Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метиловый — этиловый спирт
При выборе оптимальных условий работы ректификационной установки необходимо учитывать расход тепла и основные параметры (температуру и давление) теплоносителей — греющего пара и охлаждающей воды, а также требуемые размеры, как самой колонны, так и соединенных с ней теплообменных аппаратов (кипятильника, нагревателя исходной смеси, дефлегматора и холодильника паров). Все эти факторы взаимосвязаны… Читать ещё >
Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метиловый — этиловый спирт (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
ПЭ.ПАХТ.0.122.ПЗ. | ||||||||
Изм. | Кол.уч. | Лист | № док. | Подп. | Дата | |||
Разраб. | Эйхо | Пояснительная записка | Стадия | Лист | Листов | |||
Пров. | Атаманов. | КП | ||||||
СибГТУ, гр. 64−1 | ||||||||
Н. конт. | ||||||||
Утв. | ||||||||
Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»
Факультет: Химических технологий Кафедра: Промышленной экологии, Процессов и аппаратов химических производств Дипломная работа Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метиловыйэтиловый спирт
(ПЭ ПАХП.0.122.ПЗ) Руководитель: А. А. Атаманов Разработал: студент гр. 64−1 IV курса Т. А. Эйхо Красноярск, 2008
Содержание
- Реферат
- Введение
- 1. Расчет колонны
- 1.1 Материальный баланс
- 1.2 Расчет диаметра колонны
- 1.3 Определим высоту колонны
- 2. Гидравлический расчет колонны
- 3. Тепловой расчет ректификационной колонны
- 3.1 Расчет тепловой изоляции колонны
- 4. Расчет вспомогательного оборудования
- 4.1 Расчет кипятильника
- 4.2 Расчет дефлегматора
- 4.3 Расчет холодильника для дистиллята
- 4.4 Расчет холодильника для кубового остатка
- 4.5 Расчет подогревателя
- Заключение
- Список использованной литературы
Приложения метиловый этиловый спирт ректификационная колона
Реферат
В курсовом проекте приведены результаты расчета ректификационной колоны непрерывного действия, предназначенной для разделения бинарной смеси метиловый спирт — этиловый спирт.
Курсовой проект содержит расчетно-пояснительную записку из 44 страниц текста, 4 таблиц, 2 рисунков, 5 литературных источников и графическую часть из 2 листов формата А1.
Ректификация — массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего.
Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и др.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способностью тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.
Целью расчета массообменного аппарата является определение конструктивных размеров, т. е. высоты и диаметра колонны, гидромеханических и экономических показателей ее работы.
При расчете процессов ректификации составы жидкостей обычно задаются в массовых долях или процентах, а для практического расчета удобнее пользоваться составами жидкостей и пара, выраженными в мольных долях или процентах.
Простая перегонка.
Фракционная перегонка. Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и конденсируются. Процесс осуществляют периодическим или непрерывным способом.
Если простая перегонка проводится периодически, то в ходе отгонки НК содержание его в кубовой жидкости уменьшается. Вместе с тем, изменяется во времени и состав дистиллята, который обедняется НК по мере протекания процесса. В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих различный состав. Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава, называется фракционной, или дробной, перегонкой.
Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).
Непрерывно действующие установки. Ректификационная колонна имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится вне колонны, т. е. является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара.
Влияние агрегатного состояния и температуры исходной смеси на работу колонны.
При выборе оптимальных условий работы ректификационной установки необходимо учитывать расход тепла и основные параметры (температуру и давление) теплоносителей — греющего пара и охлаждающей воды, а также требуемые размеры, как самой колонны, так и соединенных с ней теплообменных аппаратов (кипятильника, нагревателя исходной смеси, дефлегматора и холодильника паров). Все эти факторы взаимосвязаны и зависят, в частности, от температуры и агрегатного состояния подаваемой на разделение смеси.
Исходная смесь может поступать в колонну не только в жидком, но и в парообразном состоянии или в виде смеси жидкости и пара. При прочих равных условиях — заданны составах дистиллята уD и остатка xW, давлении Р в колонне и др. — подвод тепла в колонну минимален в случае подачи в нее жидкой исходной смеси, предварительно нагретой до температуры кипения tK на питающей тарелке.
Кипятильник, или куб предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадку или нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверхность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.
В периодически действующих колоннах куб является не только испарителем, но и емкостью для исходной смеси. Поэтому объем куба должен быть в 1,3—1,6 раза больше его единовременной загрузки (на одну операцию). Обогрев кипятильников наиболее часто производится водяным насыщенным паром.
Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода). Однако вопрос о направлении конденсирующихся паров и охлаждающего агента внутрь или снаружи труб следует решать в каждом конкретном случае, учитывая желательность повышения коэффициента теплопередачи и удобство очистки поверхности теплообмена.
Расчет колпачковой тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия
Расчет ректификационной колоны сводится к определению ее основных параметров — диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который в свою очередь, зависит, от скорости и физических свойств фаз, а так же от типа и размеров насадок.
При выборе колпачков, клапанов, насадок для аппаратов руководствуются рядом соображений
Принципиальная технологическая схема и ее описание
- Рисунок 1 — Схема непрерывно действующей ректификационной установки.
- Непрерывно действующие установки. Ректификационная колонна имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится вне колонны, т. е. является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара.
- Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх.
- Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна х1 (по низкокипящему компоненту), а ее температура t1. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием НК у1>х1.
- Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т. е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.
- На второй тарелке жидкость имеет состав x2 содержит больше НК, чем на первой (х2 > х1), и соответственно кипит при более низкой температуре (t2 < t1). Соприкасаясь с ней, пар состава y1 частично конденсируется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав у2 > x2, и т. д.
- Таким образом пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК,
- который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.
- Пары конденсируются в дефлегматоре, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.
- Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара.
- Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.
- На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называемую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.
- Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено, возможно, большее укрепление паров, т. е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.
- В дефлегматоре могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их, соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или, верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике 6 направляется в сборник дистиллята. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята,
- Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК), также делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипятильник, а другая — остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике направляется в сборник
- Физико-химические характеристики продукта
- Продуктом этой смеси являются метиловый и этиловый спирты.
- Метиловый спирт
- Молекулярный вес 32 кг/моль
- Плотность 792 кг/м3 при 20оС
- Температура кипения 64,509оС
- Бесцветная жидкость
- Этиловый спирт
- Молекулярный вес 46 кг/моль
- Плотность 789 кг/м3 при 20оС
- Температура кипения 76,605оС
- Бесцветная жидкость
- Используя опытные данные о равновесии между жидкостью и паром или расчетные. Равновесные данные для указанной бинарной системы при заданном давлении в ректификационной колонне заносят в таблицу 1.
- Таблица 1 — Равновесные составы жидкостей (х) и пара (у) в мол % и температуре кипения (t) єС двойных смесей при атмосферном давлении.
- 1. Расчет колонны
- 1.1 Материальный баланс
- Материальный баланс всей ректификационной колонны может быть представлен двумя уравнениями: по всему продукту
- ,
- по легколетучему компоненту
- ,
- где хf, хD, хw — молярные составы (мольные доли) низкокипящего компонента (НК) соответственно в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке.
- Для дальнейших расчетов необходимо концентрации исходной смеси дистиллята и кубового остатка выразить в массовых долях.
- ;
- ;
- ,
- где хА — мольная доля низкокипящего компонента в жидкости;
- МА — молекулярная масса низкокипящего компонента, кг/кмоль;
- МВ — молекулярная масса высококипящего компонента, кг/кмоль.
- Молекулярная масса метилового спирта — 32 кг/кмоль, этилового спирта — 46 кг/кмоль.
х, % мольн | у, % мольн | t, оС | P, мм рт ст | |
0,0 | 78,3 | |||
13,4 | 18,3 | 76,3 | ||
24,2 | 32,6 | |||
32,0 | 42,8 | 73,6 | ||
40,1 | 52,9 | 72,3 | ||
43,5 | 56,6 | 71,7 | ||
54,2 | 67,6 | |||
65,2 | 75,9 | 68,6 | ||
72,8 | 81,3 | 67,7 | ||
79,0 | 85,8 | 66,9 | ||
81,4 | 87,5 | 66,6 | ||
87,3 | 91,9 | 65,8 | ||
91,0 | 93,7 | 65,6 | ||
64,5 | ||||
Массовый расход исходной смеси, кг/с, определим по формуле
кг/с Массовый расход кубового остатка, кг/с, определим по формуле
Gw = Gf — Gd = 8,13−1,32=7,81кг/с По имеющимся данным о равновесии между жидкостью и паром строим изобары температур кипения и конденсации смеси t=f (x, y) (Рисунок 1) и линию равновесия на диаграмме y=f (x) (Рисунок — 1).
Рисунок 1- Зависимость температур кипения и конденсации от состава фаз Затем рассчитаем минимальное флегмовое число
Rmin=(xd — у*f)/(у*f — xf)=(0.95 — 0.3)/(0.3−0.22) = 8,06
где у*f — мольная доля НКК в паре, равновесном с исходной смесью, определяется по диаграмме х-у (рис 2) у*f = 0,3
Оптимальное флегмовое число определим из условия получения минимального объема колонны, пропорционального произведению nT(R+1), где nT -число ступеней изменения концентрации (теоретическое число тарелок).
Таблица 2- Данные для расчета оптимального флегмового числа
в | R= в Rmin | В | nт | nт(R+1) | |
1,1 | 8,87 | 0,09 | 167,7 | ||
1,2 | 9,67 | 0,08 | 160,05 | ||
2,0 | 16,1 | 0,05 | 205,2 | ||
2,8 | 22,57 | 0,04 | 259,3 | ||
3,6 | 29,02 | 0,03 | 300,2 | ||
Строим график зависимости nт(R+1) от R. Находим min точку и опускаем из неё перпендикуляр на ось Х. Эта точка и будет являться оптимальным флегмовым числом. В нашем случае Rопт=9,67.
Рисунок 2 — Определение оптимального флегмового числа.
Уравнение рабочих линий А) Верхней (укрепляющей) части колонны Б) Нижней (исчерпывающей) части колонны
1.2 Определение скорости пара и диаметра колонны
Рассчитываем средние концентрации низкокипящего компонента в жидкости:
а) верхней (укрепляющей) части колонны:
;
.
б) нижней (исчерпывающей) части колонны:
;
.
Средние температуры пара определяем по t — x, y (Рисунок 1):
а) при ;
б) при .
Средняя плотность жидкости в колонне:
где: сА, сВ — плотности низкокипящего и высококипящего компонентов при средней температуре в колонне, соответственно, кг/м3
а) верхней (укрепляющей) части колонны:
б) нижней (исчерпывающей) части колонны:
Для колоны в целом:
Рассчитываем средние концентрации низкокипящего компонента в паре:
yF — концентрация низкокипящего компонента в паре на питающей тарелке. Определяется в точке пересечения линий рабочих концентраций, построенных при оптимальном флегмовом числе R=9,67.
yF=0,29
а) верхней (укрепляющей) части колонны:
.
б) нижней (исчерпывающей) части колонны:
.
Средние температуры пара определяем по t — x, y (рис.4):
а) при ;
б) при.
Средние мольные массы и плотности пара:
а) в верхней части колонны
;
б) в нижней части колонны
.
Средняя плотность пара в колонне:
;
а) в верхней части колонны
;
б) в нижней части колонны
;
.
Средняя плотность пара в колонне:
;
.
Определяем скорость пара в колонне. Принимаем расстояние между тарелками h = 450 мм. По графику (рис. 4,8 стр. 69 [2]) находим С = 630.
;
.
где MD — мольная масса дистиллята.
.
Тогда диаметр колонны:
.
По каталогу — справочнику «Колонне аппараты» принимаем D = 2600 мм. Тогда скорость пара в колонне будет:
;
1.3 Определим высоту колонны
Высоту колонны определим графоаналитическим методом, т. е. последовательно рассчитываем коэффициенты массоотдачи, массопередачи, коэффициенты действия тарелок; строим кинетическую кривую и определяем число действительных тарелок.
Коэффициент массоотдачи в паровой фазе рассчитывают по формуле:
где — коэффициент диффузии паров в метиловом спирте, рассчитывается по формуле:
— критерий Рейнольдса для паровой фазы
где — коэффициент динамической вязкости смеси метилового и этилового спиртов при средней температуре.
Вязкость рассчитывают по формулам:
где — мольные массы пара и отдельных компонентов, кг/кмоль; мср.п, мА, мВ — соответствующие им динамические коэффициенты вязкости:
в верхней части колоны при температуре t=71,40С мАп= 0,10 946 мПа? с, мВп= 0,10 047 мПа? с в нижней части колонны при t=76,80С мАп= 0,1 112 мПа? с, мВп= 0,1 022 мПа? с;
yА, yВ — объемные доли компонентов в паровой смеси.
Тогда:
Рассчитываем коэффициент диффузии паров по формуле:
Критерий Рейнольдса для паровой фазы:
Рассчитав все эти величины, определим и коэффициент массоотдачи в паровой в верхней и нижней частях колонны фазе по уравнениям:
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:
гдеDж— коэффициент диффузии метилового спирта в жидком этиловом спирте, м/с2; Мж.ср.— средняя мольная масса жидкости в колоне, кг/кмоль
Pr/ ж— диффузионный критерий Прандля Коэффициент диффузии пара в жидкости Dt связан с коэффициентом диффузии D20 следующей приближенной зависимостью:
где bтемпературный коэффициент. Определяется по формуле:
где мж— динамический коэффициент вязкости жидкости при 200С, мПа? с; сплотность жидкости, кг/м3.
Коэффициент диффузии в жидкости при 200С можно определять по формуле:
где мж— динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа? с; нА, нВ— мольные объемы компонентов, А и В;А и В — коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя; МА, МВ— мольные массы растворенного вещества и растворителя.
Динамический коэффициент вязкости жидкости:
где мА, мВ— коэффициенты динамической вязкости компонентов, А и В при соответствующей температуре [2, c.516].
Коэффициент динамической вязкости жидкости для верхней и нижней части колонны при температуре 200С равен:
Коэффициент диффузии метилового спирта в жидком этиловом спирте при 200С для верхней и нижней чисти колонны:
Расчет коэффициента b. Для верхней и нижней части колонны:
Коэффициент диффузии метилового спирта в жидком этиловом спирте при средней температуре для верхней и нижней части колонны:
Рассчитываем коэффициент динамической вязкости жидкости в верхней и нижней части колонны при средней температуре:
при 700С: мА=0,321 мПа? с; мВ=0,625 мПа? с при 76,60С: мА=0,321 мПа? с; мВ=0,56 мПа? с Критерий Прандля для верхней и нижней части колонны:
Средняя мольная масса жидкости в верхней и нижней части колонны:
Рассчитав все величины, определяем коэффициент массоотдачи в жидкой фазе по уравнению:
Коэффициенты массопередачи определяем по уравнению:
где m — тангенс угла наклона линии равновесия на рабочем участке.
Для определения угла наклона разбиваем ось х на участки и для каждого из них находим среднее значение тангенса как отношение разности ординат (у*-у) к разности абсцисс (х-х*), т. е.
Подставляем найденные значения коэффициентов массоотдачи вп и вж и тангенсов углов линии равновесия в уравнение, находим величину коэффициента массопередачи для каждого значения х в пределах от 0,07 до 0,95.
Полученные данные используем для определения числа единиц переноса nу в паровой фазе:
где ц — отношение рабочей площади к свободному сечению колонны, равному 0,8.
Допуская полное перемешивание жидкости на тарелке имеем:
где з=АВ/АС — КПД тарелки.
Результаты всех расчетов сводим в таблицу 3.1
Таблица — Параметры, необходимые для построения кинетической кривой.
х | 0,1 | 0,3 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | ||||
tgб=m | 1,9 | 1,1 | 2,0 | 1,24 | 0,99 | 0,51 | 0,06 | ||
Ky | 0,037 | 0,026 | 0,025 | 0,021 | 0,026 | 0,028 | 0,033 | 0,041 | |
ny | 0,65 | 0,46 | 0,43 | 0,36 | 0,44 | 0,48 | 0,57 | 0,7 | |
з | 0,48 | 0,38 | 0,35 | 0,3 | 0,36 | 0,38 | 0,44 | 0,5 | |
АВ, мм | 3,4 | 1,5 | 3,5 | 4,3 | 6,8 | 4,2 | 1,1 | ||
АС, мм | 19,9 | 14,1 | |||||||
Построение кинетической кривой.
Между кривой равновесия и линиями рабочих концентраций в соответствии с табличными значениями х проводим ряд прямых, параллельных оси ординат (Приложение В1).
Измеряем полученные отрезки А1В1, А2В2 и т. д. Определяем велечину отрезков А1В1, А2В2 и т. д. Через найденные для каждого значения х точки В1, В2 проводим кинетическую кривую, отображающую степень приближений фаз на тарелках равновесию.
Число реальных тарелок nД находим путем построения ступенчатой линии между кинетической кривой и рабочими линиями в пределах от 0,07 до 0,95. получаем 46 тарелки, (из которых — 33 в верхней части колонны, 13 — в нижней), которые и обеспечивают разделение смеси в заданных пределах изменения концентраций. Исходная смесь должна подаваться на 33 тарелку сверху.
Высота тарельчатой колонны:
Общая высота колонны:
где hсеп — расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны,(высота сепаратного пространства), принимаем 1 м; hкуб — расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны, (высота кубовой части), принимаем 2,5 м [3, приложение Б6].
2. Гидравлический расчет колонны
Для тарелок бесколпачковых (ситчатых, клапанных, струйных и других) величину общего сопротивления можно определить по уравнению:
гдео — общий коэффициент сопротивления тарелки, для клапанных тарелок (клапаны полностью открыты) о=3,63;
щоп — скорость пара в рабочем сечении колонны, м/с;
hw — высота сливной перегородки, м;
how — подпор, м;
ДСу — сопротивление, связанное с преодолением сил поверхностного натяжения на границе жидкость пар при выходе пара из отверстий тарелки в жидкость, Па.
Высоту сливной перегородки hw выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить достаточный слой жидкости на тарелке (hw+ how)?40 мм. При малых расходах жидкости, когда подпор how мал, это обеспечивается сливной перегородкой высотой hw. При больших расходах жидкости, когда слой жидкости на тарелке составляет 80 мм и более, высота сливной перегородки может быть уменьшена вплоть до hw=0. В этом случае необходимый слой жидкости на тарелке обеспечивается за счет подпора жидкости над гребнем слива how .
Скорость газа в интервале устойчивой работы клапанных тарелок может быть определена по уравнению:
где:G — масса клапана, кг;
Fc — доля свободного сечения тарелки, %;
F0 — площадь отверстия под клапаном, м2;
ж — коэффициент сопротивления, который может быть принят равный 3.
Принимаем диаметр отверстия под клапанном равным d=70 мм, массу клапана G=0,0025 кг. Следовательно:
Скорость пара в рабочем сечении верхней части колонны:
Скорость пара в рабочем сечении нижней части колонны:
Уровень слоя жидкости на тарелке (подбор) обусловлен высотой сливой перегородки hw и зависит от расхода жидкости, формы и длины сливной перегородки [ ].
Для сплошной сливной перегородки:
где: Lv — объемный расход жидкости, м3/ч;
В=2,05 — периметр слива, м;
Kow — поправочный коэффициент, учитывающий влияние стенок колонны на работу сегментного переливного кармана и определяемый по графику, рисунок 4,7.
Расход жидкости, проходящий в верхней части колонны:
Расход жидкости, проходящий в нижней части колонны:
Для определения поправочного коэффициента Kow находим отношение:
Для верхней части колонны находим отношение :
Kow в.=1,015
Для нижней части колонны находим отношение :
Kow н.=1,025.
Подпор жидкости на тарелке для верхней части колоны:
Подпор жидкости на тарелке для нижней части колоны:
Сопротивление, обусловленное действием си поверхностного натяжения:
гдеrгидр — гидравлический радиус отверстий, через которые пар выходит в жидкость, м.
гдеF0, П0 — площадь, м2 и периметр, м отверстий, через которые выходит пар, соответственно Поверхностное натяжение рассчитываем по формуле:
ун = уА•н.ср. + уВ•(1- н.ср) ,
где уА, уВ — поверхностное натяжение метилового и этилового спиртов при tср.н [1 с. 526] ,
ун = 17,7•10-3•00,08 + 17,4•10-3•(1−0,08)= 17,42•10-3 н/м.
Тогда сопротивление вызываемое силами поверхностного натяжения будет равно:
а) для верхней части колонны:
а) для нижней части колонны:
Сопротивление тарелки на верхней части колоны:
Сопротивление тарелки на нижней части колоны:
Общее сопротивление колонны:
гдеnв, nн — действительное число тарелок в верхней и нижней части колоны, соответственно. Определение действительного числа тарелок поведено в разделе 1,7
3. Тепловой расчет ректификационной колонны
Расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью от конденсирующего пара в кубе-испарителе колонны
гдерасход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, Вт;
— тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт;
— теплоемкость исходной смеси, дистиллята, кубовой жидкости, соответственно, Дж/кг?К.
Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:
где — теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;
— массовые доли компонентов.
Температура кипения смеси tF=76,2оC, кубового остатка tW=77оC и дистиллята tD=65,5оC; теплоемкости метанола и этанола при этих температурах определяем по номограмме (ХI, с. 562 [1]) (А-метиловый спирт, Вэтиловый спирт) Теплоемкости смесей:
;
;
.
Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара:
;
— удельная теплота конденсации дистиллята, Дж/кг;
где: , — удельная теплота конденсации компонентов, А и В при температуре tD=65,5оC (табл. XLV стр. 541 [1]).
.
Тепловые потери колонны в окружающую среду:
гдетемпература наружной поверхности стенки колонны, принимаем ;
— температура воздуха в помещении, ;
б-суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(м2К),
;
.
— наружная поверхность изоляции колонны, определяем по формуле:
;
.
Потери тепла в окружающую среду:
;
.
Расход тепла в кубе колонны с учетом тепловых потерь:
Расход греющего пара в кипятильнике (давление р=4кгс/см2, влажность 5%):
.
Расход тепла в паровом подогревателе исходной смеси рассчитывается по формуле:
где С1 — теплоемкость исходной смеси при средней температуре, равной
;
где СА, СВ — теплоемкости метилового спирта и этилового спирта при температуре (с.562[1])
;
.
Расход греющего пара в подогревателе исходной смеси:
;
.
Общий расход пара:
Расход воды в дефлегматоре при нагревании ее на 200С:
;
.
Расход воды в холодильнике дистиллята при нагревании ее на 200С:
;
.
Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании ее на 200С:
;
.
Общий расход воды в ректификационной установке:
;
.
.
3.1 Расчет тепловой изоляции колонны
В качестве изоляции берем асбест (лиз=0,151 Вт/м?К). Исходя из упрощенного соотношения (для плоской стенки) имеем:
гдетолщина изоляции, м;
— температура внутренней поверхности изоляции, принимаем ее ориентировочно на 10−200С ниже средней температуры в колонне .
Определяем толщину изоляции:
;
.
Проверяем температуру внутренней поверхности изоляции:
;
.
расхождение: 61,1−61,3<1 °С.
4. Расчет вспомогательного оборудования
4.1 Расчет кипятильника
Температурные условия процесса.
Кубовый остаток кипит при 770С. Согласно заданию, температура конденсации греющего пара равна 1000С (р=1,03 кгс/см2).
Следовательно, средняя разность температур:
100−77=23оС.
Принимаем коэффициент теплопередачи К=300 Вт/(м2 К) (с.172[5]).
Тепловая нагрузка .
Площадь поверхности теплообмена
;
.
С запасом 15−20% принимаем по каталогу (табл.4.12 стр. 215 [1]) теплообменник 4-х ходовой с F=464 м2.
Характеристика теплообменника:
Диаметр кожуха 1200 мм;
Диаметр труб 252 мм;
Длина труб 6,0 м;
Количество труб 986.
4.2 Расчет дефлегматора
В дефлегматоре конденсируется метиловый спирт с небольшим количеством этилового спирта. Температура конденсации паров дистиллята tD=65,5оC.
Температуру воды на входе в теплообменник примем 180С, на выходе 380С.
Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи:
65,50С 65,50С
18 0 С 380 С Определим среднюю температуру воды Расход теплоты Где r1 — удельная теплота конденсации смеси при температуре конденсации t1=65,5, r1=1087 кДж/кг.
где: , — удельная теплота конденсации компонентов, А и В при температуре tD=65,5оC (табл. XLV стр. 541 [1]).
.
Расход воды
кг/с, Где с2=4190 Дж/(кг К) — удельная теплоемкость воды при средней температуре t2=280 С Объемный расход воды
м3/с, Где с2= 995 кг/м3— плотность воды при t2=280 С,
G2 =17,5 кг/с — расход воды.
Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося пара органических жидкостей к воде. Кmin=300 Вт/(м2· К) (таблица 4.8 [1]). При этом
м2.
Для обеспечения турбулентного течения воды при Re>10 000 скорость в трубах должна быть больше w1
м/с, Где м2 — динамический коэффициент вязкости воды при средней температуре t2=280 С, м2=0,818*10-3 Па с;
d2— внутренний диаметр труб, d2=0,021 м;
с2= 995 кг/м3— плотность воды при t2=280 С.
Число труб 25×2 мм, обеспечивающих объемный расход воды при Re=10 000
.
Условию n<30 и F<130 м2 удовлетворяет теплообменник шестиходовой диаметром 800 мм с числом труб на один ход трубного пространства n=384/6=64.
Уточняем значение критерия Рейнольдса Re
.
Критерий Прандтля для воды при средней температуре t1=28 єС равен
где л1=0,605- коэффициент теплопроводности воды при t1=28 єС (рисунок Х [1]);
с1=4190 Дж/(кг· К) — средняя удельная теплоемкость воды при t1=28 єС (рисунок XI [1]); м1=0,818· 10-3 Па· с — динамический коэффициент вязкости воды при t1=28 єС (таблица VI [1]).
Рассчитаем критерий Нуссельта для воды
где е1=1.
Отношение (Pr1/Prст1)0,25 примем равным 1,1 (с последующей проверкой).
Таким образом, коэффициент теплоотдачи для воды равен
Вт/(м2· К).
Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара смеси метанола и этанола на пучке горизонтальных труб
Вт/м2К, где — коэффициент теплопроводности смеси при t1=66 єС (рисунок Х [1]); =0,198 Вт/м2К, динамический коэффициент вязкости смеси при t1=66 єС (таблица VI [1]),
Примем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны греющего пара 1/rзагр.2=5800 Вт/(м2· К), со стороны смеси 1/rзагр.1=5800 Вт/(м2· К) (таблица ХХХI [1]). Коэффициент теплопроводности стали лст=46,5 Вт/(м2· К) (таблица ХХVII [1]); д=0,002 м — толщина стенки.
Находим сумму термических проводимостей стенки и загрязнений
Вт/(м2· К).
Коэффициент теплопередачи
Вт/(м2· К).
Поверхностная площадь теплового потока
Вт/м2,
где Дtср=37,5 єС — средняя разность температур.
Проверяем принятое значение (Pr1/Prст1)0,25. Определим
єС,
єС.
Определим критерий Прандтля при tст1=39,98 єС
где л1=0,6- коэффициент теплопроводности воды при tст1=39,98єС (рисунок Х [1]);
с1=4190Дж/(кг· К) — средняя удельная теплоемкость воды при tст1=39,98єС (рисунок XI [1]);
м1=0,72· 10-3 Па· с — динамический коэффициент вязкости воды при tст1=39,98єС (таблица [1]).
Следовательно, Было принято (Pr1/Prст1)0,25 =1,05. Разница
Расчетная площадь поверхности теплообмена
м2.
Принимаем к установке шестиходовой теплообменник с F=60 м2.
Внутренний диаметр кожуха Dн=800 мм;
Общее число труб n=384;
Поверхность теплообмена F=60 м2;
Длина труб L=2 м;
Диаметр трубы d=25×2 мм.
Запас площади поверхности теплообмена
4.3 Расчет холодильника для дистиллята
В холодильнике происходит охлаждение дистиллята до температуры конденсации до 300С.
65,50С 300С
380С 180С Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от дистиллята в дефлегматоре пара Принимаем К=300Вт/м2?К.
Поверхность теплообмена холодильника дистиллята находим из основного уравнения теплопередачи
C запасом принимаем 1-х ходовой теплообменник с поверхностью F = 9 м2 (табл. 4.12, с 215 [1])
Характеристика теплообменника Диаметр кожуха наружный 273 мм Диаметр труб 252 мм Длина труб 3,0 м Количество труб 62
4.4 Расчет холодильника для кубового остатка
В холодильнике кубового остатка происходит охлаждение кубовой жидкости от температуры кипения до 300С.
770С 300С
380С 180С Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от кубовой жидкости Принимаем К=300Вт/м2К Поверхность теплообмена холодильника кубовой жидкости
C запасом принимаем 2-х ходовой теплообменник с поверхностью F = 57 м2 (табл. 4.12, с 215 [1])
Характеристика теплообменника Диаметр кожуха 600 м Диаметр труб 252 мм Длина труб 3,0 м Количество труб 240
4.5 Расчет подогревателя
Служит для подогрева исходной смеси от tн = 18−20оС до температуры tF = 76,2oC. Исходная смесь подогревается водяным насыщенным паром с температурой 100оС.
Температурная схема процесса
110 — 110
28 — 76,2
; .
єС.
Определим среднюю температуру смеси
єС.
Объемный расход смеси
м3/с, где с1=858,7 кг/м3 — средняя плотность в колонне при t1=55,6 єС (таблица IV [1]);
G1=1,32 кг/с — массовый расход смеси.
Средняя плотность жидкости в колонне:
=
Расход теплоты на нагрев смеси
Вт, где с1=2750 Дж/(кг· К) — средняя удельная теплоемкость смеси при t1=55,6 єС (рисунок XI [1]).
Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:
где — теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;
— массовые доли компонентов.
;
Расход сухого греющего пара с учетом 7% потерь теплоты
кг/с, где r=2217· 103 кг/с — удельная теплота конденсации водяного пара (таблица LVII [1]);
х — паросодержание греющего пара.
Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося водяного пара к органическим жидкостям Кmin=300 Вт/(м2· К) (таблица 4.8 [1]). При этом
м2.
Составляем схему процесса теплопередачи. Для обеспечения турбулентного течения смеси при Re>10 000 скорость в трубах должна быть больше w'1
м/с, где м1=1,275· 10-3 Па· с — динамический коэффициент вязкости смеси при t1=55,6 єС (таблица VI [1]);
Динамический коэффициент вязкости смеси:
где мА, мВ— коэффициенты динамической вязкости компонентов, А и В при соответствующей температуре [2, c.516].
d1=0,021 м — внутренний диаметр труб;
с1=784,5 кг/м3 — плотность смеси при t1=55,6 єС (таблица IV [1]).
Число труб 25×2 мм, обеспечивающих объемный расход смеси при Re=10 000
.
Условию n<30,4 и F<59,5 удовлетворяет шестиходовой теплообменник, внутренним диаметром 600 мм с числом труб на один ход трубного пространства n=33 (общее число труб n=196).
Уточняем значение критерия Рейнольдса Re
.
Критерий Прандтля для смеси при средней температуре t1=55,6 єС равен
где л1=0,15- коэффициент теплопроводности смеси при t1=55,6 єС (рисунок Х [1]);
с1=2723,5 Дж/(кг· К) — средняя удельная теплоемкость смеси при t1=55,6 єС (рисунок XI [1]);
м1=1,275· 10-3 Па· с — динамический коэффициент вязкости смеси при t1=55,6єС (таблица VI [1]).
Рассчитаем критерий Нуссельта для смеси
где е1=1.
Отношение (Pr1/Prст1)0,25 примем равным 1,1 (с последующей проверкой).
Таким образом, коэффициент теплоотдачи для смеси равен
Вт/(м2· К).
Рассчитаем коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб. Расчет осуществляем приближенно (без учета влияния поперечных перегородок).
Вт/(м2· К),
где е=0,6 — коэффициент, зависящий от расположения и числа труб по вертикали в пучке, для шахматного расположения труб и числе труб nв=14 (с. 162 [1]);
еГ=0,6 — коэффициент, зависящий от относительной массовой концентрации воздуха в паре — Х, принимаем Х=0,5% (с. 164 [1]);
Вt=1058 (таблица 4.6 [1]);
G2=0,56 кг/с;
n=196 — общее число труб;
L=2 м — длина труб (таблица 4.12 [1]).
Примем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны греющего пара 1/rзагр.2=5800 Вт/(м2· К), со стороны бутанола 1/rзагр.1=5800 Вт/(м2· К) (таблица ХХХI [1]). Коэффициент теплопроводности стали лст=46,5 Вт/(м2· К) (таблица ХХVII [1]); д=0,002 м — толщина стенки.
Находим сумму термических проводимостей стенки и загрязнений
Вт/(м2· К).
Коэффициент теплопередачи
Вт/(м2· К).
Поверхностная площадь теплового потока
Вт/м2,
где Дtср=61,5 єС — средняя разность температур.
Проверяем принятое значение (Pr1/Prст1)0,25. Определим
єС,
єС.
Определим критерий Прандтля при tст1=87,6 єС
где л1=0,149- коэффициент теплопроводности смеси при tст1=87,6 єС (рисунок Х [1]);
с1=2750 Дж/(кг· К) — средняя удельная теплоемкость бутанола при tст1=87,6єС (рисунок XI [1]);
значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:
где — теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;
— массовые доли компонентов.
;
м1=0,677· 10-3 Па· с — динамический коэффициент вязкости смеси при tст1=87,6 єС (таблица VI [1]).
Динамический коэффициент вязкости смеси:
где мА, мВ— коэффициенты динамической вязкости компонентов, А и В при соответствующей температуре [2, c.516].
Следовательно, Было принято (Pr1/Prст1)0,25 =1,1. Разница
Расчетная площадь поверхности теплообмена
м2.
Принимаем к установке шестиходовой теплообменник с F=31 м2.
Характеристики теплообменника Внутренний диаметр кожуха Dн=600 мм;
Общее число труб n=196;
Поверхность теплообмена F=31 м2;
Длина труб L=2 м;
Диаметр трубы d=25×2 мм.
Запас площади поверхности теплообмена
Заключение
В результате проведенного расчета мы определили:
Диаметр D=2600 мм и высоту колонны H =23,75 м, число тарелок 46.
Произвели гидравлический и тепловой расчет колонны.
Рассчитали и подобрали вспомогательное оборудование.
Библиографический список
1. Ченцова, Л. И. Процессы и аппараты химической технологии: учебное пособие к самостоятельной работе/ Л. И. Ченцова, М. К. Шайхудинова, В. М. Ушанова.- Красноярск: СибГТУ, 2006.-267с.
2. Павлов, К.Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов. Перепечатка с изд. 1987 г.- М.:ООО «РусМедиаКонсалт», 2004.-576с.
3. Шайхудинова М. К., Ченцова Л. И., Борисова Т. В. Процессы и аппараты химической технологии. Расчет выпарной установки: учебное пособие к выполнению курсового проекта.-Красноярск: СибГТУ, 2005. 80с.
4. Левин Б. Д., Ченцова Л. И., Шайхутдинова М. Н., Ушанова В. М. процессы и аппараты химических и биологических технолгий. Учеб. пособие для студентов химических специальностей вузов / Под общ. ред. д-ра. хим. Наук С. М. Репяха. — Красноярск: Сибирский государственный технологический университет, 2002. — 430с.
5. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г. С. Борисов, В. П. Брыков, Ю. И. Дытнерский и др. Под ред. Ю. И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. — 496 с.