исходной смеси в колонну: Стандартный диаметр патрубка d
у
= 100 мм (наружный диаметр 108 мм, толщина стенки 5 мм) [2, прил. 7]. Внутренний диаметр штуцера на выходе кубового остатка из колонны: Стандартный диаметр патрубка d
у
= 80 мм (наружный диаметр 89 мм, толщина стенки 4 мм). 2.10 Расчет кипятильника Исходные данные:
Количество паров воды для конденсации G
1
= 3,93 кг/с
; удельная теплота парообразования смеси (толуола) r
1
= 362,5 кДж/кг
при температуре кипения t
к
= 110ºС. В качестве теплоносителя использовать водяной пар с абсолютным давлением 5 кгс/см2
. Влияние примеси бензола на теплоотдачу не учитывать. Тепловая нагрузка аппарата: Q
=
G
1
·
r
1
= 3,93 · 362,5·103
= 1424,63·103
Вт
Расход воды: G
2
= где r
2
=2117·103
Дж/кг – удельная теплота парообразования водяного пара при температуре конденсации tконд
=151,1 ºС Средняя разность температур: Примем ориентировочный коэффициент теплопередачи от конденсирующего пара к воде (конденсатор) (4, табл. 3) Кор
= 1000 Вт/м2
·К, тогда требуемая площадь поверхности теплообменника: Поверхность, близкую к ориентировочной имеет теплообменник с высотой труб Н=2,0 м и диаметром кожуха D=0,6 м и поверхностью теплообмена F=40 м2
. Испарители могут быть только одноходовыми, с диаметром труб d=25x2 мм. Проведу уточненный расчет: где ρ1
=
777 кг/м2
;
λ1
=0,116 Вт/(м ·К); μ=0,251 ·10-3
Па·с; σ1
=18,35·10-3
Н/м - физико-химические характеристики жидкого толуола при tкип
=110ºС Значение коэффициента b определяется по формуле: где ρп
– плотность паров толуола, при tкип
=110ºС Коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на наружной поверхности труб высотой Н, определяется: где ρ2
=
932 кг/м2
;
λ2
=0,683 Вт/(м ·К); μ2
=0,207 ·10-3
Па·с – физико-химические характеристики конденсата воды при tконд
=132,9ºС Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений: где λст
– теплопроводность нержавеющей стали, λст
=17,5 Вт/(мК) Коэффициент теплопередачи: Удельная тепловая нагрузка: откуда Это уравнение решается графически, задаваясь значением q. В качестве первого приближения принимается ориентировочное значение удельной тепловой нагрузки: q=40000 Вт/м2
у =2,55 q=38000 Вт/м2
y =0,93 q=37000 Вт/м2
y =0,15 при у=0 q=36800 Вт/м2
Требуемая поверхность F=1424630/36800=38,71 м2
Выбранный из каталога теплообменник с F=40 м2
; D=600 мм; Z=1; n=257; H=2,0 м; d=25x2 мм подходит, так как присутствует запас поверхности. 1. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1987. 2. Методические указания по курсовому проектированию процессов и аппаратов химической технологии. «Расчет ректификационной установки непрерывного действия». – Ангарск, АГТА, 2000. 3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн.- М.: Химия, 1991.
|