Проектирование ректификационной установке непрерывного действия для разделение смеси этиловый спирт-вода

 Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

 Департамент научно-технологической  политики и образования Федеральное  государственное образовательное  учреждение

 высшего профессионального  образования 

«Красноярский государственный аграрный университет»

Институт пищевой промышленности

Кафедра технология, оборудование

бродильных  и пищевых производств

 

процессы и аппараты пищевых

производств

(наименование дисциплины)

 

 

 

КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Тема: «Проектирование ректификационной установке непрерывного действия для разделение смеси этиловый спирт-вода»

Пояснительная записка

02П2710ПЗ

 

 

 

Выполнил

студент группы 43                    _________                         Филипова Ю.С

                                                      (подпись)                               (ФИО)

 

 

Принял                                     _________                        Ченцова Л.И

                                                      (подпись)                                 (ФИО)

 

 

 

 Красноярск 2013

 

Реферат

   Пояснительная записка 27 стр., 3 рис., 4 источника.

   Ректификация, колонна  с колпачковыми тарелками.

   Объектом исследования  является ректификационная установка  непрерывного действия для разделения  смеси этиловый спирт – вода.

   Цель работы – рассчитать и начертить колонну ректификации, технологическую схему ректификации.

   В результате проведённой  работы рассчитана колонна с  колпачковыми тарелками и начерчены схема, чертёж.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

с.

   Введение…………………………………………………………………………….5

1. Описание технологической схемы……………………………………………..7
1. Технологическая схема ректификации………………………………….8
2. Технология расчётов…………………………………………………………….9
1. Материальный баланс…………………………………………………….9
2. Определение скорости пара и диаметра колонны……………………..11
3. Определение числа тарелок и высоты колонны…………………….....14
4. Гидравлический расчёт тарелок………………………………………...16
5. Тепловой расчёт колонны……………………………………………….20
3. Расчёт вспомогательного оборудования……………………………………...22
1. Расчёт дефлегмата……………………………………………………….22
2. Расчёт холодильника для дистиллята…………………………………..23
3. Расчёт холодильника для кубового остатка……………………………24
4. Расчёт кипятильника………………………………………………….....24
5. Расчёт подогревателя……………………………………………………25
4. Заключение……………………………………………………………………...26
5. Библиографический список……………………………………………………27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

   Ректификация –  это достаточно высокая степень  разделение однородных жидких смесей на компоненты.

   В простейшем виде  процесс многократного испарения  можно осуществить в многоступенчатой  установке, в первой степени которой испаряется исходная смесь на вторую ступень поступает  на испарение жидкости, оставшаяся после отделение паров в первой ступени, в третьей ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени (после отбора из последних паров), и т.д. Аналогично может быть отанизован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующую ступень поступают для конденсации пары, оставшиеся после отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущей ступени.

   При достаточно  большом числе ступеней таким путём можно получить жидкую или паровую фазу с достаточно высокой концентрацией компонента, которым она обогащается. Однако выход этой фазы будет мал по отношению к её количеству в исходной смеси. Кроме того, описанные установки отличаются громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую среду.

     Значительное  более эластичного, полное и чёткое  разделение смесей на компоненты  достигается в процессах ректификации, проводимых обычно в более компактных аппаратных-ректификационных колонах.

   Колонные аппараты  предназначенные для проведения  процессов тепло- и массообмена: ректификации, дистилляции, абсорбции, десорбции. Корпуса стандартизованных колонных аппаратов изготавливаются в двух исполнениях. Корпус, собираемый из отдельных царг с фланцевыми соединениями, рассчитан на давление 1,6 МПа.

      Корпус цельносварной, рассчитанный на давление до 4 МПа, имеет колонные аппараты диаметром более 100 мм с интервалом изменения диаметра через 200 мм. Расстояние между тарелками в зависимости от 300

 

до 1000 мм.

   До настоящего  времени не выработано обобщенных  и достаточно объективных критериев  выбора типа тарелок для ведения  того или иного процесса. Существенную  роль играет сложившиеся в  организациях-поставщиках традиции, опирающиеся на многолетний опыт надёжной эксплуатации разрабатываемой или массообменной аппаратуры.

    Тарелка с кожульными колпачками получим наиболее широкое распространение благодаря своей универсальности и высокой эксплуатационной надёжности; они достаточно эффективны, но металлоёмки и сложны в монтаже.

   Клапанные тарелки  по сравнению с колпачковыми  имеют более высокую эффективность  и на 20-40% большую производительность; они принимаются для обработки  жидкости, не склонных к самообразованию  и полимеризации, во избежание прилипания клапана к тарелке.

   Ситчатые тарелки  имеют достаточно высокую эффективность, низкое сопротивление и мольную  металлоёмкость. Они применяются преимущественно в колоннах для обработки чистых жидкостей при атмосферном давлении в вакууме.

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

 

 

 

 

 

 

 

 

    1.Описание технологической схемы

    Технологическая  схема не прерывной ректификации  включает ёмкость исходной смеси, центробежный насос, подогреватель  исходной смеси, где она нагревается  до tкип и с этой температурой она поступает в колонны ректификации на питательную тарелку. Колонна ректификации с колпачковыми тарелками.

   Вверху колонны  находится дефлегматор, в котором  происходит конденсация, выходящая  из колонны паром. Часть полученной  жидкости через гидрозатвор возвращается на верхнюю часть тарелки колонны виде флегмы, которая служит для обогащения пара поднимающийся верхней части колонны.

   Вторая часть жидкости  поступает в холодный  дистиллятор, охлаждающий до t 25-300 C и поступает в сборник дистиллятора. Исходная смесь поступившая в колонну стекает по тарелкам вниз колонны(в куб колонны), а встречу из куба колонны поднимается пар высокопящего компонента, который образовался в кипятильнике. Часть кубовой жидкости выходит из колонны поступающий в кипятильник превращающийся в пар и поднимается вверх по колонне.

   При встрече потока  пара из куба в колонну со стекшей жидкостью на каждую тарелку. Происходящий процесс конденсации пара и испарения жидкости вскипающей на тарелке. С этой тарелки на следующую поднимается пар обогащающие низкокипящие компоненты и такой процесс продолжается от тарелки к тарелке.

    Вторая часть  кубовой жидкости поступает в  холодный дистиллятор, опять охлаждается  до t 25-300 C и собираются в ёмкости кубовой жидкости.

 

       2.Технология расчётов

      Материальный баланс

     Для дальнейших расчётов концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка выразим в массовых долях по формуле:

где - массовая доля для низкокипящего компонента в жидкости; - мольная масса низкокипящего компонента, кг/моль; - мольная масса высококипящего компонента, кг/моль.

    Мольная масса  этилового спирта  = 46 кг/моль; мольная масса воды = 18 кг/моль. Подставила значения в формулу, получила:

 

 

 

   Средние массовые концентрации низкокипящего компонента в верхней части колонны:

 

в нижней части колонны

 

   Массовый расход исходной смеси , кг/с, определила по формуле:

 

   Массовый расход кубового остатка , кг/с, определила по формуле:

 кг/с

 

 Относительный мольный расход питания определила по формуле:

 

где - содержание низкокипящего компонента в дистилляте, =0,75; -содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке, =0,02; - содержание низкокипящего компонента в исходной смеси, =0,18.

   Подставила  эти значения в формулу, получила:

   На основании  табличных данных построила диаграмму равновесия . Так как кривая равновесия имеет впадину для определения провели касательную АС из точки АК вра и на оси ординат определила величину отрезка отсекаемой этой линией - . А затем рассчитала минимальное флегмовое число.      

 
 

   Действительное число  флегмы определила по формуле:

 

   Уравнение рабочих  линий:

а) верхний (укрепляющей) части колонны

 

б) нижней (исчерпывающей) части колонны

 

   Определение скорости пара и диаметра колонны

   Средние мольные концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны

 

б) в нижней части колонны

 

   Средние концентрации  пара нашли по уравнению рабочих  линий:

а) в верхней части колонны

 

б) в нижней части колонны

 

  

 

 Средние температуры пара определила по диаграмме

 

а) при 0С;

 б) при  0С;

    Средние мольные  массы и плотности пара:

а)

где - мольная масса этилового спирта, =46 кг/моль; - мольная масса воды, =18 кг/моль.

 кг/моль;

 

;

.

б)

 

;

 

   Средняя плотность  газа в колонне:

 

   Температура вверху  колонны при равняется 78,50С, а в кубе – испарителе при она ровна 98 0С.

   Плотность жидкого  этилового спирта при 78,5 0C ,а воды при 98 0С .

   Средняя плотность жидкости в колонне:

   Определила скорость  пара в колонне по формуле:

 

где с – коэффициент, нашли по рисунку в зависимости от расстояния между тарелками h, которое принимает h = 400 мм. Для колпачковых тарелок с = 0,045.

   Подставила значения  в формулу, получила:

   Объёмный расход  проходящего через колонну пара  при средней температуре в  колонне  определила по формуле:

где - производительность колонны, = 1,9 кг/г; p – атмосферное давление (по заданию); p0 = 1,033 ат; =273+81,5=354,5 К; - мольная масса  дистиллята, равная

.

   Подставила эти  значения в формулу, получила:

.

   Диаметр колонны  определила по формуле:

  Принимаем  .

Тогда скорость пара в колонне равна:

   

   Определение числа тарелки и высота колонны

   Для определения числа тарелок необходимо построить линии рабочих концентраций для верхней и нижней частей колонны. Для этого из восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с диагональю (точка А) на оси ординат откладываем величину отрезка равного:

   Получили точку  К. Соединили точки А и К. Из  проводим вертикальную линию до пересечения с линией АК, получили точку Д. Из проводим вертикаль до пересечения с диагональю (точка М). Линия АД – есть линия рабочих концентраций для верхней части колонны, линия ДМ – для нижней части колонны.

   Для определения числа тарелок равновесия, и из полученной точки опускаем перпендикуляр на линию рабочих концентраций и так продолжаем до .

   Таким образом  теоретическое число тарелок  в верхней части колонны  , в нижней части , всего 9 ступеней.

  Число действительных  тарелок рассчитывается по формуле:

 

где - средний КПД тарелок. Для его нахождения определим коэффициент относительно летучим разделяемых компонентов по формуле:

 

и динамический коэффициент вязкости исходной смеси при средней t в колонне, равной 81,50С. При этой температуре давление насыщенного пара этилового спирта Рэ.с=700 мм.рт.ст., воды Рводы=280 мм.рт.ст. Подставила эти значения в формулу, получила:

 

  Динамический коэффициент  вязкости исходной смеси 

   По рис.7.4 [1.323] находим . Подставила значение в формулу, получила:

   Высота тарельчатой  части колонны

 

где h – расстояние между тарелками, h=400 мм.

  Подставила эти значения  в формулу, получила:

  

 

 

   Гидравлический расчёт тарелок

   В соответствии с расчетом выше диаметром колонны подбирают стандарты колонны и тарелки. Приняла к установке колонный аппарат диаметром 1800 мм; колонна компонуется из однопоточных неразобраных нормализованных тарелок типа ТСК-II с капсульным стальным и колпачками.

   Нагрузку по жидкости  на единицу длины сливной перегородки (борта) определила по наибольшей загруженности, нижней части колонны по формуле:

   Объёмный расход  жидкости в нижней части колонны  определила по формуле:

 

где ρж.н – плотность жидкости в нижней части колонны. Её определила по формуле:

тогда

 

   Нагрузку по жидкости  на единицу длины сливной перегородки  определила по формуле: 

где L – периметр слива, L=1,1 м.

    Фактическая нагрузка  на превышающая допустимую (65 м3/м.ч) и это должно обеспечивать разномерное распределение пара по сечении тарелки.

  Скорость, необходимую для полного открытия прорезей определила по формуле:

 

где ξ – коэффициент сопротивления тарелки, принимаем ξ=5; hпр – высота прорези, принимаем hпр=0,02 м; ρп – средняя плотность пара в нижней части колонны, ρп=1,27 кг/м3; ρж – средняя плотность жидкости в нижней части колонны, ρж=909 кг/м3.

   Подставила эти  значения в формулу, получила:

 

   Площадь сечения всех прорезей определила по формуле:

где nкол – количество колпачков на тарелке, принимаем nкол=96; nпр – число прорезей в колпачке, принимаем nпр=36; Sпр – площадь прорези, принимаем Sпр=0,0008 м2.

   Подставила эти  значения в формулу, получила:

   Отношение площади сечения прорезей и площадь поперечного сечения колонны определила по формуле:

где - площадь поперечного сечения колонны;

  Определила по формуле:

 

   Подставила значения в формулу, получила:

 

   Фактическую скорость  пара в прорезях определила  по формуле:

  

где - скорость пара в колонне, ω=1,55 м/с.

   Подставила в формулу, получила:

  

    Полное открытие прорезей будет обеспечивать, так как

   Гидравлическое сопротивление  колонны определила по формуле:

 

где n – число тарелок, n=18; - гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки, определила по формуле:

 

где - сопротивление сухой тарелки нижней части колонны, определила по формуле:

- сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения,

определила по формуле:

где δ – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в нижней части колонны 83 ℃.

   Поверхностное натяжение  жидкости при средней t=83 ℃, нашли по таблице 24, 20 % этилового спирта δ=31∙10-3 Н/м по Павлу Романкову(3).

- эквивалентный диаметр отверстий тарелки, определила по формуле:

,

где П – периметр прорези, определила по формуле:

 

где hпр, b – высота и ширина прорези, hпр=0,02; b=0,004 м.

   Подставила эти  значения в формулу, получила:

   Подставила значения  в формулу, получила:

   Подставила значения  в формулу, получила:

- сопротивление столба  жидкости на колпачковой тарелке, определила по формуле:

где g – ускорение свободного падения, g=9,8 м/с2; k – относительная плотность пены, k=0,5; ρж – плотность жидкости, ρж=909 кг/м3; 1- расстояние от верхнего края прорези до сливного порога, принимаем 1=0,02 м; ∆h – высота уровня жидкости над сливным порогом, определим по формуле:

где K – коэффициент, учитывающий увеличение скорости сужение потока жидкости в результате сжатия его стенками при походе к сливной перегородке, принимается в пределах 1,01-1,05; принимаем K=1,025.

     Подставила значение в формулу, получила:

   Подставила значение в формулу, получила:

 

   Подставила значение  в формулу, получила:

 

   Подставила значения  в формулу, получила:

   Проверила, соблюдаются ли при расстоянии между тарелками h=0,4 м необходимое для нормальной раб. тарелок условия:

   В нашем случае

 

0,40>0,16

   Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается.

   Тепловой расчёт колонны

   Расход теплоты, получаемый жидкостью от конденсирующегося пара в кубе-испарителе колонны:

где Gd, Gw, Gf – расходы дистиллята, кубового остатка, исходной смеси, соответственно, Gd=1,9 кг/с; Gw=2,9 кг/с; Gf=4,8 кг/с; Сf, Сd, Сw – теплоёмкость исходной смеси, дистиллята, кубовой жидкости, соответственно, определила по таблице А19(2):

Сf = 4400 Дж/(кг∙К);

Сw = 4350 Дж/(кг∙К);

Сd = 3560 Дж/(кг∙К).

Qd – расход теплоты, отнимаемой охлажденной водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, определила по формуле:

где rd – удельная теплота конденсации дистиллята, определила по таблице А15(2).

   Подставила значения  в формулу, получила:

 Qпотерь – тепловые потери клоны в окружающую среду, определила по формуле:

 где tст.н – температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем tст.н = 40 ℃; tвоз – температура воздуха в помещении, принимаем tвоз = 20 ℃; α – суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучения, определила по формуле:

;

Fн – наружная поверхность изоляции колонны, определила по формуле:

   Подставила значения  в формулу, получила:

   

   Подставила значения в формулу, получила:

 

Расход греющего пара в кубе колонны, определила по формуле:

где rгр.п – удельная теплота парообразования при Р=2 атм, rгр.п=2208 кДж/кг; x – степень сухости, принимаем x=0,95.

   Подставила значение  в формулу, получила:

 

   Расход тепла в  подогреватели исходной смеси:

где Cf – теплоемкость смеси определённа по формуле .

   Расход греющего пара в подогреватели равен:

   Общий расход греющего  пара равен:

 

   Расход воды в  дефлегматоре при нагревании  её на 20 ℃ определила по формуле:

 

   Расход воды в  холодильнике дистиллята при нагревании её на 20 ℃ определила по формуле:

где Cd – теплоёмкость дистиллята при средней температуре в холодильнике равной 

 

     Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании её на 20 ℃ определила по формуле:

где Cw – теплоёмкость кубового остатка при средней температуре 60,25 ℃.

   Общий расход воды  в ректификационной установке:

.

 3.Расчёт вспомогательного оборудования

   Расчёт дефлегмата

   В дефлегмате конденсируется  этилового спирта с небольшим  количеством воды. Температура конденсации  паров дистиллята td=78,5. Температура воды на в ходе принимаем 18 ℃, на выходе 38 ℃.

    Температурная схема процесса:

       

        

  

   Движущая сила процесса:

 

   Коэффициент теплопередачи  от конденсирующегося пара органических веществ к воде находится в пределах 340-870 Вт/(м2∙К). Принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор=340 Вт/(м2∙К).

   Количества тепла, отнимаемого охлаждающей водой  от конденсирующегося в дефлегматоре  пара Qd=4203,2∙103 Вт.

   Поверхность дефлегматора  определила по формуле:

   С запасом принимаем  двухходовой теплообменник поверхностью F=338 м; диаметр кожуха D=1000 м; число труб n=718; длина труб l=6,0 м; диаметр трубы d= 25×2 мм.

   Расчёт холодильника для дистиллята

   В холодильнике  происходит охлаждение дистиллята  от температуры конденсации до 30 ℃.

   Температурная схема  процесса:

      78,5 → 30

        38 ← 18

∆tм=40,5   ∆tб=12

   Движущая  сила  процесса:

 

   Принимаем коэффициент  теплопередачи К=300 Вт/(м2∙К).

   Количества тепла, отнимаемого охлаждающей водой  от дистиллята в холодильнике, определила по формуле:

   Поверхность теплообмена  холодильника для дистиллята, определила по формуле:

 

   С запасом поверхности 15-20% принимаем двухходовой теплообменник поверхностью F=24 м2;  диаметр кожуха D=400 мм; число труб n=100; длина трубы l=3,0 м; диаметр трубы d=25×2 мм.

   Расчёт холодильника для кубового остатка

         98 → 30

        38 ← 18

∆tб=60       ∆tм=12

   Движущая сила  процесса:

 

   Принимаем коэффициент  теплопередачи К=250 Вт/(м2∙К).

   Количества тепла, отнимаемого охлаждения водой  от кубовой жидкости, определила по формуле:

   Поверхность теплообмена холодильника для кубового остатка,  определила по формуле:

 

   С запасом поверхности 15-20 % принимаем четырёх ходовой теплообменник поверхностью F=127 м2; диаметр кожуха D=800 мм; число труб n=404; длина трубы l=4,0 м; диаметр трубы d=25×2 мм.

    Расчёт кипятильника

    В кипятильнике  кубовый остаток кипит при 98 ℃.

   Принимаем давление  греющего пара P=2 ат; температура греющего пара t1=119,6 ℃.

   Температурная схема процесса:

   

       

∆t=21,6 ℃

   Принимаем коэффициент теплопередачи К=800 Вт/(м2∙К)

   Тепловая нагрузка QK=7695520 Вт

   Поверхность теплообмена  определила по формуле:

   Устанавливаем кипятильник поверхностью F=480 м2; диаметр кожуха D=1400 мм; число труб n=1549; длина трубы l=4,0 м; диаметр трубы d=25×2 мм.

   Расчёт подогревателя

   В подогревателе  происходит подогрев исходной  смеси от tн=20 ℃ до температуры кипения на питающей тарелке tк=82 ℃. Принимаем давление греющего пара Р=2 ат, температура греющего пара t1=119,6 ℃.

   Температурная схема  процесса:

     

          20 → 82

   

   Движущая сила  процесса:

 

   Принимаем коэффициент  теплопередачи К=250 Вт/(м2∙К)

   Количества тепла, передаваемого исходной смеси от греющего пара определила по формуле:

 

   Поверхность теплообмена определила по формуле:

 

   Устанавливаем шестиходовой  теплообменник поверхностью F=91 м2; диаметр кожуха D=600 мм; число труб n=196; длина трубы l=6,0 м; диаметр трубы d=25×2 мм.

 

 

 

 

 

Заключение

  

   В данном курсовом проекте рассмотрены основные узлы ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси этиловый спирт - вода. Установка имеет производительность установки – 1,9 кг/с по дистилляту, состав исходной смеси – 18 % мол., состав дистиллята – 75 % мол., состав остатка – 2 % моль.

   Вспомогательное  оборудование:

• Дефлемат: двухходовой теплообменник поверхностью F=338 м2; диаметр кожуха D=1000 м; число труб n=718; длина труб l=6,0 м; диаметр трубы d= 25×2 мм;
• Холодильник для дистиллята: двухходовой теплообменник поверхностью F=24 м2;  диаметр кожуха D=400 мм; число труб n=100; длина трубы l=3,0 м; диаметр трубы d=25×2 мм;
• Холодильник для кубового остатка: четырёх ходовой теплообменник поверхностью F=127 м2; диаметр кожуха D=800 мм; число труб n=404; длина трубы l=4,0 м; диаметр трубы d=25×2 мм;
• Кипятильник: поверхностью F=480 м2; диаметр кожуха D=1400 мм; число труб n=1549; длина трубы l=4,0 м; диаметр трубы d=25×2 мм;
• Подогреватель: шестиходовой теплообменник поверхностью F=91 м2; диаметр кожуха D=600 мм; число труб n=196; длина трубы l=6,0 м; диаметр трубы d=25×2 мм.