ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ


      Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол - уксусная кислота по следующим данным:

1.   
Расход исходной смеси
G_F

= 5,0 кг/с.

2.   
Содержание низкокипящего компонента - бензола в процентах по массе:

·        В исходной смеси
–

x_F

=
35%;

·        В дистилляте
–

x_D = 90
%;

·        В кубовом остатке
–

x_W = 6
%.

3.   
Колонна работает под атмосферным давлением.

4.   
Тип ректификационной колонны
–
тарельчатая колпачковая.

Рассчитать холодильник дистиллята для ректификационной колонны (кожухотрубчатый теплообменник), если известно, что для охлаждения используется вода, начальная температура 15 ⁰С, конечная - 35 ⁰С.



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ                                                                                                                 4

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА РЕКТИФИКАЦИИ                                                       5

2. ПОДБОР МАТЕРИАЛА                                                       7

3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ                                                                                       8

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ                     10

5. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ УСТАНОВКИ                                                          19

6. РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА                                              2
6

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                   30


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ                                                                                           3
1

ВВЕДЕНИЕ

   
    Ректификация
–
многократная дистилляция, проводимая таким образом, что восходящий поток пара взаимодействует с нисходящим потоком жидкости, обогащенной легколетучим компонентом. В результате массопередачи поднимающийся пар обогащается легколетучим компонентом, а стекающая жидкость труднолетучим. Ректификация заключается в противоточном взаимодействии паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, получающейся при конденсации паров.

    Разделение осуществляется обычно в колонных аппаратах при  многократном или непрерывном контакте фаз. При каждом контакте  из   жидкости  испаряется преимущественно низкокипящий  компонент,  которым  обогащаются  пары,  а  из паровой -  конденсируется преимущественно высококипящий  компонент,  переходящий в жидкость. В результате обмена компонентами между фазами в  конечном  счете пары представляют  собой  почти  чистый  низкокипящий  компонент.  Эти  пары выходящие из верхней части колоны после их конденсации в отдельном  аппарате дают дистиллят (верхний продукт)  и  флегму  -  жидкость, возвращающуюся  для орошения колоны и взаимодействия с поднимающимися  в  колоне  парами.  Снизу удаляется  жидкость  представляющая   собой   почти   чистый   высококипящий компонент - кубовый остаток  (нижний  продукт).  Часть  остатка  испаряют  в нижней части колоны для получения восходящего потока пара.

      Ректификация известна  с  начала  девятнадцатого  века,  как  один  из важнейших технологических процессов главным  образом  спиртовой  и  нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию всё шире  применяют  в  самых различных  областях  химической  технологии,  где  выделение  компонентов  в чистом виде  имеет  весьма  важное  значение  (в  производных  органического синтеза,  изотопов,  полупроводников  и  различных  других  веществ  высокой
чистоты).
1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА РЕКТИФИКАЦИИ


Схема ректификационной установки непрерывного действия


1
–
емкость для исходной смеси; 2
–
подогреватель; 3
–
колонна;

4
–
кипятильник; 5
–
дефлегматор; 6
–
делитель флегмы; 7
–
холодильник; 8
–
сборник дистиллята; 9
–
сборник кубового остатка

Рис. 1.1.


Исходную смесь из емкости 1 центробежным насосом подают в теплообменник 2, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификацион­ную колонну 3, где состав жидкости равен составу исходной смеси x_F . Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, обра­зующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка x_W
,т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава х_D, получаемой в дефлегматоре 5 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом  непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 7 и направ­ляется в емкость 9.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легко­летучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

2.
ПОДБОР МАТЕРИАЛА

При конструировании химической аппаратуры следует применять стойкие металлические и неметаллические конструкционные материалы в заданных агрессивных средах. Материалы должны быть химически и коррозионностойкими в заданной среде при её рабочих параметрах, обладать хорошей свариваемостью и соответствующими прочностными и пластическими характеристиками в рабочих условиях, допускать холодную и горячую механическую обработку, а также иметь возможно низкую стоимость и быть недефицитными. При выполнении прочностных расчетов в первую очередь сталкиваются  с необходимостью оценки общей поверхностной коррозии выбираемого конструкционного материала, характеризующегося проницаемостью П мм/год.

Всегда нужно стремиться к выбору конструкционных материалов, характеризующихся минимальной проницаемостью.

В расчетах аппаратуры на прочность потеря по толщине материала на коррозию учитывается соответствующей прибавкой С, определяемой амортизационным сроком службы аппарата и проницаемость по формуле:

 С = ПТ_а= 0,1·20 = 2мм.
, где  П
≤
0,1 мм/год
.

С
–
прибавка к расчетным толщинам; П = 0,1мм/год
–
скорость коррозии; Т_а= 20лет
–
срок службы аппарата.

Принимаем сталь Х18Н1ОТ, для которой
= 134МПа. [4]

[] - допускаемое напряжение.

[] =
η
= 1·134 = 134МПа

η
= 1
–
поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки.

     Сталь Х18Н1ОТ применяется для обечаек, днищ, фланцев, трубных решеток, болтов, шпилек, валов, патрубков штуцеров, корпусов крышек, тарелок, фланцев и других деталей сварной, кованной, литой химической аппаратуры, работающих со средами средней и повышенной стоимости в пределах
t
  -254 до +600⁰С и  неограниченным давлением.

Остальные детали, не соприкасающиеся с токсичной, коррозионной средой, изготовляются из стали ст3.


3.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ


     Таблица 3
.
1


Данные о равновесном составе пара над жидкостью.
[3]

x	y	t	P
0,00 6,47 8,91 12,72 19,23 24,97 29,93 38,04 45,39 64,51 100,00	0,00 31,49 38,82 47,82 57,76 64,43 68,59 74,21 77,52 85,04 100,00	118,7 109,51 106,82 103,71 99,44 96,23 93,99 90,85 88,96 84,72 80,2	760

По данным таблицы строим линию равновесия и диаграмму равновесия между жидкостью и паром при постоянном давлении.

Линия равновесия.



Рис. 3.1.


Диаграмма равновесия между жидкостью и паром при постоянном давлении.




Рис. 3.2.

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ


4.1. Материальный баланс

Уравнение материального баланса.

G_F
=
G_D

+
G_W
;

G_Fx_F
=
G_Dx_D
+
G_Wx_W
,

где
G_F
,
G_D
,,
G_W

–
производительность по исходной смеси, дистиллята и кубового остатка;
X_F
,
X_D
,
X_W

–
содержание легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке, массовые доли.



    Для дальнейших расчетов выразим концентрации в мольных долях.

    Исходная смесь:

,

где
M
_Б
,
M
_У.К.

–
молярная масса бензола и уксусной кислоты

     Дистиллят:



     Кубовый остаток:



Относительный мольный расход питания
F
:



Определим минимальное число флегмы
R_min
:



y

=0,68
–
мольная доля бензола в паре, равновесном с жидкостью питания, определяем по рис. 3.1.

     Определим рабочее число флегмы:

R
= 1,3· К

+ 0,3 = 1,3· 0,501 + 0,3 = 0,951

     Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:



 б) нижней (исчерпывающей) части колонны:




4.2. Определение скорости пара и диаметра колонны.

     Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны

                 

б) в нижней части колонны:

           

     Средние концентрации пара находим по уравнению рабочих линий:

а) в верхней части колонны

           

б) в нижней части колонны

             

     Средние температуры пара определяем по диаграмме
t

–
(
x
,
y
) рис. 3.2.

а) при
y
`

= 0,734     
t
`

= 91,5 ⁰C

б) при
y
``

= 0,317    
t
``
= 109 ⁰C


     Средние мольные массы и плотности пара:

     а)   

     б)  

     Средняя плотность пара в колонне:



    Температура вверху колонны при
x_D

= 0,874 равняется
t_D
= 81,7 ⁰C, а в кубе
–
испарителе при
x

= 0,046 равняется
t

= 111,7 ⁰C. (см. рис. 3.2.)

     Плотность уксусной кислоты при 111,7 ⁰C
ρ
_У.К.
= 936,94 кг/м, а бензола  при 81,7 ⁰C
ρ
_Б 
=813.13 кг/м. [
5
]

     Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:



     Определяя скорость пара
ω
в колонне по данным принимаем расстояние между тарелками
h
= 300мм, С = 0,032.



Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне
t

= (91,5 + 109)/2 = 100,25 ⁰C

                

где М
_D
- молярная масса дистиллята, равная

                      
M_D
= 0,
874
·78 + 0,
126
·
60
=
75
,7кг/кмоль.

     Диаметр колонны:

                       

     По [2] принимаем
D
= 1600мм, тогда скорость пара в колонне будет:

                          



4.3. Гидравлический расчет колпачковой тарелки.

     Принимаем следующие размеры колпачковой тарелки:

Высота сливного порога
h

= 50мм.

     Диаметр патрубка принимают из ряда:   50, 75, 100, 125, 150.

     Задаемся диаметром патрубка 75мм.

     Диаметр колпачка находим из условия равенства скорости пара в газовом патрубке и в кольцевом сечении колпачка (т.е. если скорости пара равны, то равны их площади).

     Примем толщину стенки патрубка 3мм.

                  

Принимаем ширину прорези
b
_пр
=5 мм,

                высоту прорези
h
_пр
=20 мм.                

 Количество колпачков на тарелке

Принимаем
n
= 45 штук.

Длина окружности колпачка:

Количество прорезей

где а - расстояние между прорезями, а=4 мм

Принимаем
n
_пр.
=
38

Схема колпачка.



Рис. 3.1.

     На каждой тарелке колонны расположено по 45 колпачков, каждый из которых имеет по 38 прямоугольных прорезей размером
b



h

= 5

 20мм. Расстояние между прорезями 4мм; расстояние между тарелкой и верхним краем прорезей
h

= 30мм.

     Определяем скорость пара в прорезях:

              

Гидравлическое сопротивление тарелки в колонне рассчитывается по формуле:

∆
p
=
∆
p

+
∆
p

+
∆
p



     Сопротивление сухой тарелки:



ξ

–
коэффициент сопротивления колпачковой тарелки, равен 3,0;

ω
- скорость пара в прорезях, м/с;

 - средняя плотность пара в колонне.

     Сопротивление вызываемого силами поверхностного натяжения:



σ
=
19,8
·10^-3 H/
м

σ

–
поверхностное натяжение, Н/м;

d

- эквивалентный диаметр отверстия

     , где
f

–
площадь свободного сечения прорези; П
–
периметр прорези.

Тогда

 .

     Сопротивление столба жидкости на тарелке:



k

–
относительная плотность газожидкостного слоя, 0,5;

- средняя плотность жидкости в колонне, кг/м³;

l

–
расстояние от верхнего края прорези до конца порога, 20мм;

∆
h

–
градиент уровня жидкости, 10мм.

     Общее сопротивление тарелки в колонне:

            
∆
p
_общ
= 230 + 10 + 223 = 463  Н/м²


4.4. Определение числа тарелок и высоты колонны.

     На диаграмму х-у (см. рис.3.1.) наносим рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число теоретических тарелок. В верхней части колонны
n
`

= 3, в нижней части колонны
n
``

= 3, всего 6 тарелок.

     Число тарелок рассчитываем по уравнению:

                   

     Для определения среднего к.п.д.
η
тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов,  и динамический коэффициент вязкости исходной смеси
μ
при средней температуре в колонне, равной 100,25 ⁰С.

     При этой температуре давление насыщенного пара бензола

P
_Б
= 1344 мм.рт.ст., уксусной кислоты
P
_У.К.
= 420 мм.рт.ст. , откуда .

     Динамический коэффициент вязкости при 100,25 ⁰С бензола
μ
_Б
=0,26·10Па·с и уксусной кислоты
μ
_У.К.
= 0,46·10Па·с.

Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси

μ
= 0,36·10Па·с.

Тогда   
αμ
= 3,2· 0,36 = 1,15.

    По графику находим
η_ср
= 0,48 [5, стр. 323].

Длина пути жидкости на тарелке

                                   
l
=
D

–
2
b
= 1600
–
2·300 = 1000 мм = 1,0 м.

По графику находим
∆
=0.03 [
5
, стр. 324]

Тогда

η
=
η
(1+
∆)
=0,48(1+0,03)= 0,5

     Число действительных тарелок:

·        в верхней части колонны

;

·        в нижней части колонны

                                       ;

     Общие число тарелок
n
= 12, с запасом
n
_Т
= 14, из них в верхней части колонны 7 и в нижней части 7 тарелок.

     Высота тарельчатой части колонны:

, с учетом добавки на люк:



 Общее гидравлическое сопротивление тарелок:



4.5. Тепловой расчет установки.



Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре
–
конденсаторе:

          

     где:

где
r
_Б
,
r
_У.К.
- удельные теплоты конденсации бензола и уксусной кислоты при 81,7 ⁰С.

 
r
_Б
=391 кДж/кг,
r
_У.К.
=388 кДж/кг [5, табл.
XLV
, стр. 541-542]


     Расход теплоты, получаемой в кубе
–
испарителе от греющего пара:



Здесь тепловые потери приняты в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты: удельные теплоемкости взяты соответственно при
t_D
= 81,7 ⁰С,
t

= 111,7 ⁰С,
t

= 93,5 ⁰С, которые определены по рис. 3.2. [5, рис.
XI
, стр. 562]


     Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

 

Здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси с

=2011,2 Дж/кг·К взята при средней температуре

(93
,
5 + 20)/2 = 57 ⁰С.

     Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

           

где удельная теплоемкость дистиллята с
_D
= 1885,5 Дж/кг·К взята при средней температуре (82 + 30)/2 = 56 ⁰С.


      Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

            

где удельная теплоемкость кубового остатка с

=2178,8 Дж/кг·К взята при средней температуре (111,7 + 30)/2 = 71 ⁰С.

     Расход греющего пара, имеющего давление р=3 кгс/см² и влажность 5%:

а) в кубе
–
испарителе:

               

б) в подогревателе исходной смеси:

                 


Всего: 0,74 + 0,38 = 1,12 кг/с или 4 т/ч

     Расход охлаждающей воды при нагреве её на 20 ⁰С:

а) в дефлегматоре




б) в водяном холодильнике дистиллята





в) в водяном холодильнике кубового остатка




Всего: 0,0877 м³/с или 316 м³/час.

5. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ УСТАНОВКИ

где
n

–
общее число труб,

z

–
число ходов по трубному пространству,

d

–
внутренний диаметр труб.

Примем минимальное ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению  К_ор= 600Вт/м²·К. При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:



6.2.1 Уточненный расчет поверхности теплопередачи.

Примем диаметр кожуха
D
= 400 мм, диаметром труб 252мм, числом ходов
z
= 2 и общим числом труб
n
= 100

n
/
z
= 100/2 = 50.[1, стр.60]

      Реальное значение числа Рейнольдса
Re
₁
равно:



Pr
₁
=




Коэффициент теплоотдачи к воде, пренебрегая поправкой (
Pr
/
Pr

):



     Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками
S
_мтр
= 0,025м², тогда:



Pr
₂
=



Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся в межтрубном пространстве, составит:




     Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений:



     Коэффициент теплопередачи:



     Требуемая поверхность теплопередачи:



Из выбранного ряда подходит теплообменник с длинной труб 4,0м и номинальной поверхностью
F
₁
= 31,0

м².

Рассчитаем запас по площади:




6.2.2 Гидравлическое сопротивление.

Скорость жидкости в трубах:



    Коэффициент трения равен:

             

Е = Δ/
d
,
 
Δ
= 0,2мм
–
высота выступов шероховатостей.

Диаметр штуцеров в распределительной камере:

d
_тр.ш
=
100
мм = 0,1м

     Скорость в штуцерах:

              

     Гидравлическое сопротивление трубного пространства:



Число рядов труб
m
= 10, число сегментных перегородок х = 18. Диаметр штуцеров к кожуху
d
_мтр.ш
= 0,1 м, скорость потока в штуцерах

              

Скорость жидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью
S
_мтр
= 0,012м² равна:



Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства:


Длина труб теплообменника 4,0 м.

Macca
теплообменника 820 кг.

Число сегментных перегородок 18 шт.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

      В результате курсового проекта рассчитана ректификационная колонна непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол - уксусная кислота, а также холодильник дистиллята (кожухотрубчатый теплообменник) для данной установки.

     Колонна имеет диаметр 1600 мм, 45 колпачковых тарелок, высоту 11,7 м, толщину обечайки, крышки и днища 6 мм.

    Теплообменник имеет диаметр 325 мм; 100 труб диаметром 25•2 мм, длиной 4,0 м и поверхностью теплопередачи 31,0м².

    К достоинствам колпачковых тарелок относятся: высокая интенсивность работы вследствие большой поверхности контакта, устойчивость работы при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости

    К недостаткам относятся: высокое гидравлическое сопротивление, сложны по устройству, большие затраты металла, малая предельно допустимая скорость газа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.   
Аристова Н. А., Ноговицына Е.В. Процессы и аппараты химической технологии. Метод. указания к выполнению и оформлению курсовых проектов; Нижнетагил. технол. ин-т (фил.) УГТУ-УПИ.- Нижний Тагил: НТИ (ф) УГТУ-УПИ, 2007.
–
68 с.

2.   
Каталог: Колонные аппараты. М.: ЦИНТИНХИМНЕФТЕМАШ, 1987. 28 с.

3.   
Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. Кн.2. М.Л.: Наука, 1966. 1426 с
.


4.   
Лащинский А.А., Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник под ред. канд. техн. наук А.Р. Толчинского Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1981.
–
382 с., ил.

5.   
Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов по ред. чл. - корр. АН России П. Г. Романкова. - 13-е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987г. М.:ООО ТИД "Альянс",2006.-576с.