Технологический и механический расчет насадочной колонны

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт/ 

Факультет    –  Институт природных ресурсов

Направление –  Машины и аппараты химических производств

  

Кафедра       – Общая химическая технология

 

 

 

«Технологический и  механический расчет насадочной колонны»

 

      Курсовая работа по курсу «Машины и аппараты химических производств»

 

 

                 

Выполнил 

         

Проверил 

 

 

 

 

Томск – 2013

Содержание:

  1. Введение…………………………………………………………… ….. стр.3
  2. Технологическая схема ректификационной установки………. стр.4
  3. Расчет колонны………………………………………………………. стр.6
    1. Исходные данные………………………………………………….. стр.6
    2. Материальный расчет…………………………………………… стр.6
    3. Диаграммы t-x, y; y-x……………………………………………… стр.11
    4. Определение диаметра колонны и скорости пара……….… стр.13
    5. Определение высоты насадки………………………………….. стр.17
    6. Определение высоты колонны ……………………………….   стр.21
  4. Тепловой расчет установки …………………………………….… стр.23
  5. Механический расчет колонны……………………………………. стр.27
    1. Определение толщины стенки обечайки …  ……………….. стр.28
    2. Определение толщины стенки эллиптического днища и крышки   … …стр.29
    3. Расчет и подбор штуцеров …………………………………… стр.31
    4. Укрепление отверстий …………. … … … … … … … … … стр.33
    5. Расчет фланцевого соединения ……………………………… стр.35
    6. Расчет тарелок ………………………………. … … … … …   стр.42
    7. Расчет балок … … … … … … … … … … … … …. … … … стр. 44
    8. Выбор люка-лаза … … … … … … … … … … … … … … … стр.44
    9. Масса колонны……… … … … … … … … … … … … ….… … стр.45
    10. Расчет на ветровую нагрузку ………………………………….. стр.46
    11. Расчет аппарата на сейсмическую нагрузку ……………………………….   стр.55

Вывод … … … …  … … … … … … … …  … … … … … … … …стр. 57

Список литературы…  … … … … … … … …  … … … … …    стр. 58

 

 

  1. Введение

Перегонка и ректификация — наиболее распространенные методы разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или нескольких летучих компонентов.

          Процессы перегонки и ректификации  широко применяют в химической  и пищевой промышленности при  получении технического и пищевого  этилового спирта, в производстве  ароматических веществ и др. Перегонку  используют для грубого разделения  смесей. Для наиболее полного их разделения применяют ректификацию.

Ректификация  представляет собой разделение смеси  на составляющие ее компоненты в результате многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Проводят ректификацию в колонных аппаратах, снабженных контактными устройствами (тарелками различной конструкции) либо заполненных насадкой, изготовленной из различных материалов (керамика, металл, дерево).

Процессы перегонки и  ректификации основаны на различной  летучести компонентов смеси  при одной и той же температуре. Компонент смеси, обладающий большей летучестью, называется легколетучим, а компонент, обладающий меньшей летучестью, труднолетучим. Соответственно легколетучий компонент кипит при более низкой температуре, чем труднолетучий. Поэтому их называют также низкокипящим и высококипящим компонентами.

В результате перегонки или  ректификации исходная смесь разделяется на дистиллят, обогащенный легколетучим компонентом, и кубовый остаток, обогащенный труднолетучим компонентом. Дистиллят получают в результате конденсации паров в конденсаторе-дефлегматоре. Кубовый остаток получают в кубе установки.

Задачей данного проекта  является создания оптимальной конструкции  аппарата, и проведение расчетов обеспечивающих работоспособность данного аппарата.

 

 

  1. Технологическая схема ректификационной установки

Принципиальная схема  ректификационной установки представлена на рис 1.  Исходная смесь из промежуточной  емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где подогревается  до температуры кипения. Нагретая смесь  поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где  состав жидкости равен составу исходной смеси хр.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка хW, т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава хP, которая получается в дефлегматоре 6 путем конденсации пара выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения—дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7, и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны  насосом 9 непрерывно выводится кубовая  жидкость — продукт, обогащенный  труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный  неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят  с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовой остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

 

Рис.№1. Принципиальная схема ректификационной установки:

1 — емкость для исходной  смеси; 2,9— насосы; 3 — теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник; 5 — ректификационная  колонна; 6 — дефлегматор; 7 — холодильник  дистиллята; 8 — емкость для сбора  дистиллята; 10 — холодильник кубовой  жидкости; 11 — емкость для кубовой  жидкости.

 

 

 

  1. Расчет колонны:

3.1) Исходные данные

Наименование разделяемых компонентов……………………. метанол - вода;

Производительность по исходной смеси……...……… ;

Концентрации низкокипящего компонента (% мольн.):

в питании…………………………………………………………. .. ;

в дистилляте………………………………………………………. ;

в кубовой жидкости……………………………………………… ;

Начальная температура смеси………………………………………..… ;

Давление греющего пара (абс.).…………………………………. ;

Исходная смесь перед подачей в колонну нагревается до температуры кипения;

Колонна обогревается острым паром;

Кипятильник и дефлегматор вынесены из колонны.

 

3.2) Материальный расчет:

    Производительность  колонны по дистилляту GD и кубовому остатку GW определяем из уравнения материального баланса колонны:

GF =  GD +  GW               (1)             

GF · xFm= GD ·xDm + GW ·xWm (2)            

где  GD – расход дистиллята, кг/с;

GW – расход кубового остатка, кг/с;

Отсюда находим: 

Расход кубового остатка:





 

 

Расход  дистилята:





 

Пересчитываем составы фаз  из массовых в мольные доли по соотношению:

Питание:



 

 

 

Дистилят:



 

 

 

Кубовый остаток:



 

 

 

где  MНИЗ, MВЫС – молекулярные массы метилового спирта и воды;

Метанол СН4О – низкокипящий компонент.

Молекулярная  масса:  MНИЗ = 32 кг/кмоль

Температура кипения ацетона: tкип1= 64.5 °С

Вода H2O – высококипящий компонент.

Молекулярная  масса:  MВЫС = 18 кг/кмоль

Температура кипения вода: tкип2= 100 °С

Относительный мольный расход питания:





 

 

На рисунке 3. находим мольную долю летучего компонента в исходной смеси xF и находим мольную долю низкокипящего компонента в паре, равновесном с жидкостью питания:



 

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются значением рабочего флегмового числа R. Ввиду отсутствия надёжной методики оценки Rопт используют приближённые вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) β, равного отношению R/Rmin, где Rmin – минимальное флегмовое число.

Определение минимального числа  флегмы:



 

 

 

Рабочее флегмовое число:



 

Уравнение рабочей линии для верхней части колонны:



 

Уравнение рабочей линии  для нижней части колонны:



 

Средние концентрации жидкости:

а ) в верхней части колонны:



 

б ) в нижней части колонны:



 

 

Мольные массы жидкости в верхней и нижней частях коллоны:





 





 

 

Мольная масса исходной смеси:





 

Мольная масса дистиллята:





 

Средние массовые расходы  по жидкости верхней и нижней частей колонны:









 

 

 

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны:









 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. Диаграммы t-x, y; y-x.

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

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

Таблица 1. Расчет равновесных составов паровой и жидкой фаз

смеси метанол -  вода.

 

t,0C

x

yp

мольные доли

64,5

1

1

66,0

0,9

0,958

67,5

0,8

0,915

69,3

0,7

0,870

71,2

0,6

0,825

73,1

0,5

0,779

75,3

0,4

0,729

78,0

0,3

0,665

81,7

0,2

0,579

87,7

0,1

0,418

91,2

0,06

0,304

93,5

0,04

0,230

96,4

0,02

0,134

100,0

0

0


 

По данным, приведённым  в таблице, строим диаграмму равновесия метанол – вода (диаграмма y – x), диаграмму t – y,x.



 

 

 

 

 

 

 

 

 

                     Рисунок №2. Диаграмма (t – x,y).



 

 

 

 

 

 

 

 

                   Рисунок №3. Диаграмма (y – x).

 

 

                                                                 

    1.   Определение диаметра колонны и скорости пара.

Выбор рабочей скорости паров  обусловлен многими факторами и  обычно осуществляется путем технико – экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих при атмосферном давлении, рабочую скорость можно принимать на 20 - 30% ниже скорости захлебывания.

Предельную фиктивную  скорость пара , при которой происходит захлебывание насадочных колонн, определяют по уравнению:

                             (3)           

где  - средние плотности жидкости и пара, ;

Поскольку отношения  и физические свойства фаз в верхней и нижней частях колонны различны, определим скорости захлебывания для каждой части отдельно.

Найдем плотности жидкости rxв и rxн и пара ryв и ryн в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них tв и tн. Средние температуры паров определим по диаграмме t – х,y (см. рисунок 3). 

Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

а )в верхней части колонны:




 

б )в нижней части колонны




 

Средние температуры пара определяем по диаграмме t - x,y :

а ) при








а ) при











 

 

 

Средние мольные массы:




 кг/кмоль







кг/кмоль




 

 

 

Опредлени плотностей пара:













 

 

 

 

Определение средней плотности  пара в колонне:







 

 

 Плотность жидкости смеси: метанол - воды: (из 1, стр. 512, табл. IV)

а) в верхней части колонны:       







 

а) в нижней части колонны:       







 

Определение средней плотности  жидкой смеси в колонне:







 

 

Вязкость жидких смесей находим  по уравнению:

                                                (4)

Тогда вязкость жидкости вверху колонны при температуре 68,1 0с:

lgµХB = 0.82*lg0.3266 + (1-0.82)*lg0.4242;







 

Вязкость жидкости внизу колонны при температуре 75,5 0с:

lgµХН = 0.361*lg0.3037 + (1-0.3037)*lg0.4242;







 

Возьмем по (4, стр. 317, табл.51) характеристику насадки.

Вид насадки: кольца керамические.

Разиер: 25-25-3 мм

Удельная поверхность f,  204

Свободный объем Vс, 0.74

Предельная скорость паров  в верхней части колонны определяем по уравнению 3:

 







 

 

 

 

Предельная скорость паров  в нижней части колонны:

 







 

 

 

 

Примем рабочую скорость на 30% ниже предельной:













 

Диаметр ректификационной колонны  находим по уравнению:

                                          (5)

Отсюда диаметры верхней  и нижней частей колонны:













 

 

 

Рационально принять стандартный  диаметр обечайки D = 3.6 м (см.2, разд. 5.1.4, стр. 197) одинаковым для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне равны:

 













 

 

 

    1. Определение высоты насадки

Расчет высоты насадочной колонны ведем согласно через высоту, эквивалентную теоретической тарелке (ВЕТТ).

Значения m1 и m2, для верхней  и нижней частях колонны определены арифметическим усреднением локальных значений m, в интервалах измерения составов жидкости соответственно от xf до xd и от xw до xf.

Среднее значение тангенса угла наклона к оси x кривой равновесия смеси в координатах x-y: (смотри рис. №5).







 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Велечину m можно с достаточной точностью найти спрямлением участков кривой равновесия, заменой кривой равновесия ломаной линией.

Средней наклон линий равновесия можно определить как наклон хорды, ограничевающий рабочей участок равновесия.

Вязкость паров для  верхней части колонны:







 

 

 

 

Для низа колонны:







 

 

 

Высоту насадки эквивалентную  одной одной теоритической тарелке в верху колонны:







 

Высоту насадки эквивалентную  одной одной теоритической тарелке в низу колонны:





По рис. 4 число ступеней изменения концентрации составляет в верхней части и нижней части колонны:



- в верхней части колонны



- в нижней части колонны




 

Определение высоты насадки HН:

В верхней части:







 

 

В нижней части:







 







 

 

    1. Определение высоты колонны 

Высота слоя насадки одной  секций, которая определяется из условий  прочности опорной решетки и  нижних слоев насадки, а также  из условий равномерности распределения  жидкости по насадке не должно превышать Z = 3 м. Зададим значение Z = 0.6 м.

Общее число секций в колонне  составляет n=8, с учетом того что Z=0.6 м.





- высота промежутков между секциями насадок.

Высота сепоративного пространства над тарелкой: (2, стр. 235)







 

Растояние между днищем и тарелкой:







 

Высота днища: ( Элиптическое отбартованное стальное днище) из (3. стр. 440)







 

Выота крышки: (3. стр. 440)







 

Общая высота колонны:







 

    1. Расчет гидравлического сопротивления насадки.

Гидравлическое сопротивление  насадки  находят по уравнению

    (5)            

Гидравлическое сопротивление  сухой не орошаемой насадки  рассчитывают по уравнению

    (6)  

где - коэффициент сопротивления сухой насадки, зависящий от режима движения газа в насадке.

Внитрений диаметр отверстия насадки:







 

Критерий Рейнольдса для газа в верхней и нижней  частях колонны соответственно равен:







 

 

 

Для определения коэффициента сопротивления беспорядочных насадок, в которых пустоты распределены равномерно по всем направлениям, используем двухчленную формулу Эргуна, применимую при ламинарном и турбулентных режимах.

Коэффициент сопротивления  беспорядочно насыпанных кольцевых  насадок

можно рассчитывать по формулам:  (2, стр.202)   

 

при турбулентном движении (Re>40):

Для верхней  и нижней частей колонны получим соответственно:







 

 

 

Гидравлическое сопротивление  сухой насадки в верхней и  нижней частях колонны равно:

Па




Па




 

 

 

Плотность орошения в верхней  и нижней частях колонны определим  по формулам:













 

 

 

 

Гидравлическое сопротивление  орошаемой насадки в верхней  и нижней частях колонны:

b — коэффициент, значения  которого для различных насадок  приведены ниже: (2, стр. 201)

(Для колец Рашига внавал 25х25х3)




 













 

 

Общее гидравлическое сопротивление  орошаемой насадки в колонне:







 

 

  1. Тепловой расчет установки

Удельные теплоты конденсации  низкокипящего и высококипящего компонента при температуре вверху колонны     

 Дж/кг




 Дж/кг











 

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:











 

Расход теплоты, получаемой в кубе испарители от греющего пара:

Теплоемкость дистиллята: (1, стр. 562, рис. XI)







 

Теплоемкость кубовой  жидкости при   







 

Теплоемкость кубовой  жидкости при   







 

Тепловые потери приняты  в размере 3% от полезно затрачиваемой  теплоты:




 







 

Расход теплоты в паровом  подогревателе исходной смеси, при  начальной температуре смеси  0с

Тепловые потери приняты  в размере 5% от полезно затрачиваемой  теплоты.




 

Теплоемкость исходной смеси  при средней температуре  0с:







 

Расход теплоты, в паровом  подогревателе исходной смеси:







 

Теплоемкость дистиллята при средней температуре  0с:







 

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята, при конечной температуре  смеси 0с:










 

Теплоемкость кубовой  жидкости при средней температуре  0с:

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка, при конечной температуре  смеси 0с:










 

Расход греющего пара, имеющего давление и влажность :

Удельная теплота парообразования  водяного пара при данных параметрах:







 

а ) в кубе-испарителе:










 

 

б ) в подогревателе исходной смеси:










 

 

Суммарный расход греющего пара:










 

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на :




кДж/кг*К