Курсовая. 2 расчетный раздел исходные данные

• Название: 2 расчетный раздел исходные данные
• Анкор: Курсовая
• Дата: 19.06.2022
• Размер: 75.77 Kb.
• Имя файла: raschety.docx
• Тип: Документы; #604485

2 РАСЧЕТНЫЙ РАЗДЕЛ

Исходные данные

Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия для разделения Gf т/ч смеси, состоящей из двух компонентов: вода и уксусная кислота. Исходная смесь поступает с содержанием аf % (мас.) воды, дистиллят требуется получить с содержанием аd % (мас.) воды. В кубовом остатке должно содержаться аw % (мас.) воды. Смесь подается в колонну в виде жидкости. Кубовая часть обогревается глухим насыщенным паром с абсолютным давлением Р. Колонна работает при атмосферном давлении.

Таблица 1 - Данные для расчёта

Компонент А	Компонент В	Gf	аf	аd	аw	tв	tк	P
Этиловый спирт	Вода	5,1	24	91,0	1,2	20	28	2,3

2.1 Содержание компонентов в мольных %

Расчет произвести в такой последовательности:

а) выполнить схему ректификационной установки непрерывного действия. Наметить движение продуктов, пара и воды;

б)выразить составы продуктов в мольных процентах.

При расчете ректификационных колонн содержание компонентов в жидкой и паровой фазах принято выражать в мольных процентах (или в мольных долях). Пересчет производится по следующим формулам.
(2.1)


(2.2)


(2.3)

в) на миллиметровой бумаге построить кривую равновесия в координатах У-У. Значения равновесных составов. Для некоторых смесей (этиловый спирт-вода, этиловый спирт-бензол) кривая равновесия пересекает диагональ в точке - А, называемой азеотропной точкой. В этой точке составы равновесных пара и жидкости одинаковы. Такая жидкость, кипящая при постоянной температуре с неизменным составом, называется азеотропной или нераздельнокипящей.

Нанести на график вертикальные линии с координатами Xd , Xf, Xw;

г) определить минимальное и рабочее флегмовые числа по формулам;

д) построить рабочие линии укрепляющей и исчерпывающей частей, колонны, нанести на диаграмму ступени изменения концентрации и определить число теоретических тарелок Nт;

е) определить коэффициент полезного действия тарелки и число действительных тарелок по формулам;

ж) определить расходы дистиллята и кубового остатка по формулам;

з) определить расход греющего пара. Подставляя статьи теплового баланса, решают уравнение относительно D . Энтальпии пара и конденсата воды берут по заданному давлению;

и) определить расходы воды в дефлегматоре и холодильнике;

к) определить диаметр колонны; диаметры колонны определяют отдельно для укрепляющей и исчерпывающей частей. При определении расчетного коэффициента по графику предварительно задаются расстоянием между тарелками, принимая h = 0,30-0,45 м. Если после определения диаметра колонны выбранная величина h не соответствует, то скорость пара и диаметр пересчитывают по новым данным;

л) определить высоту колонны,

м) определить конструкцию тарелок,

н) определить диаметры патрубков,

о) рассчитать аппарат на прочность.

2.2 Расчет минимального и рабочего флегмового числа

(2.4)


Число теоретических тарелок, определяемое графическим методом, зависит от положения рабочей линии на диаграмме, т.е. от величины флегмового числа R. При увеличении флегмового числа рабочая линия приближается к диагонали диаграммы, поворачиваясь вокруг точки а. Это приводит к уменьшению числа теоретических тарелок.

Когда рабочая линия сольется с диагональю, колонна будет работать с бесконечно большим флегмовым числом, R → ∞, а число теоретических тарелок будет минимальным.

При уменьшении флегмового числа рабочая линия приближается к кривой равновесия, движущая сила уменьшается, а число тарелок будет увеличиваться и в пределе станет равным бесконечно большой величине NT→ ∞ при минимальном флегмовом числе Rmin.

Минимальное флегмовое число определяется таким положением рабочих линий, при котором они пересекаются в точке в 1 на кривой равновесии с координатой хf.

Rmin = (2.5)

Rmin =

На практике процесс ректификации должен проводиться при флегмовом числе, превышающем минимальное. В связи с этим флегмовое число определяют из соотношения:

_(2.6)


где σ – коэффициент избытка флегмы.

Величину σ определяют, руководствуясь тем, что с увеличением флегмового числа уменьшается число тарелок и высота колонны, однако при этом увеличивается поток пара, вследствие чего возрастает ее диаметр и увеличиваются энергетические затраты (расход греющего пара, охлаждающей воды и др.). Оптимальное значение коэффициента избытка флегмы определяют на основании технико – экономического расчета.

В большинстве практических случаев принимают σ = 1,3…1,5
2.3 Расчет КПД и числа действительных тарелок
Для определения числа действительных тарелок пользуемся средних коэффициентом полезного действия тарелок ректификационной колонны. Найдем приближенное значение по уравнению:
= 0,49(µα (2.7)
= 0,49(0,299 6,789 = 0,412 мПа с
где µ - вязкость исходной смеси, мПа с;

µ = (2.8)

µ =

где , – вязкость отдельных компонентов смеси (в мПа с) при температуре t_f на питающей тарелке;

α – относительная летучесть компонентов в начальной смеси:

α = (2.9)

α =

Число действительных тарелок определяется из уравнения:
N_д = N_Т / (2.10)
N_в = 12 / 0,412 = 29 шт.
N_н = 3 / 0,412 = 7 шт.
Таким образом, общее число реальных тарелок в колонне составляет 36 шт.
2.4 Расчет расхода дистиллята и кубового остатка
Материальный баланс ректификационной колонны выражается следующими уравнениями:

(2.11)

где G_f – расход сырьевого потока в зону питания колонны, G_d – расход дистиллята, G_w – расход кубового остатка;
(2.12)

где a_f – массовая концентрация компонента А в сырье, a_d – массовая концентрация компонента А в дистилляте, a_w – массовая концентрация компонента А в кубовом остатке.

Совместное решение этих уравнений дает формулы для определения расхода дистиллята и кубового остатка:
(2.13)



(2.14)



2.5 Определение расходов греющего пара в кипятильнике и воды в дефлегматоре и холодильнике

Рассмотрев статьи прихода и расхода теплоты в ректификационной колонне, можно получить уравнение теплового баланса

(2.15)

где Q₁ – теплота, отданная греющим паром, Вт;

(2.16)



где i¹ – удельная энтальпия воды, i¹¹ – удельная энтальпия пара,

D – расход греющего пара;

Q₂ – теплота, вносимая исходной смесью, Вт;

(2.17)


Q₃ – теплота, вносимая флегмой, Вт;

(2.18)



Q₄ – теплота, уносимая паром, поднимающимся с верхней тарелки, Вт;
(2.19)



где λ_d – энтальпия пара, поднимающегося из колонны, Дж/кг;

Q₅ – теплота, уносимая кубовым остатком, Вт;

(2.20)



Q_n – тепловые потери в окружающую среду, Вт

(2.21)



Расход греющего пара Д в кипятильнике определяется по уравнению теплового баланса с учетом тепловых потерь (k = 0.02 – 0.04).

(2.22)


где λ_s – энтальпия греющего насыщенного пара, поднимающегося из колонны, Дж/кг; с_в – теплоемкость конденсата греющего водяного пара, Дж/кг;

θ – температура конденсации греющего пара; t_d, t_f, t_w – температура кипения дистиллята, питания и кубового остатка.

Удельные теплоемкости продуктов (с_f, с_d, с_w) определяются по правилу аддитивности с учетом массовой концентрации компонентов (a_f, a_d, a_w) в данном продукте. Например,

(2.23)


(2.24)
=
(2.25)


где с_а, с_в – удельные теплоемкости чистых компонентов при температуре кипения продуктов, Дж/(кг К).
(2.26)



Удельную теплоту парообразования дистиллята можно рассчитать из уравнения:

(2.27)

где r_a, r_B – удельные теплоты парообразования компонентов при температуре td, Дж/кг.

Расход воды в дефлегматоре:
(2.28)


Расход воды в холодильнике:

(2.29)



Температура воды tвк на выходе из дефлегматора и холодильника принимают на 10 – 15 С выше начальной температуры tв воды, tк–заданная конечная температура дистиллята.
2.6 Расчет геометрических размеров колонны
2.6.1 Диаметр укрепляющей части колонны
Плотность пара определяют по уравнению:

(2.30)



Для колонны, работающей при атмосферном давлении, следует принять Р = 10,1 10⁴ Па;

m_ср - средняя молекулярная масса пара,

(2.31)



y_ср- средняя концентра­ция пара, % (мол.); Т – средняя абсолютная температура, К;

(2.32)

(2.33)



(2.34)



Плотность жидкости определяется по средней массовой концентрации:
(2.35)



(2.36)



где ρа, ρв - плотности чистых компонентов в жидком состоянии при tср, для соответствующих частей колонны, кг/м³;

aср - средняя массовая концентрация жидкости, % (мас.);

Приближенно допустимую скорость пара можно определить по формуле:

(2.37)



где С - коэффициент, определяемый по графику, для ректификационных колонн, работающих при атмосферном давлении со средней нагрузкой по жидкости.

После определения из уравнения диаметра колонны его уточняют, принимая ближайшее значение Dк:

Расчет диаметра колонны:

(2.38)

ГОСТ 1,2 м
где - средняя плотность пара в колонне, кг/м³; ω_n – скорость пара, отнесенная к полному поперечному сечению колонны, м/с.
2.6.2 Диаметр исчерпывающей части колонны
Плотность пара определяют по уравнению:
(2.39)



Для колонны, работающей при атмосферном давлении, следует принять Р = 10,1 10⁴ Па;

m_ср - средняя молекулярная масса пара,

(2.40)


y_ср- средняя концентра­ция пара, % (мол.); Т – средняя абсолютная температура, К;

(2.41)



(2.42)



(2.43)


Плотность жидкости определяется по средней массовой концентрации:
(2.44)


(2.45)



Приближенно допустимую скорость пара можно определить по формуле:

(2.46)


Диаметр колонны для низа определяем по формулам:
(2.47)
0,683 кг/ч
(2.48)

(2.49)
ГОСТ 1,2 м

2.6.3 Высота колонны

(2.50)


(2.51)



Высота зоны питания h₁ и расстояние от крышки до первой тарелки концентрационной части определяются:

(2.52)


D – диаметр колонны
(2.53)

Принимаем расстояние между тарелками Н_т = 300 мм, тогда высота нижней и верхней части составит:
(2.54)

м

(2.55)





(2.56)





Общая высота колонны рассчитывается по формуле:

(2.57)




2.6.4 Расчет диаметров штуцеров

В ректификационной колонне непрерывного действия требуется как минимум 5 патрубков (штуцеров): для отвода пара из колонны, для ввода пара в колонну из кипятильника, для ввода флегмы и сырья, и для вывода кубового остатка.

Диаметры патрубков определяются по уравнению расхода с учетом пропускной способности патрубка и допустимой скорости жидкости и пара.

Уравнение для расчета диаметра штуцера dnd отвода пара из колонны:
(2.58)


где ρnd – плотность пара состава yd в верхнем сечении колонны, кг/м³,

Wnd – допустимая скорость пара в патрубке, м/с;

(2.59)

(2.60)


m_cp – средняя молекулярная масса пара.

(2.61)

Аналогично определяется диаметр патрубка для подвода пара в колонну из кипятильника dnw, практически dnw = dnd.

Уравнение для расчета диаметра штуцера dф ввода флегмы:

(2.62)
по ГОСТ 40 мм
где ρ_ф - плотность флегмы, т.е. жидкости состава а_d, кг/м³,

W_ф–допустимая скорость флегмы в трубе, принимается в пределах 1,5 – 2 м/с.

Уравнение для расчета диаметра штуцера d_f ввода жидкого сырья:

(2.63)

0,036м по ГОСТ 40 мм

где ρ_f - плотность жидкого сырья, т.е. жидкости состава а_f, кг/м3,

W_f – допустимая скорость жидкого сырья в трубе, принимается в пределах 1,5 – 2 м/с.

Уравнение для расчета диаметра штуцера df отвода кубового остатка:

(2.64)

по ГОСТ 80 мм

где ρ_w - плотность жидкости состава а_w, кг/м³,

W_w – допустимая скорость жидкости в трубе при движении самотеком,
принимается в пределах 0,3 – 0,7 м/с.

После расчетов патрубков выбираются их диаметры из нормализованного ряда по нормалям, при этом округление производится в большую сторону.

Плотность жидкости определяется по средней массовой концентрации для укрепляющей и исчерпывающей части колонны.

(2.65)

кг/м³

(2.66)

кг/м³
(2.67)
кг/м³

2.7 Расчет аппарата на прочность

Расчет узлов и деталей на механическую прочность производится для случая возникновения неблагоприятных условий возможных в эксплуатации.

В качестве расчетного давления принимается максимально возможное избыточное давление в аппарате, но не менее 0,2 МН/м².

Узлы и детали аппаратов изготавливаются из углеродистой и других сталей в виде листового и сортового проката, труб, а также отливок из стали и чугуна. Вся аппаратура сваривается.

При выборе материала должны учитываться механическая прочность, термостойкость, химическая стойкость, физические свойства, дефицитность и стоимость материала.

Таблица 2 -Механические свойства сталей.

Марка стали	δВ, МН/м2	δТ, МН/м2
09Г2С	500	350

Величина допускаемого напряжения в зависимости от вида нагрузки, прочностных характеристик конструкционного материала при температуре ≤ 400 ^оС определяется по следующим формулам:
(2.68)
МН/м²

δ_в – предел прочности при растяжении МН/

n_в – запас прочности по пределу прочности, n_в= 2,6
(2.69)

МН/м²

δ_т – предел прочности при тякучести, МН/

n_т – запас прочности по пределу текучести, n_т=1,5
2.7.1 Расчет цилиндрической обечайки, работающей под внутренним давлением
Расчетная толщина цилиндрической стенки определяется по формуле:

(2.70)



S – толщина обечайки, мм

D_B – внутренний диаметр обечайки, мм

Р – расчетное давление, МН/м², принимается равным сумме рабочего давления среды в аппарате и гидростатического давления, если оно составляет более 2,5% от рабочего;

С – прибавка на коррозию, эрозию с учетом срока службы аппарата и минусовый допуск по толщине листа, мм;

γ – коэффициент прочности радиального сварного шва при наличии такового.
2.7.2 Расчет крышек и днищ
Днище выполняется в виде эллипса. Расчетная толщина S стенки днища, подверженного внутреннему давлению Р МН/м², определяется по формуле:
(2.71)



где  Д_В – внутренний диаметр днища, принимается равным внутренниму диаметру обечайки, мм,

Н – высота выпуклой части днища, мм,

К – безразмерный коэффициент;

γ – коэффициент прочности радиального сварного шва при наличии такового.

Коэффициент К определяется по формуле:

(2.72)



где  d – наибольший диаметр неукрепленного отверстия в днище, мм

3 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ПРОЕКТА

На основе материального расчета рассчитаны материальные потоки в колонне и определены диаметр ректификационной колонны для укрепляющей части - 1200 мм и диаметр ректификационной колонны для исчерпывающей части – 1200 мм. Найдено оптимальное флегмовое число R = 2,08. Рассчитано действительное число тарелок: 29 в верхней и 7 в нижней части колонны. Проведен конструктивный расчет и подобраны нормализованные конструктивные элементы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимии: Учебник для вузов/А.И. Скобло, Ю.К. Молоканов, В.А. Владимиров, В.А. Щелкунов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра-Бизнес-центр, 2013. – 677 с.

2. Процессы и аппараты нефтепереработки: Учебник для техникумов, Ю.К. Молоканов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра-Бизнес-центр, 2017. – 467 с.

3.Ю.И. Дытнерский, Процессы и аппараты химической технологии в 2-х кн. Ч.1: учебник для вузов.- Москва: Альянс, 2015.

4.Ю.И. Дытнерский, Процессы и аппараты химической технологии в 2-х кн. Ч.2: учебник для вузов.- Москва: Альянс, 2015.

5.Сарданашвили, А.Г. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа: учебное пособие. - Санкт-Петербург: Лань, 2017.
https://e.lanbook.com/reader/book/90055/#2