Министерствообразования РФ
ИРКУТСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедрахимической технологии
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯЗАПИСКА
К курсовомупроекту по дисциплине
Процессы иаппараты химической технологии
Проектректификационной установки для разделения смеси ацетон–метиловый спирт
Иркутск 2008 г.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА УСТАНОВКИ И ЕЕ ОПИСАНИЕ
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТА
2.1 Материальный баланс колонны
2.2 Пересчет массовых долей
2.3 Расчет рабочего флегмового числа
2.4 Скорость пара и диаметр колонны
2.5 Определение высоты колонны
2.6 Определение числа и размеровколпачков
2.7 Расчет гидравлическогосопротивления
2.8 Расчет патрубков и штуцеров
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
/>/>/>ВВЕДЕНИЕ
Ректификация – частичное или полное разделение гомогенных жидких смесейна компоненты в результате различия их летучести и противоточноговзаимодействия жидкости, получаемой при конденсации паров, и пара, образующегосяпри перегонке.
Так, смесь состоит из двух компонентов, то при испарении компонент снаиболее низкой температурой кипения (низкокипящий компонент) переходит в пары,а компонент с наиболее высокой температурой кипения (высококипящий компонент)остается в жидком состоянии.
В настоящее время в химической и нефтехимической промышленности дляпроведения ректификации применяют насадочные и тарельчатые колонны. Тарельчатымаппаратам обусловлена высокая производительность и широкий диапазон нагрузок попару и жидкости. Существует большое разнообразие контактных тарелок(колпачковые, ситчатые, клапанные, решетчатые).
Колпачковые тарелки снабжены патрубками, накрытыми сверху колпачками. Газпроходит через слой жидкости, уровень которой на тарелке поддерживаетсяпереливными трубками. Нижние концы переливных трубок опущены под уровеньжидкости следующей тарелки, благодаря чему создается гидрозатвор,предотвращающий прохождение газа через переливные трубы. Жидкость с тарелки на другуютарелку перетекает через переливные трубы.
1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА УСТАНОВКИ/> И ЕЕ ОПИСАНИЕ
Исходную смесь из промежуточной емкости-1 центробежным насосом-2 подают втеплообменник-3, где подогревают до температуры кипения и подают в колонну нату тарелку, где кипит смесь того же состава хF, т.е. на верхнюю тарелку нижней исчерпывающей частиколонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту.
ректификационный колонна патрубок гидравлический
/>
Рис. 1. Технологическая схема ректификационной установки
Внутри ректификационной колонны-4 расположены контактные устройства в видетарелок. Снизу вверх по колонне движется пар, поступающий из выносного куба –испарителя (кипятильника)-5 (куб – испаритель может размещаться инепосредственно под колонной). Начальный состав пара примерно равен составукубового остатка хW,т.е. обеднен легколетучим компонентом. Таким образом, пар, выходящий из куба –испарителя и представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мередвижения вверх обогащается легколетучим компонентом и покидает колонну в видепочти чистого пара легколетучего компонента. Для полного обогащения верхнюючасть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью(флегмой) состава хР, получаемой в дефлегматоре-6 путем конденсациипара, выходящего из колонны. Пар конденсируется в дефлегматоре, охлаждаемомводой. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продуктаразделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике-7 и направляетсяв промежуточную емкость-8. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром,обогащается труднолетучим компонентом.
Из куба – испарителя отводят нижний продукт или кубовый остаток.
Из кубовой части колонны насосом-9 непрерывно выводится кубовая жидкость– продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается втеплообменнике-10 и направляется в емкость-11.
/>/>
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТА
/>/>/>
2.1Материальный баланс колонны
Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определяется из уравненийматериального баланса:
/> ,
где F, P, W – расходисходной смеси, дистиллята, кубового остатка, кг/с.
F = 10кг/с,
/> = 5,97 кг/с,
/> = 4,03 кг/с.
/>/>/>2.2 Пересчет массовых долей
Пересчет массовых долей в мольные:
x = />,
где MA и MБ – молярные массы низкокипящего ивысококипящего компонентов, соответственно, кг/кмоль.
/>/>Ацетон С3Н6О МА = 58кг/кмоль [1, табл. XLIV],tкип = 56,1°С – низкокипящий компонент.
Метиловый спирт СН3ОНМБ = 32 кг/кмоль, tкип = 64,6°С – высококипящий компонент.
XF = /> = 0,191 кмоль/кмоль смеси,
XP = /> = 0,563 кмоль/кмоль смеси,
XW = /> = 0,017 кмоль/кмоль смеси.
2.3Расчет рабочего флегмового числа
Для технологического расчета ректификационной колонны необходимопостроить равновесную зависимость между жидкостью и паром для смеси ацетон — метиловыйспирт в координатах y-x и t-x,y. Эти графики строятся на миллиметровкепо опытным данным таблицы 1:
Таблица 1х у t х У t 64,6 60 65,5 55,8 2,0 4,7 64 65,0 69,1 55,6 5,0 10,8 63,0 70,0 72,6 55,5 10,0 19,6 61,6 75,0 76,3 55,4 15,0 27,0 60,6 80,0 80,02 55,4 20,0 33,5 59,5 80,1 80,1 55,4 25,0 38,8 58,7 85,0 83,6 55,4 30,0 43,2 58,1 87,0 85,3 55,5 35,0 47,6 57,4 90,0 88,5 55,6 40,0 51,4 56,9 95,0 94,1 55,8 45,0 54,9 56,5 98,0 97,7 56,0 50,0 58,8 56,2 100 100 56,1 55,0 62,1 56,0
Нагрузки ректификационной колонны по поднимающему пару и стекающей внизжидкости определяются рабочим флегмовым числом R, которое показывает соотношение между количеством флегмы,подаваемой на орошение колонны (Ф) и количеством отбираемого дистиллята (Р):
/>.
Предварительно определяют минимальное флегмовое число, которое можнорассчитать аналитически:
/>/> = 1,78.
где /> - концентрация легколетучегокомпонента в паре, находящегося в равновесии с исходной смесью XF (находится из графика рис. 1).
/>
Рабочее флегмовое число определяется как
/>,
где β – коэффициент избытка флегмы (β = 1,02 ÷ 3,5).
Задаваясь различными значениями коэффициента избытка флегмы β для каждого из них определяетсяфлегмовое число R, отрезок B, число теоретических тарелок вколонне nT, путем вписывания «ступенек»между равновесной и рабочими линиями. Данные заносим в таблицу 2.
Таблица 2β 1,03 1,2 1,5 1,8 2,1 R 1,83 2,14 2,67 3,20 3,74
/> В 0,199 0,179 0,153 0,134 0,119
/>
nТ - 14 11 10 9
пТ (R + 1) - 44 40,4 42,0 42,7
Строится график в координатах /> и източки минимума на кривой определяется оптимальное рабочее флегмового число R: Rопт = 2,67, />
/>
Для найденного рабочего флегмового числа R строятся рабочие линии процесса ректификации.
Уравнение рабочей линии верхней части колонны имеет вид:
/>
/> = 0,728х + 0,153
/>/>
2.4 Скорость пара и диаметр колонны
Предварительно определяются средние концентрации жидкости и пара дляверхней и нижней частей колонны:
— средние концентрации жидкости:
/>/>,
/>/>.
— средние концентрации пара:
/>/>
/>/>
По диаграмме /> при среднихконцентрациях пара /> и /> определяются средние температурыпара />, />,°С.
/> = 0,477 → />=57,4 °С,
/> = 0,185 → />=61,7 °С.
Далее определяются следующие параметры для верхней и нижней частейколонны:
— средние мольные массы паров, кг/кмоль:
/>; />,
где M1 и M2 – мольные массы соответственнонизкокипящего и высококипящего компонентов.
/> кг/кмоль,
/> кг/кмоль.
— средние плотности пара, кг/м3:
/>;
/>,
где T0– абсолютная температура, равная 273K
/> кг/м3;
/> кг/м3.
— средние вязкости пара /> и />, мПа·с:
/>;
/>,
где /> и /> – среднее мольные массыпара в верху и низу колонны, кг/кмоль;
/> и /> -вязкости низкокипящего и высококипящего компонентов паровой смеси притемпературах /> и />, мПа·с:
Ацетон μ1 = 0,82 · 10-2 мПа·с при />= 57,4 °С [2, прил. 5]
Метиловый спирт μ2 = 1,09 · 10-2 мПа·с
Ацетон μ1 = 0,83 · 10-2 мПа·с при />= 61,7 °С
Метиловый спирт μ2 = 1,1 · 10-2 мПа·с
/> = 0,0090 мПа·с;
/> = 0,0100 мПа·с.
/>/>;
/>,
где ρ1 и ρ2 – плотности массысоответственно низкокипящего и высококипящего компонентов при температурах /> и />;
M1 и М2 – мольная массанизкокипящего и высококипящего компонентов, кг/кмоль;
Mж – средняя мольная масса жидкойсмеси, кг/кмоль.
/>;
/>.
Ацетон ρ1 = 748,9 кг/м3 при />= 57,4 °С [1, табл. IV]
Метиловый спирт ρ2 = 758,3 кг/м3
Ацетон ρ1 = 743,7 кг/м3 при />= 61,7 °С
Метиловый спирт ρ2 = 754,3 кг/м3.
/> = 753,3 кг/м3,
/> = 752,3 кг/м3.
— средние вязкости жидкости /> и />, мПа·с:
/>; />,
где /> и /> - вязкости низкокипящего ивысококипящего компонентов паровой смеси при температурах /> и />, мПа·с.
Ацетон μ1 = 0,235 мПа·с при />=57,4 °С [1, табл. VI]
Метиловый спирт μ2 = 0,363 мПа·с
Ацетон μ1 = 0,227 мПа·с при />=61,7 °С
Метиловый спирт μ2 = 0,345 мПа·с
/>; /> 0,308мПа·с,
/>; /> 0,330мПа·с.
Средние массовые расходы жидкости для верхней и нижней частей колонныопределяются из соотношений:
/>,
/>,
где Р и F – производительность колонны подистилляту и исходному веществу, кг/с,
R –оптимальное рабочее флегмовое число,
МF, МР – мольные массыисходной смеси и дистиллята.
Мольная масса дистиллята принимаем равной мольной массе легколетучегокомпонента – ацетона:
МР = 58 кг/кмоль.
/>.
/>= 7,75 кг/с,
/>= 15,82 кг/с.
Средний расход пара по колонне постоянен:
G = /> = /> = 14,79 кг/с.
Для тарельчатых колонн с колпачковыми тарелками предельную скорость параопределяют:
/>
где dk – диаметр колпачка, принимаем 80 мм,
НТ – расстояние между тарелками, м,
hk – высота колпачка, принимаем 55 мм.
Расстояние между тарелками – 600 мм.
Верхней части колонны:
/> = 1,43 м/с.
Нижней части колонны:
/> = 1,47 м/с.
Средняя рабочая скорость пара в колонне:
/> = 1,45 м/с.
Средняя плотность пара в колонне:
/> = 1,49 кг/м3.
Диаметр колонны рассчитывают отдельно для верхней, нижней частей колонны:
/>,
/> = 2,95 м.
Рассчитанные диаметры верхней и нижней частей колонны отличаются друг отдруга не более чем на 10%, принимаем колонну единого диаметра, равную большемуиз рассчитанных: D = 3000 мм [3, с. 197].
Выбираем для разделения смеси колпачковые тарелки типа ТСК – Р [3, с.214]:
Свободное сечение колонны 7,07 м2
Рабочее сечение тарелки 0,849 м2
Относительное свободное сечение тарелки 12,1 %
Сечение перелива 0,902 м2, Периметр слива 2,39 м
Рабочая скорость пара в колонне при выбранном диаметре:
/>.
/> = 1,38 м/с,
/> = 1,42 м/с.
/>/>/>2.5 Определение высоты колонны
Нахождение числа теоретических тарелок графоаналитическим методом. Припостроении ступенчатой линии между кривой равновесия и рабочей определяем 11теоретических тарелок.
Из графика х – у определяем тангенс угла наклона равновесной линии иколичество тарелок в колонне:
— в верхней части колонны т = />
т1 = /> = 1,15, т2= /> = 0,85
т3 = /> = 0,74, т4= /> = 0,71
т5 = /> = 0,67, т6= /> = 0,74
т7 = /> = 0,82, т8= /> = 0,97.
— в нижней части колонны
т9 = /> = 1,30, т10= /> = 1,48
т11 = /> = 1,76.
Определяем коэффициент массотдачи для паровой фазы:
/>,
где Nun – критерий Нуссельта:
/>,
Ren –критерий Рейнольдса,
ω – скорость пара в колонне, м/с,
Dn — коэффициент диффузии для паровой фазы:
/>,
h –определяющий размер, принятый при обработке опытных данных,
Т – средняя температура пара в соответствующей части колонны, К,
Р – абсолютное давление в колонне, кгс/см2,
МА и МБ – молекулярные массы компонентов,
VА и VБ – мольные объемы компонентов смеси, определяемые как суммаатомных объемов элементов, входящих в состав вещества, см3/атом:
С3Н6О VА = 14,8 ·3+ 3,7 · 6 + 7,4 = 74 см3/атом [1, с. 288]
СН3ОН VБ = 14,8 · 1 + 3,7 · 4 + 7,4 = 37 см3/атом
/> = 209759,
/> = 161421.
/> 97,07 · 10-7 м2/с = 0,035 м2/ч,
/> 98,97 · 10-7 м2/с = 0,036 м2/ч.
/> = 327,7 кмоль/(м2 · ч),
/> = 259,4 кмоль/(м2 · ч).
Коэффициент массотдачи для жидкой фазы определяем по формуле:
/>,
где Nuж – критерий Нуссельта:
/>,
Dt – коэффициент диффузии газа в жидкости, м2/ч.
Коэффициент диффузии газа в жидкости связан с коэффициентом диффузии при20 °С:
Dt= DЖ20 [1 + b · (t — 20)],
где b – температурный коэффициент />,
ρ – плотность жидкости, кг/м3
DЖ20 — коэффициент диффузии для жидкойфазы (по высококипящему компоненту) при температуре 20 °С:
/>,
где μ –динамический коэффициент вязкости жидкости при t = 20 °С, мПа · с,
А и В – коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества (н.к) ирастворителя (в.к.).
/> = 0,016.
/>= 1,34 ·10-5 м2/ч.
/> = 1,34 · 10-5 · [1 + 0,016 · (57,4 — 20)]= 2,14 · 10-5 м2/ч,
/> = 1,34 · 10-5 · [1 + 0,016 · (61,7 — 20)] =2,02 · 10-5 м2/ч.
/> = 524051,
/> = 566878.
/> = 202,1 кмоль/(м2 · ч),
/> = 248,3 кмоль/(м2 · ч).
Рассчитываем коэффициент массопередачи по паровой фазе:
/>.
Для верхней части колонны:
/> = 114,4
/> = 137,8
/> = 149,0
/> = 152,3
/> = 157,1
/> = 149
/>= 140,7
/>= 127,4.
Для нижней части ректификационной колонны:
/> = 110,0
/> = 101,9
/> = 91,4.
Определяем число единиц переноса тарелки и коэффициент Су:
/>, />
где t – температура пара для данногозначения Х находим по графику t – x, у;
φ — отношение рабочей площади тарелки к свободному сечению колонны:
/> = 0,120
Для верхней части колонны:
/> = 0,074
/> = 1,077
/> = 0,090
/> = 1,094
/> = 0,097
/> = 1,102
/> = 0,099
/> = 1,104
/> = 0,102
/> = 1,107
/> = 0,097
/> = 1,102
/> = 0,092
/> = 1,096
/> = 0,084
/> = 1,088.
Для нижней части колонны:
/> = 0,071
/> = 1,074
/> = 0,066
/> = 1,068
/> = 0,059
/> = 1,061.
Находим отрезок />(сверху колонны)
/> = 0
/> = 0
/>= 2,0
/> = 5,0
/> = 5,6
/> = 5,5
/> = 4,5
/> = 2,5
/> = 3,1
/> = 3,2
/> = 3,8.
Общее число действительных тарелок в колонне равно 32. Верхняя частьколонны содержит 16 тарелки, а нижняя – 16.
Высота колонны определяется по формуле:
/>
где />, />, — высота соответственносепарационной части колонны, расстояние между днищем колонны и тарелкой.
/> = 22,5 м
2.6 Определение числа и размеров колпачков
Согласно выбранной колпачковой тарелки типа ТСК — Р принимаем [3, с.214]: диаметр парового патрубка колпачка dп = 100 мм = 0,10 м
Количество колпачков на тарелке:
/> = 90 колпачков.
Высота части колпачка над паровым патрубком:
h =0,25 · dn = 0,25 · 0,1 = 0,025 м.
Расстояние от нижнего края зубца колпачка до тарелки δ = 15 мм.Высота уровня жидкости над верхним обрезом прорезей колпачка h1 = 30 мм.
Диаметр колпачка:
/>
/> = 164 мм.
Высота прорезей вычисляют из условий оптимального барбатажа,соответствующего полному открытию прорезей для пара:
/>, />,
где ω0– скорость пара, соответствующая полному открытиюпрорезей, м/с;
ξ – коэффициент сопротивления колпачковых тарелок, принимаем 1,75.
Средняя плотность пара и жидкости в колонне:
/> = 1,49 кг/м3,
/> = 752,8 кг/м3.
/> = 14,05 м/с,
/> = 0,070 м = 70 мм,
Количество прорезей в колпачке:
/>,
где а – расстояние между прорезями, равное 4 мм
/> = 100 прорезей
Ширина прорезей в колпачке – 5 мм.
2.7 Расчет гидравлического сопротивления
Общее гидравлическое сопротивление работы колонны:
ΔР = ΔРсух + ΔРσ + ΔРст
Гидравлическое сопротивление неорошаемой тарелки вычисляют:
/>
где ρп –средняя плотность пара, кг/м3;
ξ – коэффициент сопротивления сухой тарелки.
/> = 480 Па,
/> = 415 Па.
Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностногонатяжения:
ΔРσ = />,
где σ – поверхностное натяжение жидкости, Н/м [2, табл. 4];
d0– эквивалентный диаметр отверстия, м:
/> м,
П – периметр прорези, м,
S — площадьпоперечного сечения прорези, м2 [3, с. 214].
/>= 0,06 Па.
Гидравлическое сопротивление жидкостного слоя на тарелке:
ΔРст = />,
где l – высота прорези, принимаем 70 мм;
k –относительная плотность пены, принимаем 0,5;
е – расстояние от верхнего края прорези до сливного порога, равное 20 мм;
ρж — плотность жидкости, кг/м3;
∆h – высота слоя над сливной перегородкой,м:
/>,
Vж – объемный расход газовой смеси прирабочих условиях, м3/с:
/>
/>
П – периметр сливной перегородки, м
/> = 0,0103 м3/с,
/> = 0,028 м.
/> = 0,0210 м3/с,
/> = 0,045 м.
Для верхней части колонны:
ΔРст = /> = 399Па.
Для нижней части колонны:
ΔРст = /> = 480Па.
Полное гидравлическое сопротивление:
ΔР = ΔРсух. + ΔРσ + ΔРп
ΔРВ = 480 + 0,06 + 399 = 879,06 Па,
ΔРН = 415 + 0,06 + 480 = 895,06 Па.
Минимальная скорость пара в отверстиях колпачковой тарелке:
/> и />
/> = 8,78 м/с ,
/> = 11,57 м/с.
/>, тарелка работает всеми отверстиями.
Гидравлическое сопротивление всех тарелок абсорбционной колонны:
ΔР = ΔР · п
ΔР = 879,06 · 16 + 895,06 · 16 = 28385,9 Па.
/>/>/>2.8 />/>/>Расчет патрубков и штуцеров
Внутренний диаметр патрубка определяется из уравнений расхода:
/>, откуда />,
где G – массовый расход перекачиваемойсреды, кг/с
ρ – плотность среды, кг/м3.
Расход перекачиваемой среды известен, а скорость среды в трубопроводезадаются, исходя из следующий значений скоростей, обеспечивающих близкий коптимальному диаметру трубопровода, при котором суммарные затраты наперемещение среды минимальны [3, с. 16].
Внутренний диаметр штуцера на выходе пара из верхней части колонны и навходе пара в нижнюю часть колонны:
/>/>= 0,496 м принимаем d = 500 мм.
Внутренний диаметр штуцера на входе исходной смеси в колонну (массовыйрасход перекачиваемой среды равен производительности исходной смеси):
/>,
/>,
где ρ1и ρ2 – плотности массы соответственно ацетона и этиловогоспирта при температурах />:
хF = 0,191 → /> = 59,8 ºС,
Ацетон ρ1 = 746 кг/м3
Метиловый спирт ρ2 = 756 кг/м3 при />= 59,8 °С [2, табл. 2].
ρF= 0,30 · 746+ (1 – 0,30) · 756 = 753 кг/м3,
/>= 0,106 м принимаем d = 125 мм.
Внутренний диаметр штуцера на входе флегмы в колонну (массовый расходперекачиваемой среды равен расходу жидкости в верхней части колонны):
/>/>= 0,162 м принимаем d = 200 мм.
Внутренний диаметр штуцера на выходе кубового остатка из колонны(массовый расход перекачиваемой среды равен производительности кубовогоостатка):
/>, />,
где ρ1 и ρ2 – плотности массысоответственно ацетона и этилового спирта при температурах />:
хW = 0,017 → /> = 64,1 ºС,
Ацетон ρ1 = 740,5 кг/м3
Метиловый спирт ρ2 = 751,9 кг/м3 при />= 64,1 °С [2, табл. 2].
ρW= 0,03 · 740,5+ (1 – 0,03) · 751,9 = 751,6 кг/м3,
/>= 0,142 м принимаем d = 150 мм.
Внутренний диаметр штуцера на выходе жидкости из колонны (массовый расходперекачиваемой среды равен расходу жидкости в нижней части колонны):
/>/>= 0,231 м принимаем d = 250 мм.
/>/>/>СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. К.Ф. Павлов, П.Г.Романков, А.А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химическойтехнологии. – Л.: Химия, 1987
2. Б. А. Ульянов, А.В. Бадеников, Б. И. Щелкунов, В. Г. Ликучев. Процессы и аппараты химическойтехнологии. Учебное пособие – Ангарск: Изд-во АГТА, 2003
3. Основные процессыи аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И.Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн.- М.: Химия, 1991
4. Процессы иаппараты химической промышленности: Учебник для техникумов. Под ред. П.Г. Романков,М.И. Курочкина, Ю.Я. Мозжерии и др. — Л.: Химия, 1989