расчёт ректификационной колонны

Согласно схеме (рис. 2.2), это уравнение запишется так:Рис. 2.2. Схема укрепляющей колонныVmQm + g0q0 = gкqк + (D+ g0) QD,где Vm, gк и D— количества потоков, известные из предыдущих расчетов; Qm, qк, Qd, q0- энтальпии соответствующих потоков (рис.2.2), кДж/кмольПоказанные на рис. 2.2 температуры потоков определены в предыдущих расчетах (табл. 2.9).Для определения энтальпий потоков рассчитаем их средние молекулярные массы:( поток Vm)(поток gк)( потоки Dи g0)Получим:Qd= 542 43,5 = 23 615 кДж/кмольqK= 318 53,9= 17 146 кДж/кмольQm= 622 50,1 = 31 235 кДж/кмольq0 = 213 43,5 = 9 295 кДж/кмольПодставляя значения количеств потоков и их энтальпий в уравнение теплового баланса, будем иметь: кмоль на 100 кмоль сырья.( поток Vm)( поток gк)( потоки Dи g0)Флегма в парциальном конденсаторе: кмоль на 100 кмоль сырья.Флегмовое число на верху колонны будет равно:Следовательно, флегмовое число возрастает от r = 2 в низу укрепляющей части до r1 = 2,7 на верху колонны. Так как число теоретических тарелок рассчитывалось при постоянном значении r = 2, то оно получилось с некоторым превышением, обеспечивающим известный резерв разделительной способности колонны.Тепловая нагрузка кипятильника колонны и количество парового орошения в низу ее отгонной частиТепловая нагрузка QPкипятильника колонны определяется из уравнения теплового баланса ее отгонной части. Согласно схеме (рис. 2.3), Рис. 2.3. Схема отгонной части колонныэто уравнение запишется так:gmqm + Qp = VлQл + RqR, откудаQp = VлQл + RqR - gmqmгде gm,Vл, R- количества потоков, известные из предыдущих расчетов; qm, Qл, qR- энтальпии соответствующих потоков (рис. 2.3), кДж/кмоль.Приведенные на рис. 2.3 температуры потоков найдены ранее (табл. 2.9).Для определения энтальпий qm,Qли qRпотоков рассчитываем их средние молекулярные массы:( поток gm)( поток gк)( потоки Dи g0)Qл = 61850,3 = 31109 кДж/моль;qm = 37755 = 18632кДж/моль;qR = 42361,6 = 26052кДж/моль.Qp = 92,831109+63,426052-156,218632 = 1629103 кДж на 100 кмоль сырья.Для определения количества VRпарового орошения, идущего из кипятильника под нижнюю (первую) отгонную тарелку, необходимо написать уравнение теплового баланса кипятильника. Это легко сделать, пользуясь схемой (рис. 2.3):(R+VR)q1 + Qp= RqR +VRQRОткудагде q1 и Qr- энтальпии соответственно флегмы, стекающей с нижней отгонной тарелки в кипятильник, и пара, поступающего из кипятильника на эту тарелку.Температуры потоков флегмы и паров найдены раньше.Находим средние молекулярные массы этих двух потоков:q1=4159.4 = 24327 кДж/кмоль;QR= 69058,3 = 40279 кДж/кмоль;кмоль на 100 кмоль сырья.Основные размеры колонныДиаметр колонны. Внутренний диаметр колонны определяется по формуле:где Vcек- наибольший секундный объем паров, проходящих через сечение колонны; - допускаемая скорость паров в полном (свободном) сечении колонны.Определим Vcек. Из предыдущих расчетов известны количества паров в следующих сечениях колонны: на верху (под верхней укрепляющей тарелкой)V2 = g1+ D= 95 + 34,4 = 129,4кмоль на 100 кмоль сырья под нижней укрепляющей тарелкойVm= 109,8 кмоль на 100 кмоль сырьянад верхней отгонной тарелкойVл = 92,8 кмоль на 100 кмоль сырьяв низу колонны (под нижней отгонной тарелкой)VR = 95 кмоль на 100 кмоль сырьяКак видно из этих данных, наиболее нагруженным по парам, является верхнее сечение колонны. Найдем объем паров на верху колонны (под первой тарелкой) по формуле:Здесь - часовое количество паров на верху колонны, равное:кмоль/ч.По справочным данным находим Z=0,77.Тогда:м3/с.Принимая для проектируемой колонны тарелки с круглыми колпачками (рис. 2.4), определим допустимую скорость паров в полном (свободном) сечении колонны по формуле:u = 0,305сгде u - массовая скорость паров, кг/(м3/ч); п и ж- плотности паров и жидкости на верху колонн (в расчетном сечении), кг/м3;с - коэффициент, зависящий от расстояния между тарелками и определяемый по графику [6, с. 638].Рис. 2.4. Схема работы колпачковой тарелки:1 – жидкая фаза; 2 – поток паровИмея в виду, что дистиллят колонны практически полностью состоит из дивинила, по табл. [7, с. 175] найдем плотности его в жидком и парообразном состоянии при температуре и давлении на верху колонны:п= 0,0339 г/см3 = 34 кг/м3; ж= 0,460 г/см3 = 460 кг/м3.Принимая расстояние между тарелками колонны hт = 400 мм, по графику [6, с. 638] найдем значение коэффициента с = 540.Подставляя найденные величины в формулу, получим:u = 0,305с = 173102 кг/(м2ч)Линейная скорость паров определяется так:173102/(343600) = 0,141 м/с.Тогда: м.Принимаем м = 700 мм.Рис. 2.5. Схема расчета рабочей высоты колонныВысота колонны. Основываясь на литературных данных [3], выбираем средний к.п.д. колпачковой тарелки = 0,5.Выше расчетом от «тарелки к тарелке» было найдено число теоретических тарелок в укрепляющей части Nут = 8.Следовательно, число практических тарелок в этой части тарелок будет:Nур = Nут/ = 8/0,5 = 16.Для отгонной части число теоретических тарелок было определено равным Nот= 7.Следовательно, число практических тарелок в этой части колонны будет равно:Nор = Nот/ = 7/0,5 = 14.Всего практических тарелок в колонне:Nр =Nор+ Nур = 14 + 16 = 30.Холодное (острое) орошение подается на первую (верхнюю) укрепляющую тарелку. Паровое орошение из кипятильника (испарителя) колонны подается под ее нижнюю отгонную тарелку. Поэтому на основании практических данных примем расстояние между верхним днищем колонны и ее верхней укрепляющей тарелкой hD = 1,0 м (рис. 2.5), высоту питательной секции (расстояние между нижней укрепляющей и верхней отгонной тарелками) hG= 1,2 м и расстояние между нижним днищем и нижней отгонной тарелкой hR= 1,5 м.Тогда рабочая высота колонны:Нр = hD(Nур– 1) hт+ hG+ (Nор– 1) hт+ hR = 1,0+(16-1)0,40+1,2+(14-1)0,40+1,5=14,9 м = 14900 мм.3. Гидравлический расчетОсновной целью гидравлического расчета является определение гидравлических сопротивлений, которые возникают в процессе прохождения пара через ректификационную колонну из куба через контактные устройства в дефлегматор. Потери напора для всех ректификационных колонн позволяют рассчитать необходимое повышение температуры кипения смеси в кубе колонны.Р = Рс +Рж +Р .где ΔРс – сопротивление сухой тарелки, Па; ΔРж – сопротивление слоя жидкости, Па;ΔР– сопротивление за счёт поверхностного натяжения жидкости, Па; (незначительно можно пренебречь).Рс =,где ω. - скорость пара в горловине колпачка, м/с; определяется по объемному расходу пара и свободному сечению тарелки, м2 /c.Верхняя часть аппарата м/сРс = Па,Нижняя часть аппарата м/сРс = Па,Сопротивление слоя жидкости Рж = gжhб,где hб– высота барботажного слоя жидкости на тарелке, м, hб=0,055м;ρж– плотность жидкости, кг/м3;q – ускорение свободного падения (g=9,8м/с2 ). Верхняя часть аппаратаρж= 803,85 кг/м3;Рж = 803,859,80,055 = 433,3 Па.Нижняя часть аппаратаρж= 782,6 кг/м3;Рж = 782,69,80,055 = 384,3 Па.Полное гидравлическое сопротивление для верха и для низа колонны составляет:Верхняя часть аппарата Р = (393,0 +433,3)16 = 13220,8 Па .Нижняя часть аппаратаР = (433,5 +384,3)14 = 11449,2 Па .4. Механический расчет основного аппаратаЦель механического расчета ректификационной колонны является определение размеров отдельных частей и элементов колонны, которые удовлетворяли бы условиям технологической целесообразности, механической прочности и устойчивости.4.1 Расчет толщины стенок и опоры аппаратаОбечайка – это цилиндрический корпус аппарата, который работает, как правило, под избыточным внутренним или внешним давлением. Опоры для аппаратов в химической промышленности выбираются из расчета максимальной нагрузки, которую опора должна выдержать, во время испытания. Материал опоры выбирается в зависимости от температуры рабочей среды, емкости аппарата и т.д. Выберем сталь В Ст3 сп3 ГОСТ 380-71.Толщина стенки обечайки рассчитывается по уравнению:,где P– давление в аппарате, МПа; D– диаметр обечайки, мм;– предельно допускаемое напряжение для материала изготовления, МПа, = 240 МПа; – коэффициент прочности сварного шва, примем равным единице; C = C1 + C2 + C3= 1,0+0,7+0,51 = 2,21 мм – прибавка. здесь C1– прибавка на коррозию и эрозию, примем 1,0 мм;C2– прибавка на минусовое отклонение по толщине листа, примем 0,7мм;C3– технологическая прибавка, примем 0,51 мм.Тогда:мм.По расчетам, толщина обечайки равняется 2,5, но по техническим требованиям толщина стенки должна составлять не менее 10 мм [4]. Для подбора опор необходимо определить массу и нагрузку аппарата.Определение массы аппарата.Масса корпуса:Мк = Н D s,где Н – высота аппарата, м, H = 14,9 м;π – геометрическая постоянная (π =3,14);D – диаметр колонны, мD= 0,7 м;s – толщина стенки, м, s = 0,01м [4];ρ – плотность стали, кг/м3, ρ= 7850 кг/м3 [4].Мк = Н D s = 14,93,140,70,017850 = 2570,9 кг.Масса крышки и днища:Мкр = 2D2s,где D – диаметр колонны, м,D= 0,7 м;s – толщина стенки, м,s = 0,01м [4];ρ – плотность стали, кг/м3, ρ= 7850 кг/м3[4]. Мкр = 20,720,017850 = 76,9 кг.Масса тарелок:Мm =Nmmгде N – действительное число тарелок, N = 30;mm– масса одной тарелки, кг, mm= 57,8.Мm =3057,8 = 1734кг.Масса воды при испытании:Мв = Dsв,где π – геометрическая постоянная (π =3,14);D – диаметр колонны, м,D= 0,7 м; s – толщина стенки, м,s = 0,01м [4];ρв– плотность воды, кг/м3ρв=1000 [2]. Мв = 3,140,70,011000 = 22,0 кг.Масса аппарата:Мап’ =Мк+ Мкр+ Мm+ Мв+ Мn= 2570,9 + 76,9 + 1734,0 + 22,0 = 4403,8 кг,Мn=Мап’ 0,15 = 4403,80,15 = 660,6 кгМап’ = 4403,8 + 660,6 = 5064,4 кгПереведем в МН:МН.где Мап– масса аппарата, кг;g – ускорение свободного падения (g=9,8м/с2 ).Подберем опору: Таблица 4.1 - Основные размеры цилиндрических опор для колонных аппаратов [4]Q, MHД, ммD1 , ммD2 , ммDб , ммS1 , ммS2 , ммS3 , ммd2 , ммdб , ммЧисло болтов, Zб0,412001002005001502401405045324.2 Расчёт и подбор патрубков для подвода и отвода потоков,подбор фланцевых соединенийПрисоединение трубной арматуры к аппарату, а также технологических трубопроводов для подвода и отвода различных жидких и газообразных продуктов производиться с помощью штуцеров или вводных труб. По условиям работоспособности чаще всего применяются разъемные соединения (фланцевые штуцера).В химических аппаратах для разъемного соединения составных корпусов и отдельных частей применяются фланцевые соединения, преимущественно круглой формы. На фланцах присоединяются к аппаратам трубы, арматура и т.д.Диаметр условного прохода (внутренний диаметр) штуцеров для подвода и отвода продуктов рассчитывается на основе уравнения массового расхода и округляется до ближайшего стандартного значенияРасчет диаметра патрубков для отвода и подвода проводится по уравнению:,где G – определенный расход, кг/с;π – геометрическая постоянная (π =3,14);ω – скорость движения маловязкой жидкости под давлением, м/с;ρ – плотность потока, при определенных условиях, определяется по формуле, кг/м3 .Вход исходной смеси:кг/кг Тf =47Cw=2м/сρсм= 640 кг/м3 (определено ранее),Выход кубового остатка :кг/кг Тf =64Cw=0,1м/с,Вход флегмы:кг/кг Тf =51Cw=20м/сФ = RP = 2,70,558 = 1,5066 кг/с.где R – оптимальное флегмовое число;P – массовый расход продукта, кг/с.V = 1,5066/720 = 0,0021м3/c,Выход пара:Тр =41Cw=30м/с Плотность пара:ρп= кг/м3V = (1,5066+0,558)/3,16 = 0,65 м3/c мВыход жидкости из куба:Тw =64Cw=1м/сρж= 670 кг/м3V = (1,5066+1,335)/670= 0,0043м3/c мВход пара:Тw =64Cw=25м/сρп= 2,93кг/м3V = (0,83+1,335)/2,93= 0,739м3/c мТаблица 4.2-Размеры фланцевых штуцеров с внутреннем базовым давлением ОСТ 26-426-79 [4]НазначениеDy,ммDf,ммDb,ммD,ммdн,ммh,ммdб,ммzs,ммВыход пара150315280174160181683,5Вход флегмы321401103848121443Вход пара200370355225210201683,5Выход жидкости из куба802051709785141643,5Выход кубового остатка125260225148135141643,5Вход исходной смеси321401103848121443Для манометра2510075603381243Для указателя уровня209065502681243Для установки уровнемера2510075603381243Для термометра ртутного25100756033812434.3 Подбор крышек, днищ для колонных аппаратовДнища являются одним из основных элементов химических аппаратов. Цилиндрические цельносварные корпуса как горизонтальных, так и вертикальных аппаратов, ограничиваются днищами. Наиболее распространенной формой днищ в сварных химических аппаратах является эллиптическая форма с отбортовкой на цилиндр.Таблица 5.3. Размеры эллиптических отбортованных стальных днищ с внутренними базовыми диаметрами ГОСТ 6533-78, мм [4].DвнS,ммh, ммhв , ммFв , м2Vв , м37004502501,240,17ЗаключениеВ настоящей работе проведен расчет ректификационной колонны, предназначенной для непрерывного разделения бинарной смеси – «бензол-толуол», работающей под давлением. На основании анализа имеющихся литературных данных рассмотрены теоретические основ процесса ректификациии применяемого оборудования. Проведен расчет материального и теплового баланса процесса ректификации.На основании полученных результатов проведены расчеты конструкции ректификационной колонны.Выполнение настоящего курсового проекта способствовало приобретению навыков принятия самостоятельных конструктивных решений, усвоению последовательности разработки технологических установок, закреплению учебного материала по расчету основных процессов и аппаратов химической технологии.Список использованной литературыОсновные процессы и аппараты химической технологии /Пособие по проектированию/, Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под.ред. Ю.И. Дытнерского, 2-ое изд. перераб. и дополнен. М: Химия, 1991 – 496 с.Справочник химика том V, под редП.Г.Романкова, 2-ое изд. перераб. и дополнен.Л Химия, 1968-975с.В.Б.Коган, И.М.Фридман, В.В.Кафаров. Равновесие между жидкостью и паром. Справочное пособие. Книга вторая. «Наука». М.-Л. 1966.Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии /Учебное пособие/, К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков, 9-ое изд. перераб. и дополнен. Л. Химия,1987-575с.Курсовое проектированиепо процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные /Метод указания/. ЛТИ им. Ленсовета – Л.: 1989, 40 с.Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. – Л.: Машгиз, 1970. – 753 с.Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1991.- 352 с.Справочник химика. ТомIII: Химическое равновесие и кинетика. Свойства растворов. Электродные процессы. М.: Химия, 1964, 1093с.Брисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. М.: Химия, 1991. 496с.Приложение АНомограмма для определения констант фазового равновесия углеводородов при высоких температурах