Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Томский политехнический университет

Химико-технологический факультет

Кафедра общей химической технологии

Курсовой проект по курсу

«Процессы и аппараты химической технологии»

Ректификационная колонна непрерывного действия.

Вариант №.13

Выполнил:

студент гр. 5060

Новиков А.В.                                                                 

Проверил: Доцент

Лотова Л.Г.                                                                 

Томск 2007

СОРДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................................

Задание...................................................................................................

1. Расчет теплообменного аппарата………………………………..

2. Технологический расчёт....................................................................

3. Определение геометрических размеров...........................................

4. Гидравлический расчёт......................................................................

5. Тепловой расчет.................................................................................

6. Расчет тепловой изоляции.................................................................

7. Эскиз ректификационной колонны…………………………………..

8. Эскиз теплообменника(Дефлегматора)………………………………

Заключение............................................................................................

Литература……………………………………………………………….

ВВЕДЕНИЕ

Ректификацией называется массообменный процесс разделения жидких гомогенных смесей летучих компонентов путем многократного последовательно повторяющихся процессов испарения и конденсации.

Для практической реализации такого процесса необходимым условием является то, что паровая и жидкая фазы до вступления в контакт между собой должны находиться в неравновесном состоянии. Поскольку давление для фаз остается одинаковыми постоянным, то, следовательно, температуры фаз должны быть разными. При контакте между фазами происходит теплообмен: температура пара выше температуры жидкости, следовательно, пар конденсируется и отдает свое тепло жидкости, которая в свою очередь испаряется. В результате такого тепло- массообмена образующийся пар обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость - высококипящим компонентом. Так как система стремится к равновесию, то температуры образующихся паров и жидкости выравниваются.

Подобное многократное контактирование паров и жидкости на практике осуществляют в ректификационных колоннах, объем которых заполнен контактными устройствами для формирования поверхности контакта фаз. как правило, ректификационные колонны действуют по принципу противотока в целом по всему аппарату, в то время как на каждом отдельном участке формирования поверхности контакта фаз, схемы взаимодействия фаз могут быть самыми разнообразными. Для обеспечения неравновесных состояний пара и жидкости в нижнюю часть колонны (куб) подводится теплота, а в верхней части колонны теплота отбирается (дефлегматор). Схема ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси приведена на рис. 1.1.

Исходная смесь, с содержанием низкокипящего компонента Хf в количестве F поступает на питающую тарелку (эвапорационное пространство) с температурой tf. На питающей тарелке происходит процесс однократного испарения (ОИ), в результате которого образуется паровая фаза, обогащенная НК и жидкая фаза, обогащенная ВК. Жидкая фаза стекает с питающей тарелки вниз и поступает в куб колонны, где происходит интенсивное испарение. Образующийся пар подается вниз колонны и движется навстречу стекающей жидкости. На всем пути происходит тепломассообмен между паром и жидкостью, т.к. поступающий на каждую тарелку пар имеет температуру выше, чем жидкость, поступающая на эту тарелку сверху. В результате массообмена на выходе из колонны пар дистиллята содержит главным образом низкокипящий компонент, а жидкость в кубе колонны - в основном высококипящий компонент.

Выходящий пар дистиллята из колонны подвергается процессу дефлегмации с дальнейшим разделением потока на продукт (Р) с содержанием НК Хр и жидкую фазу, флегму в количестве (Ф) с содержанием НК Хф. Флегма подается на орошение колонны сверху. Высокое содержание НК в потоке флегмы предопределяет, что в верхней части колонны (от питающей тарелки вверх) происходит, главным образом, укрепление паровой фазы низкокипящим компонентом. По этой причине верхняя часть колонны называется укрепляющей или концентрационной. Нижняя часть колонны (от питающей тарелки вниз) называется исчерпывающей или отгонной частью, поскольку именно в этой части происходит основной отгон НК из жидкости в пар. В самом общем случае орошение колонны флегмой может осуществляться по разным вариантам.

Однако с целью упрощения расчетов в данных методических указаниях предлагается следующий вариант орошения:  пар дистиллята состава  УG поступает в дефлегматор,  где происходит  его полная конденсация и затем  образующийся  конденсат разделяется  на  два  потока: горячая флегма подается на орошение, а оставшаяся часть конденсата, пройдя через холодильник, выводится из установки и поступает в виде готового продукта Р с содержанием НК Хр в рефлюксную емкость. Исходная смесь в количестве F с содержанием НК Хf может подаваться на питающую тарелку в колонну в различных состояниях и при различной температуре. Чаще всего исходная смесь предварительно подогревается в теплообменнике до температуры кипения и подается в виде кипящей жидкости.

Рис.1.1. Схема ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарных

смесей.

1 - ректификационная колонна; 2 - подогреватель исходной смеси; 3 - дефлегматор; 4 - кипятильник (куб) колонны; 5 - теплообменник

ЗАДАНИЕ

на курсовой проект по ПиАХТ на тему:

«Ректификационная колонна непрерывного действия»

Произвести расчет процесса ректификации жидкой бинарной смеси метанол-вода на ректификационной установке непрерывного действия работающей под давлением Pабс=1атм и подобрать для соответствующего расхода исходной смеси колонну и теплообменный аппарат.  Производительность по исходной смеси Gf =10800 кг/час. Тип колонны – тарельчатая. Тип тарелок – колпачковые.

Содержание НК в смеси:

                                        Xf=0.30

                                        Xp=0.95

                                    (1-xw)=0.97

Исходная смесь поступает в колонну при температуре кипения. Начальная температура охлаждения воды 12С.

1.      Расчет теплообменного аппарата

Целью теплового расчета дефлегматора является определение поверхности   теплопередачи и подбор стандартного ( по ГОСТу) теплообменника.

Запишем тепловой баланс подогревателя:

Определим температуру пленки:

            °C

            °C

          °C

Составим таблицу №1 теплофизических величин для горячего и холодного теплоносителей соответственно при температурах °C и °C

Таблица №1

Теплофизические величины

         В основе теплового расчета лежит уравнение теплопередачи:

Зададимся коэффициентом теплопередачи в интервале  Вт/м2К.

Поверхность теплопередачи находим по формуле:

        (2.2.6)

       м2

        м2

В результате получаем интервал поверхности теплопередачи  м2

Примем Рейнольдс 15000:

Выбираем теплообменник [1,с.215] D=600 мм, общее число труб z=196, длина труб L=4 м , поверхность теплообмена F=61 м2.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

2.1Исходные данные

Смесь: метанол - вода

F = 10800кг/ч -производительность колонны по исходной смеси;

xf = 0,30 -содержание НК в исходной смеси;

xp = 0,95 -содержание НК в продукте;

xw = 0,03 -содержание НК в кубовом остатке;

П = 105 Па -давление в колонне;

   Мм=32г/моль- молярная масса метанола;

   Мв=18г/моль- молярная масса воды.

2.2 Перечень допускаемых упрощений

С целью упрощения расчетов процесса ректификации допускается принимать следующие допущения:

1. Вследствие того, что удельные мольные теплоты испарения неограниченно растворимых друг в друге компонентов смеси достаточно близки между собой, то принимается, что паровая и жидкая фазы в результате контактного тепломассообмена обмениваются между собой веществами в эквимолекулярном соотношении. Из этого следует, что мольные расходы фаз по высоте укрепляющей и исчерпывающей частей ректификационной колонны не изменяются.

2. Укрепляющим действием дефлегматора пренебрегается и считается, что состав пара дистиллята, выходящего из колонны, составы флегмы и продукта равны между собой, т.е.:

3. Составы жидкости и пара в кубе колонны равны между собой, т.е.:

4. Удельные мольные теплоты смешения компонентов незначительны и ими можно пренебречь.

2.3 Материальный баланс

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

Gд+Gw=10800

Gд*0.95+Gw*0.03=0.3*10800

Gд=10800-Gw

(10800-Gw)*0.95+Gw*0.03=3240

10260-0.95*Gw+Gw*0.03=3240

Gw=7630.4 кг/ч

Gw=10800-Gд

0.95*Gд+(10800-Gд)*0.03=3240

Gд=3135.5 кг/ч

Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях [2, табл. 6.2]:

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

     Относительный мольный расход питания:

2.4 Построение фазовых диаграмм

С целью проведения дальнейших материальных расчетов требуется построение линии равновесия и t-x-y диаграммы.

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.

Таблица №2

Построение t-x,y

Графическое изображение расчетной линии равновесия приведено на рис. 1.1.

2.5 Диаграмма t-x-y бинарной смеси

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 1.1). 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.1.2). 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.1.2.

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.

2.6 Определение рабочего флегмового числа

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). Здесь Rmin— минимальное флегмовое число:

где и - мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси;

       - концентрация легколетучего компонента в паре, находящимся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.

Обычно коэффициент избытка флегмы, при котором достигается оптимальное флегмовое число, не превышает 1,3.

Определим R по этому методу. По рис. 1 [Приложение 1] при . Определим Rmin:

- относительный мольный расход питания.

Определение оптимального рабочего флегмового числа

Таблица №3

где B – отрезок, отсекаемый рабочей линией укрепляющей части колонны на оси ординат.

Уравнения рабочих линий:

- Укрепляющая часть колонны:

- Исчерпывающая часть колонны:

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента — метанол. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

где и   - мольные массы метанола и воды;

      и - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:

Средние массы концентрации пара находим по уравнению рабочей линии:

Средние температуры пара определяем по диаграмме t-x,y рис.1.2

При =0,66   Tcp=77C

При  =0,39   Tcp=98C

Средние мольные массы:

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ТАРЕЛЬЧАТЫХ КОЛОНН, С КОЛПАЧКОВЫМИ ТАРЕЛКАМИ

Средняя температура паров в колонне:

Вверху колонны при              

Внизу колонны при

Определим среднюю плотность паров внизу и вверху колонны:

Средняя плотность пара в колонне:

Определим плотность жидкости, находящейся в колонне:

Вверху колонны при

Внизу колонны при

Средняя плотность жидкости в колонне:

3.1. Определение скорости пара

Фиктивную скорость пара (она же предельно - допустимая) можно рассчитать по различным методикам, изложенным в справочной литературе. При этом, скорость рассчитывается по формуле:

здесь 0  - скорость пара в м/с; с-для колпачковых тарелок при h=300mm  с=0,03

отсюда следует, что

Определение диаметра колонны:

;    D=1.5м

По каталогу-справочнику “Колонные аппараты” берем D=1500 мм

       ; w=0.98 м/c

3.2 Определение действительного числа тарелок

Для определения среднего КПД тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов, и динамический коэффициент вязкости исходной смеси при средней температуре в колонне, равной 87.5ос.

При этой температуре давление насыщенного пара метанола , воды , откуда

Динамический коэффициент вязкости метанола при 87,5 ос  , воды . Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси:

Тогда

По диаграмме [1, рис. 7.4]определим КПД тарелок

;

Общее число тарелок n=8

3.3 Определение высоты колонны

Определение высоты колонны проводится по следующему уравнению:

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.

При диаметре колонны

Тогда общая высота колонны составит:

4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определяется по формуле:

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

Полное гидравлическое сопротивление тарелки складывается из трех частей:

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:

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

         - средняя плотность паров в колонне, кг/м3;

Тогда:

1.      В верхней части колонны при Т=77:

2.      В нижней части колонны при Т=98:

5. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

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

Здесь

где  и - удельные теплоты конденсации этанола и воды при 90ос.

Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению:

Здесь тепловые потери приняты в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты; удельные теплоемкости взяты соответственно при ; температура кипения исходной смеси определена по рис.2 (см. приложение).

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

Здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси взята при средней температуре (96,0+25)/2=60,0ос.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

где удельная теплоемкость дистиллята  взята при средней температуре (77,0+10)/2=43,5 ос.

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

где удельная теплоемкость дистиллята  взята при средней температуре (98+10)/2=54 ос.

Расход греющего пара, имеющего давление и влажность 5%:

А) в кубе-испарителе

где - удельная теплота конденсации греющего пара.

Б) в подогревателе исходной смеси

Всего: 1,44+0,78=2,22 кг/с

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20 ос:

А) в дефлегматоре

Б) в водяном холодильнике дистиллята

В) в водяном холодильнике кубового остатка

Всего: 0,030+0,0026+0,0056=0,0382м3/с или 137,5 м3/ч.

6. 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:

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

где

В качестве материала изоляции выбираем совелит с Температуру стенки - принимаем равной 90°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.

Заключение

              Был произведен материальный и тепловой расчет ректификационной колонны непрерывного действия. Диаметр обечайки 1500 мм, ориентировочная высота колонны 5,6 м, тип тарелок – колпачковая, общее число тарелок -8.

              Рассчитана изоляция колонны, её толщина составляет 21 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.

Литература

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

2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для ВУЗов.-Изд. 2-е. В 2-х кн.: Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические процессы и аппараты.-М.: Химия, 1995.-400 с.

3. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры.-Л. Машиностроение, 1970-752 с.

4. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник.-Л.: Машиностроение, Ленинградское отд-е, 1981.-382 с.

5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973.-752 с.

12