Курсовая работа по теме:Проектирование колпачковой ректификационной колонны непрерывного действия. Проектирование колпачковой ректификационной колонны непрерывного. Требования к конструкции ректификационных колонн
 Скачать 463.39 Kb.
|
1 2 ρу.в и ρу.н– средние плотности пара в верхней и нижней частях колонны. Средняя плотность пара при абсолютном давлении Р= 0,98 бар( 1 амп) равна:  На основании справочных данных [6] (таблица XLVII) о температурах кипения и о равновесных составах жидкости и пара при 0,1 МПа для рассматриваемой бинарной смеси строим кривую температур кипения смеси. По диаграмме «t – x,y» определяем средние температуры паров в верхней и нижней частях колонны: Тср.в= 87,8°С Тср.н= 96,6°С Найденные данные подставляем в формулу:  Определяем среднюю плотность жидкости в верхней и нижней частях колонны: (допустим, что температура опыта t= 20 °С ) ρнк= 998кг/м3 ; ρвк= 1048кг/м3(для 100 % уксусной кислоты);   где хср.в и хср.н – средние массовые составы жидкостей в верхней и нижней частях колонны. Подставляем найденные значения в формулу для определения рабочей скорости в верхней и нижней частях колонны:  Средняя скорость паров:  Принимаем средний массовый поток параG в колонне равным полусумме GB иGН:  Находим среднюю плотность паров:  Находим среднюю плотность жидкости:  Определяем диаметр верхней и нижней части колонны :  Выберем стандартный диаметр колонны D= 1800 мм. При этом действительная рабочая скорость пара будет равна:  По каталогу [4, с.118] для колонны D=1800 мм выбираем ситчатую тарелку типа ТС-Р со следующими конструктивными характеристиками. Таблица 3.3 - Конструктивные характеристики ТС-Р
Диаметр отверстия d=8мм Шаг между отверстиями t=15 мм Относительное свободное сечение тарелки  18,8 %Высота переливного порога  Ширина переливного порога  Скорость пара в рабочем сечении тарелки:  3.3 Определение высоты светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержания барботажного слоя Высоту светлого слоя жидкости h0 для ситчатых тарелок находят по уравнению:  где  –удельный расход жидкости на 1 м ширины переливной перегородки, м2/с;b – ширина переливной перегородки, м;   высота переливной перегородки, м;    поверхностное натяжение уксусной кислоты и воды соответственно при средних температурах в колонне;     Для верхней части колонны:  Для нижней части колонны:  Паросодержание барботажного слоя ε находят по формуле:  Для верхней части колонны:   Для нижней части колонны:   3.4 Расчет коэффициентов массопередачи и высоты колонны Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре равен:  где  средняя температура по НК и ВК компонентам, 0С;Dх20 – коэффициенты диффузии в жидкости при 20 0С можно вычислить по приближенной формуле:  где А, В – коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя; νнк, νвк – мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см3/моль;  суммарный средний коэффициент динамической вязкости уксусной кислоты и воды при  ,  Для воды:  Для уксусной кислоты:   b -температурный коэффициент определяют по формуле:  где  суммарная средняя плотность уксусной кислоты и воды при ,     Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению:  где Т – средняя температура в соответствующей части колонны, К; Р – абсолютное давление в колонне, 105 Па. Тогда в верхней части колонны  и нижней части колонны  равен:  Коэффициенты массоотдачи в жидкой фазе:     Коэффициенты массоотдачи в паровой фазе:   Вязкость паров для верхней части колонны:   Вязкость паров:    Плотность орошения:  Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:  - нижняя часть колонны  - верхняя часть Коэффициент массоотдачи в паровой фазе:  - нижняя часть колонны  - верхняя часть 3.5 Построение кинетической линии и определение числа действительных тарелок Число действительных тарелок определяют графоаналитическим методом (построением кинетической кривой).Для этого необходимо рассчитать общую эффективность массопередачи на тарелке по Мерфи (к.п.д. по Мерфи).Для перекрестного и перекрестно-прямоточного движения потоков пара и жидкости без учета влияния брызгоуноса эффективность по Мерфи  вычисляется по формуле:  где  локальная эффективность контакта по пару; число секций полного перемешивания;  доля байпасирующей жидкости, характеризующая степень поперечной неравномерности потока; (в нашем случае – с ситчатыми тарелками - примем её равной 0); фактор массопередачи; коэффициенты распределения компонента по фазам в условиях равновесия; соотношение мольных нагрузок по пару и жидкости;Для верхней части колонны:  Для нижней части:   Коэффициенты массоотдачи, рассчитанные по средним значениям скоростей и физическим свойствам паровой и жидкой фазы, постоянны для верхней и нижней частей колонны. В то же время коэффициент массопередачи – величина переменная, зависящая от кривизны линии равновесия. Поэтому для определения данных, по которым строится кинетическая линия, необходимо вычислить несколько значений коэффициентов массопередачи в интервале изменения состава жидкости от  до  .Задаёмся различными значениями х и определяем коэффициенты распределения m, как тангенс угла наклона равновесной линии в определенной нами точке.Таблица 3.4 - Вычислительные данные
Коэффициент массопередачи Kyв верхней и нижней частях колонны:  Общее число единиц переноса на тарелку:  Локальная эффективность Eyрассчитывается по формуле:  Для колонн диаметром более 600мм с ситчатыми и клапанными тарелками отсутствуют надёжные данные по продольному перемешиванию жидкости, поэтому с достаточной степенью приближения можно считать, что одна ячейка перемешивания соответствует длине пути жидкости l=300-400 мм. Примем l=350 мм и определим число ячеек полного перемешивания S как отношение длины пути жидкости на тарелке  к длине l.Определим длину пути жидкости как расстояние между переливными устройствами:  Эффективность по Мерфи с учетом перемешивания на тарелке  : Эффективность по Мерфи с учетом байпасирующего потока жидкости и при принятом условии, что :  Зная эффективность по Мерфи , можно определить концентрацию пара  на выходе с тарелки из соотношения: , где  концентрация пара соответственно на входе на тарелку и равновесная с жидкостью на тарелке. Однако действительная концентрация пара  будет отличаться от , вычисленной по значениям , вследствие явления обратного перемешиванию жидкости в колонне, вызванного брызгоуносом. Влияние брызгоуноса может быть учтено соотношением:  где - действительная концентрация пара на выходе из тарелки (ордината точки на кинетической линии), кмоль/ кмоль смеси;  - состав жидкости на тарелке, кмоль/ кмоль смеси; - относительный унос жидкости, кмоль/ кмоль пара. Относительный унос жидкости в тарельчатых колоннах определяется в основном скоростью пара. В настоящее время нет надёжных зависимостей, учитывающих влияние физических свойств потоков на унос, особенно для процесса ректификации. Для этих процессов унос можно оценивать с помощью графических данных:По этим данным унос на тарелках различных конструкций является функцией комплекса  Коэффициент m, учитывающий влияние на унос физических свойств жидкости и пара, определяют по уравнению:  Высота сепарационного пространства  равна расстоянию между верхним уровнем барботажного слоя и плоскостью расположенной выше тарелки: где  межтарельчатое расстояние, м; в соответствии с каталогом [10] для колонны диаметром 1800 мм расстояние  ;   Таким образом, действительная концентрация пара равна:  По значениям и на диаграмму х-у наносят точки, по которым проводят кинетическую линию. Построением ступеней между рабочей и кинетической линиями в интервалах от  до  определяют число действительных тарелок  для верхней (укрепляющей) части и в интервалах от до  - число действительных тарелок  для нижней (исчерпывающей) части колонны. Общее число действительных тарелок  равно: тарелокВысоту тарельчатой ректификационной колонны определяют по формуле:  где  -расстояние между тарелками, м; - расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.4. Расчет вспомогательного оборудования 1)Вид охлаждаемого агента- 100% уксусная кислота. 2)tн1= 100 ºC,tк1 = 35º C 3) Производительность аппарата по смеси G1 =P= 0,14 кг/с. Выбор теплоносителя и режима движения 1) Выберем кожухотрубчатый теплообменник, направим исходную смесь в трубное пространство, а охлаждающий агент в межтрубное. 2)Выберем противоточный режим движения теплоносителей, так как разница температур между начальной температурой смеси и конечной температурой холодного теплоносителя велика. 3)В качестве охлаждающего агента выберем артезианскую воду с tн2 = 10º C; tк2 = 45º C. 4. Рассчитываютепловую нагрузку аппарата и расход воды на охлаждение  5.Задаёмся значением коэффициента теплопередачи При движении веществ, не меняющих агрегатное состояние от жидкости к жидкости при свободном движении:   5. Выбор стандартного оборудования К конструкциям массообменных аппаратов предъявляют следующие основные требования: дешевизна, простота в обслуживании, высокая производительность, максимально развитая поверхность контакта между фазами и эффективность передачи массы вещества из одной фазы в другую, устойчивость режима в широком диапазоне нагрузок, максимальная пропускная способность по паровой (газовой) и жидкой фазе, минимальное гидравлическое сопротивление, прочность конструкции и долговечность. Таким образом, из выше представленного описания ректификационных процессов и аппаратов и произведенных расчетов, можно сделать вывод, что целесообразно выбрать: 1) непрерывный процесс, т.к. он обеспечивает высокую производительность и качество продукции, постоянство физико-химических характеристик веществ смеси: температуры, концентрации веществ, давление и многое другое; 2) тарельчатую колонну, т.к. обеспечивает большую производительность, четкое разделение смесей и работает в широком диапазоне изменений нагрузок со следующими техническими характеристиками:
3) ситчатые тарелки, т.к.тарелки имеют малое сопротивление, высокий к.п.д., работают при значительных нагрузках и отличаются простотой конструкции.По каталогу выбрали колпачковую тарелку для колонны диаметром 1800 мм типа ТС-Р со следующими конструктивными характеристиками:
4)Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачи орошения в колонну. В результате расчетов выбрали дефлегматор (кожухотрубчатый теплообменник) со следующими характеристиками:
5) Выносной кипятильник, т.к. он более удобен для ремонта и замены и обеспечивает естественную циркуляцию жидкости. Кипятильник или куб, предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадку или нижнюю тарелку). Кипятильник имеет поверхность нагрева в виде змеевика или представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. В периодически действующих колоннах куб является не только испарителем, но и емкостью для исходной смеси. Поэтому объем куба должен быть в 1,3 – 1,6 раза больше его единовременной загрузки (на одну операцию). Обогрев кипятильников производится водяным насыщенным паром. 6. Описание основных аппаратов Для проведения процессов ректификации применяются аппараты разнообразных конструкций. Кроме основного аппарата – ректификационной колонны, снабженной теплообменными устройствами – кубом (кипятильником) и дефлегматором, в состав ректификационной установки входят также холодильники (подогреватели) для охлаждения (нагревания) смесей, конденсатоотводчики и центробежные насосы. В данном курсовом проекте используется ректификационная колонна тарельчатого типа с ситчатыми тарелками. Колонна с ситчатыми тарелками представляет собой вертикальный цилиндрической корпус с горизонтально расположенными тарелками ситчатого типа. Газ на тарелку поступает по патрубкам, разбиваясь прорезям колпачка большое число отдельных струй. Прорези колпачков наиболее часто выполняются в виде зубцов треугольной или прямоугольной формы. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелке от одного устройства к другому. При движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены и брызг зависит от скорости движения газа и глубины погружения колпачка в жидкость. Колпачок может работать в двух режимах: при неполном и полном открытии прорезей, причем в последнем случае колпачок работает наиболее эффективно. Колпачковые тарелки мало чувствительны к загрязнениям и отличаются достаточно высоким интервалом устойчивой работы. Куб (кипятильник) предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в нижнюю часть (под нижнюю тарелку). Кипятильник представляет собой кожухотрубчатый теплообменник выносного типа, установленный ниже колонны для того, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости. Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируется пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода). В виде кожухотрубчатых теплообменников на аппаратурной схеме представлены также холодильники, предназначенные для охлаждения кубового остатка и дистиллята. В общем случае теплообменный аппарат состоит из пучка труб, помещенного внутри цилиндрического корпуса обечайки, сваренной из листовой стали. Трубки закреплены в двух трубных решетках и размещены в шахматном порядке, по вершинам равностороннего треугольника. Аппарат снабжен двумя крышками со штуцерами для входа и выхода теплоносителя, движущегося внутри труб. Трубное и межтрубное пространство разобщены. Второй теплоноситель движется в межтрубном пространстве, снабженном входными и выходными штуцерами. Кожухотрубчатые теплоносители могут располагаться как вертикально, так и горизонтально; при необходимости удлинения пути теплоносителей они могут располагаться последовательно. Для перекачки различных жидкостей в данном курсовом проекте использованы центробежные насосы. Центробежный насос состоит из колеса с лопатками в форме изогнутых цилиндрических поверхностей, сидящего на валу улиткообразного корпуса. Последний имеет два патрубка – центральный и тангенсальный. Первый присоединяется к всасывающему трубопроводу, а второй – к нагнетательному. Рабочее колесо образуют два диска, соединенных между собой загнутыми назад лопатками. Правый диск – сплошной, левый – с отверстием для входа перекачиваемой жидкости внутрь колеса. Вал насоса соединяется при помощи муфты с валом электродвигателя. Для непрерывного удаления конденсата из нагревательных камер применяют специальные устройства – конденсатоотводчики. Обеспечивая удаление конденсата, они в тоже время непропускают несконденсировавшийся пар. В данном курсовом проекте использованы конденсатоотводчики с открытым поплавком. В корпусе такого конденсатоотводчика расположен открытый стакан (поплавок). К днищу последнего жестко прикреплен шпиндель, оканчивающийся клапаном, который проходит внутрь конденсатоотводящей трубки. Конденсат из нагревательной камеры, входя через левый штуцер, заполняет сначала кольцевое пространство между стенками корпуса и поплавка. Последний при этом всплывает и закрывает сверху выход из трубки. Постепенно конденсат заполняет кольцевое пространство и начинает заполнять поплавок. По достижении определенного уровня в стакане поплавок опускается на дно корпуса, клапан открывается, и конденсат под действием избыточного давления удаляется через отводящую трубку и выходной штуцер в конденсатопровод. Облегченный поплавок снова всплывает, закрывает клапаном выход из отводящей трубки, и цикл повторяется. Заключение В процессе проделанной работы была рассчитана ректификационная установка для разделения смеси вода - уксусная кислота. Были получены следующие данные: Диаметр колонны – 1800 мм ; Высота колонны – 27 м; Расход дистиллята –3,6 кг/с; Расход кубового остатка –3,2 кг/с; Расход флегмового числа – 8,8; Рабочая скорость пара – 1,312 м/с; Число тарелок: 48 штук. К достоинствам колпачковых колонн относят: -устойчивость работы тарелок при значительных колебаниях нагрузок газа и жидкости. К недостаткам: -сложное устройство; -большие затраты металла; -большое давление (газ совершает сложное движение); -малая предельно-допустимая скорость газа. Список использованных источников 1.Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебное пособие [Текст] / А.Г. Касаткин//. Изд. 10-е., стереотипное, доработанное. Перепеч. С изд. 1973.- М.: ООО ТИД «Альянс», 2004.- 750 с. 2. Перри, Джон Г.Справочник инженера-химика [Текст] в 2 т. / Джон Г. Перри Пер. с 4-го англ. изд. / Под общ. ред. акад. Н. М. Жаворонкова и чл.-кор. АН СССР П. Г. Романкова. - Ленинград : Химия. Ленингр. отд-ние, 1969-. - 2 т.; 940 с. Доп. тит. л.: Chemical engineer’s handbook. John H. Perri RuMoRGB 3. Касаткин А.Г. Расчет тарельчатых ректификационных и абсорбционных аппаратов [Текст] / А. Г. Касаткин, А. Н. Плановский, О. С. Чехов. - Москва : Стандартгиз, 1961. - 81 с. . 4. Дынерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учеб. для студентов хим.-технол. специальностей вузов / Ю. И. Дытнерский; 3. изд. - М. : Химия, 2002.-268 с. 5. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии [Текст] / П.Г Романков., А.А. Носков /Учебное пособие для вузов под ред. чл. - корр. АН России П.Г. Романкова. - 14-е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987г. М.: ООО ТИД "Альянс", 2006.- 560 с. 6. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии [Текст] учеб. пособие для вузов : перепечатка и изд. 1987 г. / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков. - Изд. 11-е, стер. - М. : РусМедиаКонсалт, 2004 (ОАО Яросл. полигр. комб.). - 575 с. : ил., табл. 7. Никольский Б.П. Справочник химика [Текст] / Ред. коллегия: чл.-кор. АН СССР Б. П. Никольский (глав. ред.) и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва ; Ленинград : Химия. [Ленингр. отд-ние], 1965-1968. - 1 т.-1072 с; Примечание. Дополнительный том ( 2-е изд. , 1968) - [Электронный ресурс] / http://www.twirpx.com/file/110876/ 8. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: [Учеб. для сред. спец. учеб. заведений] / И. Л. Иоффе. - Л. : Химия : Ленингр. отделение, 1991. - 351 с.: ил. 9. Александров И.А. Массопередача при ректификации и абсорбции многокомпонентных смесей [Текст]./ И.А. Александров - Ленинград : Химия. Ленингр. отделение, 1975. - 319 с. : граф. 1 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
, м2
, м
