Ректификационная установка для разделения смеси этиловый спирт-ацетон
МО
УО «Полоцкий государственный университет»
Расчетно-пояснительная записка
по дисциплине: «Процессы и аппараты химической технологии»
на тему: «Ректификационная установка для разделения
смеси этиловый спирт-ацетон.
Выполнил
Проверил
«___» _______________
Новополоцк 2006
Содержание
Введение.
- Материальный баланс
4
- Построение равновесной и рабочей линии
и диаграммы
- Определение скорости пара и диаметра колонны. 6
- . Определение числа тарелок и высоты колонны
и давления в кубе колонны.
- . Расчёт гидравлического сопротивления тарелок 10
- Расчет теплового баланса колон
ны. 13
- Расчет и подбор подогревателя сырья,
дефлегматора
и кипятильника.
7.1 Расчет и подбор подогревателя
сырья.
7.2 Расчет и подбор конденсатора.
7.32 Расчет
и подбор кипятильника.
- Расчет и подбор сырьевого насоса.
21
- . Расчёт и подбор штуцеров
24
Список использованных
источников
ВВЕДЕНИЕ
Ректификация – массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемым в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчёту и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее, ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо - и теплопереноса) осложняет расчёт.
1. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС
Уравнение материального баланса составляем на основании задания:
производительность:
концентрации НКК (% масс.): .
Смесь подается в колонну при температуре начала кипения.
(7.4 [1])
(7.5 [1]),
где – массовые расходы жидкости питания, дистиллята и кубового остатка соответственно.
,
.
Для дальнейших расчётов необходимо перевести массовые концентрации НКК в мольные.
Питание:
;
Дистиллят:
;
Кубовый остаток:
.
2. ПОСТРОЕНИЕ РАВНОВЕСНОЙ
И РАБОЧЕЙ ЛИНИИ
И
ДИАГРАММЫ
Экспериментальные данные по концентрации НКК, в зависимости от температуры смеси ацетон - этанол.
Мольные доли ацетон | ||
в жидкости |
в паре | |
|
78,3 |
0 |
0 |
75,4 |
5 |
15,5 |
73 |
10 |
26,2 |
69 |
20 |
41,7 |
65,9 |
30 |
52,4 |
63,6 |
40 |
60,5 |
61,8 |
50 |
67,4 |
60,4 |
60 |
|
59,1 |
70 |
80,2 |
58 |
80 |
92,9 |
57 |
90 |
92,9 |
56,1 |
100 |
100 |
По этим данным строим диаграмму и равновесную линию .
Относительный мольный расход питания:
Определяем минимальное число флегмы по уравнению (7.10 [1]):
где –определяем по диаграмме .
Рабочее число флегмы по уравнению (7.12 [1]):
Уравнения рабочих линий:
а) верхней (укрепляющей) части колонны
б) нижней (исчерпывающей) части колонны
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ПАРА И ДИАМЕТРА КОЛОННЫ
Средние концентрации жидкости:
а) в верхней части колонны
б) в нижней части колонны
Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:
а) в верхней части колонны
б) в нижней части колонны
Средние температуры пара определяем по диаграмме :
а) при
б) при
Средние молярные массы и плотности пара:
а) в верхней части колонны
б) в нижней части колонны
Средняя плотность пара в колонне:
Плотности жидких ацетона и этилового спирта близки. Температура в верху колонны при равняется ,а в кубе испарителе при она равна (график t-x,y).
Плотность жидкого ацетона при , а жидкого этилового спирта при (табл.IV[1])
Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне
Принимаем расстояние между тарелками h=400мм. Для клапанных тарелок по графику (рис.7-2[1]) находим С=0.044.
Скорость пара в колонне по уравнению (7.17a [1]):
,
где – коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузки колонны по жидкости.
Объёмный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне:
Диаметр колонны:
Принимаем .
Пересчитываем скорость пара в колонне:
.
4РАСЧЁТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТАРЕЛОК Рассчитываем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны:
(1,6 [1]),
где - это сопротивление сухой тарелки, - сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения, - это сопротивление парожидкостного слоя на тарелке.
а) верхняя часть колонны
Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:
(1,61 [1]),
где - это коэффициент сопротивления не орошаемых тарелок со свободным сечением 13,23 (для клапанных тарелок ).
Сопротивление, обусловлены силами поверхностного натяжения:
(1,62 [1]),
где - максимальная высота клапана
а=19мм
Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:
- высота слоя над сливной перегородкой.
(1,65 [1]),
где - объемный расход жидкости, П – периметр сливной перегородки (принимаем равным 1,26), К – это отношение плотности пены к плотности жидкости (принимаем = 0,5).
- высота сливной перегородки (принимаем равной 0,03) .
Объемный расход жидкости в нижней части колонны:
б)нижняя часть колонны
- поверхностное натяжение смеси при температуре куба колонны t=85,8 .
(табл. 14 [1])
(табл. 14 [1]).
.
Так как сырье вводится в колонну в жидком состоянии, то расход жидкости в нижней части колонны равен сумме расходов флегмы и сырья
Общее сопротивление тарелок в нижней части колонны:
Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками необходимое для нормальной работы тарелок условие:
(стр. 355 [1]).
Для тарелок, нижней части колонны, у которых гидравлическое сопротивление больше чем у тарелок верхней части
условия соблюдаются.
Проверим равномерность тарелок:
Рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях , достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями:
(стр.355 [1]).
Рассчитанная скорость .
Следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.
Давление в кубе:
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ТАРЕЛОК И ВЫСОТЫ КОЛОННЫ
Наносим на диаграмму у-х рабочие
линии верхней и нижней части
колонны и находим число
В верхней части колонны , в нижней части , всего 19 ступеней
Число тарелок рассчитывается по уравнению (7.19 [1])
,
где - число ступеней изменения концентрации теоретическое, - средний КПД тарелок.
Для определения среднего
КПД тарелок находим
, (стр. 356 [1]),
где - давление насыщенных паров ацетона, мм.рт.ст.,
- давление насыщенных паров этилового спирта, мм.рт.ст.
Находим давление насыщенных паров при температуре верха колонны (67 ).
(табл. 9 [1]).
Определяем динамический коэффициент вязкости исходной смеси:
(табл. 9 [1])
(табл. 9 [1]).
Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси:
тогда
При определении среднего КПД тарелок в колоннах большого диаметра (с длинной пути жидкости ) используют формулу:
(стр. 356 [1])
Поправку на длину пути определяем по графику (7,5 [1]) для
Действительное число
тарелок в верхней части
Действительное число тарелок в нижней части колонны
Число тарелок с запасом = 44 штук.
Высота колонны.
Высота колонны складывается из следующих величин:
– расстояние от верхней тарелки до верха колонны,
.
– высота верхней тарельчатой части,
.
– высота зоны питания,
.
– высота нижней тарельчатой части,
.
– расстояние от нижней тарелки до верха слоя жидкости в кубе,
. Принимаем .
– высота слоя жидкости в кубе (10 мин),
.
Температура кубового остатка .
,
. Принимаем .
– высота юбки (выбирается 3 – 4 м). Принимаем .
.
В колонне устанавливаем смотровые люки перед 8,16,24,32,40:
6. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОЛОННЫ
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:
(7.15 [1])
,
где – удельные теплоты конденсации дистиллята, ацетона и этилового спирта при температуре дистиллята ;
(табл. XLV [1])
;
.
Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара (7.14 [1]):
,
где – теплоёмкости дистиллята, кубового остатка и сырья соответственно (считаются аналогично удельным теплотам конденсации);
тепловые потери приняты в размере 3 % от полезно затрачиваемой теплоты.
1)
; (рис. XI [1])
2)
;
3)
;
Расход теплоты в
,
где – начальная температура сырья (среднеиюльская температура Минска).
Тепловые потери приняты в размере 5 %.
-удельная теплоемкость исходной смеси, взятая при средней температуре
с = 2283.55
с
=2857,58
.
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:
,
где – конечная температура охлаждённого дистиллята,
-удельная теплоемкость дистиллята, взятая при средней температуре
.
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:
,
-удельная теплоемкость кубового остатка, взятая при средней температуре
.
Расход греющего пара, имеющего температуру конденсации 108,7оС давление и влажность 5%
а) в кубе-испарителе:
-удельная теплота конденсации греющего пара.
б) в подогревателе исходной смеси,
.
Всего: 1.06+0.2=1.26кг/с или 4.5т/ч
Расход охлаждающей воды при нагреве её на
а) в дефлегматоре:
;
б) в водяном холодильнике дистиллята:
;
в водяном холодильнике кубового остатка
V = = 0.004 ;
Всего:0,026+0,001+0,004=0,031
или111,6
7. ВЫБОР ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
7.1 Выбор подогревателя сырья.
- Выбираем коэффициент теплопередачи из табл.2.1[2]. При передаче тепла от конденсирующегося пара к органическим жидкостям.
К =210
2.Рассчитаем среднюю разность температур. Схема теплообмена противоточная.
Температурная схема.
Водяной пар берём при:
(2.6 [2]).
3.Определим необходимую поверхность теплообмена.
Расход теплоты на нагрев смеси:
.
Ориентировочно определяем необходимую поверхность теплообмена:
,
Из табл. 2.4 [2] выбираем стандартный кожухотрубчатый теплообменник по ГОСТу 14246-79:
- поверхность теплообмена 38м2
- длинна труб 3м
- число ходов 2
- площадь сечения одного хода по трубам 0.02м2
- диаметр труб 20 2 мм
- диаметр кожуха 500мм
Запас площади поверхности теплообмена
Запас площади поверхности теплообмена достаточен
4.Расход греющего пара в подогреватели сырья.
7.2 Расчет и подбор кипятильника
1.Тепловая нагрузка аппарата:
Q
2.Рассчитываем среднюю разность температур:
t
t
3.В соответствии с табл.2.1
принимаем ориентировочное значение
коэффициента теплопередачи К=1400
4.Тогда ориентировочное значение требуемой
поверхности составит:
F=
Из табл.2.10 выбираем стандартный кожухотрубчатый испаритель по ГОСТу 15119-79
- поверхность теплообмена 61м2
- число ходов 1
- длинна труб 3м
- диаметр труб 25 2 мм
- диаметр кожуха 600мм
Запас площади поверхности теплообмен
Запас площади поверхности теплообмена достаточен.
7.3. Расчет и подбор конденсатора
1.Температура конденсации ацетона под атмосферным давлением 56,4
Охлаждающая вода проходящая по трубам нагревается на 20
от 18 до 38
2.Температурная схема дефлегматора:
18
3.Средняя разность температур:
>2,
то
4.Средняя температура охлаждающей воды:
t
5.Тепловая нагрузка аппарата:
6.Расход воды:
7.В соответствии с табл.2.1[2] примем значение коэффициента теплопередачи. При передачи тепла от конденсирующего пара органических жидкостей к воде .
8.Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит:
9.Задаваясь числом Re=15000 определяем соотношение n\z конденсатора из труб d
где n-общее число труб,
z-число ходов по трубному пространству,
d-внутренний диаметр труб мм,
динамический коэффициент вязкости воды при 29,2
10.Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи. В соответствии с табл.2.9 соотношение принимает наиболее близкое к заданному значение у конденсаторов с диаметром кожуха D=1000мм,диаметром труб 25 мм, числом ходов z=4 и общим числом труб n=666:
Значение критерия Re:
Re=
11.Коэффициент теплоотдачи к воде определим по уравнению (2.12),пренебрегая поправкой( ) .При турбулентном режиме движения:
= 0,023Re
где, Pr=5.45-критерий для воды при 29,2
Для органической жидкости при
рис.V[1]
12.Рассчитываем коэффициент теплоотдачи для конденсирующегося пара ацетона по уравнению(2.24) для вертикальных труб:
,
13.Термическое сопротивление стенки трубы:
,
где -коэффициент теплопроводности нержавеющей стали(табл. ХХХVIII)
Тепловая проводимость загрязнения со стороны ацетона(табл.2.2)
Тепловая проводимость загрязнению со стороны воды:
Суммарное термическое стенки и загрязнений:
0.000114+
14.Коэффициент теплопередачи:
К=
15.Тогда требуемая поверхность составит:
В выбранном теплообменнике запас поверхности:
Запас площади поверхности теплообмена достаточен.
Из табл. 2.10 [2] в
- Выбираем стандартный кожухотрубчатый конденсатор по ГОСТу 15119-79:
- поверхность теплообмена 157м2
- длинна труб 3м
- число ходов 4
- площадь сечения одного хода по трубам 0.055м2
- диаметр труб 25 2 мм
- диаметр кожуха 1000мм
8. ПОДБОР НАСОСА ДЛЯ ПОДАЧИ ИСХОДНОЙ СМЕСИ
Геометрическая высота подъема смеси 11.1м. температура 25 . На линии нагнетания ( ) расположены 3 отвода под углом , 1 задвижка, 1диафрагма,1 прямоточный вентиль. На линии всасывания ( ) установлено 2 нормальных вентиля, 2 отвода под углом ,3 отвода под углом ,1 задвижка, (в обоих случаях отношение радиуса изгиба к внутреннему диаметру трубопровода равно 4).
Выбираем насос (по напору и мощности).
- Выбираем диаметр трубопровода, приняв скорость смеси во всасывающий и нагнетательной линиях одинаковой и равной 1.5 .
.
Выбираем стальной трубопровод с незначительной коррозией. Наружный диаметр 70мм, внутренний d=0.063м. Фактическая скорость:
- Рассчитываем потери на трение и местные сопротивления.
.
Режим турбулентный
Среднее значение абсолютной шероховатости стенок труб (табл. 12 [1]). Относительная шероховатость .
По графику 1.5 [1] находим значение коэффициента трения .
Сумма коэффициентов местных сопротивлений для всасывающей линии:
,
,
где = 0.5 – вход в трубу с острыми краями;
=1.0 0.11=0.11 – отвод под углом ;
= 0.12 - отвод под углом ;
= 4.4 - нормальный вентиль;
= 0.5 – задвижка;
Тогда
.
Потери напора на всасывающей линии:
.
Сумма коэффициентов
местных сопротивлений для
(1.58 [3]),
;
где = 1 – выход из трубы;
= 1.0 0.11 – отвод под углом ;
= 0.5 – задвижка;
= 8.25 – диафрагма;
= 0.61 – прямоточный вентиль.
Тогда
Потери напора на нагнетательной линии
.
Общие потери напора:
(1.63 [3]),
.
Выбираем насос
Рассчитываем полный напор, развиваемый насосом:
-гидравлическое сопротивление в верхней части колонны.
Полезная мощность насоса:
Для ц/б насоса средней производительности принимаем
. (2.4 [3]).
Тогда мощность, потребляемая двигателем насоса
.
По таблице 1 [2] устанавливаем, что по заданной производительности и напору следует выбрать центробежный насос со следующими характеристиками:
- марка Х20/18;
- Q =
- H = 18;
- ;
- двигатель ВАО-31-2;
- мощность = 3;
- n = .
Для ц/б насосов запас напора, необходимый для исключения кавитации рассчитывается по формуле
стр. 20 [2]), .
9.РАСЧЁТ И ПОДБОР ШТУЦЕРОВ
- . Для ввода сырья в колонну
(1.21 [4]),
принимаем скорость сырья