Выбор тепловой схемы установки

Курсовая работа

По дисциплине

“Тепломассообменные установки промышленных предприятий”

 

Расчёт ректификационной колонны для разделения смеси

уксусная кислота-вод а

 

Выполнила: студентка гр.5-72

Овтина Н. А.

Проверил: преподаватель

Коновалов А. В.

 

Иваново 2012

СОДЕРЖАНИЕ

1. Выбор тепловой схемы установки.. 3

2. Тепловой и конструктивный расчёт колонны... 4

3. Конструктивный расчёт колонны... 10

4. Тепловой баланс колонны... 13

5. Расчёт дефлегматора колонны... 15

7. Расчёт испарителя колонны... 19

8. Тепловой и конструктвиный расчёт испарителя.. 19

9. Расчёт холодильника.. 21

10. Расчёт штуцеров.. 23

11. расчёт изоляции колонны... 24

12. Выбор дополнительного оборудования.. 24

13. Охрана труда при обслуживании установки.. 27

14. Правила безопастности при ремонтных работах.. 27

15. Основные правила эксплуатации установки.. 27

16. Список используемой литературы... 29

 

Выбор тепловой схемы установки

Для разгонки смеси уксусная кислота-вода (уксусная кислота CH₃COOH) выбираем ситчатую колонну . На тарелках слой жидкости (флегмы) удерживается давлением восходящего потока пара, прорывающегося через отверстия в ситах. Жидкость с тарелки на тарелку перетекает по переточным трубам; предельный уровень жидкости на тарелке регулируется высотой сливной трубки.

Для разгонки бинарных смесей при больших масштабах производства применяется непрерывно действующая ректификационная установка.

Тепловая схема ректификационной установки представлена на рис. 1.

 

Свежая смесь, поступающая на разгонку, подаётся в среднюю часть колонны. Температура смеси t₀ равна t_f на приёмной тарелке. Пары НКК поднимаются вверх по тарелкам и уходят в дефлегматор, в котором часть паров конденсируется и стекает частично в колонну в виде флегмы, частично поступают в конденсатор и холодильник, где происходит полная конденсация и охлаждение жидкого компонента. Высококипящий компонент стекает вниз, в куб колонны в виде кубовых остатков и удаляется из колонны. Конденсация паров НКК происходит за счёт подводимой к дефлегматору охлаждающей воды. В схемах целесообразно предусматривать использование тепла охлаждения и конденсации пара, а так же тепла кубовых остатков на нагрев свежей смеси. В этом случае дефлегматор имеет две ступени: первая – нагрев в дефлегматоре, вторая – нагрев в теплообменнике кубовых остатков.

Давление в колонне атмосферное.

2. Тепловой и конструктивный расчёт колонны

Материальный баланс колонны

, кг/с (2.1)

G_f – расход свеже й смеси;

G_w – расход кубовых остатков;

G_d – расход готовой продукции.

Уравнение материального баланса для низкокипящего компонента:

, (2.2)

Составим систему уравнений из (2.1) и (2.2):

решая систему уравнений, получим:

,

кг/с.

кг/с.

Мольная концентрация низкокипящего компонента в свежей смеси:

,

где μ_А и μ_Б – мольный вес компонентов, .

Мольная концентрация низкокипящего компонента в готовом продукте:

,

мольная концентрация низкокипящего компонента в кубовых остатках:

.

Опеделяем теоретическое число тарелок, при котором обеспечивается полное физическое равновесие между стекающей с тарелки жидкостью и поднимающимся паром при равномерном распределении пара по сечению тарелки. Равновесные молекулярные доли жидкости (х) и пара (y) и температуры кипения смеси уксусная кислота – вода приведены в табл. 1.

 

Таблица 1.

t, 0C	118,1	115,4	113,8	110,1	107,5	105,8	104,4	103,2	102,1	101,3	100,6	100,0
x, %
y, %		9,2	16,7	30,2	42,5	53,0	62,6	71,6	79,5	86,4	93,0

 

Строим диаграмму равновесия:

Рис. 2. Диаграмма равновесия бина рной смеси уксусная кислота - вода

 

Рис. 3. Фазовая диаграмма для бинарной смеси уксусная кислота – вода

На диаграмме равновесия (рис. 2.) отметим x_w=0,048, x_f=0,52, x_d=0,9.

Определим минимальное значение флегмового числа R_min:

Флегмовое число R влияет на величину капитальных и эксплуатационных затрат. С увеличением R уменьшается число тарелок в колонне, но увеличиваются расход веществ и диаметр колонны. Поэтому необходимо рассчитывать оптимальное флегмовое число, для чего задаёмся коэффициентом избытка флегмы β=1,2÷2,5, и определяем флегмовое число и количество тарелок.

а) задаёмся β=1,2. Флегмовое число определяем по формуле:

.

Расчётное уравнение рабочей линии, или линии изменения концентрации в колонне, для верхней (укрепляющей части) колонны:

, (2.3)

где y_n+1 – содержание НКК в паре, поднимающимся с последующей тарелки; x_n – содержание НКК в жидкости на данной тарелке. Счёт тарелок осуществляется сверху вниз.

Для первой тарелки принимаем y₁= x_d= 0,9, конц ентрация x₁ соответствует данному значению y₁, и находится по кривой равновесия, рис. 2.Далее рассчитываем по уравнению (2.3) значение y₂, и по кривой равновесия определяем соответствующую ему концентрацию x₂ смеси в жидкой фазе на второй тарелке. Аналогично определяем концентрацию на всех последующих тарелках до тех пор, пока x_n не будет меньше или равно концентрации свежей смеси x_f=0.52. Число n укажет число N_{в т} теоретических тарелок в верхней части колонны.

y₁=x_d=0.9 → x₁=0.85;

x₁=0.85 → ;

x₂=0.82 → y₃=0.84;

x₃=0.74 → y₄=0.79;

x₄=0.82 → y₅=0.75;

x₅=0.82 → y₆=0.84

x₆=0.59 → y₇=0.68;

x₇=0.55 → y₈=0.65;

x₈=0.5<x_f=0.52;

N_вт=8.

Для нижней части колонны уравнение рабочей линии имеет вид:

, (2.4)

где F – число кмолей свежей смеси на 1 кмоль дистиллята.

,

где μ_d – мольная масса дистилята, μ_f – мольная масса свежей смеси.

,

,

.

Расчёт тарелок нижней части производится аналогично расчёту числа тарелок верхней части. Счёт тарелок сверху вниз. Для первой тарелки нижней части - концентрация свежей смеси.

Для последней тарелки концентрация - концентрации кубовых остатков. Число указывает число тарелок N_нт теоретических тарелок нижней части колонны.

Тогда по уравнению рабочей линии нижней части колонны (2.4):

,

x₂=0,48 → y′₃=0,57;

x₃=0,45 → y′₄=0,53;

x₄=0,39 → y′₅=0,46;

x₅=0,32 → y′₆=0,37;

x₆=0,23 → y′₇=0,26;

x₇=0,16 → y′₈=0,18;

x₈=0,11 → y′₉=0,12;

x₉=0,07 → y′₁₀=0,07;

x₁₀=0,04;

N_нт=10.

Общее число тарелок в колонне:

.

б) Задаёмся β=1,8:

.

Для верхней части колонны:

y₁=x_d=0.9 → x₁=0.85;

x₁=0.85 → ;

x₂=0.78 → y₃=0.8;

x₃=0.7 → y₄=0.74;

x₄=0.65 → y₅=0.7;

x₅=0.57 → y₆=0.63

x₆=0.51;

N_вт=6.

Для нижней части колонны:

→ ,

x₂=0,47 → y′₃=0,53;

x₃=0,39 → y′₄=0,44;

x₄=0,32 → y′₅=0,36;

x₅=0,26 → y′₆=0,29;

x₆=0,19 → y′₇=0,21;

x₇=0,14 → y′₈=0,15;

x₈=0,1 → y′₉=0,1;

x₉=0,05;

N_нт=9.

Общее число тарелок в колонне:

.

в) Задаёмся β=2,1:

.

Для верхней части колонны:

y₁=x_d=0.9 → x₁=0.85;

x₁=0.85 → ;

x₂=0.78 → y₃=0.78;

x₃=0.68 → y₄=0.72;

x₄=0.59 → y₅=0.65;

x₅=0.51;

N_вт=5.

Для нижней части колонны:

 

→ ,

x₂=0,46 → y′₃=0,51;

x₃=0,38 → y′₄=0,42;

x₄=0,28 → y′₅=0,30;

x₅=0,20 → y′₆=0,19;

x₆=0,09 → y′₇=0,09;

x₇=0,04;

N_нт=7.

Общее число тарелок в колонне:

.

г) Задаёмся β=2,5:

.

Для верхней части колонны:

y₁=x_d=0.9 → x₁=0.85;

x₁=0.85 → ;

x₂=0.45;

N_вт=2.

Для нижней части колонны:

→ ,

x₂=0,46 → y′₃=0,5;

x₃=0,37 → y′₄=0,41;

x₄=0,28 → y′₅=0 ,3;

x₅=0,2 → y′₆=0,21;

x₆=0,14 → y′₇=0,15;

x₇=0,08 → y′₈=0,08;

x₈=0,04;

N_нт=8.

Общее число тарелок в колонне:

.

По полученным данным строим график зависимости (рис. 4). Оптимальное значение флегмового числа определяется точкой М, в которой крутая кривая переходит в пологую и которая показывает, что увеличение R более R_опт не приводит к заметному уменьшению числа тарелок в колонне.

Рис. 4. График зависимости флегмового числа от числа тарелок

Оптимальное значение флегмового числа определится точкой М по рис. 4, где крутая кривая переходит в пологую. R_опт=3, а N=13.

Определяем число тарелок колонны графическим путём. На диаграмме y – x откладываем отрезок OM=B:

.

MN – рабочая линия укрепляющей части колонны.

Точку пересечения MN с прямой x_f соединяем с точкой W. FW – рабочая линия исчерпывающей части колонны.

Число тарелок определяется следующим построением. Для первой тарелки принимаем y₁=x_d=0.9. По значению y₁ находится на кривой равновесия, рис. 2, значение концентрации x₁ жидкости на первой тарелке. Для x₁ на рабочей линии находится значение y₂ паров поднимающихся со второй тарелки и т.д., до тех пор, пока x_n не будет меньше x_w. Число n ступенек на диаграмме будет равно числу N_т теоретических тарелок в колонне. По этому методу количесиво тарелок в колонне N_т=17.

Действительное число тарелок в колонне можно определить пользуясь понятием КПД тарелки по формуле:

, (2.5)

где η_ср – средний КПД тарелки, он лежит в пределах 0,2-0,9. При его определении можно пользоваться его зависимостью от летучести α и вязкости μ смеси, представленной в формуле:

.

Для температуры кипения исходной смеси x_f=0.52, t=105 ⁰C по номограмме для определения вязкости смеси уксусная кислота вода μ=0,5.

Летучесть смеси определяется:

.

.

Зная КПД можно определить действительное число тарелок по (2.5):

.

В верхней части 12 тарелок, а в нижней 14.

 

3. Конструктивный расчёт колонны

Для определения размеров колонны надо вычислить среднее значение основных параметров паровой смеси и жидкости в колонне. Количество стекающей жидкости в укрепляющей части колонны равно количеству флегмы. Количество поднимающихся паров:

, кг/с;

, кг/с.

Количество стекающей жидкости исчерпывающей части колонны:

, кг/с.

По рабочей линии y-x – диаграммы определяем состав пара в т. F, соответствующего составу переходной смеси, затем находим среднюю молекулярную долю пара в верхней части колонны:

.

Средняя молекулярная доля пара в нижней части колонны:

.

Средняя молекулярная доля пара в колонне:

.

По фазовой t-x,y диаграмме находим, что величина y_ср=0,56 соответствует температуре пара t_n=105.5 ⁰С. Средняя плотность пара при этой те мпературе и давлении р=10⁴ Па по уравнению состояния составляет:

,

где R – универсальная газовая постоянная, R=846; Т – абсолютная температура кипения при y_ср=0,56; μ_н – средняя молекулярная масса пара, имеющего концентрацию y_ср.

,

где μ_а – молекулярная доля воды в жидкости при y_ср=0,56, , .

;

.

Средняя плотность пара:

, кг/м².

Объёмный расход пара:

, м³/с.

Средняя молярная доля жидкости в верхней части колонны:

.

Плотность жидкости в верхней части колонны:

, кг/м²;

где ρ_нк и ρ_вк – Плотности низкокипящего (уксусная кислота) и высококипящего (вода) компонентов при t=105,5 ⁰С. Средняя молекулярная доля в нижней части колонны:

.

Плотность жидкости в исчерпывающей части колонны:

, кг/м².

Средняя плотность жидкости в колонне:

, кг/м².

Объемный расход жидкости в нижней и верхней части колонны:

, м³/с;

, м³/с.

Диаметр отверстий тарелок принимаем 4 мм, толщина δ=(0,5÷0,8)d_отв, принимаем δ=3 мм. Шаг отверстий на тарелке t=(2.5÷5)d_отв=12мм.

Отверстия размещаются по шестиугольнику. Высота сливной планки 40 мм. Скорость пара на тарелках должна быть ниже предельной скорости, зависящей от расстояния между тарелками, которые принимаем 300 мм.

Площадь живого сечения отверстий:

;

ω_отв – скорость пара в отверстиях, принимаем 9 м/с, тогда:

, см².

Расстояние между тарелками принимаем Н_т=0,25 м, тогда общая активная высота колонны будет равна:

, м.

Определим предельную скорость пара в колонне по номограмме в [1], она получится υ_пр=0,98 м/с. Рабочая скорость пара определится:

, м/с.

Диаметр колонны:

, мм.

Действительная скорость пара в колонне:

, м/с.

Гидравлическое сопротивление тарелки:

, мм. вод. ст.

G – поверхностное натяжение жидкости (для нижней части колонны х_ср=0,285, t_ж=105,5; для верхней части колонны х_ср=0,71, t_ж=102,9);

h_пер – высота сливного порога, 40 мм;

- отношение расходов жидкости и пара.

Для верхней части колонны средние мольные доли жидкости и пара х_ср= 0,71, у_ср= 0,77.

Средняя молекулярная масса жидкости

;

Средняя молекулярная масса пара:

.

Отношение массовых расходов в в верхней части колонны:

Отношение массовых расходов в в нижней части колонны:

;

;

;

;

;

.

Гидравлическое сопротивление верхней части колонны:

, Н/м²;

Сопротивление в нижней части колонны:

, Н/м²;

Общее сопротивление колонны:

, Н/м²;

Проверим достаточность применяемого расстояния между тарелками:

;

где, - гидравлическое сопротивление одной тарелки.

, Н/м²;

Средняя плотность по колонне кг/м³.

,м.

Это меньше принятого для расчёта расстояния между тарелками.