РАСЧЕТНАСАДОЧНОЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ПО РАЗДЕЛЕНИЮ СМЕСИХЛОРОФОРМ-БЕНЗОЛ
Содержание
Задание на проектирование по теме«ректификация»
Введение
1. Технологическая схема
2. Расчёт насадочной ректификационнойколонны непрерывного действия
2.1 Материальный баланс колонны ирабочее флегмовое число
2.2 Скорость пара и диаметр колонны
2.3 Высота колонны
2.4 Гидравлический расчет колонны
2.5 Прочностной расчёт
2.6 Выбор опор
2.7 Расчёт штуцеров
2.8 Выбор дефлегматора, кипятильника инасоса для перекачки исходной смеси
Список используемой литературы
Заданиена проектирование по теме «ректификация»Разделяемая смесь Хлороформ – бензол Тип колонны насадочная Массовое содержание НК в исходной смеси, % 15 Массовое содержание НК в дистилляте, % 97 Массовое содержание НК в кубовом остатке, % 3
Температура исходной смеси, 0 К 35 Производительность колонны по исходной смеси кг/ч 3000
Низкокипящийкомпонент:
Хлороформ– СНСL3, Ткип = +64оС
Высококипящийкомпонент:
бензол− С6Н6, Ткип = +80оС
Введение
Разделениежидких и газообразных смесей на индивидуальные компоненты имеет большое значениев химической, нефтехимической и родственных с ними областях промышленности.Особенно важно выделение компонентов в чистом виде в производстве полимеров сповышенными физико-химическими свойствами, полупроводников, изотопов и т.д. Дляразделения смесей на индивидуальные компоненты среди других методов широкоеприменение нашел метод ректификации.
Ректификация– массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев впротивоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки),аналогичными используемым в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода красчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют многообщего. Тем не менее, ряд особенностей процесса ректификации (различноесоотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны,переменные по высоте колонны физическое свойство фаз и коэффициентраспределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса)осложняет его расчет.
Однаиз сложностей заключается в отсутствии обобщенных закономерностей для расчетакинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени этоотносится к колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко применяемым в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится киспользованию для расчета ректификационных колонн кинетических зависимостей,полученных при исследовании абсорбционных процессов.
Смесьхлороформа с бензолом – бесцветная прозрачная жидкость с резким запахом.Подобно другим органическим соединениям, смесь хлороформа с бензолом неагрессивна по отношению к металлам и сплавам. Эти материалы не коррозируют вэтой смеси даже при наличии в ней примеси воды.
Бензолприменяется для получения многих полупродуктов в производстве красителей,лаков, фармацевтических препаратов. Смесь паров бензола с воздухом образуютвзрывоопасную смесь. Малые концентрации паров при многократном воздействиивызывают изменение состава крови и нарушают нормальную функцию кроветворныхорганов. Хроническое отравление парами может вызвать смерть.
Хлороформимеет сладковатый запах, он прозрачен и не образует взрывоопасных смесей своздухом. Хлороформ приобрел большое значение как исходное вещество для синтезафреонов. Он используется как растворитель в лабораторной практике и в технике.Хлороформ имеет наркотические и анестезиологические свойства.
1.Технологическая схема
Снизувверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата изкипятильника, который находится вне колонны, т.е. является выносным.Следовательно, с помощью кипятильника создается выходной поток пара. Парыпроходят через слой жидкости, которую будем считать первой, ведя нумерациютарелок условно снизу вверх.
Пустьконцентрация жидкости на первом слое насадок равна Х1 (по низкокипящемукомпоненту), а её температура t1. В результатевзаимодействия между жидкостью и паром, имеющем более высокую температуру,жидкость частично испаряется, причем пар переходит преимущественно в НК(низкокипящий компонент). Поэтому на следующий (второй) слой насадок поступаетпар с содержанием НК y1/>x1. испарениежидкости на тарелки происходит за счет тепла конденсации пара.
Изпара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержаниекоторого в поступающем на слой насадок паре выше равновесного с составомжидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смесидля испарения 1 моль НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т.е. фазы натарелке обмениваются компонентами.
Навтором слое насадок жидкость имеет состав Х2, содержит больше НК,чем на первой (Х2/>Х1), и соответственнокипит при более низкой температуре (t2/>t1). Соприкасаясьс ней, пар состава У1 частично концентрируется, имея состав y2/>y1 и т.д.
Такимобразом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК,по мере движения вверх всё более обогащается низкокипящим компонентом ипокидает верхний слой насадок колонны в виде почти чистого НК, который почтиполностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верхаколонны.
Парыконденсируются в дефлегматоре, охлаждаемом водой, и получается жидкость,разделяется в распределителе на дистиллят и флегму, которая направляется наверхний слой насадок колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колоннесоздается нисходящий поток жидкости.
Жидкость,поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК.Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все болееобогащается ВК, концентрируется из пара.
Когдажидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК ипоступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.
Нанекотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяетсяисходная смесь, которая поступает на питательную насадку колонны. Для тогочтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь, обычно,предварительно нагревают в подогревателе до температуры кипения жидкости напитательной насадке.
Питательнаянасадка делит колонну на две части, имеющие различные назначения. В верхнейчасти (от питающей до верхней насадки) должно быть обеспечено, возможно,большее укрепление паров, т.е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматорнаправлялись нары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому эта часть колонныназывается укрепляющей.
Внижней части необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т.е.исчерпать жидкость, для того чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая посоставу к чистому ВК. Эта часть колонны называется исчерпывающей.
Вдефлегматоре могут быть сконденсированы все пары, поступающие из колонны, илитолько часть их соответствующая возвращаемой в колонну флегмы. В первом случаечасть конденсата, оставшегося после отделения флегмы, представляет собойдистиллят ректификации, или верхний конденсат, который после охлаждения вхолодильнике поступает в сборник дистиллята. Во втором случаенесконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются вхолодильнике, который при таком варианте работы служит конденсатором – холодильникомдистиллята.
Жидкость,выходящая из низа колонны также делится на две части. Одна часть, какуказывалось, направляется в кипятильник, а другая – остаток после охлажденияводой в холодильник.
Такиеустановки оснащают необходимыми контрольно-измерительными приборами,позволяющими автоматизировать работу их, и проводить процесс с помощьюпрограммного управления в оптимальных условиях. Путем автоматическогорегулирования сводится к минимуму колебания количества, состава и температурыисходной смеси, давления и расхода греющего пара и расхода охлаждающейжидкости.
2.Расчет насадочной ректификационной колонны непрерывного
действия
2.1Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число
Производительностьколонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определим изуравнений материального баланса колонны:
F=P+W; F/>F = P/>P +W/>W/> (1)
Отсюданаходим:
/> кг/с
P = F-W = 0.83-0,72 = 0,11кг/с
Нагрузкиректификационной колонны по пару и жидкости, определяются рабочим флегмовымчислом R. Его оптимальное значение Rопт определяетсятехнико-экономическим расчетом.
Минимальноефлегмовое число Rmin:
/> (2)
гдеXF и XP-мольные компонентасоответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси; y*- концентрациялегколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью,кмоль/кмоль смеси.
ОпределимR по этой рекомендации. Пересчитаем составы фаз из массовых долей вмольные по соотношению:
/> (3)
гдеМх и М6 – молекулярные массы соответственно хлороформа ибензола, кг/кмоль.
Получим:
/>кмоль/кмоль смеси
Аналогичнонайдем: XP=0.975 кмоль/кмоль смеси; XW=0.036 кмоль/кмольсмеси.
Тогдаминимальное флегмовое число равно:
/>
Рабочеефлегмовое число:
R = 1.3*Rmin+0.3 = 1.3*33,69+0.3= 44,097
Средниемассовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны:
LB=P*R*MB/MP; (4)
LH= P*R*MH/MP +F*MH/MF; (5)
гдеMP и MF – мольныемассы дистиллята и исходной смеси. MB и MH-средниемольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно.
Мольнуюмассу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной масселегколетучего компонента-хлороформа. Средние мольные массы жидкости в верхней инижней частях колонны соответственно равны:
MB=MXXCP.B+M6(1-XCP.B);
MH=MXXCP.H+M6(1-XCP.H);
гдеMB и MH – мольныемассы хлороформа и бензола;
XCP.B и XCP.H– средниемольные составы жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:
XCP.B = (XP+XF)/2 = (0.177+0.975)/2= 0.576 кмоль/кмоль смеси
XCP.H= (XF+XW)/2 = (0.177+0.036)/2= 0.107 кмоль/кмоль смеси
Тогда:
MB=64*0.576+78(1-0.576)=69.9 кг/кмоль
MH=64*0,107+78(1-0,107)=76,5 кг/кмоль
Мольнаямасса исходной смеси:
MF=MX*XF+M6(1-XF)=64*0.177+78(1-0,177)=75,5кг/кмоль
MP=MX*XP+M6(1-XP)=64*0.975+78(1-0.975)=64.35кг/кмоль
Подставимрассчитанные величины в уравнения (4) и (5), получим:
LB=0,11*44,097*69,9/64,35=5,27 кг/с
LH=0,11*44,097*76,5/64,35+0,83*76,5/75,5 = 6,61 кг/с
Уравнениярабочих линий
1. Уравнениеверхней части колонны:
/>
2. Уравнениенижней части колонны:
/>
гдеF – относительный мольный расход:
/>
Тогдаполучим:
1. />
2./>
Средниемассовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны:
GB=P*(R+1)*MB’/MP (7)
GH=P*(R+1)* MH’/MP
гдеMB’ и MH’ – средние мольныемассы паров в верхней и нижней частях колонны:
MB’=МХ*yCP.B+MБ(1 — yCP.B) (8)
MH’=МХ*yCP.H+MБ(1 — yCP.H)
гдеyCP.H и yCP.H − средниеконцентрации пара, найдем по уравнениям рабочих линий:
1. В верхней части колонны:
yCP.B=0.978*XCP.B+0.022 = 0.978*0.576+0.022= 0.585 кмоль/кмоль смеси
2.В нижней части колонны:
yCP.H=1.126*XCPH– 0,0045 = 1,126*0.107- 0,0045 = 0.116 кмоль/кмоль смеси
Тогда:
MB’=64*0,585+78(1-0,585)=69,81 кг/кмоль
MH’=64*0,116+78(1-0,116)=76,38 кг/кмоль
Подставивчисленные значения в уравнение (7), получим:
GB=0,11(44,097+1)69,81/64,35 = 5,38 кг/с
GН=0,11(44,097+1)76,38/64,35 = 5,89 кг/с
2.2Скорость пара и диаметр колонны
Плотностьжидкости и пара в верхней и нижней частях колонны при средних температурах вних. Средние температуры паров определим по диаграмме t-x,y по среднимсоставам фаз: tB=75,50C; tH=79,70C.
Тогда:
/> (9)
/>
Отсюдаполучим:
/>=69,81*273/22,4(273+75,5)=2,44 кг/м3
/>=76,38*273/22,4(273+79,7)=2,64кг/м3
Средняяплотность паров в колонне:
/>=(/>+ />)=(2,44+2,64)/2= 2,54 кг/м3
Вданном случае плотности жидких хлороформа и бензола близки.
Температуравверху колонны при yD=0.975 равняется 63,40С, а вкубе-испарителе при XW=0.036 она равняется 80,30С.Плотность жидкого хлороформа при 63,40С: />=1405 кг/м3, а жидкогобензола: />=814кг/м3.
Тогдасредняя плотность жидкости в колонне равна:
/>Ж=(/>+ />)/2=(1405+814)/2= 1109,5 кг/м3
Предельнаяскорость пара в верхней и нижней частях колонны:
/>
гдеа – удельная поверхность насадки, м2/м3;
e – свободный объем насадки, м3/м3 (вректификационных колоннах работающих при атмосферном давлении для разделенияагрессивных жидкостей, а также в тех случаях, когда не требуется частая чисткааппарата, обычно применяют керамические кольца Рашига. Для данного случаяпримем насадку из керамических колец Рашига размером 50´50´50 мм. Удельная поверхность насадки 87,5 м2/м3,свободный объем насадки 0,785 м3/м3, насыпная плотность530 кг/м3).
Вязкостьжидких смесей:
/>
Вязкостижидкостей в верхней и нижней частях колонны:
/>
/>
Откуда
/> МПа*с
/> МПа*с
Предельнаяскорость пара в верхней части колонны:
/>
Откуда/>м/с
Предельнаяскорость пара в нижней части колонны:
/>
Откуда/>м/с
Примемрабочую скорость на 30% ниже предельной:
/>м/с, />м/с
Найдемсреднюю скорость паров:
/>м/с
Ориентировочныйдиаметр колонны определяют из уравнения расхода:
/>
Принимаемсредний массовый поток пара в колонне G равным полусумме GB и GH:
G=(5,38+5,89)/2 = 5,64 кг/с
Диаметрколонны:
/> м
Рациональнопринять стандартный диаметр колонны d=1,4 м. При этом действительныерабочие скорости паров в колонне равны:
/>
2.3Высота колонны
ректификациябензол хлороформ колонна смесь
Эквивалентнаявысота насадки:
/>
гдеs – поверхностное натяжение жидкости, Н/м.
m – тангенс угла наклона равновесной линии.
/>
Высотаслоя насадки:
/>
где/> - теоретическое число изменения концентраций (каквидно из графика для верха – 9, для низа – 13 шт.)
ПринимаемКПД насадки равное 0,7, тогда действительное число изменения концентраций:
/>.
Принимаем32 шт. (13 и 19 шт.)
/>
Высотуколонны определим по формуле [5]:
Н К=Нн+(n-1)hp +НСЕП+НКУБ
гдеhp – высота промежутков между секциями насадок, м;
НСЕП– высота сепарационного пространства, м;
НКУБ– расстояние между днищем колонны и насадкой, м.
Дляколонны диаметром d=1,4 м по [5] принимаем:
НСЕП= 1000 мм
НКУБ= 2000 мм
Тогдавысота колонны будет равна:
НК=11,84+(32-1)0,3+1+2=24,14м.
2.4Гидравлический расчет колонны
Гидравлическоесопротивление насадки Δр:
ΔР=1169U ΔРc
Гидравлическоесопротивление сухой (неорошаемой) насадки:
/>
где/> - коэффициент сопротивления сухой неорошаемойнасадки, зависит от режима движения газа в насадке
КритерийРейнольдса для газа в верхней и нижней частях колонны соответственно:
/>
Следовательно,режим движения турбулентный.
Длятурбулентного режима коэффициент сопротивления сухой насадки в видебеспорядочно засыпанных колец Рашига:
/>
Гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) насадки в верхней частиколонны:
/> Па
Гидравлическоесопротивление сухой (неорошаемой) насадки в нижней части колонны:
/> Па
Плотностьорошения в верхней и нижней части колонны:
/> м3/(м2*с)
/> м3/(м2*с)
Гидравлическое сопротивлениеорошаемой насадки в верхней и нижней части колонны:
/> Па
/> Па
Общеегидравлическое сопротивление насадки:
ΔР= ΔР.В + ΔР.Н =5706+10030 = 15736 Па.
2.5Прочностной расчет
Порекомендации [7], принимаем сталь Х18Н10Т, она пригодна для работы при контактес хлорсодержащими веществами и производными бензола. Коррозия этой стали равномерная,и составляет: w=0,14 мм/год.
Толщинастенки аппарата:
Sp=PpD/(2*φ*[σ]-Pp)
гдеРр − расчётное давление, МПа
Рр=Р+Рг
гдеР − давление в аппарате, МПа;
Рг− гидростатическое давление столба жидкости.
Таккак Рг мало по сравнению с Р, его можно не учитывать.
φ-коэффициент прочности сварных швов, φ=0,9
[σ] − нормативноедопускаемое напряжение, МПа
[σ]=η*σ*
η− коэффициент, зависящий от вида заготовки.
Длялистового проката η=1. σ*=152 МПа, при t=100оС
Откуда[σ]=152 МПа
Расчетнаятолщина стенки равна:
Sp=0,1*1,4/(2*0,9*152-0,1)=0,000511 м
Исполнительнаятолщина стенки равна:
S=Sp+C+C0
гдеС – прибавка на коррозию, которая находится по формуле:
С=T*w
гдеТ=10 лет − срок эксплуатации аппарата; С0− округлениедо ближайшего целого значения.
S=0.000511+0.0014=0.002 м=2 мм
Примемтолщину стенки цилиндрической обечайки 6 мм. Крышку и днище выберем эллиптические, так как они являются наиболее распространёнными. По рекомендации [9](табл. 7.2. стр. 116) подберём крышку и днище нужного размера. При диаметреаппарата D=1400 мм, толщина стенки крышки и днища будет равна Sд=6 мм. Целесообразнопринять толщину стенки цилиндрической обечайки, крышки и днища одинаковой иравной 6 мм.
2.6Выбор опор
Для определения опорынеобходимо определить вес аппарата:
G=mKB*g
где: g — ускорение свободного падения равное 9,8 м2/с.
mKB- масса корпуса, наполненного водой.
mKB=mK+mB
где: mK- масса корпуса аппарата (массойтарелок можно пренебречь).
mB- масса воды залитой в аппарат.
/>
где V − объем, равный:
V=HK*S
где HK − высота колонны с запасом и сучетом крышки и днища: HK=4,6 м.
S − площадь поперечного сеченияаппарата:
S=0,785*d2=0.785*0.82=0.55 м2
Тогда объем колонны будетравен:V=0.55*4,6=2,53 м3. Плотностьстали приближенно равна:r=7850кг/м3. Комплекс kS:
/>
где: [s]-нормативное допускаемое напряжение.
j-коэффициент прочности сварных швовравный 0,95
Подставимполученные величины в уравнение (3):
/>
/>/> кг.
Масса водызалитой в колонну:
mB= rB*V = 1000*2,53 = 2530 кг
Тогда массаколонны, заполненной водой, будет равна:
mKB=2530+322=2852 кг.
G=2852*9.81=27978Н.
По рекомендации [9] (стр. 288),принимаем стандартную цилиндрическую опору 3-го типа (с кольцевым опорнымпоясом ОСТ 26-467-78).
/>
Рис.1. − Конструкция стандартной цилиндрической опоры для
стальныхсварных колонных аппаратов. Тип 3 – с кольцевым опорным
поясом
2.7Расчёт штуцеров
Диаметрштуцеров найдём по формуле:
/>
гдеG — массовый расход жидкости(газа), кг/с;
w — скорость жидкости(газа), м/с;
wж=0,5 м/с; wг=3,5 м/с;
ρ-плотностьжидкости газа, кг/м3.
Диаметрштуцера для ввода исходной смеси равен:
/>
/>
Принимаемстандартный штуцер d=45 мм (По [9] табл. 10.1, стр. 173)
Диаметрштуцера для отвода пара из верхней части колонны:
/>
/>мм
Принимаемстандартный штуцер диаметром d=130 мм (По [9] табл. 10.1, стр. 173)
Диаметрштуцера для отвода кубового остатка:
/>
/>
Возьмёмстандартный штуцер диаметром d=45 мм (По [9] табл. 10.1, стр. 173)
2.8Выбор дефлегматора, кипятильника и насоса для перекачки
исходнойсмеси
Выбордефлегматора
Тепловойбаланс в дефлегматоре:
P*(R+1)*r=Gв*Ср*(tкон-tнач),
гдеr=247,6 кДж/кг — теплота парообразования хлороформа;
СВ=4,19кДж/(кг*К) — теплоёмкость воды;
tнач=40оС − температура воды на входе вдефлегматора;
tкон=28оС − температура воды на выходе издефлегматора;
Изтеплового баланса можем найти расход воды в дефлегматоре:
/>
/>кг/с
Поверхностьтеплообмена дефлегматора найдём по формуле:
/>
гдеQ-тепловой поток, Вт.
Q=Gв*Cp*/>=5,38*4.19*103*12= 270 кВт.
к −коэффициент теплоотдачи, который можно ориентировочно принять по [2] (табл. 4.8на стр. 172)
к~500
/>м2
Порекомендации [9] (стр. 344) выберем подходящий теплообменник:
ТеплообменникГОСТ 15122-79 с площадью теплообмена F=50 м2.
Выбор кипятильника
Считаем,что за раз в кипятильнике испаряется 50% кубового остатка. Значит, количествотепла, необходимое для испарения данного количества жидкости будет равно:
Q=W*r/2=0.72*247,6*103/2=89 кВт
Площадьповерхности кипятильника будет равна:
/>
где,к − коэффициент теплоотдачи, который можно ориентировочно принять по [2](табл. 4.8 на стр. 172)
к~1500
/>м2
Пополученным результатам в справочнике [9] на стр. 345 выберем подходящийкипятильник:
Испарительвертикальный, исполнение 1.
Выборнасоса
Дляперекачки исходной смеси по каталогу [10]:«центробежных химических насосов спроточной частью из металла» выберём подходящий по техническим характеристикам:
Насостипа АХ(0) 40-25-160-А, К, Е, И. Этот насос предназначен для перекачки химическиактивных жидкостей плотностью до 1850 кг/м3
Списокиспользуемой литературы
1. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии:Пособие по проектированию. / Ю.И. Дытнерский. − 1991.
2. Примеры и задачи по курсу ПиАХТ. / Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А.− 1987.
3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. / А.Г. Касаткин.− 1961.
4. Основы расчёта и конструирования массообменных колонн. / Тютюнников А.Б.,Товажнянский Л.Л., Готлинская А.П. − 1989.
5. ДоманскийИ.В. Машины и аппараты химических производств. / Доманский И.В.
6. Основыконструирования и расчета химической аппаратуры. / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский.
7. Коррозия изащита химической аппаратуры. / Сухотин А.М. – Т. 7.
8. СтабниковВ.Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных иабсорбционных аппаратов. / В.Н. Стабников.
9. ЛощинскийА.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. / А.А. Лощинский.− 1981.
10. Каталогцентробежных химических насосов с проточной частью из металла.
11. Равновесиемежду жидкостью и паром. / Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. − 1966.
12. МихалевМ.Ф. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. / М.Ф. Михалев.