ФГАОУ ВПО
Уральский федеральный университетим. Первого Президента России Б.Н. Ельцина
Кафедра «Процессы и аппаратыхимической технологии»
Пояснительная записка
Расчет ректификационной установки для разделениябинарной смеси этиловый спирт-вода
2010
Аннотация
Крашенинникова Е.В. Расчет ректификационной установки для разделения бинарнойсмеси этиловый спирт-вода. – Озёрск: ФГАОУ ВПО«УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», 2010. – 50 с., 14 ил. Библиография – 10 назв.
В данной курсовой работепроведен расчет ректификационной колонны непрерывного действия с ситчатымитарелками для разделения смеси этиловый спирт-вода производительностью 5000 кг/часпо исходной смеси. Выполнен материальный и тепловой балансы, проведенгидравлический расчет, определены основные размеры аппарата и подобранынормализованные конструктивные элементы. Подобраны испаритель и дефлегматор. Предложеныспособы повышения эффективности работы колонн с ситчатыми тарелками.
Задание на курсовуюработу
Рассчитатьректификационную установку по следующим данным:
1. Типаппарата: выбрать;
2. Разделяемаясмесь: этиловый спирт – вода;
3. Производительностьпо сырью: 5 т/ч;
4. КонцентрацияНКК в:
· Дистилляте– 75% (мол.);
· Сырье– 10%(мол.);
· Остатке– 1%(мол.);
5. Давлениегреющего пара: 3 ат;
6. Температура:
· Поступающегосырья – 10ºС;
· Воды,идущей на дефлегматор – 10ºС;
7. Давлениев колонне: 1 ат.
Содержание
Введение
1 Теоретические основы процессаректификации и описание технологической схемы
1.1 Теоретические основы процессаректификации
1.2 Принцип работы ректификационногоаппарата
1.3 Описание технологической схемы ректификационнйустановки
2 Классификация и выборректификационных установок и вспомогательного оборудования
2.1 Классификация ректификационныхустановок по конструкции внутреннего устройства аппарата
2.2 Классификация ректификационныхустановок по периодичности действия
2.3 Классификация ректификационныхустановок по способу организации движения потоков контактирующих фаз
2.4 Выбор ректификационной установки
2.5 Колонны с ситчатыми тарелками дляразделения смеси «этиловый спирт-вода»
2.6 Выбор вспомогательногооборудования
2.7 Выбор конструкционного материала
3 Материальный расчет колонны
3.1 Производительность колонны подистилляту и кубовому остатку
3.2 Расчет оптимального флегмовогочисла и определение числа теоретических тарелок
3.3 Массовый поток пара в верхней инижней частях колонны
3.4 Массовые расходы жидкости вверхней и нижней части колонны
4 Расчет диаметра колонны
4.1 Плотности компонентов
4.2 Скорость пара в колонне
4.3 Диаметр колонны
4.4 Характеристика тарелки (рис 8,9)
5 Расчет числа тарелок
5.1 Средний КПД тарелки
5.2 Высота колонны
6 Гидравлический расчет колонны
6.1 Гидравлическое сопротивлениесухой тарелки
6.2 Гидравлическое сопротивлениеобусловленное силами поверхностного натяжения
6.3 Гидравлическое сопротивлениегазожидкостного слоя
6.4 Полное сопротивление тарелки
6.5 Суммарное гидравлическоесопротивление рабочей части колонны
7 Тепловой расчет колонны
7.1 Расход теплоты отдаваемой воде в дефлегматоре
7.2 Расход теплоты в кубе испарителе
7.3 Расход греющего пара
8 Конструктивный расчет
Выводы
Заключение
Список литературы
Приложения
Введение
Ректификация – разделениежидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющихвеществ в результате взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси. Этомассообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев впротивоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичнымииспользуемыми в процессе абсорбции.
Возможность разделенияжидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, чтосостав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкойсмеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости.
Сущность процессаректификации рассмотрена на примере разделения двухкомпонентной смеси по заданиюна курсовую работу, где требуется рассчитать ректификационную установку дляразделения смеси «этиловый спирт-вода».
Ректификационнаяустановка даёт наиболее полное разделение смесей жидкостей, целиком иличастично растворимых друг в друге. Процесс заключается в многократномвзаимодействии паров с жидкостью – флегмой, полученной при частичной конденсациипаров. В ректификационном аппарате снизу вверх движутся пары,а сверху подается жидкость, представляющая собой почти чистый НКК. Присоприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичнаяконденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паровконденсируется преимущественно ВКК, а из жидкости испаряется преимущественно НКК.Таким образом, стекающая жидкость обогащается ВКК, а поднимающиеся парыобогащаются НКК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляютсобой почти чистый НКК. Эти пары поступают в конденсатор, называемыйдефлегматором, и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошениеаппарата, называется флегмой, другая часть отводится в качестве дистиллята.
Как и вовсех массобменных процессах эффективность ректификации зависит от поверхностиконтакта фаз. Для увеличения поверхности массобмена используют различныеконтактные устройства насадочного или барботажного типа. Наиболеераспространенными ректификационными установками являются барботажные колонны сразличными типами тарелок: колпачковыми, ситчатыми, провальными и т.п. Наиболееуниверсальны колонны с колпачковыми тарелками, но при разделении незагрязненныхжидкостей в установках с постоянной нагрузкой, хорошо зарекомендовали себя аппаратыс ситчатыми тарелками, отличающимися простотой конструкции и легкостью вобслуживании.
В данной курсовой работе рассмотрены основы процессаректификации, классификация ректификационных колонн по конструкции внутреннегоустройства, по периодичности действия и по способу организации движения потоковконтактирующих фаз. Кроме того, представлены основные требования по выбору тогоили иного типа колонны. Согласно заданию на курсовую работу, в котором указаныкомпоненты бинарной смеси: этанол-вода, выбрана колонна с ситчатыми тарелками,и проведен её расчет по исходным данным, указанным в задании. Выполнен материальныйи тепловой балансы, определены основные размеры аппарата и подобранынормализованные конструктивные элементы.
1 Теоретические основыпроцесса ректификации и описание технологической схемы
1.1 Теоретическиеосновы процесса ректификации
Вомногих химических производствах необходимо производить выделение чистых веществиз смесей жидкостей. Одним из наиболее распространенных методов разделения смесейявляется ректификация. Этот метод основан на различии в температурах кипения,а, следовательно, и в летучести компонентов смеси. Если летучесть компонентовразлична, то состав пара над жидкостью отличается от состава жидкой смесибóльшим содержанием низкокипящего (легколетучего) компонента – НКК.Вследствие этого при противоточном контакте жидкой смеси с парами, которыйосуществляется при ректификации в результате массообмена, пары будутобогащаться НКК, а жидкость – высококипящим (труднолетучим) компонентом – ВКК.
Вконечном итоге пары будут представлять собой более или менее чистый НКК, ажидкость – ВКК.
Процессректификации осуществляется преимущественно в тарельчатых или насадочныхколонных аппаратах периодическим или непрерывным способом. На ректификациюпоступает исходная жидкая смесь, содержание в которой НК составляет хf. Впроцессе ректификации смесь разделяется на две части: часть, обогащенную НКК –дистиллат и часть, обогащенную ВКК – кубовый остаток. Обозначим в долях НККсостав дистиллата – хр, а кубового остатка – хw.Исходная смесь подается в тучасть колонны, где жидкость имеет состав хf. Стекая вниз по колонне, онавзаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовойжидкости в кипятильнике. Пар имеет начальный состав, примерно равный составукубового остатка хw, т.е. является обедненным НКК. В результате массообменапроисходит переход НКК из жидкости в пар, а ВКК – из пара в жидкость.
Вточке ввода исходной смеси пар может иметь в пределе состав, равновесный с исходнойсмесью. Для более полного обогащения пара НКК верхнюю часть колоны орошаютжидкостью состава хр, которая получается в дефлегматоре путем конденсации пара,выходящего из колонны. Эта часть конденсата называется флегмой. Другая частьконденсата пара выводится из дефлегматора в виде продукта разделения –дистиллата. Жидкость, отводимая из нижней части колонны, называется кубовымостатком. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывныйпроцесс разделения подаваемой в колонну исходной бинарной смеси на дистиллат свысоким содержанием НКК и кубовый остаток, обогащенный ВКК. Если обозначитьколичество поступающей на ректификацию исходной смеси Gf, количествополучаемого дистиллата Gp и количество кубового остатка Gw, то материальный балансвыразится равенством:
Gf = Gp + Gw (1)
Еслизаданы количество и состав исходной смеси и составы продуктов разделения, тодля определения количеств дистиллата и кубового остатка уравнение дополняютуравнением материального баланса для НКК:
Gf хf= Gp хp + Gw хw (2)
Степеньразделения – чистота получаемых при ректификации продуктов – определяетсяфизико-химическими свойствами разделяемых веществ, размерами и конструкциейаппарата, условиями проведения процесса (гидродинамикой, давлением и пр.).
На рис1 в координатах состав пара (у) – состав жидкости (х) графически представленатипичная зависимость между равновесными (линия 1) и рабочими (линия 2 и 3)составами фаз для бинарной смеси. Уравнения линий рабочих концентраций дляверхней и нижней частей колонны имеют различный вид:
· для верхней части
yв = R / (R + 1) x+ xp / (R + 1); (3)
· для нижней части
yн = (R + f) / (R + 1) x – (f– 1) ×× xw / (R + 1), (4)
где f = Gf / Gp – удельноеколичество поступающей исходной смеси;
R = GR / Gp – флегмовое число,представляющее собой отношение количества флегмы, подаваемой на орошениеколонны к количеству дистиллата.
Вуравнениях рабочих линий составы взаимодействующих фаз выражаются только вмольных долях НКК.
/>
Рис 1– Х-Y-диаграмма. Зависимость междуравновесными и рабочими составами фаз для смеси этиловый спирт-вода
Прирасчетах процессов ректификации принимаются следующие допущения, малоискажающие фактические условия протекания процесса, но значительно упрощающиерасчет:
1 Разделяемаясмесь следует правилу Трутона, согласно которому отношение мольной теплотыиспарения или конденсации к абсолютной температуре кипения для всех жидкостейявляется приближенно величиной постоянной.
Длясмеси, состоящей из двух компонентов:
rсм / Tсм = r1 / T1 = r2 / T2 — const. (5)
Отсюдаследует, что при конденсации 1 кмоль ВК в колонне испаряется 1 кмоль НК, т.е.мольное количество паров, поднимающихся по колонне постоянно.
2 Принимается,что Yp = xp, a Yw = xw, т.е. пренебрегается укрепляющим действиемдефлегматора в процессе конденсации в нем паров и пренебрегается исчерпывающимдействием кипятильника.
3Теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю.
Крометого, в расчетах исходят из того, что смесь, подлежащая разделению, поступает вколонну нагретой до температуры кипения на питающей тарелке. В этом случаеточка пересечения рабочих линий низа и верха колонны лежит на ординате x = хf .
Следуетотметить, что питание колонны исходной смесью может осуществляться в виде параи в виде жидкости с температурой ниже
температурыкипения смеси. Из анализа уравнений рабочих линий низа и верха колонны с учетомсделанных допущений следует, что рабочая линия верхней части колонны пересекаетдиагональ в точке А (при этом x = хр), а нижней – в точке В (x = хw). Междусобой эти линии пересекаются в точке С, где x = хf.
Повысоте точка С располагается между равновесной линией и диагональю и зависит отR, при Rmin точка С находится на равновесной линии, при Rmax – надиагонали.
Пофазовой диаграмме (рис 1) графическим построением может быть найдено числотеоретических ступеней изменения концентраций или число «теоретическихтарелок». За «теоретическую тарелку» принимается такая условнаятарелка, на которой (рис 1) пар состава у1, взаимодействуя с жидкостью состава х1,изменяет концентрацию до равновесной Y1*.
Вэтом случае число «теоретических тарелок» определяется построениемступеней между рабочими и равновесными линиями в пределах от хw до хр.
Нареальных тарелках в колонне не достигается равновесного состояния между паром ижидкостью. Поэтому для аналогичного изменения концентрации требуется большеечисло действительных тарелок.
Отношениечисла «теоретических тарелок» nт к числу действительных тарелок nд вколонне называют средним коэффициентом полезного действия тарелок (КПДколонны): ηср = nт / nд .
ВеличинаКПД как мера интенсивности работы тарелок зависит от гидродинамических условийна тарелке, физических свойств пара и жидкости, кривизны равновесной линии. Всвязи с тем, что все эти факторы могут изменяться с изменением концентрации,КПД каждой тарелки η будет отличаться от среднего длявсех тарелок ηср. Величина ηср определяется опытным путем.
Проведениепроцесса ректификации требует затраты тепловой энергии. Тепло, необходимое дляиспарения кубовой жидкости, подводится в кипятильник. Обычно подвод теплаосуществляется насыщенным водяным паром, а для колонн малого диаметра можноиспользовать электронагрев.
Теоретическийрасход тепла на проведение процесса определяется из уравнения теплового баланса:
Qк = Gp (R + 1) rp + Gp cp tp + Gw cwtw – Gf cf tf, (6)
где rp– удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре;
сf, cp, cw – соответственно,теплоемкости исходной смеси, дистиллата и кубового остатка;
tf, tp, tw – температуры кипенияисходной смеси, дистиллата и кубовой жидкости, соoтвeтcтвeннo.
Теплоемкостии скрытая теплота конденсации смесей рассчитывается по правилу аддитивности.Фактический расход тепла несколько больше рассчитанного по уравнению тепловогобаланса за счет потерь тепла в окружающую среду.
1.2 Принцип работыректификационного аппарата
Обычно ректификационный аппарат состоит из двухчастей: верхней и нижней, каждая из которых представляет собой организованнуюповерхность контакта фаз между паром и жидкостью.
В нижней части исходнаясмесь взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу кубовогоостатка. Вследствие этого из смеси извлекается НКК.
В верхней ступени парначального состава соответствующий составу исходной смеси, взаимодействует сжидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята. Вследствие этогопар обогащается НКК до требуемого предела, а ВКК извлекается из паровой фазы.
Пар для питанияректификационной колонны получается многократным испарением жидкости, имеющейтот же состав, что и кубовый остаток, а жидкость – многократной конденсациейпара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята.
Полученный в конденсаторедистиллят делится на две части. Одна часть направляется обратно в колонну –флегма, другая является отбираемым продуктом – дистиллят. Отношение количествавозвращенного в колонну дистиллята (флегмы) к количеству дистиллята,отобранного в виде продукта – называется флегмовым числом R.
Вректификационном аппарате снизу вверх движутся пары, а сверху подаетсяжидкость, представляющая собой почти чистый НКК. При соприкосновенииподнимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсацияпаров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественноВКК, а из жидкости испаряется преимущественно НКК. Таким образом, стекающаяжидкость обогащается ВКК, а поднимающиеся пары обогащаются НКК, в результатечего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый НКК. Эти парыпоступают в конденсатор, называемый дефлегматором, и конденсируются. Частьконденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая частьотводится в качестве дистиллята.
Как и длявсех массобменных процессов эффективность ректификации зависит от поверхностиконтакта фаз. Для увеличения поверхности массобмена используют различныеконтактные устройства насадочного или барботажного типа.
1.3 Описание технологической схемы ректификационнй установки
Рассмотрим технологическуюсхему ректификационной установки (рис 2).
Исходная смесь из расходнойемкости РЕ центробежным насосом подается в подогреватель П, где нагревается дотемпературы кипения и поступает на питающую тарелку ректификационной колонныРК. Стекая по тарелкам жидкость, попадает в куб, из которого поступает вкипятильник К. Из кипятильника пары жидкости поступают в нижнюю часть колонны идвигаются навстречу исходной смеси, барботируя через нее и обогащаясьнизкокипящим компонентом. Выходя из колонны пары, попадают в дефлегматор Д иконденсируются. Дистиллят поступает в разделитель Р, где разделяется на двапотока: одна часть в качестве флегмы возвращается в колонну и стекает потарелкам вниз, обогащаясь при этом высококипящим компонентом, а другая частьпоступает в холодильник Х1, охлаждается и попадает в приемную емкость ПЕ2. Помере работы часть жидкости из куба отводится в холодильник Х2 и поступает вприемную емкость ПЕ1 в качестве кубового остатка.
/>
Рис 2 – Технологическая схемаректификационной установки
2Классификация и выбор ректификационных установок и вспомогательногооборудования
2.1 Классификация ректификационныхустановок по конструкции внутреннего устройства аппарата
В промышленностиприменяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны ицентробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкциейвнутреннего устройства аппарата, назначение которого — обеспечениевзаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит прибарботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых или ситчатых),либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхностижидкости, стекающей тонкой пленкой.
Тарельчатые колпачковыеколонны наиболее часто применяют в ректификационных установках. Пары спредыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют черезслой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстияили зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличенияповерхности соприкосновения его с жидкостью. Переливные трубки служат дляподвода и отвода жидкости и регулирования ее уровня на тарелке. Основнойобластью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показалиисследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результатебарботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины ихпогружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойствжидкости и др. Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяюттакже клапанные, желобчатые, S-образные, чешуйчатые, провальные и другиеконструкции тарелок. В расчетах необходимо учитывать особенности конструкцийтарелок.
Клапанные тарелкипоказали высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодарявозможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально,изменяя площадь живого
сечения для прохода пара,причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающегоподъем. Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10—15% площадисечения колонны. Скорость пара достигает 1,2 м/с. Клапаны изготовляют в видепластин круглого или прямоугольного сечения с верхним или нижним ограничителемподъема.
Тарелки, собранные изS-образных элементов, обеспечивают движение пара и жидкости в одномнаправлении, способствуя выравниванию концентрации жидкости на тарелке.
Чешуйчатые тарелки подаютпар в направлении потока жидкости. Они работают наиболее эффективно приструйном режиме, возникающем при скорости пара в чешуях свыше 12 м/с. Площадьживого сечения составляет 10% площади сечения колонны. Чешуи бывают арочными илепестковыми; их располагают на тарелке в шахматном порядке. Простотаконструкции, эффективность и большая производительность — преимущества этихтарелок.
Пластинчатые тарелкисобраны из отдельных пластин, расположенных под углом 4—9° к горизонтам. Взазорах между пластинами проходит пар со скоростью 20 — 50 м/с. Над пластинамиустановлены отбойные щитки, уменьшающие брызгоунос. Эти тарелки отличаютсябольшой производительностью, малым сопротивлением и простотой конструкции.
К провальным относяттарелки решетчатые, колосниковые, трубчатые, ситчатые (плоские или волнистыебез сливных устройств). Площадь живого сечения тарелок изменяется в пределах15—30%. Жидкость и пар проходят попеременно через каждое отверстие взависимости от соотношения их напоров. Тарелки имеют малое сопротивление,высокий КПД, работают при значительных нагрузках и отличаются простотойконструкции.
Насадочные колонныполучили широкое распространение в промышленности. Они представляют собойцилиндрические аппараты, заполненные инертными материалами в виде кусковопределенного размера или насадочными телами, имеющими форму, например, колец,шаров для увеличения поверхности фазового контакта и интенсификацииперемешивания жидкой и паровой фаз. Массо- и теплообмен в колоннах с насадкойхарактеризуются не только явлениями молекулярной диффузии, определяющимисяфизическими свойствами фаз, но и гидродинамическими условиями работы колонны,которые определяют турбулентность потоков: ламинарный, промежуточный итурбулентный, при которых поток пара является сплошным, непрерывным и заполняетсвободный объем насадки, не занятый жидкостью, в то время как жидкость стекает лишьпо поверхности насадки. Дальнейшее развитие турбулентного движения можетпривести к преодолению сил поверхностного натяжения и нарушению граничнойповерхности между потоками жидкости и пара. При этом газовые вихри проникают впоток жидкости, происходит эмульгирование жидкости паром, и массообмен междуфазами резко возрастает. В случае эмульгирования жидкость распределяется не понасадке, а заполняет весь ее свободный объем, не занятый паром; жидкостьобразует сплошную фазу, а газ — дисперсную фазу, распределенную в жидкости, т.е.происходит инверсия фаз. Насадочную колонну следует рассчитывать, исходя изоптимальной скорости. При превышении оптимальной скорости начинается обращенноедвижение жидкости снизу вверх, происходит так называемое “захлебывание” колонныи нарушение режима ее работы.
Трубчатые пленочныеректификационные колонны состоят из пучка вертикальных труб, по внутреннейповерхности которых тонкой пленкой стекает жидкость, взаимодействуя споднимающимся по трубам паром. Пар поступает из куба в трубки. Флегмаобразуется в дефлегматоре непосредственно на внутренней поверхности трубок,охлаждаемых водой в верхней их части. Диаметр применяемых трубок-5—20 мм.Эффект работы пленочного аппарата возрастает с уменьшением диаметра трубок. Трубчатыеколонны характеризуются простотой изготовления, высокими коэффициентамимассопередачи и весьма малыми гидравлическими сопротивлениями движению пара.Многотрубные (и длиннотрубные) колонны с искусственным орошением имеютзначительно меньшие габаритные размеры и массу, чем тарельчатые.
Ситчатые колонны применяютглавным образом при ректификации спирта и жидкого воздуха. Допустимые нагрузкипо жидкости и пару для них относительно невелики, и регулирование режима ихработы затруднительно. Массо- и теплообмен между паром и жидкостью в основномпроисходят на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Давлениеи скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточны дляпреодоления давления слоя жидкости на тарелке и создания сопротивления ееотеканию через отверстия. Ситчатые тарелки необходимо устанавливать строгогоризонтально для обеспечения прохождения пара через все отверстия тарелки, атакже во избежание стекания жидкости через них. Обычно диаметр отверстийситчатой тарелки принимают в пределах 0,8—3,0 мм.
2.2 Классификация ректификационныхустановок по периодичности действия
Все ректификационныеустановки, независимо от типа и конструкции колонн, классифицируют на установкипериодического и непрерывного действия.
В ректификационныхустановках периодического действия начальную смесь заливают в перегонный куб,где поддерживается непрерывное кипение с образованием паров. Пар поступает наукрепление в колонну, орошаемую частью дистиллята. Другая часть дистиллята издефлегматора или концевого холодильника, охлажденная до определеннойтемпературы, через контрольный фонарь поступает в сборник готового продукта. Вколоннах периодического действия ректификацию проводят до тех пор, покажидкость в кубе не достигает заданного состава. Затем обогрев куба прекращают,остаток сливают в сборник, а в куб вновь загружают на перегонку начальнуюсмесь. Установки периодической ректификации успешно применяют для разделениянебольших количеств смесей. Большим недостатком ректификационных установокпериодического действия является ухудшение качества готового продукта(дистиллята) по мере протекания процесса, а также потери тепла припериодической разгрузке и загрузке куба. Эти недостатки устраняются принепрерывной ректификации.
Колоннынепрерывногодействия состоят из нижней (исчерпывающей) части, в которой происходит удалениелегколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей)части, назначение которой – обогащение поднимающихся паров легколетучегокомпонента. Схема установки непрерывной ректификации отличается отпериодической тем, что питание колонны начальной смесью определенного составапроисходит непрерывно с постоянной скоростью; готовый продукт постоянногокачества также непрерывно отводится.
2.3 Классификацияректификационных установок по способу организации движения потоков контактирующихфаз
Поспособу организации относительного движения потоков контактирующих фазректификационные колонны делятся на противоточные, прямоточные,перекрестноточные и перекрестнопрямоточные. А по регулируемости сеченияконтактирующих фаз – на тарелки с нерегулируемым и регулируемым сечениями.
Противоточныетарелки характеризуютсявысокой производительностью по жидкости, простотой конструкции и малойметаллоемкостью. Основной их недостаток – низкая эффективность и узкий диапазонустойчивой работы, неравномерное распределение потоков по сечению колонны, чтосущественно ограничивает их применение.
/>Прямоточные тарелки отличаются повышенной производительностью, но умереннойэффективностью разделения, повышенным гидравлическим сопротивлением итрудоемкостью изготовления, они предпочтительны для применения в процессахразделения под давлением.
/>К перекрестноточным типам тарелок относятся:
1) тарелкис нерегулируемым сечением контактирующих фаз следующих конструкций: ситчатые,ситчатые с отбойниками, колпачковые с круглыми, прямоугольными, шестигранными,S-образными, желобчатыми колпачками;
2) тарелкис регулируемым сечением следующих конструкций: клапанные с капсульными, дисковыми,пластинчатыми, дисковыми эжекционными клапанами; клапанные с балластом;комбинированные колпачково-клапанные (например, S-образные и ситчатые склапаном) и др.
Перекрестноточныетарелки характеризуются в целом (за исключением ситчатых) наибольшей разделительнойспособностью, поскольку время пребывания жидкости на них наибольшее по сравнениюс другими типами
тарелок.К недостаткам колпачковых тарелок следует отнести низкую удельнуюпроизводительность, относительно высокое гидравлическое сопротивление, большуюметаллоемкость, сложность и высокую стоимость изготовления.
2.4 Выбор ректификационной установки
В ректификационныхколоннах применяются сотни различных конструкций контактных устройств,существенно различающихся по своим характеристикам и технико-экономическимпоказателям. При этом в эксплуатации находятся наряду с самыми современнымиконструкциями контактные устройства таких типов (например, желобчатые тарелки идр.), которые, хотя и обеспечивают получение целевых продуктов, но не могут бытьрекомендованы для современных и перспективных производств.
Наиболеераспространенными ректификационными установками являются барботажные колонны сразличными типами тарелок: колпачковыми, ситчатыми, провальными и т.п. Хорошозарекомендовали себя аппараты с ситчатыми тарелками, отличающимися простотойконструкции и легкостью в обслуживании.
При выборе типаконтактных устройств обычно руководствуются следующими основными показателями:
а) производительностью;
б) гидравлическимсопротивлением;
в) коэффициентомполезного действия;
г) диапазономрабочих нагрузок;
д) возможностьюработы на средах, склонных к образованию смолистых или других отложений;
е) материалоемкостью;
/>Ситчатые тарелки с отбойниками имеют относительно низкоегидравлическое сопротивление, повышенную производительность, но более узкийрабочий диапазон по сравнению с колпачковыми тарелками. Применяютсяпреимущественно в вакуумных колоннах.
Лучшими показателями погидравлическому сопротивлению обладают тарелки ситчатые и S-образные склапанами, а по КПД — клапанная балластная и S-образная с клапаном.
Следуетотметить, что универсальных конструкций тарелок, эффективно работающих «всегдаи везде», не существует. При выборе конкретного типа тарелок из множествавариантов следует отдать предпочтение той конструкции, основные (не обязательновсе) показатели эффективности которой в наибольшей степени удовлетворяют предъявляемымтребованиям. Предпочтительно применение контактных устройств, имеющих как можноменьшее гидравлическое сопротивление.
2.5 Колонны сситчатыми тарелками для разделения смеси «этиловый спирт-вода»
Колонныс ситчатыми тарелками (Приложение А) гораздо проще по устройству и дешевле,чем, например, колонны с колпачковыми тарелками. Колонны с ситчатыми тарелками (рис3) состоят из вертикального цилиндрического корпуса 1 с горизонтальнымитарелками 2, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительноечисло мелких отверстий. Для слива жидкости и регулирования её уровня на тарелкеесть переливные трубки 3. нижние концы трубок погружены в стаканы 4,находящиеся на лежащих ниже тарелках, и образуют гидравлические затворы.
/>
Рис 3 — Схемаустройства ситчатой колонны
1 –корпус; 2 – ситчатая тарелка; 3 – переливная трубка; 4- стакан
Газ(пар) проходит в отверстия тарелки (рис 4) и распределяется в жидкости в видемелких струек; лишь на некотором расстоянии от дна тарелки образуется слой пеныи брызг – основная область массообмена и теплообмена на тарелке.
/>
Рис 4 — Схемаработы ситчатой тарелки
Вопределенном диапазоне нагрузок ситчатые тарелки обладают довольно большойэффективностью. Для того, чтобы КПД тарелки не уменьшалось резко, давление искорость газа (пара), проходящего через отверстия тарелки, должны бытьдостаточными для того, чтобы преодолеть давление слоя жидкости на тарелке ипредотвратить тем самым стекание жидкости через отверстия.
Крометого, протекание жидкости через отверстия увеличивается с увеличением диаметратарелки и при отклонении от строго горизонтального положения. Поэтому диаметр ичисло отверстий следует подбирать такими, чтобы жидкость удерживалась натарелках и не увлекалась механически паром. Обычно принимают диаметр отверстийситчатых тарелок 0,8-3 мм.
Очистка,промывка и ремонт ситчатых тарелок проводятся относительно удобно и легко.
Но естьи минусы. Ситчатые колонны эффективно работают только при определенныхскоростях ректификации, и регулирование режима их работы. При значительныхнагрузках потеря напора довольно большая. Кроме того, как указывалось ранее,тарелки должны быть расположены строго горизонтально, т.к. иначе газ (пар)будет проходить через часть отверстий, не соприкасаясь с жидкостью. А в случаевнезапного прекращения поступления газа (пара) или значительно снижения егодавления тарелки ситчатой колонны полностью опоражниваются от жидкости, и длядостижения заданного режима процесса требуется вновь пустить колонну.
Чувствительностьк колебаниям нагрузки, а также загрязнениям и осадкам, которые быстро забиваютотверстия тарелки, ограничивают область использования ситчатых колонн. Но дляректификации спирта и жидкого воздуха (кислородные установки), главным образомприменяют именно их.
Дляповышения эффективности ситчатых тарелок увеличивают длительность контактамежду жидкостью и газом (паром), например, принудительным круговым движениемжидкости на тарелке при одинаковом направлении её движения на всех тарелках колонны.
2.6 Выбор вспомогательного оборудования
Размеры и конструкцииперегонного куба, дефлегматора и концевого холодильника зависят отпроизводительности установки, физических свойств перегоняемой смеси и режимапроцесса (периодический или непрерывный).
Дефлегматор обычнопредставляет собой кожухотрубчатый теплообменник. В ряде случаев в дефлегматорепроисходит конденсация всех паров, вышедших из колонны. В концевом холодильникедистиллят охлаждается до заданной температуры.
Иногда в дефлегматореконденсируется лишь часть паров для получения флегмы, а полная конденсация иохлаждение происходят в холодильнике.
Ректификационныеустановки снабжают также приборами для регулирования и контроля режима работы инередко аппаратами для утилизации тепла.
2.7 Выборконструкционного материалаЭтаноли вода не являются коррозионно-активными веществами, рабочая температура вколонне не выше 100°С, поэтому в качестве конструкционного материала дляосновных деталей аппарата выбираем сталь Ст 3 ГОСТ 380 – 94: котораяиспользуется для изготовления деталей химической аппаратуры при работе снеагрессивными средами при температурах от 10 до 200 °С.
3 Материальный расчет колонны
3.1 Производительностьколонны по дистилляту и кубовому остатку
Таблица 1 – Температуры кипенияи молекулярные массы разделяемых компонентов
параметр
вещество tк, °С М, кг/кмоль этанол 78,30 46,10 вода 100,00 18,00
Молекулярные массыисходной смеси, дистиллята и кубового остатка:
/> (7)
MF = 0,10×46,10 + 0,746×18,00 = 49,00 кг/кмоль
Аналогично для MР и MW:
MР = 0,75×46,1 + 0,099×18,00 = 56,80 кг/кмоль
MW = 0,01×46,1 + 0,968×18,0 = 46,40 кг/кмоль
Уравнение материального баланса
F = P + W; (8)
F/>F = P/>+ W/>, (9)
где />F, />, /> – массовые концентрации НКК,
F = 5000,00 кг/ч – расход исходнойсмеси,
Р – расход дистиллята,
W – расход кубового остатка,
Прежде, чем находитьрасход дистиллята и кубовой жидкости, переведем мольные доли компонентов смесив массовые:
xF= 0,1 />/>F = 0,22
xР= 0,75 />/> = 0,82
xW= 0,01 />/> = 0,025
Тогда
W = F(/>– />)/(/>– />) (10)
W = 5000,00×(0,82 – 0,22)/(0,82 – 0,025) = 3773,58кг/ч
Р = F – W = 5000,00 – 3773,58 = 1226,42 кг/ч3.2 Расчет оптимальногофлегмового числа и определение числа теоретических тарелок
Строим диаграммуравновесия между паром и жидкостью в системе этиловый спирт-вода (рис 5), используяданные по равновесию (таблица 2).
Таблица 2 – Равновесныеданные системы этиловый спирт-водах, %мол. 0,00 1,90 9,66 16,61 26,08 39,65 50,79 57,32 67,63 74,72 89,43 у, %мол. 0,00 17,00 43,75 50,69 55,80 61,22 65,64 68,41 73,85 78,15 89,43 T, ºС 100,0 95,50 86,70 84,10 82,30 80,70 79,80 79,3 78,64 78,41 78,15
Находим значение />*= 0,44
Тогда минимальноефлегмовое число:
Rmin = (xp – yF*)/(yF*- xF) (11)
Rmin = (0,75 – 0,44)/(0,44 – 0,1) = 0,91
Рабочее число флегмы:
R = 1,3·Rmin+0.3 (12)
R=1,3·0,91+0.3=1,48
Уравнения рабочих линий:
· верхняя часть
y = [R/(R+1)]x + xp / (R+1) (13)
у = 0,597x + 0,302
хF =0,1 /> уF*=0,597·0,1+0,302=0,362
Отложим по оси ординат0,362 и нанесем рабочую линию АВ для верхней части колонны. Через точки А и Спроводим рабочую линию АС для нижней части колонны.
· нижняя часть
y = [(R+f)/(R+1)]x – [(f –1)/(R + 1)]xW (14)
f = F / P (15)
f = 5000,00/1226,42 = 4,08
y = 2,24x – 0,012
/>
Рис 5– Х-Y-диаграмма. Зависимость междуравновесными и рабочими составами фаз для смеси этиловый спирт-вода
Выполнив на диаграмме (рис5) построение ломанной линии (начиная от т.В), находим необходимое числоступеней изменения концентрации: в верхней части оно составляет ~ 6, в нижней ~3; всего – 9.
3.3Массовый поток пара в верхней и нижней частях колонны
Средние концентрациипаров и их температуры (по t-x, y диаграмме):
yF = 0,362; yp = 0,738; yW =0,011 (рис 5)
уср.в = 0,5(yF + yp) (16)
уср.в = 0,5×(0,362 + 0,738) = 0,55 /> tср.в = 79,0° С
уср.н = 0,5(yF + yW) (17)
уср.н = 0,5×(0,362 + 0,011) = 0,19 /> tср.н = 82,5° С
Средние молярные массы паров:
/> (18)
Мср.в = 0,55×46,10 + 0,45×18,00 = 33,46 кг/кмоль
Аналогично для Мср.н:
Мср.н = 0,19×46,10 + 0,77×18,00 = 23,34 кг/кмоль
Расход пара:
Gв = Р(R + 1)Мср.в /Мр (19)
Gв = 1226,42×(1,48+1)×33,46/39,10 = 2604,13 кг/ч
Gн = Р(R + 1)Мср.н /Мр (20)
Gн = 1226,42×(1,48+1)×23,34/39,10 = 1816,51 кг/ч
3.4 Массовые расходыжидкости в верхней и нижней части колонны
Средние концентрации жидкости:
хср.в = (хF + xр) / 2 (21)
хср.в = (0,1 + 0,75)/2 =0,425
хср.н. = (хF + xW) / 2 (22)
хср.н = (0,1 + 0,01)/2 =0,055
Средние молярные массы жидкости:
/> (23)
Мср.в = 0,425×46,1 + 0,575×18,0 = 29,943 кг/кмоль
/> (24)
Мср.н = 0,055×46,1 + 0,945×18,0 = 19,546 кг/кмоль
Расход жидкости:
Lв = PRMcр.в / Мр (25)
Lв = 1226,42×1,48×29,943/39,08 = 1390,73 кг/ч
Lн = PRMcр.н/Мр+FMcр.н/МF (26)
Lн = 1226,42×1,48×19,546/39,08 +5000,00×19,546/20,81 = 5604,13 кг/ч
4 Расчетдиаметра колонны 4.1 Плотностикомпонентов
По диаграмме t — x, y* (рис 6),находим температуры исходной смеси, дистиллята и кубового остатка: tF = 86,80° C; tp = 77,50° C: tW = 96,0° C
/>
Рис 6 – t-x,y диаграммасистемы этиловый спирт – вода
Таблица 3 — Плотностикомпонентов при различных температурах, кг/м3
t, ºC
вещество 86,80 77,50 96,0 этанол 739 732 727 вода 975 968 962
Плотность жидкости:
/> (27)
/>1/(0,22/732+0,78/968) = 903,34кг/м3
/> (28)
/> = 1/(0,82/739+0,18/975) =772,20 кг/м3
/> (29)
/> = 1/(0,025/727+0,975/962) =954,20 кг/м3
Средняя плотностьжидкости в верхней и нижней части:
rвж = 0,5(rжF + rжр) (30)
rвж = 0,5×(903,34 + 772,20) = 837,77 кг/м3
rнж = 0,5(rжF + rжW) (31)
rнж = 0,5×(903,34 + 954,20) = 928,77 кг/м3
Плотность паров напитающей тарелке:
/> (32)
/> 28,136×273/[22,4×(273+82,5)] = 0,964 кг/м3
МпF = 0,362×46,1 + 0,638×18,0 = 28,136 кг/моль
Плотность паров в верхнейчасти:
/> (33)
rпв = 29,94×273/[22,4×(273+79)] = 1,037 кг/м3
Плотность паров в нижнейчасти:
/> (34)
rпн = 28,68×273/[22,4×(273+82,5)] = 0,983 кг/м3
4.2 Скорость пара в колонне
Скорость пара в верхнейчасти колонны:
/>, (35)
где С = 0,059 (прирасстоянии между тарелками 400 мм) – коэффициент, зависящий от конструкциитарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузкеколонны по жидкости (рис 7).
wпв = 0,059×[(837,70 – 1,037)/1,037]1/2 = 1,68м/с
/>
Рис 7 – Значениекоэффициента С
А, Б – для колпачковыхтарелок с круглыми колпачками; В – для ситчатых тарелок
Скорость пара в нижнейчасти колонны:
/>, (36)
wпн = 0,059×[(928,77 – 0,983)/0,983]1/2 = 1,81м/с4.3 Диаметр колонны
· в верхней части:
/> (37)
DB= [0,723 /(1,037×0,785×1,68)]1/2 = 0,73 м
Gв= 2604,13/3600 = 0,723 кг/с
· в нижней части:
/> (38)
DH= [0,505/(0,983×0,785×1,81)]1/2 = 0,61 м
Gн= 1816,5/3600 = 0,505 кг/с
Послеопределения диаметра колонны по уравнениям (37)-(38) уточним его в соответствиис имеющимися нормалями. Принимаем диаметр колонны 600 мм, тогда действительнаяскорость пара составит:
· в верхней части
wпв = 1,68×(0,73/0,6)2 = 1,044 м/с;
· в нижней части
wпн = 1,81×(0,61/0,6)2 = 1,84 м/с.4.4Характеристика тарелки (рис 8,9)
Принимаем тарелки типа ТС(ОСТ 26-01-108-85):
Исполнение I – неразборное;
Диаметр тарелки – 580,00мм (рис 9);
Высота тарелки – 40мм;
Свободное сечение колонны– 0,28 м2;
Рабочее сечение тарелки – 0,165 м2;
Свободное сечение тарелки– 0,51 м2;
Относительное свободноесечение тарелки (при dотверстий=5мм) – 7,23%;
Шаг между отверстиямипринимаем 13 мм;
Периметр слива – 0,570 м;
Сечение перелива – 0,012 м2;
Относительная площадьперелива – 4,1%;
Масса – 16,0 кг;
Расстояние междутарелками – 300 мм;
Высота сливного порога – 30 мм;
Высота царги – 900 мм;
Число тарелок в царге –3.
/>
Рис 8 – Устройствоситчатых тарелок
/>
/>
Рис 9 – Основание тарелкипо ОСТ 26-01-108-85
5 Расчет числатарелок 5.1Средний КПД тарелки
Вязкость жидкости напитающей тарелке:
lnm = х×lnmA + (1 – x)×lnmB (39)
где mА = 0,44 мПа×с – вязкость этанола;
mВ = 0,31 мПа×с – вязкость воды;
lnmж = 0,22×ln0,44 + (1 – 0,22)×ln0,31.
Откуда m = 0,33 мПа×с.
Коэффициент относительнойлетучести:
a = рА/рВ (40)
a=1120/525 = 2,13
где рА = 1120 мм рт.ст. – давление насыщенного пара этанола;
рВ = 525 мм рт.ст. – давление насыщенного пара воды.
Произведение am = 2,13×0,33 = 0,704
По диаграмме дляприближенного определения КПД тарелки (рис 10) находим значение h=0,56.
h
/>
am
Рис 10 – Диаграмма дляприближенного определения КПД тарелки
Тогда число тарелок:
· в верхней частиколонны
nв = nвТ/h (41)
nв = 6/0,51 = 12;
· в нижней частиколонны
nн = nнТ/h (42)
nн = 3/0,51 = 6. 5.2Высота колонны
Принимаем расстояниемежду тарелками Нт = 300 мм, тогда высота нижней и верхней части составит:
Нн = (Nн – 1)Нт (43)
Нн = (6 – 1)×0,3 = 1,5 м;
Нв = (Nв – 1)Нт (44)
Нв = (Nв – 1)Нт = (12 – 1)×0,3 = 3,3 м.
Толщина тарелки – 0,04 м;
Высота сепарационногопространства – 0,7 м;
Высота кубовогопространства – 2,3 м;
Высота опоры – 1,2 м;
Общая высота колонны:
Н = 1,2 + 2,3 + 0,7 +18·0,04+ 3,3 + 1,5 =9,6 м
6 Гидравлическийрасчет колонны
6.1Гидравлическое сопротивление сухой тарелкиDРс= xwп2rп/ (2j2) (45)
где j = 0,10 – относительное свободноесечение тарелки;
x = 1,5 – коэффициентсопротивления тарелки (Приложение Е).
· нижняя часть:
DРсн = 1,5×1,682×1,037 / (2×0,1002) = 219,51 Па
· верхняя часть:
DРсв = 1,5×1,812×0,983 / (2×0,1002) = 241,53 Па6.2 Гидравлическоесопротивление обусловленное силами поверхностного натяженияs= 0,5(sА+ sВ)(46),гдеsА= 0,017 Н/м — поверхностное натяжение этанола;sВ= 0,059 Н/м – поверхностное натяжение воды.
s = 0,5×(0,017 + 0,059) = 0,038 Н/м
DРб = 4s/dэ (47)
где dэ = 0,005 м – диаметр отверстий.
DРб =4×0,038/0,005 = 30,4 Па6.3Гидравлическое сопротивление газожидкостного слояDРсл= grжh0(48)
где h0 –высота светлого слоя жидкости натарелке.
h0 = 0,787q0,2hп0,56wТm[1 – 0,31exp(–0,11m)](sж/sи)0,09 (49)
где q = L/rП – удельный расход жидкости;
П = 0,57 м – периметр сливного устройства;
hП = 0,03 м – высота сливного порога;
wт = wпSк/Sт – скорость пара отнесенная крабочей площади тарелки;
sв = 0,059 Н/м – поверхностноенатяжение воды
m – показатель степени m = 0,05 – 4,6hп = 0,05 – 4,6×0,03 = – 0,088
· нижняя часть:
hон = 0,787×[1,56/(928,77×0,57)]0,2×0,030,56×(1,81×0,502/0,41) – 0,088´
´[1 – 0,31×exp(– 0,11×0,33)]×(0,038/0,059)0,09 = 0,022 м
· верхняя часть:
hов = 0,787×[0,39/(837,77×0,57)]0,2×0,030,56×(1,68×0,502/0,41) – 0,088´
´[1 – 0,31×exp(– 0,11×0,33)]×(0,038/0,059)0,09 = 0,017 м
DРн.сл= 928,77×9,8×0,022 = 198,49 Па
DРв.сл= 837,77×9,8×0,017 = 139,57 Па
6.4Полное сопротивление тарелкиDР = DРс + DРб·+ DРсл (50)
DРн =219,51+ 30,40 + 198,49 = 448,40 Па
DРв = 241,53+ 30,40 + 139,57 = 411,5 Па6.5 Суммарноегидравлическое сопротивление рабочей части колонны
DРк = 448,40×6 + 411,5×12 =7629,6 Па
7 Тепловой расчетколонны
7.1 Расход теплоты отдаваемой воде в дефлегматоре
Qд = Р(1 + R)rр (51)
Qд = 0,34×(1+1,8) 1173,24 = 1116,92 кВт
где rр – теплота конденсации флегмы
rр = rA/>+ (1 – />)rв (52)
rр = 0,82×882 + (1 – 0,82)×2500 = 1173,24 кДж/кг
где rA = 882 кДж/кг – теплота конденсацииэтанола, кДж/кг
rв = 2500 кДж/кг–теплота конденсацииводы, кДж/кг
В качествеохлаждаемого агента принимаем воду с начальной температурой 20°С, и конечной 30°С, тогда средняя разность температурсоставит:
Dtб = 77 – 20 = 57° С
Dtм = 77 – 30 = 47° С
Dtcр = (Dtб + Dtм) /2 (53)
Dtcр = (57 + 47) / 2 = 52,0° С
Ориентировочноезначение коэффициента теплопередачи:
К = 400Вт/(м2×К), тогда требуемая поверхностьтеплообмена
F = Qд / (KDtср) (54)
F = 1116,92×103/(400×52,0) = 54 м2
Принимаемстандартный кожухотрубчатый конденсатор с диаметром кожуха 600 мм и длиной труб 4 м, для которого поверхность теплообмена равна 63 м2 (Приложение Д).
Расходохлаждающей воды
Gв = Qд / [св(tвк – tвн)] (55)
Gв = 1116,92/[4,19×102·(30 – 20)] = 0,27 кг/с
7.2 Расход теплоты в кубе испарителе
Qк = 1,03(Qд + Рсрtр + Wcwtw – FcFtF) (56)
где ср– теплоемкость дистиллята, кДж/(кг×К);сw –теплоемкость кубового остатка, кДж/(кг×К); сF–теплоемкость исходной смеси, кДж/(кг×К); 1,03 – коэффициент, учитывающий потери в окружающуюсреду.
сp = xp сА + (1 – xp ) сВ; (57)
сА – теплоемкость этилового спирта, кДж/(кг°C) (Приложение Г);
сВ – теплоемкость воды, кДж/(кг °C) (ПриложениеГ).
сp=0,82·0,71·4,19+0,18·4,19= 3,19 кДж/(кг×К).
Аналогичнонаходим сF =3,27 кДж/(кг×К) и сw =4,16кДж/(кг×К).
Qк = 1,03(1116,92 +0,34×3,19×77 + 1,05×4,16×99,1 – 1,39×3,27×68) = 1362,52 кВт
7.3 Расходгреющего пара
Принимаем парс давлением 0,3 МПа, для которого теплота конденсации
r = 2171 кДж/кг, тогда
Gп = Qк/r (58)
Gп = 1362,52 / 2171 = 0,63 кг/c
Средняяразность температур в кубе испарителе
Dtср = tп – tw (59)
Dtср = 167 – 99 = 68° C
Ориентировочноезначение коэффициента теплопередачи
К = 300Вт/(м2×К), тогда требуемая поверхностьтеплообмена.
F = Q / (KDtср) (60)
F = 1362,52×103/(300×68) = 66 м2
Принимаемстандартный кожухотрубчатый теплообменник с диаметром кожуха 600 мм и длиной труб 4 м, для которого поверхность теплообмена равна 75 м2 (Приложение Д).
8 Конструктивныйрасчет
Корпус колонны диаметромдо 1000 мм изготовляют из отдельных царг (Приложение Б), соединяемых междусобой с помощью фланцев.
· Толщина обечайки:
S > pD/(2[s]j – p) + c (61)
где [s] = 138 МПа – допускаемое напряжениедля стали [3c394];
j = 0,8 –коэффициент ослабления сварного шва;
с = 0,001 мм – поправка на коррозию [3с394].
S > 0,1×0,8/(2×138×0,8 – 0,1) + 0,001 = 0,003 м
Принимаем толщинуобечайки s=8мм
Наибольшеераспространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованныеднища по ГОСТ 6533 – 78.
· Толщину стенкиднища (рис 11) принимаем равной толщине стенки обечайки sд = s = 8 мм.
/>
Рис 11 – Днище колонны
Характеристика днища:
h = 40 мм – высота борта днища;
Масса днища mд = 16,9 кг.
Объем днища Vд = 0,086 м3.
Соединение обечайки сднищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79(рис 12).
/>
Рис 12 – Фланец
Подсоединение трубопроводовк аппарату осуществляется с помощью штуцеров.
· Диаметр штуцеров
/> (62)
где wшт – скорость среды в штуцере.
Принимаем скоростьжидкости wшт=1 м/с, газовой смеси wшт=25 м/с
Штуцер для входа исходнойсмеси
d1,2 = (1,39/0,785×1·903,34)0,5 = 0,044 м
принимаем d1 = d2 = 50 мм
Штуцер для входа флегмы
d3 = (1,8×0,34/0,785×1×772,20)0,5 = 0,033 м
принимаем d3 = 40 мм
Штуцер для выходакубового остатка
d3 = (1,05/0,785×1×954,2)0,5 = 0,037 м
принимаем d4 = 40 мм
Штуцер для выхода паров
d3 = (0,72/0,785×25×1,037)0,5 = 0,188 м
принимаем d5 = 200 мм
Штуцер для входа паров
d6 = (0,5/0,785×25×0,983)0,5 = 0,17 м
принимаем d4 = 200 мм
Все штуцера должны бытьснабжены плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80. Конструкция фланца приводитсяна рисунке 13, а размеры в таблице 4.
/>
Рис 13 – Фланец штуцера
Таблица 4 – Размерыприварного фланца штуцераdусл D D2 D1 h n d 40 130 100 80 13 4 14 50 140 110 90 13 4 14 200 315 280 258 18 8 18
· Расчет опоры
Аппараты вертикальноготипа с соотношением Н/D >5, размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочнымицилиндрическими опорами, конструкция которых приводится на рисунке 14.
/>
Рис 14 – Опора юбочная
· Ориентировочнаямасса аппарата.
Масса обечайки
mоб = 0,785(Dн2-Dвн2)Нобρ (63)
где Dн = 0,616 м – наружный диаметрколонны;
Dвн = 0,6 м – внутренний диаметрколонны;
Ноб = 9,6 м – высотацилиндрической части колонны
ρ = 7900 кг/м3 –плотность стали
mоб = 0,785(0,6162-0,62)9,6·7900 = 952,55кг
· Масса тарелок
mт = mn (64)
mт = 18·16,0 = 288,0 кг
m = 16,0 кг – масса одной тарелки
· Общая массаколонны
Принимаем, что массавспомогательных устройств (штуцеров, измерительных приборов, люков и т.д.)составляет 10% от основной массы колонны, тогда
mк = mоб + mт + 2mд (65)
mк = 1,1(952,55 + 288,0 +2·16,9) = 1401,79кг≈1402 кг
Масса колонны заполненнойводой при гидроиспытании
Масса воды пригидроиспытании:
mв = 1000(0,785D2Hц.об + 2Vд) (66)
mв = 1000(0,785·0,62·9,6 + 2·0,086) = 2884,96кг≈2885 кг
ректификационный колонна ситчатыйэтанол вода
Максимальный вес колонны
mmax = mк + mв (67)
mmax = 1402 + 2885 = 4280 кг = 0,042 МН
Принимаем внутреннийдиаметр опорного кольца D1 = 0,55м, наружный диаметр опорного кольца D2 = 0,8 м.
· Площадь опорногокольца
А = 0,785(D22 – D12) (68)
А = 0,785(0,82 – 0,552) =0,27 м2
· Удельная нагрузкаопоры на фундамент
s = Q/A (69)
s= 0,042/0,27 = 0,16 МПа
Выводы
На основе материальногорасчета рассчитаны материальные потоки в колонне и определен диаметрректификационной колонны – 600 мм. Найдено оптимальное флегмовое число R = 1,8. Рассчитано действительноечисло тарелок: 6 в верхней и 12 в нижней части колонны. На основе тепловогорасчета выбран дефлегматор (диаметр кожуха 600 мм, длина труб 4 м, поверхностьтеплообмена 75 м2) и испаритель (диаметр кожуха 600 мм, длина труб 4 м,поверхность теплообмена 63 м2) определен расход охлаждающей воды и греющегопара. Проведен конструктивный расчет и подобраны нормализованные конструктивныеэлементы.
Заключение
В данной курсовой работе рассмотрены основы процессаректификации, классификация ректификационных колонн по конструкции внутреннегоустройства, по периодичности действия и по способу организации движения потоковконтактирующих фаз. Кроме того, представлены основные требования по выбору тогоили иного типа колонны. Согласно заданию на курсовую работу, в котором указаныкомпоненты бинарной смеси: этанол-вода, выбрана колонна с ситчатыми тарелками,и проведен её расчет по исходным данным, указанным в задании. Выполнен материальныйи тепловой балансы, определены основные размеры аппарата и подобранынормализованные конструктивные элементы.
Для расчетов была выбрана колонна с ситчатымитарелками, так как они наилучшим образом подходят для проведения разделениянезагрязненных жидкостей с постоянной нагрузкой.
Для повышенияэффективности работы колонн с ситчатыми тарелками можно порекомендовать:
· соотношение междудиаметром отверстий и шагом принять равным 3,6;
· толщину тарелокпо возможности уменьшить;
· высота сливногопорога при средних и больших скоростях пара в свободном сечении колонны (0.7-1,0м/с) должна быть не менее 40-50 мм (до75); при малых скоростях пара высотасливного порога не оказывает влияния на эффективность работы тарелки;
· расстояние междутарелками более 150-200 мм не оказывает существенного влияния на эффективностьмассообмена при условии отсутствия пены; на участках колонны, где образуетсябольшое количество пены, расстояние между тарелками следует увеличивать;
· в колоннахбольшого диаметра нужно устанавливать тарелки с наклоном в сторону слива,равным 1:45;
· свободное сечениетарелок брать в пределах 7-15%.
Список литературы
1 Краткийсправочник физико-химических величин. М., «Химия», 1967 г.
2 Основные процессыи аппараты химической технологии, пособие по проектированию под ред. Ю.И.Дытнерского. М., «Химия» 1991 г.
3 Расчет ипроектирование массообменных аппаратов. Учебное пособие. В.Я. Лебедев и др. –Иваново, 1994 г.
4 А.А. Лащинский,А.Р. Толчинский. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. М, 1968г.
5 К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А. А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратовхимической технологии. Л., «Химия», 1987 г.
6 П.Г. Романков,В.Ф. Фролов, О.М. Флисюк, М.И. Курочкина. Методы расчета процессов и аппаратовхимической технологии (примеры и задачи). Л., Химия, 1993 г.
7 Г.Я. Рудов, Д.А.Баранов. Расчет тарельчато ректификационной колонны, методические указания. М.,МГУИЭ, 1998 г.
8 Каталог«Емскостная стальная сварная аппаратура». М., «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1969 г.
9 Каталог«Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения». М.,«ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1991 г.
10 ГОСТ 12820-80«Фланцы стальные плоские приварные на Ру от 0,1 до 2,5 Па (от 1 до25 кгс/см2).Конструкция и размеры».
11 ГОСТ 28759.4-90«Фланцы сосудов и аппаратов стальные приварные встык под прокладкувосьмиугольного сечения. Конструкция и размеры».
12 ОСТ 26-01-108-85«Тарелки ситчато-клапанные колонных аппаратов. Параметры, конструкция иразмеры».
Приложение А
Ситчатая тарелка диаметром400-600 мм исполнения I
/>
/>
/>
Приложение Б
Схема установкинеразборных тарелок в царге
/>
1 – кронштейн;
2 – кольцо упорное;
3 – болт М10х35 по ГОСТ7798-70;
4 – гайка по ГОСТ5916-70.
Приложение В
Ориентировочные значениякоэффициента теплопередачи КВид теплообмена К, Вт/(м2·К) для вынужденного движения для свободного движения От газа к газу 10-40 4-12 От газа к жидкости 10-60 6-20 От конденсирующегося пара к газу 10-60 6-12
От жидкости к жидкости:
– для воды
– для углеводов и масел
800-1700
120-270
140-430
30-60
От конденсирующегося пара:
– к воде
– к кипящей жидкости
– к органическим жидкостям
800-3500
¾
120-340
300-1200
300-2500
60-170 От конденсирующегося пара органических жидкостей к воде 300-800 230-460
Приложение Г
Номограмма дляопределения теплоёмкости жидкостей
/>
Пересчет в СИ:1ккал/(кг·ºС) = 4,19·102 Дж/(кг·К)
Приложение Д
Параметры кожухотрубчатыхтеплообменников и холодильников (по ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79 и ГОСТ15122-79)
/>
Приложение Е
Значение коэффициентовсопротивления сухих тарелок различных конструкций Тарелка
x Колпачковая 4,0-5,0 Клапанная 3,6 Ситчатая 1,1-2,0 Провальная с щелевидными отверстиями 1,4-1,5