Расчет ректификационной установки для разделения бинарной смеси ацетон-бензол

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту по расчету ректификационной установки ПЛАН ВВЕДЕНИЕ Цель и задачи курсового проектирования Описание технологической схемы Выбор конструкционного материала Расчет контактных устройств6 Расчет потоков дистиллята и кубового остатка РАСЧЕТ ГАБАРИТОВ КОЛОННЫ Расчет габаритов верха колонны

Расчет габаритов низа колонны Расчет гидравлического сопротивления колонны РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ Диаметры штуцеров Расчет кубового испарителя Расчет конденсатора-дефлегматора Подогреватель исходной смеси Водяной холодильник дистиллята Водяной холодильник кубового остатка Расчет и выбор конденсатоотводчиков Расчет емкостных аппаратов

Расчет тепловой изоляции Расчет центробежного насоса Расчет толщины обечайки Список использованной литературы ВВЕДЕНИЕ Ректификация - один из самых распространенных технологических процессов в химической, нефтеперерабатывающей и, во многих других отраслях промышленности. Ректификация - это процесс разделения бинарных или многокомпонентных паровых, а также жидких смесей на практически чистые компоненты или их смеси, обогащенные легколетучими

или тяжелолетучими компонентами; процесс осуществляется в результате контакта неравновесных потоков пара и жидкости. Характерной особенностью процесса ректификации являются следующие условия образования неравновесных потоков пара и жидкости, вступающих в контакт: при разделении паровых смесей неравновесный поток жидкости образуется путем полной или частичной конденсации уходящего после контакта потока пара, в то время как при разделении жидких смесей неравновесный паровой поток, образуется путем частичного

испарения уходящей после контакта жидкости. Вследствие указанных особенностей проведения процесса неравновесные потоки пара и жидкости, вступающие в контакт, находятся в состоянии насыщения, при этом пар более нагрет, нежели жидкость, и в нем содержится больше тяжелолетучих компонентов, чем в жидкости. После контакта пар обогащается легколетучими, а жидкость - тяжелолетучими компонентами за счет взаимного перераспределения компонентов между фазами. Цель и задачи курсового проектирования

Курсовой проект базируется не только на теории процессов и аппаратов химической технологии, но и на ряде предшествующих дисциплин (графика, техническая механика, физическая химия). Качество проекта зависит от уровня овладения знаниями по указанным дисциплинам, от умения пользоваться технической литературой и от проявленной при проектировании инициативы. Целью курсового проектирования является закрепление знаний, приобретенных при изучении перечисленного

ряда дисциплин, а также привитие навыков комплексного использования полученных теоретических знаний для решения конкретных задач по аппаратному оформлению технологических процессов. Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки и чертежей проектируемой установки на двух листах стандартного размера - 814х576. На первой листе помещаются общий вид основного аппарата установки с достаточным количеством проекций (продольные и поперечные разрезы) и наиболее важные узлы.

На втором листе приводится технологическая схема установки. Описание технологической схемы Исходную смесь из емкости Е1 центробежным насосом Н1 подают в теплообменник - подогреватель исходной смеси П, где она нагревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну КР на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси х1.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении жидкости в кубовом испарителе К. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка хо, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легко летучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают, в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава х2, получаемой в дефлегматоре

Д путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике - холодильнике дистиллята Х2 и направляется в емкость Е3. Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике - холодильнике кубового остатка Х1 и направляется в емкость Е2. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется

непрерывный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом). Выбор конструкционного материала Материал для изготовления колонн и теплообменной аппаратуры выбирается в соответствии с условиями их эксплуатации (прочность, механическая обработка, свариваемость). Главным же требованием является их коррозийная стойкость.

Последняя оценивается в зависимости от скорости коррозии. Предпочтительны материалы, скорость коррозии которых не превышает 0,1-0,5 мм/год, а по возможности - более стойкие (скорость коррозии 0,01-0,05 мм/год). Сталь марки ОХ17Т обладает повышенной сопротивляемостью межкристаллической коррозии и устойчива как к ацетону, так и к бензолу. Для трубопроводов выберем марку

Х17. Стали удовлетворительно обрабатываются резанием и обладают удовлетворительной свариваемостью. Сталь ОХ17Т (ГОСТ 5632-61) *=25,1 Вт/м•К*=7700 кг/м3 Сталь Х17 (ГОСТ 5632-61) [6, стр.281, 282] *=25,1 Вт/м•К*=7750 кг/м3 РАВНОВЕСНЫЕ ДАННЫЕ: Смесь: Ацетон - Бензол. x y t 0 0 86,1 1 3,52 79,2 5 14,96 76,35 10 25,31 73,6 20 46,3 69,7 30 51,47 66,75 40 60,3 64,5 50 67,85 62,65 60 74,64 61 70 81 59,6 80 87,37 58,35 90 93,71 57,25 95 96,87 56,7 99 99,37 56,27 100 100 56,18 1) По равновесным данным необходимо построить диаграммы

T(x,y) и (x,y) для смеси ацетон-бензол. А * Ацетон Ма = 46 кг/кмоль Б * БензолМб = 78 кг/кмоль 2) Пересчитываем известные концентрации а0, а1 и а2 в x0, x1 и x2: 3) Расчет минимального флегмового числа: определяем по диаграмме (x,y) по x1: * 44 4) Расчет рабочего флегмового числа: R=**Rmin=1,2*2,45=2,94 5) Расчет отрезка "b" для построения рабочей линии укрепляющей части колонны:

6) Построение рабочей линии на диаграмме (x,y) и определение числа теоретических тарелок: nут=5nот=11 Для расчета числа реальных тарелок необходимо найти их КПД. 7) Расчет КПД тарелок: Расчет ведется для питающей тарелки х1=0,23 моль/моль Поскольку смесь подается при температуре кипения, t1 определяется по диаграмме Т(х, у) по х1. t1*68,8°C При этой температуре определяется давление насыщенных паров компонентов:

Рa*1100 мм Hg Рб*31 мм Hg Необходимо рассчитать коэффициент относительной летучести: Вязкость жидкой смеси: *А и *В определяются при t1 = 68,8°С: *a * 0,22 сп *б * 0,36 сп ***см=35,5*0,315=11,18 Средний КПД тарелок по диаграмме: * * 0,25 8) Расчет числа реальных тарелок: Nобщ=20+44=64 Расчет потоков дистиллята и кубового остатка По правилу рычага второго рода: П(а2-а0) =W1(a1-a0)

Проверка: П+W0=W1 0,30+1,9=2,2 кг/с Расчет габаритов колонны Расчет габаритов верха колонны: =П(R+1) Рекомендуемая скорость пара равна: а) Расчет плотности жидкости: *a и *б определяются при температуре дистиллята tд=t2*68,8 (по диаграмме Т(х, у)): *a * 719 кг/м3 *б * 805 кг/м3 б) Расчет плотности пара: p*=RT2 в) Расчет рекомендуемой скорости пара: *1,04м/с Расчет габаритов низа колонны.

Рекомендуемая скорость пара рассчитывается при температуре t0*77°C (диаграмма T(x,y)) а) Расчет плотности жидкости: *a*724кг/м3 *б*818кг/м3 б) Расчет плотности пара: Рекомендуемая скорость пара: м/с в) Расчет : Расчет rкуб производится по принципу аддитивности: rкуб=ra*a0+ rб*(1-a0) при t0=77°С rкуб=500*0,025+396*(1-0,025) *398,6кДж/кг Расчет Qкип. Qкип=W0*c0*t0-W1*c1*t1+П(R*rд+iп)

По диаграмме Т(x,y) определяем: - по х1t1=63,8°C - по х2t2=56,7°C - по х0t0=77°C Вычисляем теплоемкости смеси при разных температурах: с0=сa*a0+сб(1-a0) =0,58*4, 19*0,025+4, 19*0,45*(1-0,025) =1,47кДж/кгК с1=сa*a1+сб(1-a1) =0,555•4, 19*0,15+0,444*4, 19*0,85=1,93 кДж/кг*К с2=сa*a2+сб(1-a2) = 0,546•4, 19*0,925+0,43*4, 19*0,075=2,25 кДж/кг*К Значения сa и сб взяты из номограммы При температуре t2=56,7°C удельная теплота парообразования дистиллята: при t2 = 56,7 °С rД=raa2+rб(1-a2) =522,4•0,925+410,7•(1-0,925) =595,5 кДж/кг

Энтальпия пара: iп =c2•t2+rд=2,25•56,7+595,5*654,5 кДж/кг Qкип=1,9•1,47•77-2,22•1,93•63,8+0,3(2,45 •595,5+654,5) =575,7 кВт Теперь можно рассчитать диаметр колонны: Расчет высоты. H = h(Nобщ-1) +Zв+Zн = 0,5(64-1) +2+1 = 34,5 м Габариты колонны. Н = 34,5 м d=1000мм Расчет гидравлического сопротивления тарелочной части колонны.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки: ΔР=ΔРс+ΔР& ;#963;+ΔРж, Па. ― Расчет потери напора пара на преодоление местных сопротивлений на сухой (неорошаемой) тарелке ΔРс=ξ , Па. Коэффициент сопротивления для клапанной тарелки ξ= 3,6 по [5, стр.25] Скорость пара в отверстии тарелки: м/с ΔРс=3,6* Па. ― Расчет сопротивления, вызываемого силами поверхностного натяжения. ΔРσ=

, Па. dэ=d0=40 мм - эквивалентный диаметр отверстия тарелки. При ºC σА=15,9*10-3 Н/м [1, стр.501, табл. XXII] σб=22,1*10-3 Н/м σср= Н/м ΔРσ= Па. ― Расчет статистического сопротивления слоя жидкости на тарелке. ΔРж=КА*hж*ρж*g, Па Относительная плотность парожидкостной смеси

КА=0,5-0,7 Средняя плотность жидкости ρж= кг/м3 высота слоя жидкости на тарелке hж = hw +how высота перегородки hw=0,03-0,05м Подпора жидкости на сливной перегородке: how = Периметр слива П' =1,12 м Объемный расход жидкости R=2,94 K/моль см м3/с how = м hж=0,04+0,02=0,06 м ΔРж=0,5*0,06*770*9,81=226,6 Па И так ΔР=514+1,9+226,6=642,5 Па Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками 0,5

м необходимые для нормальной работы тарелок условие: h >1,8* 0,4 >1,8* 0,4 > 0,17 => условия выполняются Полное сопротивление тарельчатой колонны определяется числом тарелок nΣ =64 в колонне. ΔРполное =ΔР* nΣ =642,5*64=31120 Па. Расчет диаметров штуцеров. 1) Штуцер для ввода исходной смеси. d= , или исходные данные: =2,22 кг/с =0,23 t1= 63,8 ºC ρA=640,1 кг/ м3 ρВ=829,2 кг/ м3 ω1=0,9м/с &

#961;1=Х1*ρА+(1-Х1) *ρВ=0,23*640,1+(1-0,23) *829,2=785,7 кг/ м3 d= =0,06м =60мм Принимаю Dу=50мм,dн=55мм, S=3,5мм, Н=120мм 2) Штуцер для вывода пара из колонны. d = , мм Исходные данные: =1,3 кг/с =10-20 м/с =1,67 кг/м3 d= =0,35м =350 мм Принимаю Dу=350 мм, dн=358 мм, S=4 мм, Н=235 мм 3) Штуцер для ввода флегмы. d= , мм Исходные данные: =0,882 кг/с =724,8 кг/м3 =0,5-1,0 м/с d= =0,045 м

=45 мм Принимаю Dу=50 мм, dн=55 мм, S=3,5 мм, Н=120 мм 4) Штуцер для вывода кубового остатка. d= , мм Исходные данные: =1,7 кг/с =0,5-1,0 м/с [7, стр.41] =815,3кг/м3 d= =0,06 м =60 мм Принимаю Dу=50 мм, dн=55 мм, S=3,5 мм, Н=120 мм 5) Штуцер для ввода парожидкостной смеси. d= , или f=0,25*fтр fтр= 0,176 м2 d= =0,237 м =237 мм Принимаю Dу=250 мм, dн=260 мм, S=5 мм, Н=175 мм 6)

Штуцер для вывода жидкости. d= , мм Исходные данные: =1,9 кг/с =0,5-1,0 м/с =815,3кг/м3 d= =0,06 м =60 мм Принимаю Dу=50 мм, dн=55 мм, S=3,5 мм, Н=120 мм Тепловой баланс ректификационной установки 1) Расход тепла в кипятильнике: (рассчитан выше) 2) Расход греющего пара в кипятильнике: По (3, стр.525, табл. LVII) через давление греющего пара P =0,4 MПа=4 ат находим удельную энтальпию пара: =4ат rкон=2744

кг/с 3) Расход тепла дефлегматора: Qg=Dм* rдис Qg = 1,3*595,5=774 кВт 4) Расход охлаждающей воды в дефлегматоре при нагреве её на 20ºC: В интервале температур 9-20 ºC вода имеет теплоемкость Cв = 4, 19 кг/с 5) Расход тепла в подогревателе: Qn= ω1 * C1 * t1=2,22*1,93*63,8=273,4 6) Расход греющего пара в подогревателе: кг/с 7)

Общий расход греющего пара: 0, 20+0,09=0,29 кг/с 8) Расход тепла холодильника: - дистиллята: = П * t2 * C2 =0,3 *56,7 * 2,25=38,3 кВт - кубового остатка: = ω0 * t0 * C0 =1,9* 77 * 1,47=215 кВт 9) Расход охлаждающей воды при нагреве её на 20 ºC в холодильнике: - дистиллата: кг/с - кубового остатка: кг/с 10) Общий расход охлаждающей воды: кг/с

Расчет кубового кипятильника 1) Расход тепла в кипятильнике: Qкип = 575,7 кВт 2) Расход гр. Пара в кипятильнике: 3) Подготовка к расчету коэффициента теплопередачи: В трубах смесь, в межтрубном пространстве - теплоноситель (конденсированный пар) Движущая сила процесса: *t = T-t = 45,8*С Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к жидкости:

А) Для водяного пара: , где x - высота труб с = 0,943 - для вертикальных теплообменников А0 = 12,92•103 [7, c.149] kор = 600 Вт/м2•К. Выбираем теплообменник по каталогу: Одноходовой теплообменник типа ТН и ТЛ: F = 21 м2 l = 1500 мм-длина трубы dн*s = 38*2 [мм] nтруб=121 fтр =0,11 м2-трубное пространство Б) Характеристика стенки: Выбор материала из которого изготавливать трубки:

Сталь*=46,5 [3, c.529, табл. XXVIII] По каталогу [4, с.414] выбираем толщину стенки: *=2мм В) Для кипящего бензола: В0 = 40•р0,3•*3 [7] (коэффициент, включающий различные теплофизические константы) Бензол: Вода: * = 815 кг/м3* = 972 кг/м3 [3, c.512, табл. IV] * = 0,316•10-3 Па•с* = 0,357 10-3 Па•с [3, c.516, табл. IX] М = 78 г/мольМ = 18 г/моль [3, c.541, табл. XLIV] p = рверха + *рполн = 1,3 бар

В0 = 40•1,30,3•0,4653 = 4,8 4) Расчет коэффициента теплопередачи: kрасч = 1902 Вт/м2•К. 5) Расчет поверхности теплообмена: Одноходовой теплообменник типа ТН и ТЛ: F = 7 м2 H = 1500 мм-высота трубы dн*s = 25*2 [мм] nтруб=61 fтр =0,021м2-трубное пространство Dнар = 325 мм Расчёт дефлегматора 1) Расход тепла: Qд=774 кВт 2) Расход охлаждающей воды: Gвдеф=9,23 кг/с 3)

Расчет движущей силы теплообменного процесса: °C 4) Расчет термического сопротивления: Материал трубок: Сталь*=46,5 [3, c.529, табл. XXVIII] толщина стенки: *=2мм(d*S: 25*2) 5) Предварительный выбор теплообменного устройства: Задаемся ориентировочным коэффициентом теплопередачи кор = 500

Вт/(м2•К) (при вынужденном движении, при передаче тепла от конденсирующегося пара к воде, границы задания ориентировочных значений к=300*800) [3, c.172, табл.4.8] Ориентировочная поверхность теплообмена: Для одноходового теплообменника ближайшей является F=71м2. l = 5000 мм-длина трубы dн*s = 38*2 [мм] nтруб=121 fтр =0,11 м2-трубное пространство Расчет скорости воды: Оценка режима течения: *воды = 0,66 м2/с - это развитый турб. режим (Re >

104) 6) Расчет **: Расчет значения критерия Нуссельта по формуле: *l=1(т. к. l/d > 50) По номограмме [3, c.564, рис. ХIII] определяется значение критерия Прандтля: Pr = 3,4 7) Расчет интенсивности теплообмена: c=0,72 - для горизонтальных труб 8) Расчет коэффициента теплопередачи: kop=500 Вт/(м2•К) k=397,9 Вт/(м2•К) 9) Выбор теплообменника по каталогу [4, c.417]:

Одноходовой теплообменный аппарат типа ТН или ТЛ: F = 97 м2 fтр = 0,176 м2 nтруб=511 Подогреватель исходной смеси где По каталогу [4, c.416] выбираем одноходовой теплообменник со следующими характеристиками: F = 28 м2 l = 2000 мм-высота трубы dн*s = 38*2 [мм] fтр =0,11 м2-трубное пространство Dнар = 600 мм Водяной холодильник дистиллята где F = 9 м2 l = 1000 мм-высота трубы dн*s = 25*2 [мм]

fтр =0,0042 м2-трубное пространство Dнар = 400 мм Водяной холодильник кубового остатка. где По каталогу [4, c.413] выбираем одноходовой теплообменник со следующими характеристиками: F = 19 м2 l = 4000 мм-высота трубы dн*s = 25*2 [мм] fтр =0,0021 м2-трубное пространство Dнар = 325 мм Подбор и расчет конденсатоотводчиков. При давлении на входе не менее 0,1 МПа и противодавлении не более 50% давления на входе устойчиво работают

термодинамические конденсатоотводчики. Они применяются для отвода переохлажденного конденсата. Расчетное количество конденсата после теплопотребляющего аппарата: кг/с =0,86 т/ч кг/с =0,36 т/ч Давление греющего пара перед конденсатоотводчиком: P1=0,95*Pгр=0,95*4=3,8 ат Давление после конденсатоотводчика при свободном сливе конденсата: Р2=0,1 ат. Условная пропускная способость: КVу= , где ΔР =

Р2 - Р1 - перепад давления на конденсатоотводчике, ат. А - коэффициент, учитывающий температуру конденсата и перепад давлений на конденсатоотводчике (определяется по графику). т/с мм Подбираем конденсатоотводчик для кипятильника: Dу=50 мм; L=200 мм; L1=24 мм; Hмакс=103 мм; H1=60 мм; D0=115 мм т/с мм Подбираем конденсатоотводчик для подогревателя:

Dу=20 мм; L=100 мм; L1=16 мм; Hмакс=63 мм; H1=22,5 мм; D0=67 мм В данном проекте используют термодинамические конденсатоотводчики 45Ч12ИЖ для автоматического отвода из пароприемника конденсата водяного пара рабочей температуры до 200 ºC. РАСЧЕТ И ВЫБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ Расчет емкостей. Для приема исходной смеси (Е1), кубового остатка (Е2) и дистиллата (Е3) должны быть предусмотрены резервуары.

Размеры последних рассчитываются, исходя из условий обеспечения непрерывности работы установки в течение 6 часов (τ) и заполнении их на 0,8 емкости (К3). Расчет резервуара для хранения исходной смеси. Исходные данные: a1=0,15 масс дол. W1 =2,22 кг/с; τ=6ч =21600 с; ρА=791,0 кг/м3 К3=0,8; ρВ=879,0кг/м3 при 20 ºC кг/м3 м3

Подбираю емкость ГЭЭ1-1-100-0,6. Dвн=3200 мм L(H) =16700 мм Расчет резервуара для хранения дистиллата. Исходные данные: d2=0,925 масс дол. П =0,55 кг/с; τ=21600 с; ρА=791,0 кг/м3 К3=0,8; ρВ=879,0кг/м3 при 20 ºC кг/м3 м3 Подбираю емкость ГЭЭ1-2-125-0,6. Dвн=2400 мм L(H) =4500 мм

Расчет резервуара для хранения кубового остатка. Исходные данные: a0=0,025 масс дол. W0 =1,9 кг/с; τ=21600 с; ρА=791,0 кг/м3 К3=0,8; ρВ=879,0кг/м3 при 20 ºC кг/м3 м3 Подбираю емкость ГЭЭ1-1-100-0,6. Dвн=3200 мм L(H) =16700 мм Расчет толщины тепловой изоляции ректификационной установки.

Расчет толщины тепловой изоляции проводится по формуле: , где αВ =9,3+0,058* - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/м2 *К. - температура изоляции со стороны окружающей среды. =20 0С - температура изоляции со стороны колонны. Ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции: ≈ При Ргр =4ат. → =142,9 0С - температура окружающей

среды (воздуха). Температура воздуха в г. Ярославле зимой - 20 0С. λu - коэффициент теплопроводности изоляционного материала в качестве материала для тепловой изоляции выбираю совелит (85% магнезии и 15% асбеста). По (1, стр.504, табл. XXVIII) для совелита λu =0,09 αВ =9,3+0,058 * 40 =11,6 м Принимаю толщину тепловой изоляции 0,23м и для других аппаратов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1) Коган В.Б Фридман В.М Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром, М.: Наука, 1966. 2) Захаров М.К Солопенков К.Н Варфоломеев Б.Г. Методические указания к курсовому проектированию ректификационных установок непрерывного действия, М.: Полинор-М, 1995. 3) Павлов К.Ф Романков П.Г Носков

А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, Л.: Химия, 1987. 4) Лащинский А.А Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: Приложение к справочнику, М.: Машиностроение, 1970. 5) Колонные аппараты: Каталог, М.: Цинтихимнефтемаш, 1978. 6)

Лащинский А.А Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: Справочник, М.: Машиностроение, 1970. Мясоединков В.М. / Под ред. Б.Г. Варфоломеева Подбор и расчет конденсатоотводчиков, М.: МИТХТ, 1989. Борисов Г.С Брыков В.П Дытнерский Ю.И. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии:

Пособие по проектированию, М.: Химия, 1991. Сварное емкостное оборудование. Каталог ЦИНТИХИМНЕФТЕМАН, "Москва", 1987 г.