Ректификационная колонна (метанол-вода). рект колонна 2 (метанол-вода). Курсовая работа по процессам и аппаратам химической технологии. Пояснительная записка стт группы хтт00

• Название: Курсовая работа по процессам и аппаратам химической технологии. Пояснительная записка стт группы хтт00
• Анкор: Ректификационная колонна (метанол-вода
• Дата: 07.03.2022
• Размер: 195.5 Kb.
• Имя файла: рект колонна 2 (метанол-вода).doc
• Тип: Курсовая; #386028

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации
Пермский государственный технический университет

Кафедра ТТУМ

КУРСОВАЯ РАБОТА
по процессам и аппаратам химической технологии.
Пояснительная записка.
Выполнил: ст-т группы ХТТ-00

Пищальников К.В.
Проверил:

Шенфельд Б.Е.

Пермь,2003

Оглавление.
Расчет материального баланса………………………………………………1

Определение скорости пара и диаметра колонны.…………………………2

Гидравлический расчет тарелок .……………………………………………4

Определение числа тарелок и высоты колоны……………………………..7

Тепловой расчет установки …………………………………………………9

Механический расчет аппарата.……………………………………………12

Список использованной литературы………………………………………16

Введение.
Ректификацией называется диффузионный процесс разделения жидких смесей взаимно растворимых компонентов, различающихся по температуре кипения, который осущест- вляют путем противоточного, многократного контактирования неравновесных паровой и жидкой фаз.

Применяется для получения продуктов с заданной концентрацией компонентов и высокими выходами, широко используется в нефтегазопереработке, химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности.

С хема установки ректификации (рис.1)

В среднюю часть колонны поступает подлежащая ректификации смесь F, нагретая до температуры t_F. Смесь может подаваться в колонну в виде жидкости, паров или смеси паров и жидкости. При входе сырья в колонну происходит процесс однократного испарения, в результате которого образуются пары состава у^*_F и жидкость состава х^*_F, находящиеся в равновесии.

Для обеспечения ректификации необходимо в верхней части колонны навстречу парам организовать поток жидкости R (флегмы, орошения). Для этого на верху колонны тем или иным образом отнимается тепло. За счет этого часть паров, поднимающихся с верхней тарелки, конденсируется, образуя необходимый нисходящий поток жидкости.

В нижней части колонны нужно обеспечить восходящий поток паров. Для этого вниз колонны тем или иным образом подводится тепло. При этом часть жидкости, стекающей с нижней тарелки, испаряется, образуя поток паров.

При таком режиме самая низкая температура t_D будет вверху колонны, а самая высокая t_W – в низу колонны.

Отбираемый сверху колонны продукт D, обогащенный НКК, называется ректификатом (или дистиллятом), - а снизу колонны W, обогащенный ВКК, - остатком (или нижним продуктом).

Та часть колонны, куда вводится сырье, называется секцией питания, или эвапорационным пространством, часть ректификационной колонны, находящаяся выше ввода сырья – верхней, концентрационной или укрепляющей, а ниже ввода сырья – нижней, отгонной или исчерпывающей. В обеих частях колонны протекает один и тот же процесс ректификации.

Вступающие в контакт пары и жидкость при ректификации не находятся в равновесии, но в результате контакта фазы стремятся достичь его или приблизиться к этому состоянию. При этом происходит выравнивание температур и давлений в фазах и перераспределение компонентов между ними.

В качестве контактных устройств в ректификационных колоннах используют тарелки либо насадки различных типов и конструкций. Контакт пара и жидкости, при котором система достигает состояния равновесия, называется идеальным или теоретическим, а устройство, обеспечивающее такой контакт – теоретической тарелкой.

1. Расчет материального баланса.

G_D – массовый расход дистиллята, кг/ч

G_W – массовый расход кубового остатка, кг/ч

G_F – массовый расход питания колонны, кг/ч
G_D + G_W = G_F G_D + G_W = 14000

G_D∙x_D + G_W∙x_W = G_F·x_F G_D·0,96 + G_W·0,015 = 1400∙0,58
Решая систему, находим:

G_W = 5630 кг/ч

G_D = 8370 кг/ч

Выразим концентрации в мольных долях:

Питание:

Дистиллят:



Кубовый остаток:

Относительный мольный расход питания:


Определяем минимальное число флегмы:

Рабочее число флегмы:

R=1,3·R_min + 0,3 = 1,3·0,29 + 0,3 = 0,677
Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:



y = 0,4x + 0,555

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:



y = 1,68x – 0,005
2. Определение скорости пара и диаметра колонны:
Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны:

х_.^| _ср = (x_F + x_D)/2 = (0,437 + 0,931)/2 = 0,684

б) в нижней части колонны:

х^|| _ср. = (х_F + x_W)/2 = (0,437 + 0,008)/2 = 0,222
Средние концентрации пара находим по уравнению рабочих линий:

а) в верхней части колонны:

y^|_ср. = 0,4∙0,684 + 0,555 = 0,828

б) в нижней части колонны:

y^||_ср. = 1,86·0,222 – 0,005 = 0,408

Средние температуры определяем по диаграмме t – x,y




а) при у^|_ср = 0,828 t^|_ср = 72⁰С

б) при y^||_ср = 0,408 t^||_ср = 87⁰С
Средние мольные массы и плотности пара:

а) М^|_ср = 0,828·32 + 0,172·18 = 29,6 кг/моль

б) М^|_ср = 0,408·32 + 0,592·18 = 23,7 кг/моль

Средняя плотность пара в колонне:

ρ_п = (ρ^|_ср + ρ^||_ср)/2 = 1,82/2 = 0,91 кг/м³
По диаграмме t – х,у (рис.2) находим:

Температура вверху колонны при у_D = 0,96 равна t = 66⁰С

в кубе-испарителе при х_W = 0,015 равна t = 99⁰C

Плотность жидкого метанола при t = 66⁰С равна ρ = 745 кг/м³ ,

а воды при t = 99⁰С равна ρ = 960 кг/м³

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

ρ_ж = (960 + 745)/2 = 850 кг/м³
Расстояние между тарелками принимаем h = 300 мм

Для ситчатых тарелок по графику рис.7.2 [1] находим С = 0,032

Скорость пара в колонне:

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне:

t_ср = (72 + 87)/2 = 80⁰С

где М_D – мольная масса дистиллята, равная

М_D = 0,96·32 + 0,04∙18 = 31,44 кг/кмоль
Диаметр колонны:

Принимаем D = 2000 мм

Тогда скорость пара в колонне будет:




3. Гидравлический расчет тарелок.
Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки:

- диаметр отверстий d₀ = 4 мм;

- высота сливной перегородки hп = 40 мм;

Свободное сечение тарелки – 8% от общей площади тарелки.

Рассчитываем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и в нижней части колонны:

∆р = ∆р_сух + ∆р_σ + ∆р_пж
а) верхняя часть колонны:
Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

где ζ = 1,82 – коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 7 – 10%

ω₀ – скорость пара в отверстиях тарелки.

∆р_сух = 1,82∙13,75²·1,02/2 = 116 Па
Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

∆р_σ = 4σ/d₀

При 72⁰С σ(СН₃ОН) = 18,6∙10^-3 н/м

σ(Н₂О) = 64,5·10^-3 н/м

∆р_σ = 4∙(0,684·18,6 + 0,316∙64,5)∙10^-3/0,004 = 33 Па
Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

∆р_пж = 1,3·h_пж∙ρ_пж·g∙к

Высота парожидкостного слоя: hпж = hп + ∆h где ∆h – высота слоя над сливной

перегородкой
где Vж – объемный расход жидкости;

П – периметр сливной перегородки;

К = ρ_пж/ρ_ж = 0,5

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:


где М_ср – средняя мольная масса жидкости.

М_ср = 0,684·32 + 0,316∙18 = 27,5 кг/кмоль

Периметр сливной перегородки П находим, решая систему уравнений:
где R – радиус тарелки; R = 1.

0,1πR² = 2/3 Пb

Решая эту систему получим: П = 1,48 м

b = 0,321 м

Находим ∆h:


Высота парожидкостного слоя на тарелке:

h_пж = h_п + ∆h = 0,04 + 0,011 = 0,051 м

Сопротивление парожидкостного слоя:

∆р_пж = 1,3·0,051·0,5·850·9,81 = 276 Па

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верней части колонны:

∆р^| = ∆р_сух + ∆р_σ + ∆р_пж = 116 + 33 + 276 = 425 Па

б) нижняя часть колонны:

∆р_сух = 1,82·13,75²·0,8/2 = 137,6 Па
При t = 87⁰С: σ(СН₃ОН) = 16,8·10^-3 н/м

σ(Н₂О) = 60,4∙10^-3 н/м

σ = 0,222·16,8 + 0,778∙60,4 = 50,7·10^-3 н/м

∆р_σ = 4·50,7∙10^-3/0,004 = 50,7 Па


где М_F = 0,58∙32 + 0,42∙18 = 26,12 кг/кмоль

М_ср = 0,222∙32 + 0,778∙18 = 21 кг/кмоль


h_пж = 0,04 + 0,023 = 0,063 м

∆р_пж = 1,3·0,063∙0,5·850·9,81 = 342 Па
Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:

∆р^|| = 137,6 + 50,7 + 342 = 530 Па
Проверим, соблюдается ли расстояние между тарелками h = 300 мм необходимое для нормальной работы тарелок условие:



Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается.

5. Тепловой расчет установки.
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:

Q_Д = G_D(1 + R)r_D = 3522/3600(1 + 0,872)·593,18·10³ =1086366 Вт

где



r_АЦ и r_ВОД – удельные теплоты конденсации ацетона и воды при 56⁰С.
Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара:

Q_К = Q_Д + G_Dc_Dt_D + G_Wc_Wt_W – G_Fc_Ft_F + Q_ПОТ

t_D = 56⁰C C_D = 0,645·0,978·4190 + 0,950·0,022·4190 = 2730 Дж/кг·град

t_W = 73⁰C С_W = 0,630·0,031·4190 +1,005·0,969·4190 = 4145,3 Дж/кг·град

t_F = 59,1⁰C С_F =0,640·0,556·4190 + 0,444·0,995·4190 = 3342 Дж/кг·град
Тепловые потери примем 3% от полезно затрачиваемой теплоты:

Q_К = 1,03(1086366 + 56·2730·3522/3600 + 73·4145·8478/3600 - 59,1·3342·12000/3600)= = 1290148,3 Вт
Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

Q = 1,05·G_F·c_F(t_F – t_нач) = 1,05·12000/3600·3342(59,1 + 18) = 471589,6 Вт

t_СР = (59,1 + 18)/2 = 38,5⁰С


Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

Q = G_D·c_D·(t_D - t_кон) = 3522·2730·(56 – 25)/3600 = 82796,35 Вт

t_ср = (56 + 25)/2 = 40,5⁰С


Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

Q = G_F·c_F·(t_W - t_кон) = 8478·4145·(73 – 25) = 468550,8 Вт

t_ср = (73 + 25)/2 = 49⁰С

Расход греющего пара, имеющего давление 1 кгс/см² и влажность 5%:

а) в кубе-испарителе:



б) в подогревателе исходной смеси:

Всего: 0,63 + 0,23 = 0,86 кг/с;
Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20⁰С:

а) в дефлегматоре:

б) в водяном холодильнике дистиллята:

в) в водяном холодильнике кубового остатка:

Всего: 0,0607 м³/с или 218,52 м³/ч

6. Механический расчет аппарата.
Среда в аппарате токсичная, коррозионноактивная, из условия коррозионной стойкости выбираем материал обечайки (днища, крышки) – сталь Ст20 со скоростью проникновения коррозии П = 0,4 мм/г

Расчет толщины стенки обечайки:


S ≥ S_R + C где PR – внутреннее давление;

PR = 100000 Па + 14000 Па = 114000 Па

φР – коэффициент прочности сварных швов.

φР = 0,95

[σ] – допускаемое напряжение

Для стали Ст20 при t = 100⁰С [σ] = 149 МПа

С – прибавка на коррозию

Т_А = 20 лет

С = П∙Т_А

С = 0,4·20 = 8 мм


S ≥ 0,8 + 8 = 8,8 мм

Принимаем S = 10 мм
Расчет толщины эллиптического отбортованного днища (рассчитываем в условиях гидравлического испытания).


S_Д ≥ S_R + С где R – радиус кривизны;

R = D – для эллиптических днищ с Н = 0,25D;

Н = 500 мм

R = 2000 мм.

Р_R – давление в условиях гидравлического испытания.

P_R = ρgV

V = S·H_КОЛ

S = πR² = 3,14·1 = 3,14 м²

Н_КОЛ = 8,7 + 2·0,5 + 2,8 + 1,6 = 15 м

V = 15·3,14 = 47,1 м³

ρ = 992 кг/м³ – плотность воды при 40⁰С

Р_R = 992·9,8·47,1 = 457887 + 0,1 МПа = 557887 Па


S_Д = 3,8 + 8 = 11,8 мм

Принимаем S_Д = 12 мм.
Расчет фланцев.

Так как давление в аппарате атмосферное выбираем тип фланцев – плоские приварные.

Материал фланцев: сталь Ст20

шпилек Ст3.

Фланец питания колонны:

Условный проход фланца:



где V – объемный расход питания.



ω – линейная скорость потока;

ω = 1 м/с.


Принимаем D_У = 80.

Материал прокладки – асбестовый картон.
Фланец дистиллята:

V = 3,6 м³/с


Принимаем Dу = 500 мм

Материал прокладки – асбестовый картон.
Фланец кубового остатка:

Условный проход фланца:



V = V₁ + V₂

где V₁ – объемный расход кубового остатка;

V₂ – объемный расход циркулирующей жидкости равный объемному расходу пара,

проходящего через колонну.




V = 0,0016 + 0,00385 = 0,00545 м³/с

ω – линейная скорость потока;

ω = 1 м/с.

Принимаем D_У = 80.

Материал прокладки – асбестовый картон.
Фланец орошения:





Принимаем D_У = 50.

Материал прокладки – асбестовый картон. ¹

Список использованной литературы.
1.Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др. Под ред. Дытнерского Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/, М.:Химия, 1991.

2.Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей: Справочник. – М.: 1972

3.Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. – Л.: Машиностроение 1981. – 382 с.

4.Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. Л.:Химия, 1987

5.Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов. М.: Недра-бизнесцентр, 2000 – 677с.

6.Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т. 1,2 – Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. – 852 с.

7. Колонные аппараты: Каталог. 2-е изд. – М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1978. 31 с.

1 механический расчет сделан по [6]