Ректификационная установка непрерывного действия

Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число. Расчет давления насыщенных паров толуола и ксилола. Определение объемов пара и жидкости, проходящих через колонну. Средние мольные массы жидкости. Определение числа тарелок, их гидравлический расчет.

Рубрика Физика и энергетика
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 27.01.2014
Размер файла 262,6 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ректификационная установка непрерывного действия

1. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса колонны:

; . (1.1)

Отсюда находим:

кг/с,

кг/с,

Для дальнейших расчетов пересчитаем составы фаз питания, дистиллята и кубового остатка из массовых долей в мольные по соотношению:

, (1.2)

где Мнк6Н5СН3) и Мвк6Н4(СН3)2) - молекулярные массы соответственно низкокипящего и высококипящего компонентов. Мнк = 92 кг/кмоль; Мвк = 106 кг/кмоль

Получим: 0,383 кмоль / кмоль смеси,

0,912 кмоль / кмоль смеси,

0,023 кмоль / кмоль смеси.

Построим диаграмму равновесия между паром и жидкостью в координатах у-х (состав пара - состав жидкости). По диаграмме определим - концентрацию легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью. Равновесные данные взяты из методического указания [8].

Линией равновесия называется графическое изображение зависимости . Для идеальных смесей расчеты и построение линий равновесия возможны аналитически. Для этого весь интервал температур от температуры кипения ВК до температуры кипения НК (при заданном давлении П) разбивают на ряд интервалов и для каждого значения температуры по справочнику находят соответствующие давления насыщенных паров чистых компонентов Рi0.

Затем, используя закон Дальтона, а именно:

находят соответствующие значения равновесных концентраций жидкости Хнк:

После этого по уравнению

рассчитывают равновесный состав пара Унк*. Обычно расчеты проводят в табличном варианте.

Для смеси толуол-ксилол рассчитаем и построим линию равновесия при общем давлении П=760 мм. рт. ст.

1. Определяем температуры кипения толуола и ксилола при П=760 мм. рт. ст.

tкип.Т= 110,60С - низкокипящий компонент НК

tкип.о-К.=144,40С - высококипящий компонент ВК

Следовательно, линия равновесия будет выражать зависимость содержания толуола в паре (УТ*) от его содержания в жидкости (ХТ), т.е. УТ*=f(ХТ).

2. Разбиваем интервал температур от 110,60С до 144,40С на ряд мелких интервалов. Необходимо отметить, что чем меньше шаг, тем выше точность построения. Обычно рекомендуется не менее десяти внутренних интервалов.

3. По справочным данным для расчета давления насыщенных паров толуола и ксилола при соответствующих температурах приведены следующие формулы:

В таблице 1 приведены результаты расчета давления насыщенных паров толуола и о-ксилола в интервале температур 110,6-144,40С.

В таблице 2 приведен расчет данных для построения линии равновесия

Таблица 1. Расчет давления насыщенных паров толуола и ксилола

t, °C

lgPтол

Pтол

lgPксил

Pксил

110,6

2,8805

759,38

2,4515

282,81

112

2,8977

790,07

2,471

295,83

114

2,922

835,59

2,4987

315,27

116

2,946

883,15

2,526

335,72

118

2,9698

932,8

2,553

357,23

120

2,9933

984,61

2,5796

379,84

122

3,0165

1038,6

2,6059

403,58

124

3,0394

1095

2,6319

428,5

126

3,0621

1153,6

2,6577

454,63

128

3,0845

1214,7

2,6831

482,02

130

3,1066

1278,2

2,7082

510,72

132

3,1285

1344,3

2,733

540,76

134

3,1502

1413

2,7575

572,2

136

3,1716

1484,4

2,7818

605,07

138

3,1927

1558,6

2,8058

639,42

140

3,2136

1635,5

2,8295

675,3

142

3,2343

1715,3

2,8529

712,75

144,4

3,2589

1815

2,8807

759,85

Таблица 2. Расчет равновесных составов паровой и жидкой фаз смеси толуол-ксилол

t, °C

Pтол

Pксил

П

мм рт. ст.

110,6

759,38

282,81

760

1,001

1,000

112

790,07

295,83

760

0,939

0,976

114

835,59

315,27

760

0,855

0,940

116

883,15

335,72

760

0,775

0,901

118

932,8

357,23

760

0,700

0,859

120

984,61

379,84

760

0,629

0,814

122

1038,6

403,58

760

0,561

0,767

124

1095

428,5

760

0,497

0,717

126

1153,6

454,63

760

0,437

0,663

128

1214,7

482,02

760

0,379

0,606

130

1278,2

510,72

760

0,325

0,546

132

1344,3

540,76

760

0,273

0,483

134

1413

572,2

760

0,223

0,415

136

1484,4

605,07

760

0,176

0,344

138

1558,6

639,42

760

0,131

0,269

140

1635,5

675,3

760

0,088

0,190

142

1715,3

712,75

760

0,047

0,106

144,4

1815

759,85

760

0,000

0,000

Рис. 1. Диаграмма равновесия между паром и жидкостью в координатах Y - X

Из диаграммы получим 0,61 кмоль / кмоль смеси. -

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение Rопт можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки Rопт используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения): = R/Rmin, где Rmin - минимальное флегмовое число:

(1.3)

При этом коэффициент избытка флегмы будет равен:

Уравнение рабочей линии верхней части колонны (укрепляющая часть колонны):

,

где - отрезок на оси У.

Y = 0,669 • X + 0,301

Уравнение рабочей линии нижней части колонны (исчерпывающая часть колонны):

,

где - отрезок на оси У.

Y = 1,357 • X - 0,01

2. Определение объемов пара и жидкости, проходящих через колонну

2.1 Средний мольный состав жидкости

а) в верхней части колонны

кмоль / кмоль смеси (2.1)

б) в нижней части колонны

кмоль / кмоль смеси (2.2)

2.2 Средние мольные массы жидкости

а) в верхней части колонны

кг/кмоль (2.3)

б) в нижней части колонны

кг/кмоль (2.4)

Мольная масса исходной смеси

кг/кмоль (2.5)

Мольная масса дистиллята

кг/кмоль (2.6)

Мольная масса кубового остатка

кг/кмоль (2.7)

2.3 Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости

а) в верхней части колонны

кг/с (2.8)

б) в нижней части колонны

кг/с (2.9)

3. Скорость пара и диаметр колонны

3.1 Температуры паров

Средние температуры паров определим по диаграмме t - х, у.

Данная диаграмма представляет собой совмещенный график зависимостей температуры кипения жидкости от ее состава и температуры насыщенных паров от их состава. Для ее построения используются данные расчета равновесных составов паровой и жидкой фаз (таблица 2). Вначале в координатах t-х наносят точки, соответствующие температурам кипения жидкости и равновесным ее концентрациям Х. Через найденные точки проводят плавную линию, которая носит название линии кипения жидкости (рис. 2). Затем на эту же диаграмму наносят точки, соответствующие температурам кипения и равновесным составам пара У*. Полученные точки так же соединяют плавной линией, которая называется линией насыщения (или конденсации) рис. 2.

Диаграмма t-х-у является основой для технологического расчета процессов разделения жидких смесей ректификацией, поскольку с ее помощью по известным значениям составов паров и жидкостей в любой точке аппарата определяются значения локальных температур, а так же решается обратная задача.

Температура кипения исходной смеси 128,0 0С

Температура кипения дистиллята 112,5 0С

Температура кипения кубового остатка 143,2 0С

а) Средняя температура пара в верхней части колонны

при 0С

б) Средняя температура пара в нижней части колонны

при 0С

Рис. 2. Диаграмма равновесия между паром и жидкостью в координатах t-x, y

3.2 Плотности паров в колонне

а) в верхней части колонны

кг/м? (3.1)

б) в нижней части колонны

кг/м? (3.2)

в) Средняя плотность пара в колонне:

кг/м? (3.3)

3.3 Плотности жидкостей в колонне

Определим плотность жидкости, находящейся в колонне:

Плотности жидких ксилола и толуола близки. Температура кипения дистиллята при 0,912 равняется 112,5 0С, температура кипения кубового остатка при равняется 143,2 0С.

Плотность жидкого ксилола (вверху колонны) 868,1 кг/м?

Плотность жидкого толуола (внизу колонны) 880,8 кг/м?

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

(3.4)

3.4 Предельная скорость паров в колонне

Фиктивную скорость пара (она же предельно - допустимая) можно рассчитать по различным методикам, изложенным в справочной литературе. При этом, скорость рассчитывается отдельно для верхней и нижней частей колонны. Для колпачковых тарелок предельную скорость рассчитываем по формуле:

(3.5)

здесь n - скорость пара в м/с; dк - диаметр колпачка в м; hк - расстояние от верхнего края колпачка до вышерасположенной тарелки, м.

Предварительно примем , расстояние между тарелками , высоту колпачка , Тогда:

Примем рабочую скорость пара на 30% меньше предельной:

Средняя скорость паров в колонне:

3.5 Диаметр колонны

Диаметр колонны рассчитаем по уравнению:

(3.6)

(3.7)

Рационально принять стандартный диаметр обечайки

Объемный расход паров:

Объемный расход паров в верхней части колонны:

Объемный расход паров в нижней части колонны:

4. Определение числа тарелок и высоты колонны

Построим рабочие линии и ступени изменения концентраций для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей колонны (рис. 3) и находим число ступеней изменения концентрации nт. В верхней части колонны n'т 6, в нижней части n''т 8, всего 14 ступеней.

Рис. 3. Построение рабочих линий по диаграмме Y - X

Число тарелок: Для определения среднего к.п.д. тарелок ? находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов ? = Ртк и коэффициент динамической вязкости исходной смеси ? при средней температуре в колонне, равной 129,3оС.

РТ = 1413 мм рт. ст.

Рк = 572,2 мм рт. ст.

?т = 0,218 мПа•с = 0,218•10-3 Па•с

?к = 0,279 мПа•с = 0,279•10-3 Па•с

Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси

(4.1)

Тогда: ? = 1413/572,2 = 2,48

?? = 2,48•0,249 = 0,617

Пусть КПД тарелок .

Пусть КПД тарелок .

Длина пути жидкости при равна что больше 0,9 м, следовательно, необходимо ввести поправку на длину пути .

Для сравнения рассчитывается средний КПД тарелки ?0

?0= (4.2)

в этой формуле безразмерные комплексы

(4.3)

(4.4)

Коэффициент диффузии

м?/с (4.5)

Число тарелок:

в верхней части колонны:

(4.6)

в нижней части колонны:

(4.7)

Общее число тарелок n = 26, из них в верхней части 11 и в нижней части 15 тарелок.

Определение высоты колонны проводится по следующему уравнению:

(4.8)

здесь Нг=(Ng-1)Н - высота тарельчатой (рабочей) части колонны, м;

Zв - высота сепарационный части над верхней тарелкой, м

ZН-расстояние от нижней тарелки до днища колонны, м.

(4.9)

При диаметре колонны

Тогда общая высота колонны составит:

(4.10)

Рис. 4. Колпачковая тарелка с диаметральным переливом жидкости: 1-диск; 2-опорный лист; 3-приёмный порог; 4-колпачки; 5-переливной порог; 6-сменная гребёнка; 7-перегородка

5. Гидравлический расчет тарелок

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определяется по формуле:

(5.1)

где и - полное гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей, Па.

Полное гидравлическое сопротивление тарелки складывается из трех частей:

(5.2)

где - гидравлическое сопротивление сухой тарелки;

- гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке;

- гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения. Сопротивление за счет поверхностного натяжения жидкости Р для колпачковых тарелок незначительно и им допускается пренебречь.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки рассчитывается по формуле:

(5.3)

где - коэффициент сопротивления сухой тарелки, для колпачковых тарелок , примем ;

- средняя скорость движения паров в колонне, м/с;

- средняя плотность паров в колонне, кг/м?;

- доля свободного сечения тарелки, м?/м?.

Тогда

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелках различно для верхней и нижней частей колонны:

где - ускорение свободного падения, м/с2;

- средняя плотность жидкости в колонне, кг/м?;

- высота светлого слоя жидкости на тарелке.

где - высота переливной перегородки, м;

- линейная плотность орошения, м?/м*с, равная ;

V - объемный расход жидкости, м?/с;

- скорость жидкости на тарелке, м/с;

- периметр слива, м.

Объемный расход жидкости:

В верху колонны:

(5.4)

В низу колонны:

(5.5)

Линейная плотность орошения:

В верху колонны:

(5.6)

В низу колонны:

(5.7)

Скорость жидкости на тарелке:

В верху колонны:

(5.8)

В низу колонны:

(5.9)

(5.10)

(5.11)

Тогда

Тогда полное сопротивление одной тарелки верхней и нижней частей колонны равно:

Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны:

(5.12)

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками (выбирается при диаметре колонны свыше ), необходимое для нормальной работы тарелок условие.

Для тарелок нижней части, у которых гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок верхней части: - вышеуказанное условие соблюдается.

Основной целью гидравлического расчета является определение гидравлических сопротивлений, которые возникают в процессе прохождения пара через ректификационную колонну из куба через контактные устройства в дефлегматор. В целом общие потери напора для всех ректификационных колонн позволяют рассчитать необходимое повышение температуры кипения смеси в кубе колонны.

6. Тепловой расчет

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению:

(6.1)

Здесь

(6.2)

где и - удельные теплоты конденсации толуола и о-ксилола при 94 оС.

Здесь тепловые потери приняты в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты; удельные теплоемкости взяты соответственно при ;

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

Здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси взята при средней температуре (128,0+25)/2=76,5 оС.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

где удельная теплоемкость дистиллята взята при средней температуре (112,5+10)/2=61,25оС.

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

где удельная теплоемкость дистиллята взята при средней температуре (143,2+10)/2=76,6 оС.

Расход греющего пара, имеющего давление и влажность 5%:

А) в кубе-испарителе

(6.3)

где - удельная теплота конденсации греющего пара.

Б) в подогревателе исходной смеси

Всего: 0,44+0,29=0,73 кг/с или 2,6 т/ч

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20 оС:

А) в дефлегматоре

(6.4)

Б) в водяном холодильнике дистиллята

В) в водяном холодильнике кубового остатка

Всего: 0,009+0,0042+0,0078=0,021 м?/с или 75,6 м?/ч.

7. Расчет тепловой изоляции

Целью расчета тепловой изоляции является определение толщины слоя теплоизоляционного материала, покрывающего наружную поверхность теплообменника с целью снижения тепловых потерь и обеспечения требований безопасности и охраны труда при обслуживании теплоиспользующих установок. С этой точки зрения температура поверхности слоя изоляции не должна превышать 45. Расчет толщины теплоизоляционного слоя материала можно проводить по упрощенной схеме, используя следующее уравнение:

(7.1)

где - коэффициент теплопроводности изоляционного слоя; - температура наружной стенки корпуса; - температура поверхности изоляционного слоя; - коэффициент теплоотдачи, определяющий суммарную скорость переноса теплоты конвекцией и тепловым излучением.

(7.2)

где (7.3)

В качестве материала изоляции выбираем с Температуру стенки - принимаем равной 140 °C (близкой к средней температуре в кубе колонны). Температуру изоляционного слоя примем равной 45 °C.

Т.к. наиболее горячая часть колонны это куб, то для всей остальной колонны можно принять ту же толщину слоя изоляции.

8. Конструктивно-механический расчет

В задачу конструктивно-механического расчета входит определение необходимых геометрических размеров отдельных деталей и узлов, которые определяют конструкцию колонны, ее механическую прочность и геометрические размеры.

8.1 Расчет толщины обечайки

Толщина обечайки рассчитывается по формуле:

(8.1)

где - наружное давление,

Т.к. среда является агрессивной и токсичной, то принимаем материал стали 12х18Н10Т, для которой .

- прибавка к расчетной толщине,

где - скорость коррозии или эрозии, мм/год, примем ;

- срок эксплуатации аппарата,

К2=0,35;

где - поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки (листовой прокат).

Принимаем .

Для обечаек с диаметром больше 200 мм должно выполняться условие:

- условие выполнено.

8.2 Расчет толщины днища и крышки

Наиболее рациональной формой для цилиндрических аппаратов является эллиптическая. Эллиптические днища и крышки изготавливаются из листового проката штамповкой и могут использоваться в аппаратах с избыточным давлением до 10 МПа. Крышки и днища подбирают стандартными по таблицам из справочной литературы.

Толщина днища:

(8.2)

Принимаем толщину крышки равной толщине обечайки .

Подбираем стандартные стальные эллиптические отбортованные днище и крышку по (ГОСТ 6533-68), параметры которых примем при :

; , что соответствует и , .

8.3 Расчёт и подбор штуцеров

(8.3)

где - скорость движения жидкости или пара, принимаем скорость движения жидкости равную 1,0 м/с, для пара - 20 м/с.

Штуцер для ввода исходной смеси:

По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с .

Штуцер для ввода флегмы:

По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с .

Штуцер для отвода кубового остатка:

По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с .

Штуцер для вывода паров дистиллята:

По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с .

Штуцер для ввода паров кубовой смеси:

По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с .

Заключение

Был произведен материальный и тепловой расчет ректификационной колонны непрерывного действия. Диаметр обечайки 1800 мм, ориентировочная высота колонны 10,5 м, Тип тарелок - колпачковые ТСК-III общее число тарелок - 26, причем 11 вверху и 15 внизу.

Рассчитана изоляция колонны, её толщина составляет 25 мм (в качестве изоляции был выбран совелит), а также произведен гидравлический расчет колонны.

Ректификационная колонна установлена на опору типа ОВ по МН 5131-63.

Контроль процесса осуществляется: термометрами сопротивления, манометрами и расходомерами.

колонна давление пар гидравлический

Список литературы

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / под ред. Дытнерского Ю.И. - М.: Химия, 1991. - 496 с.

2. О.А. Тишин, И.С. Мокрецова Методические указания по курсовому проектированию по дисциплине «Процессы и аппараты химических производств» Волгоград, 2001. - 20 с.

3. Н.И. Гальперин «Основные процессы и аппараты химической технологии» М. Химия, 1981. - 810 с.

4. В.Б. Коган «Равновесия между жидкостью и паром» справочник М. Наука 1966 г. 2т.

5. И.А. Иоффе «Проектирование процессов и аппаратов химической технологии» Л. Химия 1991 г. - 352 с.

6. И.А. Александров «Ректификационные и абсорбционные аппараты» М. Химия 1978 г. - 277 с.

7. Каталог «Колонные аппараты» 1978. - 310 с.

8. А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган, Процессы и аппараты химической технологии, М. Госхимиздат, 1962. - 846 с.

9. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие. Л.: Химия, 1987. - 576 с.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Определение скорости пара и диаметра колонны, гидравлический расчёт тарелок. Определение числа тарелок и высоты колонны, тепловой расчёт установки, расчёт штуцеров. Штуцер для ввода исходной смеси, для вывода паров дистиллята, для вывода кубового остатка.

    курсовая работа [631,8 K], добавлен 25.05.2023

  • Определение силы гидростатического давления жидкости на плоские и криволинейные поверхности, в закрытом резервуаре. Специфические черты гидравлического расчета трубопроводов. Определение необходимого давления рабочей жидкости в цилиндре и ее подачу.

    контрольная работа [11,4 M], добавлен 26.10.2011

  • Определение веса находящейся в баке жидкости. Расход жидкости, нагнетаемой гидравлическим насосом в бак. Вязкость жидкости, при которой начнется открытие клапана. Зависимость расхода жидкости и избыточного давления в начальном сечении трубы от напора.

    контрольная работа [489,5 K], добавлен 01.12.2013

  • Процесс превращения пара в жидкость. Расчет количества теплоты, необходимого для превращения жидкости в пар. Температура конденсации паров вещества. Конденсация насыщенных паров. Определение теплоты фазового перехода при квазистатическом процессе.

    презентация [784,4 K], добавлен 25.02.2015

  • Описание технологической схемы и выбор конструкционного материала аппарата. Диаметр колонны и скорость пара, ее тепловой баланс. Выбор и расчет подогревателя исходной смеси. Определение толщины стенки и опоры колонны. Подбор конденсатора и кипятильника.

    курсовая работа [624,5 K], добавлен 28.08.2014

  • Расчет характеристик установившегося прямолинейно-параллельного фильтрационного потока несжимаемой жидкости. Определение средневзвешенного пластового давления жидкости. Построение депрессионной кривой давления. Определение коэффициента продуктивности.

    контрольная работа [548,3 K], добавлен 26.05.2015

  • Постоянство потока массы, вязкость жидкости и закон трения. Изменение давления жидкости в зависимости от скорости. Сопротивление, испытываемое телом при движении в жидкой среде. Падение давления в вязкой жидкости. Эффект Магнуса: вращение тела.

    реферат [37,9 K], добавлен 03.05.2011

  • Три случая относительного покоя жидкости в движущемся сосуде. Методы для определения давления в любой точке жидкости. Относительный покой жидкости в сосуде, движущемся вертикально с постоянным ускорением. Безнапорные, напорные и гидравлические струи.

    презентация [443,4 K], добавлен 18.05.2019

  • Отклонение свойств реального газа от идеального. Расчет свойств реальных газов. Процесс перехода твердого вещества непосредственно в пар. Испарение жидкости в ограниченном пространстве. Определение массы сухого пара во влажном и массы влажного пара.

    реферат [246,1 K], добавлен 24.01.2012

  • Проведение исследования схемы движения воды в поверхностях нагрева. Уменьшение гидравлического сопротивления подогревателя через охлаждение греющего пара. Определение теплоотдачи от пара к стенке и от стенки к воде. Тепловой расчет охладителя дренажа.

    контрольная работа [262,4 K], добавлен 20.11.2021

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.