Проектирование ректификационной колонны

Проектирование ректификационной колонны

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по процессам и аппаратам химической технологии

Оглавление

Введение

Расчет материального баланса

Определение скорости пара и диаметра колонны

Гидравлический расчет тарелок

Тепловой расчет установки

Механический расчет аппарата

Список использованной литературы

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 t_F. 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 t_D будет вверху колонны, а самая высокая t_W - 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.

1. Расчет материального баланса

ректификация диффузионный пар кипение

G_D - массовый расход дистиллята, кг/ч

G_W - массовый расход кубового остатка, кг/ч

G_F - массовый расход питания колонны, кг/ч

G_D + G_W = G_F G_D + G_W = 5000_D∙x_D + G_W∙x_W = G_F·x_F G_D·0,97 + G_W·0,01 = 5000∙0,22

Решая систему, находим:

G_W = 3906,25 кг/ч

G_D = 1093,75 кг/ч

Выразим концентрации в мольных долях:

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

Относительный мольный расход питания:

Кривую равновесия (см. график 1) строим по таблице:

По графику находим =0,5 при =0,14.

Определяем минимальное число флегмы:

Рабочее число флегмы:

R=1,3·R_min + 0,3 = 1,3·1,22 + 0,3 = 1,89

Запишем уравнения рабочих линий для:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

y = 0,65x + 0,32

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

y = 3,06x - 0,01

2. Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны:

х_.^| _ср = (x_F + x_D)/2 = (0,14 + 0,94)/2 = 0,54

б) в нижней части колонны:

х ^|| _ср. = (х_F + x_W)/2 = (0,14 + 0,004)/2 = 0,072

Средние концентрации пара находим по уравнению рабочих линий:

а) в верхней части колонны:

y ^|_ср. = 0,65∙0,54 + 0,32 = 0,67

б) в нижней части колонны:

y ^||_ср. = 3,06·0,072 - 0,01 = 0,21

Средние температуры определяем по диаграмме t - x,y (график 2):

а) при у ^|_ср = 0,67 t ^|_ср = 78⁰С

б) при y ^||_ср = 0,21 t ^||_ср = 94⁰С

Средние мольные массы и плотности пара:

а) М ^|_ср=М_сп*у ^|_ср+М_вод*(1- у ^|_ср)

М ^|_ср = 0,67*32 +(1-0,67)*18 = 27,38 кг/моль

Т ^|_ср=273+ t^|_ср

б) М ^||_ср=М_сп*у ^||_ср+М_вод*(1- у ^||_ср)

Т ^||_ср =273+ t ^||_ср

М^||_ср = 0,21*32 +(1-0,21)*18 = 20,94 кг/моль

о п

Средняя плотность пара в колонне:

ρ_п = (ρ ^|_ср + ρ ^||_ср)/2 = (0,95+0,69)/2 = 0,82 кг/м³

По диаграмме t - х,у (график 2) находим:

Температура вверху колонны при Х_D = 0,94 равна t = 65,5⁰С

в кубе-испарителе при Х_W = 0,006 равна t = 99⁰C

Плотность жидкого метанола при t = 65,5⁰С равна ρ = 750 кг/м³ ,

Плотность воды при t = 99⁰С равна ρ = 957 кг/м³

Средняя плотность жидкости в колонне:

ρ_ж = (957 + 750)/2 = 853,5 кг/м³

Расстояние между тарелками принимаем h = 300 мм

Для колпачковых тарелок по графику рис.7.2 [1] находим С = 0,03

Скорость пара в колонне:

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

t_ср = (78 + 94)/2 = 86⁰С

где М_D - мольная масса дистиллята, равная

М_D = 0,97·32 + 0,01∙18 = 31,22 кг/кмоль

Принимаем D = 1000 мм

Тогда скорость пара в колонне будет:

3. Гидравлический расчет тарелок

Принимаем следующие размеры колпачковой тарелки:

свободное сечение колонны 0,78 м²

длина линии барботажа 9,3 м

периметр слива L_сл=0,8 м²

площадь слива 0,05 м²

площадь паровых патрубков 0,073 м²

относительная площадь для прохода паров 9%

число колпачков 37

диаметр колпачков 80 мм

шаг t=110 мм

высота колпачка 55 мм

Рассчитываем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и в нижней части колонны:

∆р = ∆р_сух + ∆р_σ + ∆р_пж

∆р_сух - гидравлическое сопротивление сухой тарелки

∆р_σ - сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения (ими пренебрегаем и расчет не приводиться)

∆р_ст - статическое сопротивление зависящее от запаса жидкости на тарелке

а) верхняя часть колонны:

ζ - коэффициент сопротивления; ζ = 4,5 - 5

 - плотность пара в верхней части колонны

ω₀ - скорость пара в прорезях, м/с

-плотность пены, кг/м³; =400-600 кг/м³

- средне расстояние от низа колонны до уровня пены (высота слоя пены на тарелке), м

- высота прорези, м; =0,02 м

 - высота слоя светлой жидкости; =0,5=10 мм

 - высота перелива, м

 - высота колпачка, м; =0,55 м

 - средняя плотность жидкости, кг/м³; =853,5 кг/м³;

 - площадь поперечного сечения колонны за вычетом площадей приемного и сливного карманов, м²; =0,5617 м²;

 - площадь занимаемая колпачками, м²;

n - число колпачков

 - наружный диаметр колпачков

 - высота слоя жидкости над переливом

L - объем жидкости перетекающий с тарелки на тарелку, м³/ч

 - длина сливной перегородки; =0,8 м;

 - коэффициент, учитывающий увеличение скорости и сужение потока жидкости в результате сжатия его стенками при подходе к сливной перегородки

при  и  =1,02

б) нижняя часть колонны:

Проверим, соблюдается ли расстояние между тарелками h = 0,3 м необходимое для нормальной работы тарелок условие:

Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается.

4. Определение числа тарелок и высоты колонны

а) наносим на диаграмму х-у рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число ступеней изменения концентрации n_т.

В верхней части колонны n^|_т = 5 , в нижней части n^||_т = 5. Всего 10 ступеней.

Число тарелок рассчитываем по уравнению:

 - число теоретических тарелок

Для определения среднего КПД тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов

α = Р_сп./Р_вод.

И динамический коэффициент вязкости исходной смеси μ при средней температуре в колонне t_ср = 86⁰С

При этой температуре давление насыщенного пара метилового спирта:

Динамический коэффициент вязкости метилового спирта при 86 ⁰С равен μ_сп = 0,275 сП, воды μ_вод = 0,335 сП

μ_см = 0,22∙0,275 + 0,78·0,335 = 0,32 сП

Тогда

По графику (рис.7.4) находим η = 0,45

Длина пути жидкости на тарелке:

К.П.Д. тарелок η = 0,45

Число тарелок:

в верхней части колонны: n^| = n^|_Т/η_l = 5/0,45 = 12

в нижней части колонны: n^|| = n^||_T/η_l = 5/0,45 = 12

Общее число тарелок n = 24, с запасом берем n = 28, из них 14 в верхней части колонны и 14 в нижней части.

Высота тарельчатой части колонны:

Н_т = (n - 1)∙h = (28 - 1)0,3 = 8,1 м

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

∆р = ∆р^|·n_B + ∆р^||n_H = 14∙682,8 + 14·611,3 = 17361,4 Па = 0,17 кгс/см²

5. Тепловой расчет установки

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:

r_СП и r_ВОД - удельные теплоты конденсации метилового спирта и воды при 80⁰С.

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

Q_К = Q_Д + G_Dc_Dt_D + G_Wc_Wt_W - G_Fc_Ft_F + Q_ПОТ

t_D = 65,5 ⁰C C_D = 0,65·4,19·10³ = 2723,5 Дж/кг·К

t_W = 99 ⁰C С_W = 1·4,19·10³ = 4,19·10³ Дж/кг·К

t_F = 78 ⁰C С_F = (1-Х_F) ·C_W+C_D·X_F = (1-0,14) ·4,19·10³+2723,5·0,14=3987,69 Дж/кг·К

Тепловые потери примем 3% от полезно затрачиваемой теплоты:

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

Q = 1,05·G_F·C_F(t_F - t_нач)

t_СР = (78 + 18)/2 = 48 ⁰С

C_F = 3984,69 Дж/кг·К

С_D=0,63·4,19·10³ Дж/кг·К

С_F=3984,69 Дж/кг·град

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

Q = G_D·С_D·(t_D - t_кон)

t_ср = (65,5 + 25)/2 = 45⁰С

С_D = 0,62·4,19·10³ Дж/кг·К

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

Q = G_W·C_W·(t_W - t_кон)

t_ср = (99 + 25)/2 = 62⁰С

с_W = 4,19·10³ Дж/кг·град

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

а) в кубе-испарителе:

=2264*10³ Дж/кг - удельная теплота конденсации (таблица LVII)

б) в подогревателе исходной смеси:

Всего: 0,88 + 0,18 = 1,06 кг/с или 3,82 т/ч

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20⁰С:

а) в дефлегматоре:

б) в водяном холодильнике дистиллята:

в) в водяном холодильнике кубового остатка:

Всего: 0,004+0,0004+0,01=0,0144 м³/с или 51,84 м³/ч

6. Механический расчет аппарата

Среда в аппарате токсичная, коррозионноактивная, из условия коррозионной стойкости выбираем материал обечайки (днища, крышки) - сталь Ст20 со скоростью проникновения коррозии П = 0,4 мм/г

Расчет толщины стенки обечайки:

 - внутреннее давление;

h - высота колонны; h ≈ 12 м

 = = 10³·9,81·12 ≈ 1,2·10⁵ Па

φ_р - коэффициент прочности сварных швов; φ_р = 0,95

Для стали Ст20 при t = 100⁰С:

[σ] = 149 МПа - допускаемое напряжение

Т_А = 20 лет - срок эксплуатации

S ≥ 0,2 + 8 = 8,2 мм

Принимаем S = 10 мм

Расчет толщины эллиптического отбортованного днища (рассчитываем в условиях гидравлического испытания).

S_Д ≥ S_R + С

где R - радиус кривизны;

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

Н = 250 мм

R = 1000 мм.

Р_R - давление в условиях гидравлического испытания.

P_R = ρgV

S = πR² = 3,14·0,5² = 0,785 м²

V = S·h =12·0,785 = 10,205 м³

ρ = 992 кг/м³ - плотность воды при 40⁰С

Р_R = 992·9,8·10,205 = 99209 + 0,1 МПа = 199209 Па

_Д = 0,23 + 8 = 8,23 мм

Принимаем S_Д = 10 мм.

Расчет фланцев.

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

Материал фланцев: сталь Ст20

шпилек Ст3.

Для отвода диситилята:

Скорость перемещения V = 8 м/с. Массовый расход дистиллята равен 1093,75 кг/ч. Плотность пара в верхней части колонны равна 0,95 кг/м³. Тогда объемный расход пара будет равен G = 1093,75/0,95 = 1151,3 м³/ч

Принимаем D_У = 250 мм

D =273×8

Материал прокладки - асбестовый картон.

Для подвода флегмы:

G_ф=G_D·R=1093,75·1,86=2034,37 кг/ч

=1 м/с

Принимаем Dу = 32 мм

D = 38×3

Материал прокладки - асбестовый картон.

Для отвода куба:

V = 1 м/с

G_w=3906,25 кг/ч;

Принимаем Dу = 50 мм

D = 57×3,5

Для питания колонны:

V = 1 м/с

Плотность воды и спирта при 82ºС:

;

G_F=5000 кг/ч

Принимаем D_У = 50

D = 57×3,5

Материал прокладки - асбестовый картон.

Список использованной литературы

1.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/, М.:Химия, 1991.

.Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. - Л.: Машиностроение 1981. - 382 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 СССР П.Г. Романкова. Л.:Химия, 1987

.Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т. 1,2 - Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. - 852 с.