Назначение и область проектируемого объекта

ВВЕДЕНИЕ

 

Процесс ректификации находит широкое применение во многих отраслях химической, пищевой, и нефтеперерабатывающей промышленности. Для проведения ректификационного процесса применяют колонные аппараты различного типа, отличающиеся один от другого способом контакта фаз и видом контактного устройства.

Целью расчета ректификационной установки является определение основных размеров колонны, ее гидравлического сопротивления, поверхности теплообменников, материальных потоков и затрат тепла.

НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРОЕКТИРУЕМОГО ОБЪЕКТА

 

Колонные аппараты предназначены для проведения процессов тепло- и массообмена: ректификации, дистилляции, абсорбции, десорбции. Корпуса стандартизованных колонных аппаратов изготавливаются в двух исполнениях:

Ø Корпус, собираемый из отдельных царг с фланцевыми соединениями, рассчитан на давление 1,6 МПа.

Ø Корпус цельносварной, рассчитанный на давление до 4 МПа, имеют колонные аппараты диаметром более 1000мм с интервалом изменения диаметра через 200мм. Расстояния между тарелками в зависимости от типов могут изменяться от 300 до 1000мм.

До настоящего времени не выработано обобщенных и достаточно объективных критериев выбора типа тарелки для ведения того или иного процесса. Существенную роль в этом играют сложившиеся в организациях – поставщиках традиции, опирающиеся на многолетний опыт надежной эксплуатации разрабатываемой ими массообменной аппаратуры.

Тарелки с капсульными колпачками получили наиболее широкое распространение, благодаря своей универсальности и высокой эксплуатационной надежности, они достаточно эффективны, но металлоемки и сложны в монтаже.

Тарелки, собираемые из S – образных элементов, устанавливаются преимущественно в колоннах больших диаметров. Их производительность на 20-30% выше, чем у капсульных.

Клапанные тарелки, по сравнению с колпачковыми, имеют более высокую эффективность и на 20-40% большую производительность. Они применяются для обработки жидкостей, не склонных к смолообразованию и полимеризации, во избежание прилипания клапана к тарелке.

Ситчатые тарелки имеют достаточную высокую эффективность, низкое сопротивление и малую металлоемкость. Они применяются преимущественно в колоннах для обработки чистых жидкостей при атмосферном давлении и вакууме.

Решетчатые тарелки провального типа имеют производительность в 1,5 – 2 раза большую, чем колпачковые тарелки, низкую металлоемкость. Их эффективность достаточно высока, но в узком диапазоне рабочих скоростей. Эти тарелки рекомендуется применять при больших нагрузках колонны по жидкости.

Расчет флегмового числа

 

Минимальное флегмовое число можно рассчитать по формуле

 

 (II.3.1)

где - мольная доля низкокипящего компонента в паре, равновесном с исходной смесью, определяется по диаграмме х-у (рисунок 2).

Для нашего случая  Отсюда

 

 

Оптимальное флегмовое число найдем из условия получения минимального объема колонны, пропорционального произведению n_T(R+1), где n_T - число ступеней изменения концентрации (теоретическое число тарелок).

Расчет оптимального флегмового числа выполняем следующим образом:

а) задаемся рядом коэффициента избытка флегмы β в пределах от 1,1 до 5,0; определяем рабочее флегмовое число  и величину отрезка ;

б) откладываем отрезок В на оси ординат и проводим линии рабочих концентраций верхней и нижней частей колонны;

в) между равновесной и рабочими линиями в пределах концентраций x_W и x_D строим ступени, каждая из которых соответствует теоретической тарелке;

г) при каждом значении β определяем число теоретических тарелок n_T и величину произведения n_T(R+1).Результаты расчета сводим в таблицу 2.

Таблица 2 – Данные для расчета оптимального флегмового числа

β	R	B	nT	nT·(R+1)
1,1	2,464	0,241	16	55,424
1,75	3,92	0,17	12	59,04
2	4,48	0,15	11	60,28
2,8	6,272	0,11	9	65,448
3,6	8,064	0,092	8	72,512

д) по данным таблицы 2 строим график зависимости n_T(R+1)=f(R) (рисунок 3) и находим минимальное значение величины n_T(R+1). Ему соответствует флегмовое число R=2,5.

Эту величину и принимаем в дальнейших расчетах за оптимальное рабочее число флегмы. Число ступеней изменения концентраций при этом равно 16.

ВЫСОТА КОЛОННЫ

Высоту колонны определяем графо-аналитическим методом, т.е. последовательно рассчитываем коэффициенты массоотдачи, массопередачи, коэффициенты полезного действия тарелок; строим кинетическую кривую и определяем число действительных тарелок.

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе

 

 (III.1)

 

где D_п – коэффициент диффузии паров компонента А в парах компонента В, рассчитывается по формуле

 

 (III.2)

 

где Т – температура, К; p – абсолютное давление, кгс/см²; М_А, М_В – мольные массы компонентов А и В; ν_А, ν_В – мольные объемы компонентов А и В, определяемые как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав пара [2].

R_е – критерий Рейнольдса для паровой фазы

 

 (III.3)

 

где μ_п – динамический коэффициент вязкости пара, Па·с.

 (III.4)

 

где М_ср.п, М_А, М_В – мольные массы пара и отдельных компонентов, кг/кмоль; μ_ср.п, μ_А, μ_В – соответствующие им динамические коэффициенты вязкости; у_А, у_В – объемные доли компонентов смеси.

Коэффициент диффузии паров ацетона в парах этилового спирта:

а) в верхней части колонны

 

 

б) в нижней части колонны

 

 

Коэффициент динамической вязкости смеси паров ацетона и этилового спирта:

а) в верхней части колонны при температуре 68,57⁰С, μ_Ап=0,2165 мПа·с, μ_Вп=0,691 мПа·с.

 

 

б) в верхней части колонны при температуре 77,57⁰С, μ_Ап=0,203 мПа·с, μ_Вп=0,592 мПа·с.

 

 

Критерий Рейнольдса для паровой фазы:

а) в верхней части колонны

 

 

б) в нижней части колонны

 

 

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе:

а) в верхней части колонны

 

 

б) в нижней части колонны

 

 

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе

,

 

где D_ж – коэффициент диффузии в жидкости, м²/с; М_ж.ср – средняя мольная масса жидкости в колонне, кг/кмоль:

а) в верхней части колонны

 

 

 

б) в нижней части колонны

 

 

 - диффузионный критерий Прандля

 (III.5)

 

Коэффициент диффузии в жидкости при 20⁰С можно вычислить по приближенной формуле

 

 (III.6)

 

где μ_ж – динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа·с;

М_А, М_В – мольные массы компонентов А и В,кг/кмоль; ν_А, ν_В – мольные объемы компонентов А и В, кг/кмоль; А и В – коэффициенты зависящие от свойств низкокипящего и высококипящего компонентов.

Коэффициент диффузии пара в жидкости D_t связан с коэффициентом диффузии D₂₀ следующей приближенной зависимостью,

 

 (III.7)

 

в которой температурный коэффициент b может быть определен по эмпирической формуле

 

 (III.8)

 

где μ – динамический коэффициент вязкости жидкости при 20⁰С, мПа·с; ρ – плотность жидкости, кг/м³.

Динамический коэффициент вязкости жидкости

 

 (III.9)

 

а) в верхней части колонны при t=67,25⁰С

 

μ_А=0,2195 мПа·с

μ_В =0,713 мПа·с

 

б) в нижней части колонны при t=77,75≈78⁰С

 

μ_А=0,203 мПа·с

μ_В =0,592 мПа·с

 

Коэффициент диффузии ацетона в жидком этиловом спирте при t=20⁰С:

а) для верхней части колонны

 

 

б) для нижней части колонны

 

 

Температурный коэффициент принимаем равным b=0,0234.

Тогда

а) для верхней части колонны

 

 

б) для нижней части колонны

 

Критерий Прандля:

а) для верхней части колонны

 

 

б) для нижней части колонны

 

.

 

Определяем коэффициенты массоотдачи:

а) для верхней части колонны

 

 

б) для нижней части колонны

 

 

Коэффициенты массопередачи определяем по уравнению

 

 (III.10)

 

где m – тангенс угла наклона линии равновесия на рабочем участке.

Для определения угла наклона разбиваем ось х на участки и для каждого их них находим среднее значение тангенса как отношение разности (у^*-у) к разности (х-х^*) в том же интервале, т.е.

 

 (III.11)

 

Подставляя найденные значения коэффициентов массоотдачи β_п и β_ж и тангенсов углов наклона линии равновесия в уравнение, находим величину коэффициента массопередачи для каждого значения х в пределах от х_W до х_D.

Полученные значения К_у используем для определения числа единиц переноса n_у в паровой фазе

 

, (III.12)

 

где φ – отношение рабочей площади к свободному сечению колонны, примем φ=0,8.

Допуская полное перемешивание на тарелке, имеем

 

 (III.13)

 

где η – КПД тарелки.

Результаты приведенных выше расчетов, сводим в таблицу 3.

Таблица3 – Параметры, необходимые для построения кинетической кривой

x	xW	0,13	0,19	xF	0,3	0,5	0,7	0,8	xD
tgα=m	1,97	1,78	1,44	1,23	1,21	0,92	0,7	0,62	0,59
Ky·10-3	4,38	4,435	4,53	4,59	4,6	4,69	4,76	4,79	4,8
ny	0,134	0,136	0,138	0,14	0,141	0,144	0,146	0,1469	0,1472
η	0,126	0,128	0,13	0,132	0,1321	0,1346	0,13638	0,1371	0,1324
AC, мм	26	20,5	7	3,5	23	49	52	46,5	43
AB, мм	3,3	2,6	0,91	0,462	3,04	6,59	7,12	6,38	5,9

 

Между кривой равновесия и линиями рабочих концентраций в соответствии с табличными значениями х проводим ряд прямых, параллельных оси ординат (рисунок 4).

Измеряем полученные отрезки А₁С₁, А₂С₂, А₃С₃ и т.д. и делим их в отношении η=АВ/АС, т.е. определяем величину отрезков А₁В₁, А₂В₂…….А_nB_n. Через найденные для каждого значения х точки В проводим кинетическую кривую, отображающую степень приближений фаз на тарелках к равновесию.

Число реальных тарелок n_д находим путем построения ступенчатой линии между кинетической кривой и рабочими линиями в пределах от х_D до х_W.

Получаем 94 тарелок (40 в верхней части колонны, 54 – в нижней), которые и обеспечивают разделение смеси в заданных пределах изменения концентраций.

Высота тарельчатой части колонны

 

 (III.14)

Общая высота колонны

 

 (III.15)

 

где h_сеп – расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны, (высота сепарационного пространства), принимаем 0,8м (приложение А6 [3]); h_куб – расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны, (высота кубовой части), принимаем 2м (приложение А6 [3]).

 

 

В соответствии с рассчитанным диаметром колонны по каталогу-справочнику [1] подбираем стандартную колонну и тарелки. Принимаем к установке колонный аппарат диаметром 1000мм; колонна компонуется из однопоточных неразборных тарелок типа ТСК – I ОСТ 26-01-282-74 с капсульными стальными колпачками. Общее число колпачков на тарелке – 37. Основные параметры тарелки приведены в таблице 4.

 

Таблица 4 – Характеристика колпачковой тарелки

Диаметр колонны (внутр.) D, мм	1000
Свободное сечение колонны, м2	0,78
Длина линии барботажа, м	9,3
Периметр слива Lс, м	0,8
Площадь слива, м2	0,05
Площадь паровых патрубков, м	0,073
Относительная площадь для прохода паров, %	9
Диаметр колпачка d, мм	80
Шаг t, мм	110
Масса колпачка в кг (при h=20мм, Нt=300мм) для исполнения 1	39

 

Дефлегматор

 

В дефлегматоре конденсируется ацетон с небольшим количеством этилового спирта. Температура конденсации паров дистиллята t_D=63⁰C. Температуру воды на входе в теплообменник примем 18⁰С, на выходе 38⁰С.

Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи:

 

63→63

38←18

 

По таблице 4.8 [2] коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара органических веществ к воде находится в пределах 340 – 870 Вт/м²∙К. Принимаем наименьший коэффициент теплопередачи К=340 Вт/м²∙К.

Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара

 

 

Поверхность дефлегматора находим из основного уравнения теплопередачи

 (V.2.1)

 

С запасом 15-20% принимаем по каталогу [2, таблица XXXІV] двухходовой теплообменник.

Характеристики теплообменника:

поверхность теплообмена……………………………………76м²

диаметр кожуха……………………………………………….600мм

диаметр труб…………………………………………………...25×2

длина труб………………………………………………………4,0м

число труб

общее…………………………………………………………….244

на один ход………………………………………………………122

 

Холодильник для дистиллята

В холодильнике происходит охлаждение дистиллята от температуры конденсации до 30⁰С

 

63→30  

38←18

 

Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от дистиллята в дефлегматоре

 

 (V.3.1)

 

Принимаем К=300Вт/м²∙К по таблице 4.8 [2].

Поверхность теплообмена холодильника дистиллята

 

 (V.3.2)

 

По таблице 4.12 [2] принимаем одноходовой теплообменник.

Характеристики теплообменника:

поверхность теплообмена……………………………………4,5м²

диаметр кожуха (наружный)…..…………………………….237мм

диаметр труб…………………………………………………...25×2

длина труб………………………………………………………1,5м

число труб………………………………………………………..37

 

Подогреватель

t_гр.п=100⁰С

100→100

78,8←20

 

Принимаем К=150Вт/м²∙К по таблице 4.8 [2].

 

(V.5.1)

 

Поверхность теплообмена подогревателя исходной смеси

 

 (V.5.2)

 

По таблице 4.12 [2] принимаем двухходовой теплообменник.

Характеристики теплообменника:

поверхность теплообмена……………………………………31м²

диаметр кожуха (наружный)…..…………………………….400мм

диаметр труб…………………………………………………...25×2

длина труб………………………………………………………4,0м

число труб………………………………………………………..100

Заключение

 

В ходе проектирования была разработана ректификационная установка с требуемыми техническим заданием характеристиками.

В пояснительной записке приведены расчёты процессов, подтверждающие работоспособность проектируемого изделия.

Схемы каждого из механизмов приведены в соответствующих разделах пояснительной записки.

В графической части курсового проекта изображены: технологическая схема ректификационной установки, чертёж общего вида.

ВВЕДЕНИЕ

 

Процесс ректификации находит широкое применение во многих отраслях химической, пищевой, и нефтеперерабатывающей промышленности. Для проведения ректификационного процесса применяют колонные аппараты различного типа, отличающиеся один от другого способом контакта фаз и видом контактного устройства.

Целью расчета ректификационной установки является определение основных размеров колонны, ее гидравлического сопротивления, поверхности теплообменников, материальных потоков и затрат тепла.

НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРОЕКТИРУЕМОГО ОБЪЕКТА

 

Колонные аппараты предназначены для проведения процессов тепло- и массообмена: ректификации, дистилляции, абсорбции, десорбции. Корпуса стандартизованных колонных аппаратов изготавливаются в двух исполнениях:

Ø Корпус, собираемый из отдельных царг с фланцевыми соединениями, рассчитан на давление 1,6 МПа.

Ø Корпус цельносварной, рассчитанный на давление до 4 МПа, имеют колонные аппараты диаметром более 1000мм с интервалом изменения диаметра через 200мм. Расстояния между тарелками в зависимости от типов могут изменяться от 300 до 1000мм.

До настоящего времени не выработано обобщенных и достаточно объективных критериев выбора типа тарелки для ведения того или иного процесса. Существенную роль в этом играют сложившиеся в организациях – поставщиках традиции, опирающиеся на многолетний опыт надежной эксплуатации разрабатываемой ими массообменной аппаратуры.

Тарелки с капсульными колпачками получили наиболее широкое распространение, благодаря своей универсальности и высокой эксплуатационной надежности, они достаточно эффективны, но металлоемки и сложны в монтаже.

Тарелки, собираемые из S – образных элементов, устанавливаются преимущественно в колоннах больших диаметров. Их производительность на 20-30% выше, чем у капсульных.

Клапанные тарелки, по сравнению с колпачковыми, имеют более высокую эффективность и на 20-40% большую производительность. Они применяются для обработки жидкостей, не склонных к смолообразованию и полимеризации, во избежание прилипания клапана к тарелке.

Ситчатые тарелки имеют достаточную высокую эффективность, низкое сопротивление и малую металлоемкость. Они применяются преимущественно в колоннах для обработки чистых жидкостей при атмосферном давлении и вакууме.

Решетчатые тарелки провального типа имеют производительность в 1,5 – 2 раза большую, чем колпачковые тарелки, низкую металлоемкость. Их эффективность достаточно высока, но в узком диапазоне рабочих скоростей. Эти тарелки рекомендуется применять при больших нагрузках колонны по жидкости.