МИНИСТЕРСТВО ПРОСВЕЩЕНИЯ ИНАУКИ УКРАИНЫ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КУРСОВАЯ РАБОТА
по ПАХТ
Студентки 4 курса
группы ТФП
заочного отделения НФаУ
факультета промышленнойфармации
Кайда Юлия Владимировна
Харьков 2008
Исходные данные
Разделяемая смесь: толуол — хлорбензол.
М (С6Н5СН3)= 12∙6 +5 + 12 +3 = 92 г/моль (легколетучий);
М (С6Н5Cl) = 12∙6 + 5 + 35∙5 = 112,5 г/моль (труднолетучий).
Производительность:5500 т/ч.
/>
Давление греющего пара в кубе 3ат.
Давление в колоне 400 мм рт. ст.
Тип колонны: колпачковая.
/>= 30°С.
1. Цель и задачи расчёта
Целью расчёта ректификационнойустановки непрерывного действия является определение основных размеровоборудования, входящего в технологическую схему установки, размеров внутреннихустройств ректификационного аппарата, мат. потоков и затрат тепла. При этомследует помнить, что ректификация представляет собой процесс разделения жидкихсмесей на компоненты, при котором происходит переход вещества из жидкой фазы впаровую и наоборот. В большинстве случаев ректификация осуществляется впротивоточных колоннах с контактными элементами.
Принципиальная схемаректификационной установки представлена на рисунке 1. Исходная смесь изпромежуточной ёмкости 1 центробежным насосом 2 подаётся в теплообменник 3, гдеподогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение вректификационную колону 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составуисходной смеси Хƒ.
Стекая вниз по колонне, жидкостьвзаимодействует с поднимающимся вверх паром, который образуется при кипениикубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальныйсостав пара примерно равен составу кубового остатка Хw, т.е. обеднён легколетучим компонентом. Для болееполного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданнымфлегмовым числом жидкости (флегмиат) состава Хр, котораяполучается в дефлегматоре 6 путём конденсации пара, выходящего из колонны. Частьконденсата выходит из дефлегматора в виде готового продукта разделения — дистиллятора, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется впромежуточную ёмкость 8. Из кубовой части колонны насосом 11 непрерывновыводится кубовая жидкость — продукт, обогащённый труднолетучим компонентом,который охлаждается в теплообменнике 9 и направляется в ёмкость 10.
Таким образом, вректификационной колонне происходит непрерывный неравновесный процессразделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержаниемлегколетучего компонента и кубовый остаток, обогащённый труднолетучимкомпонентом.
При выполнении курсового проектанеобходимо провести:
материальный, гидравлический,тепловой расчёты ректификационной колонны;
материальный и тепловой расчётыдефлегматора, подогревателя исходной смеси и холодильников для охлажденияготовых продуктов разделения;
выбор питающего насоса порасходуемой энергии конденсатоотводчика;
определить размеры ёмкостей дляисходной смеси дистиллята и кубовой жидкости.
2. Исходные данные к расчёту
Исходная смесь подаётся вколонну на питающую тарелку при температуре кипения на ней.
/>
/>Рис.1.Принципиальная схема ректификационной установки непрерывного действия:
1 — ёмкость для исходной смеси;
2, 11 — насосы;
3 — теплообменник-подогреватель;
4 — кипятильник;
5 — ректификационная колонна;
6 — дефлегматор;
7 — холодильник дистиллята;
8 — ёмкость для сбора дистиллята;
9 — холодильник кубовой жидкости;
10 — ёмкость для кубовойжидкости.
3. Расчёт ректификационной колонны
Расчёт ректификационной колоннысводится к определению основных геометрических размеров — диаметра и высоты. Обеэти величины определяются нагрузкой по пару и жидкости, типом контактногоустройства, физическими свойствами взаимодействующих фаз.3.1 Расчёт материальных потоков
Материальные расчёты процессаректификации в основном выполняются в мольных количествах. Если заданыконцентрации летучего компонента в массовых долях или процентах, перевод вмольные доли или проценты осуществляется по зависимостям:
/>
/>
Расчёт средних молекулярных массдистиллята, исходной смеси и кубового остатка производится по формулам:
/>
или />,
где
Мср — средняямолекулярная масса потока, кг/моль;
Х — мольная концентрациякомпонента, моль. доли;
/>-массовая концентрация компонента, масс. доли.
/>
Для расчёта материальных потоковсоставляем уравнения материального баланса для всего количества смеси (3.1) илетучего компонента (3.7):
/>
где />-массовый расход дистиллята, исходной смеси, кубового остатка, кг/с.
/>наименование жидкости средн. молекулярная масса, кг/моль
состав,
моль. масс расход, кг/с дистиллят 93,7 0,917 0,9 0,617 исх. жидкость 103,7 0,428 0,38 1,527 кубовый остаток 111,75 0,0366 0,03 0,91
Полученные расходы,концентрации, давления и температуры наносят на технологическую схему.
3.2 Определение флегмогового числа
Пользуясь справочнойлитературой, выписывают таблицу равновесных составов жидкости и пара. Строятдиаграммы t — x,y,и y-x. При отсутствии экспериментальных данных о фазовомравновесии идеальной смеси строят равновесную линию, исходя из давлениянасыщенных паров компонентов исходной смеси в интервале между температурамикипения легколетучего и труднолетучего компонентов.
ХЛ.К. и YЛ.К. рассчитываются по формулам:
/> />
Последовательно получаем:
/>
/>
/>
/>
/>
/>t
РЛ.К.
РТ.К.
Робщ
ХЛ.К.
YЛ.К. 91 400 160 400 1 1 93 440 180 400 0,846 0,930 95 490 200 400 0,689 0,844 98 520 250 400 0,555 0,721 100 580 290 400 0,379 0,549 103 630 320 400 0,258 0,406 105 650 350 400 0,166 0,269 108 670 380 400 0,068 0,113 110 700 400 400
/>
На диаграмме Y-X по оси абсциссоткладывают составы жидкой фазы, по оси ординат — паровой. Зависимость междусоставами жидкой и паровой фазы выражается линией равновесия. Кроме равновеснойлинии на диаграмму наносят вспомогательную линию — диагональ, уравнение которойy = x.
На диагонали находят точку Ас координатами Хр = Yp,а затем проводят вертикаль из точки Хƒ пересечения сравновесной линией в точке В. Линия АВ — теоретическаярабочая линия верхней части колонны при минимальном флегмовом числе Rmin.
Пересечение этой линии с осьюординат даёт точку Вmаx. Минимальное флегмовое число равно
/>
Реальное флегмовое число Rбольше Rmin, причём отношение /> иназывается коэффициентом избытка флегмы и колеблется на практике в довольношироких пределах (от 1,05 до 10) в зависимости от свойств разделяемой смеси,рабочих параметров и экономических факторов.
Поскольку пределы изменения β достаточно широки, необходимо определить флегмовоечисло и соответствующий коэффициент избытка флегмы. Несмотря на математическуюпростоту, эта задача очень трудоёмкая, поскольку требует проведения полноготехнико-экономического расчёта при различных значениях флегмового числа R.
Учитывая, что масса колонны,зависящая от числа ступеней разделения, является определяющей в стоимостипроцесса ректификации, приближенно Rопт, можно рассчитатьследующим образом. По уравнению (3.3) определяют минимальное флегмовое число Rmin.Затем, задав несколько значений коэффициента избытка флегмы в пределах примерно1,05¸5,0, графически определяютсоответствующее им число теоретических ступеней Nt. Дляэтого, при каждом значении ректификации, между ними и равновесной линиейпроводят отрезки, параллельные осям координат. Число ступеней, образующихся врезультате такого построения в пределах изменения концентраций Хр-Хƒ,будет соответствовать числу теоретических тарелок в верхней части колонны, ачисло ступеней, образующееся в пределах изменения концентраций Хр-Хw — числу теоретических тарелокв нижней части колонны.
Результаты расчёта подаём в видетаблицы:
β=R/Rmin 1,05 1,1 1,3 1,8 2,5 3,1 3,3 3,8 4,4 5
R 1,99 2,1 2,5 3,4 4,8 5,9 6,3 7,2 8,4 9,5
Nt 26,4 26,4 16,3 13,2 10,2 9,2 9,2 9,05 8,7 8,5
(R+1) Nt 79 82 57 58 59 63 67 74 82 89
/>
Уравнение рабочей линии:
/>
/>
3.3 Расчёт высоты ректификационной колонны
/>
Высота ректификационной колонныопределяется числом действительных тарелок или ступеней изменения концентраций.До настоящего времени нет точного и простого теоретического метода расчётачисла тарелок, поэтому надёжные результаты при проектировании могут бытьполучены опытными методами. Если опытные данные отсутствуют, то высоту колонныможно рассчитать только приближенно. Из существующих методов расчёта числарабочих тарелок наиболее распространены следующие методы:
метод теоретической тарелки,рекомендуется применять при наличии сведений о средних КПД колонны;
метод кинетической кривой,рекомендуется использовать при наличии данных о КПД тарелок. Этот метод даётболее надёжные результаты определения числа тарелок.
3.3.1 Исходные данные для расчёта размеров колонны
Физические величины по высотеколонны переменны, поэтому для расчёта вычисляют их средние значения. При этомдля жидкой смеси определяют:
·средние составы в верхней и нижней частях колонны
/>
/>
·средние температуры жидкостей: tср. в и tср. ндля Хср. в и Хср. н по диаграмме t-x,y
/>
Средние плотности жидкостей /> для Хср. ви /> для Хср. нпо формуле при условии аддитивности объёмов:
/>.
Таким образом,
/>
Средний объёмный расход жидкостидля верхней и нижней части колонны:
/>
/>
Для смеси паров: средние составыпара в верхней части колонны /> и внижней части /> находят по соответствующимуравнениям рабочих линий по Хср. в и Хср. н.
/>
Средние температуры пара вверхней и нижней части колонны tср. в и в нижней части tср.н находят по диаграмме t-x,y: />
Средние молекулярные массы />
/>
Средние плотности пара /> находим по формуле:
/>
где Т0-температура потока при нормальных условиях,
р — давление потока, Па,р0 — давление потока при нормальных условиях />
/>
3.3.2 Расчёт диаметра ректификационной колонны
Ориентировочный диаметрректификационной колонны определяют из уравнения расхода по среднему массовомупотоку пара:
/>, либо />, где
/>-диаметр ректификационной колонны,
/>-расход пара, л/с,
/>-скорость пара, м/с,
V0 — объёмныйрасход пара, м³/с,
/> -средняя плотность жидкости в колонне.
/>
Скорость движения паров поколонне для колечковых тарелок выбираются по графику /> в зависимости отрасстояния между тарелками.
/>3.3.3 Построение кинетической кривой
Для построения кинетическойкривой по диаграмме x-y проводят произвольно вертикальные отрезкимежду равновесной и рабочими линиями. Эти отрезки делят в отношении, равномкоэффициенту обогащения тарелки Сy:
/>
где nоу — число единиц переноса, рассчитываемое по уравнению:
/>
Коэффициент />, где FТ — рабочая площадь тарелки, FК — площадь сечения колонны.
В среднем φпринимают равным 0,8¸0,9.
V (С6Н5Cl) = 6∙14,8 + 5∙3,7 + 24,6 = 131,9;
V (С6Н5CН3) = 6∙14,8 + 5∙3,7 + 14,8 + 3∙3,7 =133,2.
По известномузначению Сy определяют и откладывают на диаграмме отрезки ВС.Через полученные точки В проводят кинетическую кривую />. Затем в пределахконцентраций />производят ступенчатоепостроение ломаной линии. Число ступеней этой линии даёт число тарелок дляверхней и нижней частей колонны N.
При выражении движущей силычерез жидкую фазу между равновесной и рабочей линиями проводят рядгоризонтальных отрезков, которые делят также в отношении Сy. Дальнейшеепостроение осуществляется способом, описанным выше.
Для определения Сyнеобходимо рассчитать коэффициент массопередачи Ку (кмоль/м²с):
/>,
где m — коэффициентраспределения, определяющий тангенс угла наклона равновесной линии:
/>
Коэффициент пароотдачи в паровойфазе:
/>
Критерий Рейнольдса вычисляют поформуле
/>,
где />-вязкость парового потока, Па∙с.
Коэффициент масоотдачи в жидкойфазе
/>.
Критерий Прандтля:
/>
/>
/>
Далее,
/>
Расчёт А:
/>
/>
Z действительных тарелок= 28. Х-Х* Y-Y* m
Ку
nоу
Су
/> 0,917-0,85 0,96-0,93 0,447 0,02898 0,931 2,53 1,58 0,85-0,75 0,93-0,88 0,5 0,02898 0,931 2,53 2,57 0,75-0,6 0,88-0,765 0,76 0,02898 0,931 2,53 3,35 0,6-0,5 0,765-0,665 1 0,02898 0,931 2,53 3,16 0,5-0,35 0,665-0,53 0,9 0,02898 0,931 2,53 1,97 0,35-0,2 0,53-0,325 1,36 0,02896 0,930 2,53 2,17 0,2-0,1 0,325-0,16 1,65 0,02894 0,929 2,53 1,97 0,1-0,0366 0,16-0,055 1,6 0,02894 0,929 2,53 2,37 3.3.4 Высота тарельчатой части колонны
/>,
Где h — расстояние междутарелками, мЖ
N — число действительныхтарелок. Таким образом,
НТ = 0,6 (28-1)= 16,2м.
3.3.5 Общая высота колонны
/>,
где
Нк. в., Нк.н. — высота цилиндрической части колонны над и под тарелками.
/>
3.4 Тепловой расчёт
Эта часть расчёта содержит: определениерасхода греющего пара на куб колонны, расчёт поверхности теплопередачи иразмеров подогревателя кубы колонны, толщины слоя изоляции.3.4.1 Определение расхода греющего пара
Составляем тепловой балансколонны.
Приход тепла: с исходной смесью />где
/>
/>
Расход тепла: с паром,направляющимся из колонны в дефлегматор
/>
/>
3.4.2 Определение поверхности теплоотдачи испарителя
Поверхность нагрева испарителяопределяется из основного уравнения теплоотдачи. В это уравнение в этом случаеподставляются:
/>
3.4.3 Определение толщины слоя изоляции
Толщину слоя изоляции определяютпо упрощённому уравнению для плоской стенки
/>
/>
3.5 Конструктивный расчёт тарельчатых ректификационных колонн
Колпачковая тарелка включает всебя следующие основные детали: паровые патрубки, колпачки, сливные патрубкиили переточные пороги.
При определении количествапаровых патрубков, колпачков и количества сливных патрубков вначале производятпроверочный расчёт, а затем по нормалям НИИХИММАШа выбирают их окончательныеразмеры и число. Живое сечение φ0всех паровых патрубков на тарелках принимается равным 10-20% от живого сеченияколонны. Диаметры паровых патрубков по нормалям НИИХИММАШа рекомендуется братьпри изготовлении их из углеродистых сталей 57/3,5 и 70/4 и из нержавеющихсталей 57/3 и 70/3 мм.
Задавшись диаметром паровогопатрубка, определяют их количество на тарелке:
/>
где Fn — общеесечение паровых патрубков, м²;
ƒn — сечение одного патрубка, м².
Скорость пара в паровом патрубкедолжна быть в пределах 3-8м/с. Поэтому необходимо делать проверочныйрасчёт и определить фактическую скорость пара. Если она не лежит в допустимыхпределах, необходимо задаться новым диаметром патрубка и сделать перерасчёт.
Диаметр колпачка вычисляют изусловия равенства скорости пара в патрубке и в кальциевом сечении между паровымпатрубком и колпачком:
/>
где dn — толщина стенки патрубка (1¸3мм).
Возвышение колпачка над паровымпатрубком, мм:
/>
Возвышение нижнего края зубцаколпачка под тарелкой Sк= 5мм. Возвышение уровняжидкости над верхним обрезом прорезей колпачков hср = 15-40 мм.
Размеры прорезей в колпачкахлежат в пределах:
l — высота — 10-50 мм;
b — ширина — 2-7 мм.
Расстояние между прорезями — 3-4мм.
При размещении колпачков навершинах правильных треугольников минимальный шаг колпачков рассчитывают позависимости:
/>
где l2 — минимальный зазор между колпачками (12,5¸0,25мм),
dк — толщина стенки колпачка (1¸3 мм).
Диаметр сливного патрубка, мм:
/>
где wсл — скорость жидкости в сливном патрубке, м/с (можно принять 0,1-0,2 м/с).
Высота уровня жидкости надсливным патрубком:
/>
Расстояние от нижнего торцасливного патрубка до тарелки:
S1 = 0,25∆h
Возвышение верхнего торцасливного патрубка над тарелкой:
/>
Расстояние от оси сливногопатрубка до оси ближайшего колпачка:
/>
3.6 Гидравлическое сопротивлениеректификационных колонн
3.6.1 Гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки
Гидравлическое сопротивлениеколпачковой тарелки слагается из сопротивления сухой тарелки при открытыхпрорезях ∆Р1, сопротивления, обусловленного силамиповерхностного натяжения ∆Р2, гидростатическогодавления столба жидкости над верхним обрезом прорези ∆Р4,Па.
/>
wn — скоростьпара в прорезях колпачка, находится в пределах 2-8 м/с; для колонн,работающих под вакуумом — в пределах 0,8-3м/с;
ξ — коэффициентсопротивления (ξ = 1,5-2)
/>
3.6.3 Общее гидравлическое сопротивление колонны
/>
Для проверки правильностипринятого расстояния между тарелками можно воспользоваться эмпирическимсоотношением:
/>
4. Расчёт дефлегматора
Предварительно выбирают вариантс частичной или полной конденсацией пара в дефлегматоре.4.1 Определение расхода охлаждающей воды на дефлегматоре
Для определения этой величинынеобходимо составить тепловой баланс дефлегматора, включающий следующиевеличины.
Приход тепла:
с охлаждающей водой />
с паром из колонны />
Расход тепла:
с дистиллятом />
Уравнение теплового балансадефлегматора:
/>
4.2 Поверхность теплопередачидефлегматора
/>
5. Подогреватель исходной смеси
Исходная смесь подогреваетсячаще всего в трубчатом теплообменнике насыщенным водяным паром до температурыкипения на питающей тарелке.5.1 Количество тепла для подогрева исходной смеси
Количество тепла для подогреваисходной смеси определяется в Вт:
/>
/>
5.2 Расход греющего пара на подогреватель
Расход греющего пара наподогреватель определяется в кг/с:
/>5.3 Поверхность нагрева подогревателя
/>
6. Выбор питающего насоса
Выбор питающего насосапроизводится в зависимости от свойств подогреваемой смеси.
Основными типами насосов,используемых в химической технологии, являются центробежные, осевые, поршневые.Для проектируемой ректификационной установки используем центробежный насос. Припроектировании обычно возникает задача определения необходимого напора Нл,мощностиNн при заданной подаче жидкости Qп,перемещаемой насосом. Далее по найденному напору и производительности насосаопределяем его марку, а по величине мощности на валу Nп — типэлектродвигателя к насосу.
Мощность на валу насоса />
Напор насоса />
Геометрическая высота подъёмажидкости Нr равна высоте исчерпывающей части ректификационнойколонны:
/>
Nч. к. — числотарелок контакта в исчерпывающей части колонны;
h — расстояние междутарелками, м;
hn — напор,теряемый на преодоление гидравлического сопротивления в трубопроводе, мм.
Потери напора:
/>
/>
Определим диаметр трубопроводаиз основного уравнения расхода:
/>
Для определения коэффициентатрения λ рассчитываем величину Rе:
/>
Для гладких труб при найденном Rеопределяем λ. Сначала определим суммукоэффициентов местных сопротивлений:
/>
Пусть количество колен равно 8,а вентилей — не меньше 4. Коэффициенты местных сопротивлений равны [2, табл. ХII].
По приложению V устанавливаем,что значениям подачи и напора больше всего соответствует центробежный насосмарки Х8/30.
/>
7. Расчёт объёма и размеров емкостей
Большинство емкостейпредставляют собой вертикальные или горизонтальные цилиндрические аппараты. Припроектировании основными руководящими документами являются нормали и Госстандарты,предусматривающие нормальный ряд цилиндрических аппаратов и сосудов до 200м³.
Расчёт емкостей для исходногодистиллята и кубовой жидкости ведём из условий шестичасовой (сменной) работыректификационной установки, т.е. τ = 6 ч. Далее, />
/>
8. Определение диаметра штуцеров
Штуцеры изготовляются изстальных труб необходимого размера по ГОСТу 9941-62. Диаметры труб выражены в мм.
Диаметр штуцеров определим изосновного уравнения расхода:
/>