Колонна ректификации для разделения смеси 'Этиловый спирт-ацетон'

Колонна ректификации для разделения смеси 'Этиловый спирт-ацетон'

СОДЕРЖАНИЕ:

1. ВВЕДЕНИЕ

. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА УСТАНОВКИ

. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА

. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ПАРА И ДИАМЕТРА КОЛОННЫ

.1 Средние концентрации НКК в жидкости

.2 Средние концентрации НКК в паре

.3 Средняя температура пара

.4 Средние мольные массы и плотности пара

.5 Средняя плотность пара в колонне

.6 Определение скорости пара в колонне

.7 Определение диаметра колонны

. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТАРЕЛОК

. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ТАРЕЛОК И ВЫСОТЫ КОЛОННЫ

. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ УСТАНОВКИ

.1 Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре

.2 Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе

.3 Расход теплоты в паровом подогревателе исх. смеси

.4 Расход теплоты в водяном холодильнике кубового остатка

.5 Расход теплоты в водяном холодильнике дистиллята

.6 Расход ГП

.7 Расход охл. воды

. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТА

.1 Выбор обечайки

.2 Выбор днища (крышки)

.3 Расчет удельных диаметров фланцев

.3.1 Штуцер для отвода дистиллята

.3.2 Штуцер для подвода флегмы

.3.3 Штуцер для входа ПЖ смеси

.3.4 Штуцер для подвода исходной смеси

.3.5 Штуцер для отвода кубового остатка 8

. ВЫБОР ТЕПЛООБМЕННИКОВ

.1 Дефлегматор

.2 Подогреватель исх. смеси

.3 Холодильник кубового остатка

. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ВВЕДЕНИЕ

Ректификацией называется диффузионный процесс разделения жидких смесей взаимно растворимых компонентов, различающихся по температуре кипения, который осуществляют путем противоточного, многократного контактирования неравновесных паровой и жидкой фаз.

Применяется для получения продуктов с заданной концентрацией компонентов и высокими выходами, широко используется в нефтегазопереработке, химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности.

Схема установки ректификации (рис.1)

В среднюю часть колонны поступает подлежащая ректификации смесь F, нагретая до температуры tF. Смесь может подаваться в колонну в виде жидкости, паров или смеси паров и жидкости. При входе сырья в колонну происходит процесс однократного испарения, в результате которого образуются пары состава у*F и жидкость состава х*F, находящиеся в равновесии.

Для обеспечения ректификации необходимо в верхней части колонны навстречу парам организовать поток жидкости R (флегмы, орошения). Для этого на верху колонны тем или иным образом отнимается тепло. За счет этого часть паров, поднимающихся с верхней тарелки, конденсируется, образуя необходимый нисходящий поток жидкости.

В нижней части колонны нужно обеспечить восходящий поток паров. Для этого вниз колонны тем или иным образом подводится тепло. При этом часть жидкости, стекающей с нижней тарелки, испаряется, образуя поток паров.

При таком режиме самая низкая температура tD будет вверху колонны, а самая высокая tW - в низу колонны.

Отбираемый сверху колонны продукт D, обогащенный НКК, называется ректификатом (или дистиллятом), - а снизу колонны W, обогащенный ВКК, - остатком (или нижним продуктом).

Та часть колонны, куда вводится сырье, называется секцией питания, или эвапорационным пространством, часть ректификационной колонны, находящаяся выше ввода сырья - верхней, концентрационной или укрепляющей, а ниже ввода сырья - нижней, отгонной или исчерпывающей. В обеих частях колонны протекает один и тот же процесс ректификации.

Вступающие в контакт пары и жидкость при ректификации не находятся в равновесии, но в результате контакта фазы стремятся достичь его или приблизиться к этому состоянию. При этом происходит выравнивание температур и давлений в фазах и перераспределение компонентов между ними.

В качестве контактных устройств в ректификационных колоннах используют тарелки либо насадки различных типов и конструкций. Контакт пара и жидкости, при котором система достигает состояния равновесия, называется идеальным или теоретическим, а устройство, обеспечивающее такой контакт - теоретической тарелкой.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА УСТАНОВКИ

Рис. 1. Схема непрерывно действующей ректификационной установки.

- ректификационная колонна (а - укрепляющая часть, б - исчерпывающая часть); 2 - кипятильник; 3 - дефлегматор; 4 - делитель флегмы; 5 - подогреватель исходной смеси; 6 - холодильник дистиллята (или холодильник-конденсатор); 7 - холодильник остатка (или нижнего продукта); 8, 9 - сборники; 10 - насосы.

3. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС КОЛОННЫ РЕКТИФИКАЦИИ

Материальный баланс установки составляем для определения расходов флегмы и дистиллята, а так же для определения флегмового числа.

Физико-химические свойства веществ, входящих в исходную смесь:

·        ЭТИЛОВЫЙ СПИРТ:

температура кипения: 78,39 0С;

мольная масса: 46,069 кг/моль;

·        АЦЕТОН:

температура кипения: 56,24 0С;

мольная масса: 58,08 кг/моль;

GF= 8000 кг/ч

Ратм= 0,1 МПа

ХF= 40 % (мас)

XD= 94 %(мас)

XW = 3 %(мас)

GD - массовый расход дистиллята, кг/ч

GW - массовый расход кубового остатка, кг/ч

[2, стр.319]

 GD + GW = GF GD + GW = 8000

GD∙xD + GW∙xW = GF·xF GD·0,94 + GW·0,02 = 8000∙0,4

Решая систему, находим:

GW = 4695,65 кг/ч

GD = 3304,35 кг/ч

Выразим концентрации в мольных долях:

Питание: кмоль/кмоль см.

Дистиллят:

 кмоль/кмоль см.

Кубовый остаток:  кмоль/кмоль см.

Относительный мольный расход питания:

Кривую равновесия (см. график 1, х-у) строим по таблице:

График 1

Кривая равновесия

По графику находим =0,565 при =0,35.

Определяем минимальное число флегмы:

Рабочее число флегмы:

R=1,3·Rmin = 1,3·1,7 = 2,2

Определяем уравнения рабочих линий :

а) Для верхней (укрепляющей) части колонны:

y’ = 0,688x + 0,291

б) Для нижней (исчерпывающей) части колонны:

y” = 1,55x - 0,011

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ПАРА И ДИАМЕТРА КОЛОННЫ

4.1 Средние концентрации НКК в жидкости

·        В верхней части колонны

·        В нижней части колонны

4.2 Средние концентрации НКК в паре:

Находим по уравнениям рабочих линий:

·        В верхней части колонны

·        В нижней части колонны

4.3 Средние температуры пара определяем по диаграмме t-x,y:

График 2

Диаграмма t-x,y

·        при у`ср=0,73: t`ср=60,6 0С (Т`ср=t`ср+Т0=333,6 К);

·        при у``ср=0,28: t``ср=72,6 0С (Т``ср=t``ср+Т0=345,6 К).

4.4 Средние мольные массы и плотности пара:

·       

·       

4.5 Средняя плотность пара в колонне

Температура в верху колонны при хD=0,93 (см. график 2) равняется 56,7 0С, а в кубе-испарителе при хW=0,02 она равна 77 0С (см. рис. 4).

Плотность уксусной кислоты при 56,7 0С: ρсп.=766 кг/м3, ацетона: ρац=760,6кг/м3.

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

4.6 Определение скорости пара в колонне

где С - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузки колонны по жидкости.

ρж ρп - плотности жидкости и пара, кг/м3.

Т. к. в нашем случае ρж >> ρп, то формулу можно переписать следующим образом:

По [1, стр.215] принимаем расстояние между тарелками h=460 мм. Для колпачковых тарелок находим значение коэффициента С=0,05. [2, стр.323, рис. 7.2]

Скорость пара в колонне:

Определяем среднюю температуру в колонне:

 0С; тогда

Определяем объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре:

ректификационный колонна пар дистиллят

где MD - мольная масса дистиллята, равная:

4.7 Определение диаметра колонны

На основании полученного результата выбираем стандартный диаметр колонны [3, стр. 74, табл.7) D=1400 мм.

Тогда, с учетом выбранного диаметра, скорость пара в колонне будет:

5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТАРЕЛОК

По [3, стр.74, табл.7] для колонны d=1400 мм выбираем колпачковую однопоточную тарелку ТСК-Р со следующими конструктивными размерами:

свободное сечение колонны 1,54 м2

длина линии барботажа 15,4 м

периметр слива Lсл=1,09 м

площадь слива Fсл= 0,198 м2

свободное сечение тарелки F0=0,162м2

рабочая площадь тарелки, Fp=1,12м2

относительная площадь для прохода паров Fc=10,5%

число колпачков n=49

длина пути жидкости Lж=0,933м

диаметр колпачков dk=100 мм

относительное сечение перелива 13,1 %

высота колпачка hk=55 мм

высота прорези колпачка l=15мм

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и в нижней части колонны по формуле :

 [1, с.228]

∆рсух - гидравлическое сопротивление сухой тарелки

∆рσ - сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения (им пренебрегаем и расчет не приводим) - [1, с.228]

∆рпж -сопротивление парожидкостного слоя на тарелке

·        верхняя часть колонны:

ζ - коэффициент сопротивления; ζ = 4,5 [1, стр.228]

 - плотность пара в верхней части колонны ( =2,0 кг/м3)

ω0 - скорость пара в прорезях колпачка, м/с

k - отношение плотности пены к плотности чистой жидкости (принимаем 0,5)

- средняя плотность жидкости в колонне ( =763,3 кг/м3)

 - высота колпачка; =0,55 м

·        нижняя часть колонны:

Проверим, соблюдается ли расстояние между тарелками h = 0,46 м, необходимое для нормальной работы тарелок условие:

Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается.

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ТАРЕЛОК И ВЫСОТЫ КОЛОННЫ

Откладываем на оси абсцисс точки А,В,С, соответствующие составам кубового остатка (xw), исходной смеси (xF) и дистиллята(xD).

Через точки А и С проводим вертикальные прямые до диагонали и находим точки А1 и С1.

Откладываем на оси ординат отрезок ОD, длина которого определяется:

О [1, стр.255]

Через точки С1 и D проводим отрезок С1D, а через точку В-вертикаль и на их пересечении ставим точку В1. Соединяем точки А1 и В1.

С1В1 - линия рабочих концентраций укрепляющей части колонны

А1В1 - линия рабочих концентраций исчерпывающей части колонны

Число теоретических тарелок, nт=17,7

Расчет действительных тарелок рассчитывается по уравнению:

 h-среднее КПД тарелок

Для определения среднего КПД тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов:

α = Рнкк./Рвкк.

И динамический коэффициент вязкости исходной смеси μ при tср = 66,60С:

Давление насыщенного пара ацетона: Рац = 930 мм.рт.ст.,

Этанола: Рсп = 430 мм.рт.ст. [2, стр. 570, рис. 23 ]

α = 930/430 = 2, 16

Динамический коэффициент вязкости при 66,6 0С: [2, стр.516, табл. 9]

 μац = 0,22 сП,

μсп = 0,539 сП

μсм = 0,35∙0,22 + 0,65·0,539 = 0,43 сП

Тогда

По графику [2, стр. 323, рис.7.4] находим η = 0,48

Общее число тарелок n = 17,7/0,48=36,9 => берем 40 тарелок, из них 25 - в верхней части колонны и 15 - в нижней части.

Высота тарельчатой части колонны:

Нт = (n - 1)∙h = (40 - 1)0,46 = 17,94 м

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

∆р = ∆р’·nB + ∆р”nH = 25∙746,5 + 15·696,7 = 29113 Па

7. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС УСТАНОВКИ

7.1 Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе

rD - удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре

GD - массовый расход дистиллята

R - рабочее флегмовое число

rнк,вк - удельные теплоты конденсации спирта и ацетона при t=66  ̊С [2, стр.541, табл XLV]

rСП =869,85×103 Дж/кг

rАЦ = 512,69×103 Дж/кг

7.2 Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара:

 [2, стр.562, рис.9]

tD = 56,7 0C CD = 0,55·4,19·103 = 2304,5 Дж/кг·К

tW = 65 0C СW = 0,57·4,19·103 = 2388,3 Дж/кг·К

tF = 77 0C СF = (1-ХF) ·CW+CD·XF = (1-0,35) ·2388,3+2304,5·0,35=2358,97 Дж/кг·К

Тепловые потери примем 3% от полезно затрачиваемой теплоты:

7.3 Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

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

7.5 Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

7.6 Расход греющего пара, имеющего давление 1 кгс/см2 и влажность 5%:

·        В кубе-испарителе:

=2264·103 Дж/кг - удельная теплота конденсации [2, стр 550,таблица LVII]

·        В подогревателе исходной смеси:

Всего: 0,76+0.09=0,85 кг/с=3,06 т/ч

.7 Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 200С:

·        В дефлегматоре:

·        В водяном холодильнике дистиллята:

·        В водяном холодильнике кубового остатка:

Всего: 0,02+0,002+0,0005=0,0225 м3/с=81 м3/ч

8. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТА

Проводим выбор и проверку крышки и днища обечайки аппарата.

Выбираем сталь марки 12Х18Н10Т

8.1 Выбор обечайки

Расчет толщины стенки обечайки:

Выбираем обечайку гладкую цилиндрическую со штуцерами. Принимаем толщину стенки 10 мм [4,стр.211]

Определяем Р, действующее на стенку и днище в нижней части колонны.

Т.к. колонна работает под атмосферным давлением, принимаем для расчетов давление столба воды

 - высота колонны; h ≈ 23 м

r=998 кг/м3

 - внутреннее давление, т.к. колонна работает под атмосферным давлением, принимаем для расчетов давление столба воды;

 = = 998·9,81·23 = 0,225МПа

φ - коэффициент прочности сварных швов; φ = 0,9

Для стали 12Х18Н10Т при t = 800С:

[σ] = 154 МПа - допускаемое напряжение

Т.к. минимальная толщина стенки при заданном диаметре равна 10 мм, а при рабочем мы получили 1,14 мм, то принимаем толщину стенки аппарата ( с запасом) 10мм

8.2 Выбор днища и крышки

Днище выбираем из той же стали, что и обечайку. Толщина стенки днища равна толщине стенки колонны, т. е. 10 мм

где R - радиус кривизны днища;

R = D - для эллиптических днищ с Н = 0,25D;

Н = 350 мм (высота днища)

R = D2/4Н = 1400 мм.

Т.к. минимальная толщина стенки при заданном диаметре равна 10 мм, а при рабочем мы получили 1,14 мм, то принимаем толщину стенки днища и крышки 10мм

8.3 Расчет условного диаметра фланцев

Условный диаметр рассчитываем исходя из объемного расхода и рекомендуемой скорости движения среды. Рекомендуемые скорости приведены [2, стр 17, табл 1.1 ]

Так как давление в аппарате атмосферное выбираем тип фланцев - плоские приварные.

Материал фланцев: сталь Ст20

8.3.1 Для отвода дистилята:

Дистиллят представляет собой водяной пар. Скорость перемещения V = 20 м/с. Массовый расход дистиллята равен 3304,35 кг/ч. Плотность пара в верхней части колонны равна 2,0 кг/м3. Тогда объемный расход пара будет равен G = 3304,35/2,0 = 1652,2 м3/ч

Принимаем DУ = 175 мм

S = π·r2 = 22686 мм2

Прокладка-резина

8.3.2 Для подвода флегмы:

Рекомендуемая скорость для жидкости V = 1 м/с. Расход флегмы определяем по флегмовому числу

ф=GD·R=3076,68/2,2=1398,5 кг/ч

Принимаем Dу = 32 мм

S=803,8 мм2

8.3.3 Для входа пж смеси:

Т.к количество поступившего пара из колонны равно количеству пара ушедщего из колонны в виде дистиллята, то площади этих штуцеров равны. В данном случаи для равномерного распределения пара, принимаем два штуцера

S = 22686/2 = 11343 мм2

Принимаем Dу = 125 мм

8.3.4 Для подвода исходной смеси:

V = 1 м/с

GF=8000 кг/ч ; rп=1,85 => GF=8000/1,85=4324,3 кг/ч

rж=763,3 кг/м3 => GF=4324,3/763,3=5,7 кг/ч

Принимаем DУ = 50 мм

S=1590 мм2

8.3.5 Для отвода кубового остатка:

V = 1 м/с

Gw=4695,65 кг/ч;

Принимаем Dу = 40 мм

S=962 мм2

ПО НАЙДЕННЫМ ДИАМЕТРАМ ПОДБИРАЕМ СТАНДАРТНЫЕ ШТУЦЕРА.

9. ВЫБОР ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Выбор теплообменников будем осуществлять исходя из условия обеспечения необходимой поверхности теплообмена:

К - коэф-т теплопередачи выбираем по [5 , стр.177, табл. 3.35]

Примем К=350 Вт/(м2×К)

9.1 Выбор дефлегматора

Т. о. выбираем кожухотрубчатый теплообменник со следующими параметрами [4, стр 51, табл. 2.3]:

·        Диаметр кожуха - 325 мм;

·        Диаметр труб - 20 × 2 мм;

·        Число ходов - 1;

·        Общее число труб - 100;

·        Поверхность теплообмена ( с учетом запаса по площади теплообмена) - 12,5 м2;

·        Длина труб - 2 м;

·        Площадь сечения одного хода по трубам - 0,02 м2

9.2 Выбор подогревателя исходной смеси

Т. о. выбираем кожухотрубчатый теплообменник со следующими параметрами [4, стр 51, табл. 2.3]:

·        Диаметр кожуха - 159 мм;

·        Диаметр труб - 20 × 2 мм;

·        Число ходов - 1;

·        Общее число труб - 19;

·        Поверхность теплообмена ( с учетом запаса по площади теплообмена) - 2,5 м2;

·        Длина труб - 2 м;

·        Площадь сечения одного хода по трубам - 0,004 м2

9.3 Выбор холодильника кубового остатка

Т. о. выбираем кожухотрубчатый теплообменник со следующими параметрами [4, стр 51, табл. 2.3]: Диаметр кожуха - 159 мм;

·        Диаметр труб - 25 × 2 мм;

·        Число ходов - 1;

·        Общее число труб - 13;

·        Поверхность теплообмена ( с учетом запаса по площади теплообмена) - 2 м2;

·        Длина труб - 2 м;

·        Площадь сечения одного хода по трубам - 0,005 м2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте представлен расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной смеси ацетон - этиловый спирт.

В ходе работы были проведены основные расчеты колонны, определен тип и количество тарелок, необходимых для полного протекания процесса ректификации, подобран материал для изготовления узлов и деталей аппарата. Так же были рассчитаны размеры аппарата и его составных частей.

В работе имеются ссылки на литературу.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1.       Иоффе И. Л. «Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1991. - 352 с.»

.        Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов. Под ред. чл.-корр. АН России П. Г. Романкова. - 11-е изд., стереотипное. Перепечатка с изд. 1987 г. - М.: ООО «РусМедиаКонсалт», 2004.-576 с.»

.        Конструирование и расчет элементов колонных аппаратов: Учебное пособие. Пенза, 2003г.

.        Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др. Под ред. Дытнерского Ю.И. «Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. - 3-е издание, стереотипное. М.: ООО ИД «Альянс», 2007 - 496 с.»

.        Поникаров И. И., Поникаров С. И., Рачковский С. В. «Расчеты машин и аппаратов химических производств и нефтегазопереработки (примеры и задачи): Учебное пособие. - М.: Альфа - М, 2008. - 720 с.»