Спроектировать ректификационную установку для разделения смеси ацетон — вода

Так как жидкость выходит самотеком, принимаем 0,3 м/с.

Принимаем диаметр штуцера dк = 300 мм.

5.5 Штуцер для входа пара из кипятильника

где: Vц — объемный расход пара, выходящего из кипятильника, м3/с;

Gц — массовый расход циркуляционного пара, кг/с;

Gкуб = Gw

(п — плотность пара из кипятильника, кг/м3;

Mср — молярная масса пара;

Wц — скорость входа потока пара из кипятильника, принимаем 30 м/с.

Принимаем диаметр штуцера dц = 400 мм.

5.6 Изготовление штуцеров и выбор фланцев.

Для упрощения конструктивных деталей колонны, будем изготовлять штуцера из отрезков труб соответствующих диаметров. Внешний вылет штуцеров составляет (1.5 от диаметра штуцера, внутренний — (0.

3. Чтобы предупредить попадание жидкости во внутреннее пространство штуцера, подающего циркуляционный пар, труба, из которой он изготовлен, обрезается под углом книзу.

К выступающим отрезкам труб привариваются фланцы плоские стальные.

6. Выбор насосов

6.1 Насос для подачи исходной смеси Выбираем центробежный насос марки Х45/31.

6.2 Насос для подачи флегмы в колонну и насос для подачи дистиллята в холодильник Выбираем центробежный насос марки Х45/31.

7. Расчет кожухотрубчатого конденсатора (дефлегматора)

7.1 Определение данных для расчета

Молярный расход паров:

Массовый расход паров:

где: Мср — молярная масса пара, равная 78.364;

Удельная теплота конденсации смеси: r = 519.

6 кДж/кг;

Температура конденсации: 80.5 о С;

Свойства конденсата при температуре конденсации:

Плотность:

Динамическая вязкость:

Коэффициент теплопроводности:

Тепло конденсации отводим водой с начальной температурой:

Примем температуру воды на выходе из конденсатора:

При средней температуре t = 20 о С воды имеет следующие свойства:

Плотность:

Теплоемкость:

Теплопроводность:

Динамическая вязкость:

Прандтль:

7.2 Тепловой расчет

Тепловая нагрузка аппарата:

Расход воды:

Средняя разность температур:

Ориентировочное значение поверхности:

Примем значение коэффициента теплоотдачи К = 500 Вт/м2К, тогда:

По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991 г., «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения» принимаем наиболее близкий к ориентировочному значению площади поверхности конденсатор КНГ: двухходовой, с одной плоской и одной эллиптической крышкой, диаметром кожуха 800 мм, длиной труб — 4000 мм, диаметром труб 25×2 мм и поверхностью теплообмена 138 м².

Проводим тепловой расчет выбранного конденсатора.

Число Рейнольдса:

Коэффициент теплоотдачи к воде:

Коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося в пучке горизонтальных труб:

Сумма термодинамических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений со стороны воды и пара:

Коэффициент теплопередачи:

Требуемая поверхность теплообмена:

Имеем запас по площади:

Толщину обечайки кожуха дефлегматора по рекомендации каталога ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991 г., «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения» принимаем 10 мм.

Диаметры штуцеров для входа и выхода охлаждающей воды по каталогу — 250 мм. Диаметр штуцера для входа пара и соответствует штуцеру выхода пара из колонны, а штуцер для слива конденсата соответствует штуцеру для входа флегмы.

7.3 Расчет трубных решеток и фланцев кожуха.

Толщина трубной решетки, исходя из закрепления труб развальцовкой с обваркой, определяется из условия:

где: dн — наружный диаметр трубы, равный 25 мм;

tр — шаг между трубами, равный 43 мм.

В соответствии с ГОСТ 28 759.

2−90 «Фланцы сосудов и аппаратов плоские приварные» для конденсатора с D = 800 мм и Ру = 0.6 Мпа толщина фланцев равна 40 мм. Так как фланцы у нас являются одной деталью с трубной решеткой, то толщина ее, соответственно, тоже 40 мм.

8. Расчет и выбор теплообменников

8.1 Кипятильник

Расход пара, кг/с:

Коэффициент теплопередачи, Вт/м2К:

Температура жидкости, оС:

Температура греющего пара, оС:

Удельная теплота парообразования смеси, кДж/кг:

Удельная теплота конденсации воды, кДж/кг:

Тепловая нагрузка аппарата, Вт:

Расход греющего пара, кг/с:

Средняя разность температур, оС:

Площадь поверхности теплообмена:

По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991 г., «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения», выбираем испаритель ИН-1 одноходовой с площадью теплообмена 41 м². Диаметр кожуха — 600 мм, длина труб — 2000 мм, количество — 131шт.

8.2 Холодильник

Расход дистиллята, кг/с:

Коэффициент теплопередачи, Вт/м2К:

Температура дистиллята, оС:

Температура охлаждающей воды, оС:

Теплоемкость воды, Дж/кг

К:

Тепловая нагрузка аппарата, Вт:

Расход охлаждающей воды, кг/с:

Средняя разность температур, оС:

Площадь поверхности теплообмена, м2:

По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991 г., «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения», выбираем холодильник ХК двухходовой с площадью теплообмена 24 м². Диаметр кожуха — 426 мм, длина труб — 3000 мм.

8.3 Рекуператор

Расход греющей жидкости (кубовая жидкость), кг/с:

Расход обогреваемой жидкости (исходная смесь), кг/с:

Коэффициент теплопередачи, Вт/м2К:

Температура исходной смеси, оС:

Температура кубовой жидкости, оС:

Теплоемкость исходной смеси:

Теплоемкость кубовой жидкости:

Тепловая нагрузка аппарата:

Конечная температура исходной смеси:

Средняя разность температур:

Площадь поверхности теплообмена:

По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991 г., «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения», выбираем теплообменник одноходовой с площадью теплообмена 77 м². Диаметр кожуха — 600 мм, длина труб — 3000 мм.

8.4 Подогреватель

Расход исходной смеси, кг/с:

Коэффициент теплопередачи, Вт/м2К:

Температура жидкости, оС:

Температура греющего пара, оС:

Удельная теплота конденсации воды, кДж/кг:

Тепловая нагрузка аппарата, Вт:

Расход греющего пара, кг/с:

Средняя разность температур, оС:

Площадь поверхности теплообмена:

По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991 г., «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения», выбираем теплообменник двухходовой с площадью теплообмена 51 м². Диаметр кожуха — 600 мм, длина труб — 3000 мм.

9. Тепловой баланс процесса ректификации

Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6

Q1 = 3 154 000 — тепло, поступающее в кипятильник ректификационного аппарата с греющим паром, Вт.

Q2 = 1 286 600 — тепло, поступающее с разделяемой смесью, Вт.

Q3 = 428 900 — тепло, поступающее с флегмой, Вт.

Q4 = 3 849 000 — тепло, уходящее с парами, Вт.

Q5 = 102 298 — тепло, уходящее с остатком, Вт.

Q6 — тепло, выделяемое в окружающую среду.

Q6 = Q1 + Q2 + Q3 — Q4 — Q5 = 918 202

Вт.

Для снижения тепловых потерь возможно применение тепловой изоляции как на колонне и теплообменниках, так и на трубопроводах.

Выводы

Как известно, ректификация — это массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаях в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемым в процессах абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхний частях колонны, переменный по высоте коэффициент распределения, совместное протекание процессов массои теплопереноса) осложняет его расчет.

Одна из сложностей, с которой встречаются проектировщики, заключается в том, что в литературе отсутствуют обобщенные закономерности для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 (мм), с насадками и тарелками, широко применяемыми в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчетов ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании абсорбционных процессов.

Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (такими как высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и др.) ряд требований может определятся спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способностью тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии и т. п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющим пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Размеры тарельчатой колонны (диаметр и высота) определяются нагрузками по пару и жидкости, типом контактного устройства (тарелки), физическими свойствами взаимодействующих фаз.

Целью проектного расчета ректификационной колонны для разделения смеси ацетон-вода являлось определение диаметра колонны, числа контактных устройств в укрепляющей и исчерпывающей частях колонны, гидравлического сопротивления тарелки и колонны в целом, при заданных составах исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, расходе исходной смеси и давлении в колонне.

Проведенные расчеты позволили установить:

диаметр колонны ;

число контактных устройств — ситчатых тарелок — в укрепляющей части колонны — 11 (шт.);

число контактных устройств — ситчатых тарелок — исчерпывающей части колонны — 15 (шт.);

гидравлическое сопротивление тарелки ;

гидравлическое сопротивление колонны .

диаметр штуцера для входа исходной смеси в колонну dи=100 (мм);

диаметр штуцера для выхода пара в дефлегматор dп=400 (мм);

диаметр штуцера для входа флегмы в колонну dф=100 (мм);

диаметр штуцера для выхода кубовой жидкости dк=300 (мм);

диаметр штуцера для входа пара из кипятильника dц=400 (мм);

для подачи исходной смеси, флегмы в колонну и дистиллята в холодильник используются центробежные насосы Х45/31;

тепловой баланс процесса ректификации Q=918 202 (Вт).

При данных параметра разделение смеси ацетон-вода в спроектированной ректификационной установке будет происходить наиболее оптимально, и заданная производительности по исходной смеси будет достигнута.

Список литературы

Александров И. А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. — М.: Химия, 1978.

Артамонов Д.С., Орлов В. Н. Расчет тарельчатой ректификационной колонны: Методические указания. — М.: МИХТ, 1981.

Дытнерский Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. — М.: Химия, 1991.

Коган В.Б., Фридман В. М., Кафаров В. В. рановесие между жидкостью и паром. — М.: Наук, 1966.

Лащинский А. А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. — Л.: Машиностроение, 1981.

Лащинский А.А., Толчинский А. Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. — Л.: Машиностроение, 1970.

Павлов К.Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. — Л.: Химия, 1987.

Плановский А.Н., Рамм В. М., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1968.

Рудов Г. Я., Д. А. Баранов Д.А. Расчет тарельчато ректификационной колонны: Методические указания. — М.: МГУИЭ, 1998.

Стабников В. Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов. — Киев: Техника, 1970.

Тютюнников А.Б., Товажнянский Л. Л., Готлинская А. П. Основы расчета и конструирования массообменных колонн. — Киев: Высшая школа, 1989.

ГОСТ 9617–76. Сосуды и аппараты. Ряды диаметров. — М.: Издательство стандартов, 1977.

Каталог: Емкостная стальная сварная аппаратура. — М.: «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1969.

Каталог: Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения. — М.: «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1991.

Краткий справочник физико-химических величин. — М.: Химия, 1967.

Плановский А.Н., Рамм В. М., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1968, 848 с.

Павлов К.Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. / Под ред. Романкова П. Г. — Л.: Химия, 1981, 560 с.

Павлов К.Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. / Под ред. Романкова П. Г. — Л.: Химия, 1981, 560 с.