Ректификационная установка непрерывного действия для разделения смеси: ацетон - изопропиловый спирт - вода
МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
ТОНКОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
им. М.В. Ломоносова
КАФЕДРА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ
ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту по ПАХТу на тему:
“РЕКТИФИКАЦИОННАЯ УСТАНОВКА
НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ:
АЦЕТОН - ИЗОПРОПИЛОВЫЙ СПИРТ - ВОДА”
Проект выполнила: Буевич О.Н.
Группа: XT-306
Руководитель проекта: Варфоломеев Б.Г.
Москва
2003
ПЛАН
Введение
Описание технологической схемы
Данные по равновесию смеси
Основные теплофизические характеристики потоков
Материальный баланс
Рабочее флегмовое число
Уравнения рабочих линий
Определение скорости пара и диаметра колонны
Расчет средних величин по аддитивности
Тепловой баланс колонны
Диаметр колонны по условиям верха и низа
Скорость пара в колонне
Определение числа тарелок и высоты колонны
Число тарелок
Высота тарельчатой части
Высота колонны
Гидравлический расчет тарелок
Тепловой расчет установки
Дефлегматор – конденсатор
Куб – испаритель
Паровой подогреватель смеси
Водяной холодильник дистиллята
Водяной холодильник кубового остатка
Расход греющего пара
Расчет теплообменной аппаратуры
Расчет подогреваемой смеси
Расчет конденсатора – дефлегматора
Расчет испарителя (кипятильника)
Выбор емкостей
Емкость для хранения исходной смеси
Емкость для дистиллята
Емкость для кубового остатка
Расчет тепловой изоляции
Расчет центробежного насоса
Расчет потерь на трение и местные сопротивления
Выбор насоса
Предельная высота всасывания
Расчет и подбор штуцеров
Штуцер для подачи исходной смеси
Штуцер для вывода паров дистиллята
Штуцер для вывода кубового остатка
Штуцер для подачи флегмы
Штуцер для подачи жидкости в кипятильник
Расчет и подбор крышки
Расчет и подбор днища
Расчет и подбор обечайки
Расчет и подбор конденсатоотводчиков
Опора аппарата
Список литературы
Введение
Ректификация - один из самых распространенных технологических процессов в химической, нефтяной и других отраслях промышленности. Ректификация - процесс разделения бинарных или многокомпонентных паров, а также жидких смесей на чистые компоненты или их смеси.
Для разделения смесей используют ректификационные установки, представляющие собой ряд ступеней контакта, соединенный в противоточный разделительный каскад. Наиболее простое конструкционное оформление противоточного каскада достигается при движении жидкости.
В нефтяной, химической, нефтехимической и газовой промышленности распространены тарельчатые колонны.
Современные ректификационные аппараты должны обладать высокими разделительными способностями и производительностью, характеризоваться достаточной надежностью и гибкостью в работе, обеспечивать низкие эксплуатационные расходы, иметь небольшую массу и, наконец, быть конструкционно-простыми и несложными в изготовлении. Последние требования не менее важны, чем первые, поскольку они не только определяют капитальные затраты, но и в значительной мере влияют на себестоимость продукции, монтаж, ремонт, контроль, испытание и безопасную эксплуатацию оборудования.
Особое значение имеет надежность работы ректификационных аппаратов, установок, производящих сырье для нефтехимической промышленности. Ректификационные колонны должны отвечать требованиям государственных стандартов.
В качестве контактных устройств применяют различные типы тарелок. В данной установке используется колпачковая тарелка.
Расчет аппаратов выполняется с целью определения технологического режима процесса, основных размеров аппарата и его внутренних устройств, обеспечивающих заданную четкость разделения исходного сырья при заданной производительности. Технологический режим определяется рабочим давлением в аппарате, температурами всех внешних потоков, удельного расхода тепла и холода. Основными размерами аппарата являются его диаметр и высота.
В данной установке производится разделение тройной смеси ацетон - изопропиловый спирт - вода.
Описание технологической схемы
Исходную смесь из промежуточной емкости Е1 центробежным насосом Н1-Н2 подают в теплообменник, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну КР на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси. Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике К. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, то есть 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, подаваемой центробежным насосом Н3 – Н4, получаемой в дефлегматоре Д путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистилята, который охлаждается в теплообменнике Х2 и направляется в промежуточную емкость Е3. Из кубовой части колонны непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике Х1 и направляется в емкость Е2.
Таблица 1. Равновесные данные системы изопропиловый спирт – вода.
x% | 0 | 0,6 | 3,2 | 4 | 6 | 12 | 43 | 60 | 68,4 | 87 | 95,5 | 100 |
y% | 0 | 15 | 33 | 38,5 | 47 | 51 | 57,5 | 64,5 | 68,4 | 84,5 | 93 | 100 |
t0C | 100 | 96 | 90,2 | 87,3 | 85 | 82,9 | 80,8 | 80,4 | 80,3 | 80,8 | 81,5 | 82,3 |
Таблица 2. Равновесные данные системы ацетон – вода.
0 | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | |
y% | 0 | 60,3 | 72 | 80,3 | 82,7 | 84,2 | 85,5 | 86,9 | 88,2 | 90,4 | 94,3 | 100 |
t0C | 100 | 77,9 | 69,6 | 64,5 | 62,6 | 61,6 | 60,7 | 59,8 | 59 | 58,2 | 57,5 | 57 |
Исходные данные:
производительность по исходной смеси
W1 = 7500 кг/час = 2,08 кг/с
концентрации низкокипящих компонентов:
в исходной смеси х1а = 25% (мольн), х1б = 60% (мольн)
в дистилляте х2а = 95% (мольн), х2б = 0% (мольн)
в кубовом остатке х0а = 3% (мольн).
Материальные балансы
W1 - массовый расход смеси,
П - массовый расход дистиллята,
W0 - массовый расход кубового остатка.
Составляем уравнения материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия.
Баланс по всей смеси:
W1 - П - W0 = 0
Баланс по низкокипящему компоненту:
W1х1 - W0х0 - Пх2 = 0
кмоль/с
кмоль/с
Определяем мольную массу исходной смеси и дистиллята
Рабочее флегмовое число
Принимаем в качестве рабочего флегмового числа R = 3,75
Построение рабочих линий ректификационной колонны:
рабочую линию укрепляющей части колонны удобно строить по двум точкам. Первая получается при пересечении диагонали диаграммы x - y с прямой x = x2, а вторая - точка на оси ординат
рабочую линию отгонной части колонны также строим по двум точкам. Первая - это точка пересечения рабочей линии укрепляющей части колонны с прямой x = x1, а вторая - точка на диагонали диаграммы x - y с абсциссой x0.
Определение скорости пара и диаметра колонны
Тарельчатые колонны составляют основную группу массообменных аппаратов. Они представляют собой вертикальный цилиндр, на высоте которого расположены специальные контактные устройства - тарелки. В этих колоннах жидкости меньшей плотности последовательно барботируются через слой жидкости на тарелках, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Жидкость непрерывно перетекает с верхних тарелок на нижние, отделенные друг от друга свободным пространством, где пар или легкая жидкость отделяется от уносимых ими частиц более тяжелой фазы. В тарельчатых колоннах происходит ступенчатый контакт фаз. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится вне колонны. С помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НКК. Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВКК. Его содержание в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. Пар представляет собой на выходе из кипятильника ВКК и по мере движения вверх все больше обогащается НКК, который переходит в паровую фазу на пути пара из кипятильника до верха колонны. Пары конденсируются в дефлегматоре охлаждаемом водой и получаемая жидкость разделяется в разделителе на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на питающую тарелку колонны. Для того, чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь нагревают в подогревателе, до температуры кипения жидкости на тарелке питания. Тарелка питания делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части должно быть обеспечено, возможно большее укрепление паров, т.е. обогащение их НКК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к НКК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НКК, т.е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к ВКК. Эта часть колонны называется отгонной. В дефлегматоре могут быть сконденсированы все пары, поступающие из колонны, либо только часть их, соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае, часть конденсата остающаяся после отделения флегмы (дистиллят) охлаждается в холодильнике и направляется в сборник дистиллята. Во втором случае, несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике, который при таком варианте работы служит конденсатором - холодильником дистиллята. Жидкость, выходящая из низа колонны, близкая по составу к ВКК также делится на две части. Одна часть направляется в кипятильник, а другая - кубовый остаток, после охлаждения водой в холодильнике, направляется в сборник кубового остатка.
Диаметр колонны по условиям верха и низа
Температура t и скорость пара wп изменяются по высоте колонны. Поэтому диаметр колонны dк рассчитывают для ряда сечений колонны (в нашем случае для укрепляющей и отгонной частей). Если при расчете величины dк получаются близкими, то колонну делают одного диаметра (ориентируясь на большее значение dк). Если различие в значениях dк велико, то в этом случае укрепляющая часть колонны имеет один диаметр, а отгонная другой.
Диаметр колонны по условиям верха
Находим по уравнению Менделеева - Клайперона плотность пара в укрепляющей части колонны
Находим среднюю плотность жидкости в колонне. Для этого находим плотности ацетона и воды по температуре в верху колонны (t2) и в кубе - испарителе (t0).
Плотность жидкого ацетона при температуре t2 = 560С равна rацет. = 746 кг/м3 (см. [1] стр.489, табл. IV), воды - 983 кг/м3.
Плотность воды при температуре t0 = 830C равна rвод = 972 кг/м3 (см. [1] стр.512, табл. XXXIX), ацетона - 719 кг/м3, спирта - 735 кг/м3.
Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне
1/
а2 = .1/ = 0,95.58.1/56 = 0,98
= 752 кг/м3
,
где С - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстоянии между ними, рабочего давления в колонне, нагрузки колонны по жидкости и др.
Принимаем расстояние между тарелками h = 0,4м, тогда С = 0,059 (см. [1], стр.301, рис.7-2).
Скорость пара в верхней части колонны
Диаметр укрепляющей части колонны вычисляем по формуле
,
где Dм - массовый поток пара.
Массовый поток пара Dм изменяется по высоте колонны, его значение определяется по мольному потоку пара D и значению молярной массы М паровой смеси:
Dм =D Ч М2,
где D = П(R + l) = 0,009 (3,75 + l) = 0,043
Мольный поток пара D постоянен по высоте колонны.
Тогда
Dм =D Ч М2 = 0,043Ч 56 = 2,41 кг/c
Диаметр укрепляющей части колонны равен
.
диаметр колонны по условиям низа
Находим плотность пара в отгонной части колонны
.
Скорость пара в отгонной части колонны
Массовый поток пара Dм в отгонной части колонны
Dм =D Ч М0 = 0,043Ч52,4 = 2,25 кг/ c.
Тогда диаметр отгонной части колонны будет равен
Диаметр укрепляющей и отгонной частей колонны принимаем одинаковыми и равными dк = 1600 мм (см. [3] стр.9-10).
Определение числа тарелок и высоты колонны
По способу работы массообменные тарелки делятся на ситчатые, колпачковые, провальные и струйно-направленные. Диапазон тарелок, применяемых в колонной аппаратуре, составляет 200-8000 мм - в соответствии с диаметрами колонн, для которых они предназначаются. Количество тарелок в колонне бывает обычно не менее 20 - 30, а в отдельных случаях доходит до 80 штук и более. Расстояние между тарелками зависит в основном от физико-химических свойств разделяемой смеси и бывает от 60 до 600 мм и более. Тарелки малых размеров выполняются цельными, тарелки больших размеров - большей частью составными (разборными) из отдельных секций, соединенных между собой болтами и другими крепежными приспособлениями. Тарелки характеризуются нагрузками по пару и жидкости, относительная величина которых, в зависимости от разделяемой смеси, может значительно отличаться друг от друга.
Определение числа тарелок
Для определения теоретического числа тарелок необходимо на диаграмме х - y построить рабочие линии укрепляющей и отгонной частей колонны так, как это указано в разделе 1.5.
В итоге получаем
Число реальных тарелок рассчитывается по уравнению
где - КПД тарелок, учитывающий реальные условия массообмена на тарелках.
Высота тарельчатой части
Нт = (n - 1) Чh = (14 - 1) Ч0,4 = 5,2м
Высота колонны.
Н = Нт + Нс + Нк
где Нс = 0,5 м - высота сепарационной части,
Нк = 1,5 м - высота кубовой части колонны
Н = 5,2 + 0,5 + 1,5 = 7,2 м.
Гидравлический расчет тарелок
Принимаем следующие размеры колпачковой тарелки: диаметр отверстий d0=4мм высота сливной перегородки hп=50мм. Свободное сечение тарелки11% от общей площади тарелки. Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в нижней и верхней части колонны по уравнению
где - сопротивление сухой тарелки,
- сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения,
пж - сопротивление парожидкостного слоя на тарелке
верхняя часть колонны.
Гидравлическое сопротивление сухой тарелки
=
где - скорость пара в прорезях колпачка (из расчета верха колонны);
- коэффициент сопротивления, равный для колпачковых тарелок …4,8 (см. [1] стр.28).
= 0,935 - средняя плотность пара в верхней части колонны
Fc = 0,109
Гидравлическое сопротивление сухой тарелки равно
= = 4,8.0,69.0,935/ 2.0,1092 = 130,3 Па
Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения
где s = 21,5Ч10-3 Н/м - поверхностное натяжение жидкости при (см. [1] стр.526)
= 4fпр. /П (где fпр. и П – площадь и периметр прорези).
fпр. = 3,14. dк. h = 2h (h – высота подъема колпачка) h = 0.01м(см. [7] стр.214)
=2.0,01 = 0,02 м.
Статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке
(см. [1] стр.28)
где = 0,5 – относит. Плотность пены (см. [1] стр.28)
h = hж - hпер - высота уровня жидкости над сливным порогом
hпер = 0,06м - высота сливной перегородки (см. [7] стр.214)
hж = hw + how - высота слоя жидкости на тарелке.
Примем hw = 0,06 м, h0w = 0,029
Wв – плотность орошения через сливную планку. Wв = Wч/В
Часовой расход в верхней части колонны
Wч = ПR/.3600 =(0,5.3,75/ 752).3600 = 9,0 м3/ч
В = 1,238 м – периметр слива (см. [7] стр.214)
Wв = 9,0/1,238 = 7,27 м3/ч
h0w = 0,029. = 0,011м h =0,011м
1,3.0,5.752(0,02 + 0,015 +0,011) 9,81 = 220,6Па
130,3 +4,3 +220,6 = 355,2Па
нижняя часть колонны.
Гидравлическое сопротивление сухой тарелки
=
.
Сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения