Реферат: Расчёт ректификационной колонны 6непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол - у
Название: Расчёт ректификационной колонны 6непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол - у Раздел: Рефераты по химии Тип: реферат | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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]
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
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 = 0,6 Вт/м. К, μ 2 = 0,894. 103 Н. с/м2 , с2 = 4190 Дж/кг. К. 6.1.1. Определение тепловой нагрузки аппарата.
6.1.2. Расход воды.
6.1.3. Определение среднелогарифмической разности температур. ∆ t = [(82-30)-(35-15)]/ ln (52/20)= 34 ˚ С 6.1.4. Ориентировочный выбор теплообменника: Примем ориентировочное знечение кр. Рейнольдса Re 1ОР = 15000, определим соотношение n / z для труб диаметром d = 20х2мм, 25х2мм:
где n – общее число труб, z – число ходов по трубному пространству, d – внутренний диаметр труб. Примем минимальное ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению Кор = 600Вт/м2 ·К. При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:
6.2.1 Уточненный расчет поверхности теплопередачи. Примем диаметр кожуха
D
= 400 мм, диаметром труб 25 n / z = 100/2 = 50.[1, стр.60] Реальное значение числа Рейнольдса Re 1 равно:
Pr
1
=
Коэффициент теплоотдачи к воде, пренебрегая поправкой (
Pr
/
Pr
Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками S мтр = 0,025м2 , тогда:
Pr
2
=
Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся в межтрубном пространстве, составит:
Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений:
Коэффициент теплопередачи:
Требуемая поверхность теплопередачи:
Из выбранного ряда подходит теплообменник с длинной труб 4,0м и номинальной поверхностью F 1 = 31,0 м2 . Рассчитаем запас по площади:
6.2.2 Гидравлическое сопротивление. Скорость жидкости в трубах:
Коэффициент трения равен: Е = Δ/ d , Δ = 0,2мм – высота выступов шероховатостей. Диаметр штуцеров в распределительной камере: d тр.ш = 100 мм = 0,1м Скорость в штуцерах: Гидравлическое сопротивление трубного пространства: Число рядов труб m = 10, число сегментных перегородок х = 18. Диаметр штуцеров к кожуху d мтр.ш = 0,1 м, скорость потока в штуцерах Скорость жидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью S мтр = 0,012м2 равна:
Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства: Длина труб теплообменника 4,0 м. Macca теплообменника 820 кг. Число сегментных перегородок 18 шт. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате курсового проекта рассчитана ректификационная колонна непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол - уксусная кислота, а также холодильник дистиллята (кожухотрубчатый теплообменник) для данной установки. Колонна имеет диаметр 1600 мм, 45 колпачковых тарелок, высоту 11,7 м, толщину обечайки, крышки и днища 6 мм. Теплообменник имеет диаметр 325 мм; 100 труб диаметром 25•2 мм, длиной 4,0 м и поверхностью теплопередачи 31,0м2 . К достоинствам колпачковых тарелок относятся: высокая интенсивность работы вследствие большой поверхности контакта, устойчивость работы при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости К недостаткам относятся: высокое гидравлическое сопротивление, сложны по устройству, большие затраты металла, малая предельно допустимая скорость газа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Аристова Н. А., Ноговицына Е.В. Процессы и аппараты химической технологии. Метод. указания к выполнению и оформлению курсовых проектов; Нижнетагил. технол. ин-т (фил.) УГТУ-УПИ.- Нижний Тагил: НТИ (ф) УГТУ-УПИ, 2007. – 68 с. 2. Каталог: Колонные аппараты. М.: ЦИНТИНХИМНЕФТЕМАШ, 1987. 28 с. 3. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. Кн.2. М.Л.: Наука, 1966. 1426 с . 4. Лащинский А.А., Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник под ред. канд. техн. наук А.Р. Толчинского Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1981. – 382 с., ил. 5. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов по ред. чл. - корр. АН России П. Г. Романкова. - 13-е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987г. М.:ООО ТИД "Альянс",2006.-576с. |