Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Цель и задачи расчёта

Целью расчёта ректификационной установки непрерывного действия является определение основных размеров оборудования, входящего в технологическую схему установки, размеров внутренних устройств ректификационного аппарата, мат. потоков и затрат тепла. При этом следует помнить, что ректификация представляет собой процесс разделения жидких смесей на компоненты, при котором происходит переход вещества из жидкой фазы в паровую и наоборот. В большинстве случаев ректификация осуществляется в противоточных колоннах с контактными элементами.

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рисунке 1. Исходная смесь из промежуточной ёмкости 1 центробежным насосом 2 подаётся в теплообменник 3, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колону 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси Хƒ
.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, который образуется при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка Х
w
, т.е. обеднён легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкости (флегмиат) состава Хр
, которая получается в дефлегматоре 6 путём конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выходит из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллятора, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную ёмкость 8. Из кубовой части колонны насосом 11 непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащённый труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 9 и направляется в ёмкость 10.

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

При выполнении курсового проекта необходимо провести:

материальный, гидравлический, тепловой расчёты ректификационной колонны;

материальный и тепловой расчёты дефлегматора, подогревателя исходной смеси и холодильников для охлаждения готовых продуктов разделения;

выбор питающего насоса по расходуемой энергии конденсатоотводчика;

определить размеры ёмкостей для исходной смеси дистиллята и кубовой жидкости.

3 Расчёт высоты ректификационной колонны

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Высота ректификационной колонны определяется числом действительных тарелок или ступеней изменения концентраций. До настоящего времени нет точного и простого теоретического метода расчёта числа тарелок, поэтому надёжные результаты при проектировании могут быть получены опытными методами. Если опытные данные отсутствуют, то высоту колонны можно рассчитать только приближенно. Из существующих методов расчёта числа рабочих тарелок наиболее распространены следующие методы:

метод теоретической тарелки, рекомендуется применять при наличии сведений о средних КПД колонны;

метод кинетической кривой, рекомендуется использовать при наличии данных о КПД тарелок. Этот метод даёт более надёжные результаты определения числа тарелок.

Выбор питающего насоса

Выбор питающего насоса производится в зависимости от свойств подогреваемой смеси.

Основными типами насосов, используемых в химической технологии, являются центробежные, осевые, поршневые. Для проектируемой ректификационной установки используем центробежный насос. При проектировании обычно возникает задача определения необходимого напора Нл
, мощности Nн
при заданной подаче жидкости Qп
, перемещаемой насосом. Далее по найденному напору и производительности насоса определяем его марку, а по величине мощности на валу Nп
– тип электродвигателя к насосу.

Читайте так же:  10 популярных марок российского шампанского

Мощность на валу насоса Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Напор насоса Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Геометрическая высота подъёма жидкости Нr
равна высоте исчерпывающей части ректификационной колонны:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Nч. к.
– число тарелок контакта в исчерпывающей части колонны;

h
– расстояние между тарелками, м
;

hn
– напор, теряемый на преодоление гидравлического сопротивления в трубопроводе, мм
.

Потери напора:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Определим диаметр трубопровода из основного уравнения расхода:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Для определения коэффициента трения λ
рассчитываем величину
:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Для гладких труб при найденном
определяем λ
. Сначала определим сумму коэффициентов местных сопротивлений:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Пусть количество колен равно 8, а вентилей – не меньше 4. Коэффициенты местных сопротивлений равны [2, табл. ХII].

По приложению V устанавливаем, что значениям подачи и напора больше всего соответствует центробежный насос марки Х
8
/30.

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

5 Конструктивный расчёт тарельчатых ректификационных колонн

Колпачковая тарелка включает в себя следующие основные детали: паровые патрубки, колпачки, сливные патрубки или переточные пороги.

При определении количества паровых патрубков, колпачков и количества сливных патрубков вначале производят проверочный расчёт, а затем по нормалям НИИХИММАШа выбирают их окончательные размеры и число. Живое сечение φ
всех паровых патрубков на тарелках принимается равным 10-20% от живого сечения колонны. Диаметры паровых патрубков по нормалям НИИХИММАШа рекомендуется брать при изготовлении их из углеродистых сталей 57/3,5 и 70/4 и из нержавеющих сталей 57/3 и 70/3 мм.

Задавшись диаметром парового патрубка, определяют их количество на тарелке:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

где Fn
– общее сечение паровых патрубков, м
²;

ƒn
– сечение одного патрубка, м
².

Скорость пара в паровом патрубке должна быть в пределах 3-8 м/с
. Поэтому необходимо делать проверочный расчёт и определить фактическую скорость пара. Если она не лежит в допустимых пределах, необходимо задаться новым диаметром патрубка и сделать перерасчёт.

Диаметр колпачка вычисляют из условия равенства скорости пара в патрубке и в кальциевом сечении между паровым патрубком и колпачком:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

где dn
– толщина стенки патрубка (1¸3 мм
).

Возвышение колпачка над паровым патрубком, мм
:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Возвышение нижнего края зубца колпачка под тарелкой Sк
= 5 мм
. Возвышение уровня жидкости над верхним обрезом прорезей колпачков hср
= 15-40 мм
.

Размеры прорезей в колпачках лежат в пределах:

l
– высота – 10-50 мм
;

b
– ширина – 2-7 мм
.

Расстояние между прорезями – 3-4 мм
.

При размещении колпачков на вершинах правильных треугольников минимальный шаг колпачков рассчитывают по зависимости:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

где l
2
– минимальный зазор между колпачками (12,5¸0,25 мм
),

dк
– толщина стенки колпачка (1¸3 мм
).

Диаметр сливного патрубка, мм
:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

где wсл
– скорость жидкости в сливном патрубке, м/с (
можно принять 0,1-0,2 м/с
).

Читайте так же:  Виски Lauders Лаудерс и его особенности

Высота уровня жидкости над сливным патрубком:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Расстояние от нижнего торца сливного патрубка до тарелки:

S
1
= 0,25∆h

Возвышение верхнего торца сливного патрубка над тарелкой:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Расстояние от оси сливного патрубка до оси ближайшего колпачка:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

3.3 Построение кинетической кривой

Для построения кинетической кривой по диаграмме x
y
проводят произвольно вертикальные отрезки между равновесной и рабочими линиями. Эти отрезки делят в отношении, равном коэффициенту обогащения тарелки Сy
:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

где nоу
– число единиц переноса, рассчитываемое по уравнению:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Коэффициент Курсовая работа Расчет ректификационной установки, где FТ
– рабочая площадь тарелки, FК
– площадь сечения колонны.

В среднем φ
принимают равным 0,8¸0,9.

V
6
Н5
Cl) = 6∙14,8 + 5∙3,7 + 24,6 = 131,9;

V
6
Н5
3
) = 6∙14,8 + 5∙3,7 + 14,8 + 3∙3,7 = 133,2.

По известному значению Сy
определяют и откладывают на диаграмме отрезки ВС
. Через полученные точки В
проводят кинетическую кривую Курсовая работа Расчет ректификационной установки. Затем в пределах концентраций Курсовая работа Расчет ректификационной установкипроизводят ступенчатое построение ломаной линии. Число ступеней этой линии даёт число тарелок для верхней и нижней частей колонны N
.

При выражении движущей силы через жидкую фазу между равновесной и рабочей линиями проводят ряд горизонтальных отрезков, которые делят также в отношении Сy
. Дальнейшее построение осуществляется способом, описанным выше.

Для определения Сy
необходимо рассчитать коэффициент массопередачи Ку
(кмоль
/м²с
):

Курсовая работа Расчет ректификационной установки,

где m
– коэффициент распределения, определяющий тангенс угла наклона равновесной линии:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Коэффициент пароотдачи в паровой фазе:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Критерий Рейнольдса вычисляют по формуле

Курсовая работа Расчет ректификационной установки,

где – вязкость парового потока, Па∙с
.

Коэффициент масоотдачи в жидкой фазе

Курсовая работа Расчет ректификационной установки.

Критерий Прандтля:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Далее,

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Расчёт А
:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Z
действительных тарелок = 28.

Х-Х*

Y-Y*

m

Ку

nоу

Су

0,917-0,85

0,96-0,93

0,447

0,02898

0,931

2,53

1,58

0,85-0,75

0,93-0,88

0,5

0,02898

0,931

2,53

2,57

0,75-0,6

0,88-0,765

0,76

0,02898

0,931

2,53

3,35

0,6-0,5

0,765-0,665

1

0,02898

0,931

2,53

3,16

0,5-0,35

0,665-0,53

0,9

0,02898

0,931

2,53

1,97

0,35-0,2

0,53-0,325

1,36

0,02896

0,930

2,53

2,17

0,2-0,1

0,325-0,16

1,65

0,02894

0,929

2,53

1,97

0,1-0,0366

0,16-0,055

1,6

0,02894

0,929

2,53

2,37

Определение флегмового числа

Атмосферное давление:

Давление в колонне:

Строим таблицу равновесного состава c помощью интерполяции [7,табл.XLVI и рис. XIV]:

Курсовая работа Расчет ректификационной установкиКурсовая работа Расчет ректификационной установкиКурсовая работа Расчет ректификационной установки
80760300
848523330,8230,922
88957379,50,6590,83
9210784320,5080,72
961204492,50,3760,596
10013445590,2560,453
1041495625,50,1550,304
1081659704,50,0580,127
1101748760

По таблице находим состав пара равновесного с начальной смесью, с дистиллятом и кубовым остатком:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки;

;

.

Рабочее (оптимальное) флегмовое число R определяет нагрузки ректификационной колонны по пару и по жидкости и наряду с производительностью колонны обуславливает геометрические размеры колонного аппарата и затраты теплоты на проведение процесса.

Исходным при выборе рабочего флегмового числа является минимальное его значение Rmin
.

Rmin
определяется по формуле [Иоффе]:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки(7)

где – мольная доля продукта, кмоль/кмоль.

Курсовая работа Расчет ректификационной установки.

1. Принимаем коэффициент избытка флегмы:

.

Рабочее флегмовое число:

.

Координата точки b:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки.

Строим кривую равновесия:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:

.

Находим произведение:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки.

2. Принимаем коэффициент избытка флегмы:

Читайте так же:  Шотландский виски The Macallan

.

Рабочее флегмовое число:

.

Координата точки b:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки.

Строим кривую равновесия:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:

.

Находим произведение:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки.

3. Принимаем коэффициент избытка флегмы:

.

Рабочее флегмовое число:

.

Координата точки b:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки.

Строим кривую равновесия:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:

.

Находим произведение:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки.

4. Принимаем коэффициент избытка флегмы:

.

Рабочее флегмовое число:

.

Координата точки b:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки.

Строим кривую равновесия:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:

.

Находим произведение:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки.

5. Принимаем коэффициент избытка флегмы:

.

Рабочее флегмовое число:

.

Координата точки b:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки.

Строим кривую равновесия:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:

.

Находим произведение:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки.

Строим зависимость Nm*(R+1)=f(R):

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Из графика видно, что оптимальным будет 2 вариант. Флегмовое число и число теоретических тарелок при этом будут:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

2.4 Определение действительного числа тарелок

Относительная летучесть начальной смеси:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки.

По [1,табл.IX] находим вязкости компонентов:

;

.

Вязкость жидкости на питательной тарелке:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки.

Общий коэф-т полезного действия в тарелке:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки.

Число действительных тарелок:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки.

Принимаем:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки.

2.5 Определение геометрических размеров тарельчатых колонн

В определение геометрических размеров входят определение высоты и диаметра колонны.

2.5.1 Определение диаметра колонны

Диаметрколонныопределяетсяпоформуле :

Курсовая работа Расчет ректификационной установки
(10)

где V
– объёмный расход паров для верха и для низа колонны, м3
/с;

ω
– скорость пара для верхней и для нижней колонны, м/c;

π
– геометрическая постоянная (π =3,14).

2.5.2 Определение объёмного расхода паров

Определение объёмного расхода паров производиться по формуле:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки(11)

где P
– мольный расход, кмоль/с;

R
–оптимальное флегмовое число;

Mcp
– средняя мольная масса пара, кг/кмоль;

ρ
п.ср
– плотность пара для среднего сечения, кг/м2
.

Средняя мольная масса пара определяетсяпоформуле :

Курсовая работа Расчет ректификационной установки(12)

где M
нк
, Мвк
– мольные массы компонентов, кг/кмоль;;

y
ср


средний мольный состав пара, кмоль/кмоль.

Средняя плотность пара определяетсяпоформуле :

Курсовая работа Расчет ректификационной установки (13)

где Т˚
=273К;

Р
=760 мм.рт.ст.

Тср
– средняя температура кипения смеси в среднем сечении верхней части колонны в ˚
С (определяется по t-x-y диаграмме по значению yср
)

Определение объёмного расхода паров в колонне производиться для верха и для низа колонны отдельно.

1 Расчёт материальных потоков

Материальные расчёты процесса ректификации в основном выполняются в мольных количествах. Если заданы концентрации летучего компонента в массовых долях или процентах, перевод в мольные доли или проценты осуществляется по зависимостям:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Расчёт средних молекулярных масс дистиллята, исходной смеси и кубового остатка производится по формулам:

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

или Курсовая работа Расчет ректификационной установки,

где

Мср
– средняя молекулярная масса потока, кг/моль;

Х –
мольная концентрация компонента, моль. доли;

– массовая концентрация компонента, масс. доли.

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

Для расчёта материальных потоков составляем уравнения материального баланса для всего количества смеси (3.1) и летучего компонента (3.7):

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

где Курсовая работа Расчет ректификационной установки– массовый расход дистиллята, исходной смеси, кубового остатка, кг/с.

Курсовая работа Расчет ректификационной установки

наименование жидкости

средн. молекулярная масса, кг/моль

состав,

моль. масс

расход, кг/с

дистиллят

93,7

0,917

0,9

0,617

исх. жидкость

103,7

0,428

0,38

1,527

кубовый остаток

111,75

0,0366

0,03

0,91

Полученные расходы, концентрации, давления и температуры наносят на технологическую схему.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Крепкий алкоголь
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: