Дипломная работа: Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метиловый - этиловый спирт

Между кривой равновесия и линиями рабочих концентраций в соответствии с табличными значениями х проводим ряд прямых, параллельных оси ординат (Приложение В1).

Измеряем полученные отрезки А1В1, А2В2 и т. д. Определяем велечину отрезков А1В1, А2В2 и т. д. Через найденные для каждого значения х точки В1, В2 проводим кинетическую кривую, отображающую степень приближений фаз на тарелках равновесию.

Число реальных тарелок nД находим путем построения ступенчатой линии между кинетической кривой и рабочими линиями в пределах от 0,07 до 0,95. получаем 46 тарелки, (из которых – 33 в верхней части колонны, 13 – в нижней), которые и обеспечивают разделение смеси в заданных пределах изменения концентраций. Исходная смесь должна подаваться на 33 тарелку сверху.

Высота тарельчатой колонны:

Общая высота колонны:

где hсеп – расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны,(высота сепаратного пространства), принимаем 1м; hкуб – расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны, (высота кубовой части), принимаем 2,5м [3, приложение Б6].

2. Гидравлический расчет колонны

Для тарелок бесколпачковых (ситчатых, клапанных, струйных и других) величину общего сопротивления можно определить по уравнению:

гдеξ – общий коэффициент сопротивления тарелки, для клапанных тарелок (клапаны полностью открыты) ξ=3,63;

ωоп – скорость пара в рабочем сечении колонны, м/с;

hw – высота сливной перегородки, м;

how – подпор, м;

ΔΡσ – сопротивление, связанное с преодолением сил поверхностного натяжения на границе жидкость пар при выходе пара из отверстий тарелки в жидкость, Па.

Высоту сливной перегородки hw выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить достаточный слой жидкости на тарелке (hw+ how)≥40 мм. При малых расходах жидкости, когда подпор how мал, это обеспечивается сливной перегородкой высотой hw . При больших расходах жидкости,

когда слой жидкости на тарелке составляет 80 мм и более, высота сливной перегородки может быть уменьшена вплоть до hw=0. В этом случае необходимый слой жидкости на тарелке обеспечивается за счет подпора жидкости над гребнем слива how .

Скорость газа в интервале устойчивой работы клапанных тарелок может быть определена по уравнению:

где:G – масса клапана, кг;

Fc – доля свободного сечения тарелки, %;

F0 – площадь отверстия под клапаном, м2;

ζ – коэффициент сопротивления, который может быть принят равный 3.

Принимаем диаметр отверстия под клапанном равным d=70 мм, массу клапана G=0,0025 кг. Следовательно:

Скорость пара в рабочем сечении верхней части колонны:

Скорость пара в рабочем сечении нижней части колонны:

Уровень слоя жидкости на тарелке (подбор) обусловлен высотой сливой перегородки hw и зависит от расхода жидкости, формы и длины сливной перегородки [ ].

Для сплошной сливной перегородки:

,

где: Lv – объемный расход жидкости, м3/ч;

В=2,05 – периметр слива, м;

Kow – поправочный коэффициент, учитывающий влияние стенок колонны на работу сегментного переливного кармана и определяемый по графику, рисунок 4,7 [3].

Расход жидкости, проходящий в верхней части колонны:

Расход жидкости, проходящий в нижней части колонны:

Для определения поправочного коэффициента Kow находим отношение:

Для верхней части колонны находим отношение :

 Kow в.=1,015

Для нижней части колонны находим отношение :

 Kow н.=1,025.

Подпор жидкости на тарелке для верхней части колоны:

Подпор жидкости на тарелке для нижней части колоны:

Сопротивление, обусловленное действием си поверхностного натяжения:

гдеrгидр – гидравлический радиус отверстий, через которые пар выходит в жидкость, м.

гдеF0, П0 – площадь, м2 и периметр, м отверстий, через которые выходит пар, соответственно

Поверхностное натяжение рассчитываем по формуле:

σн = σА∙н.ср. + σВ∙(1- н.ср) ,

где σА, σВ – поверхностное натяжение метилового и этилового спиртов при tср.н [1 с. 526] ,

σн = 17,7∙10-3∙00,08 + 17,4∙10-3∙(1-0,08)= 17,42∙10-3 н/м.

Тогда сопротивление вызываемое силами поверхностного натяжения будет равно:

а) для верхней части колонны:

а) для нижней части колонны:

Сопротивление тарелки на верхней части колоны:

Сопротивление тарелки на нижней части колоны:

Общее сопротивление колонны:

гдеnв , nн – действительное число тарелок в верхней и нижней части колоны, соответственно. Определение действительного числа тарелок поведено в разделе 1,7

3. Тепловой расчет ректификационной колонны

Расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью от конденсирующего пара в кубе-испарителе колонны

,

где -расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, Вт;

-тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт;

-теплоемкость исходной смеси, дистиллята, кубовой жидкости, соответственно, Дж/кг·К.

Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:

,

где  - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;

 - массовые доли компонентов.

Температура кипения смеси tF=76,2оC, кубового остатка tW=77оC и дистиллята tD=65,5оC; теплоемкости метанола и этанола при этих температурах определяем по номограмме (ХI, с.562 [1]) (А-метиловый спирт, В- этиловый спирт)

Теплоемкости смесей:

;

;

.

Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара:

;

,

-удельная теплота конденсации дистиллята, Дж/кг;

,

где: ,  - удельная теплота конденсации компонентов А и В при температуре tD=65,5оC (табл. XLV стр.541 [1]).

.

Тепловые потери колонны в окружающую среду:

,

где -температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем ;

-температура воздуха в помещении, ;

α-суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(м2К),

;

.

-наружная поверхность изоляции колонны, определяем по формуле:

;

.

Потери тепла в окружающую среду:

;

.

Расход тепла в кубе колонны с учетом тепловых потерь:

Расход греющего пара в кипятильнике (давление р=4кгс/см2, влажность 5%):

,

.

Расход тепла в паровом подогревателе исходной смеси рассчитывается по формуле:

,

где С1 – теплоемкость исходной смеси при средней температуре, равной

;

,

где СА, СВ – теплоемкости метилового спирта и этилового спирта при температуре  (с.562[1])

;

.

Расход греющего пара в подогревателе исходной смеси:

;

.

Общий расход пара:

Расход воды в дефлегматоре при нагревании ее на 200С:

;

.

Расход воды в холодильнике дистиллята при нагревании ее на 200С:

;

.

Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании ее на 200С:

;

.

Общий расход воды в ректификационной установке:

;

.

.

3.1 Расчет тепловой изоляции колонны

В качестве изоляции берем асбест (λиз=0,151 Вт/м·К). Исходя из упрощенного соотношения (для плоской стенки) имеем:

,

где -толщина изоляции, м;

-температура внутренней поверхности изоляции, принимаем ее ориентировочно на 10-200С ниже средней температуры в колонне .

Определяем толщину изоляции:

;

.

Проверяем температуру внутренней поверхности изоляции:

;

.

расхождение: 61,1-61,3<1 °С.

4. Расчет вспомогательного оборудования

4.1 Расчет кипятильника

Температурные условия процесса.

Кубовый остаток кипит при 770С. Согласно заданию, температура конденсации греющего пара равна 1000С (р=1,03 кгс/см2).

Следовательно, средняя разность температур:

100-77=23оС.

Принимаем коэффициент теплопередачи К=300 Вт/(м2 К) (с.172[5]).

Тепловая нагрузка .

Площадь поверхности теплообмена

;

.

С запасом 15-20% принимаем по каталогу (табл.4.12 стр.215 [1]) теплообменник 4-х ходовой с F=464 м2.

Характеристика теплообменника:

Диаметр кожуха 1200мм;

Диаметр труб 252мм;

Длина труб 6,0м;

Количество труб 986.

4.2 Расчет дефлегматора

В дефлегматоре конденсируется метиловый спирт с небольшим количеством этилового спирта. Температура конденсации паров дистиллята tD=65,5оC.

Температуру воды на входе в теплообменник примем 180С, на выходе 380С.

Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи:

65,50С                65,50С

18 0 С               380 С

Определим среднюю температуру воды

Расход теплоты

Где r1 - удельная теплота конденсации смеси при температуре конденсации t1=65,5, r1=1087 кДж/кг.

,

где: ,  - удельная теплота конденсации компонентов А и В при температуре tD=65,5оC (табл. XLV стр.541 [1]).

.

Расход воды

 кг/с,

Где с2=4190 Дж/(кг К) – удельная теплоемкость воды при средней температуре t2=280 С

Объемный расход воды

 м3/с,

Где ρ2= 995 кг/м3- плотность воды при t2=280 С,

G2 =17,5 кг/с - расход воды.

Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося пара органических жидкостей к воде. Кmin=300 Вт/(м2·К) (таблица 4.8 [1]). При этом

 м2.

Для обеспечения турбулентного течения воды при Re>10000 скорость в трубах должна быть больше w1

 м/с,

Где μ2 – динамический коэффициент вязкости воды при средней температуре t2=280 С, μ2=0,818*10-3 Па с;

d2- внутренний диаметр труб, d2=0,021 м;

ρ2= 995 кг/м3- плотность воды при t2=280 С.

Число труб 25х2 мм, обеспечивающих объемный расход воды при Re=10000

.

Условию n<30 и F<130 м2 удовлетворяет теплообменник шестиходовой диаметром 800 мм с числом труб на один ход трубного пространства n=384/6=64.

Уточняем значение критерия Рейнольдса Re

.

Критерий Прандтля для воды при средней температуре t1=28 ºС равен

,

где λ1=0,605– коэффициент теплопроводности воды при t1=28 ºС (рисунок Х [1]);

с1=4190 Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость воды при t1=28 ºС (рисунок XI [1]); μ1=0,818·10-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости воды при t1=28 ºС (таблица VI [1]).

Рассчитаем критерий Нуссельта для воды

,

где ε1=1.

Отношение (Pr1/Prст1)0,25 примем равным 1,1 (с последующей проверкой).

Таким образом, коэффициент теплоотдачи для воды равен

 Вт/(м2·К).

Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара смеси метанола и этанола на пучке горизонтальных труб

 Вт/м2К,

где - коэффициент теплопроводности смеси при t1=66 ºС (рисунок Х [1]); =0,198 Вт/м2К,

динамический коэффициент вязкости смеси при t1=66 ºС (таблица VI [1]),

Примем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны греющего пара 1/rзагр.2=5800 Вт/(м2·К), со стороны смеси 1/rзагр.1=5800 Вт/(м2·К) (таблица ХХХI [1]). Коэффициент теплопроводности стали λст=46,5 Вт/(м2·К) (таблица ХХVII [1]); δ=0,002 м – толщина стенки.

Находим сумму термических проводимостей стенки и загрязнений

 Вт/(м2·К).

Коэффициент теплопередачи

 Вт/(м2·К).

Поверхностная площадь теплового потока

 Вт/м2,

где Δtср=37,5 ºС – средняя разность температур.

Проверяем принятое значение (Pr1/Prст1)0,25. Определим

 ºС,

ºС.

Определим критерий Прандтля при tст1=39,98 ºС

,

где λ1=0,6– коэффициент теплопроводности воды при tст1=39,98ºС (рисунок Х [1]);

с1=4190Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость воды при tст1=39,98ºС (рисунок XI [1]);

μ1=0,72·10-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости воды при tст1=39,98ºС (таблица [1]).

Следовательно,

Было принято (Pr1/Prст1)0,25 =1,05. Разница

Расчетная площадь поверхности теплообмена

 м2.

Принимаем к установке шестиходовой теплообменник с F=60 м2.

Внутренний диаметр кожуха Dн=800 мм;

Общее число труб n=384;

Поверхность теплообмена F=60 м2;

Длина труб L=2 м;

Диаметр трубы d=25х2 мм.

Запас площади поверхности теплообмена

4.3 Расчет холодильника для дистиллята

В холодильнике происходит охлаждение дистиллята до температуры конденсации до 300С.

65,50С                   300С

380С                       180С

Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от дистиллята в дефлегматоре пара

Принимаем К=300Вт/м2·К.

Поверхность теплообмена холодильника дистиллята находим из основного уравнения теплопередачи

C запасом принимаем 1-х ходовой теплообменник с поверхностью F = 9м2 (табл. 4.12, с 215 [1])

Характеристика теплообменника

Диаметр кожуха наружный 273мм

Диаметр труб 252мм

Длина труб 3,0м

Количество труб 62

4.4 Расчет холодильника для кубового остатка

В холодильнике кубового остатка происходит охлаждение кубовой жидкости от температуры кипения до 300С.

770С                       300С

380С                       180С

Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от кубовой жидкости

Принимаем К=300Вт/м2К

Поверхность теплообмена холодильника кубовой жидкости

C запасом принимаем 2-х ходовой теплообменник с поверхностью F = 57м2 (табл. 4.12, с 215 [1])

Характеристика теплообменника

Диаметр кожуха 600м

Диаметр труб 252мм

Длина труб 3,0м

Количество труб 240

4.5 Расчет подогревателя

Служит для подогрева исходной смеси от tн = 18-20оС до температуры tF = 76,2oC. Исходная смесь подогревается водяным насыщенным паром с температурой 100оС.

Температурная схема процесса

110 – 110

28 – 76,2

; .

 ºС.

Определим среднюю температуру смеси

 ºС.

Объемный расход смеси

 м3/с,

где ρ1=858,7 кг/м3 – средняя плотность в колонне при t1=55,6 ºС (таблица IV [1]);

G1=1,32 кг/с – массовый расход смеси.

Средняя плотность жидкости в колонне:

=

Расход теплоты на нагрев смеси

 Вт,

где с1=2750 Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость смеси при t1=55,6 ºС (рисунок XI [1]).

Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:

,

где  - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;

 - массовые доли компонентов.

;

Расход сухого греющего пара с учетом 7 % потерь теплоты

 кг/с,

где r=2217·103 кг/с – удельная теплота конденсации водяного пара (таблица LVII [1]);

х – паросодержание греющего пара.

Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося водяного пара к органическим жидкостям Кmin=300 Вт/(м2·К) (таблица 4.8 [1]). При этом

 м2.

Составляем схему процесса теплопередачи. Для обеспечения турбулентного течения смеси при Re>10000 скорость в трубах должна быть больше w'1

 м/с,

где μ1=1,275·10-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости смеси при t1=55,6 ºС (таблица VI [1]);

Динамический коэффициент вязкости смеси:

где μА, μВ- коэффициенты динамической вязкости компонентов А и В при соответствующей температуре [2, c.516].

d1=0,021 м – внутренний диаметр труб;

ρ1=784,5 кг/м3 – плотность смеси при t1=55,6 ºС (таблица IV [1]).

Число труб 25х2 мм, обеспечивающих объемный расход смеси при Re=10000

.

Условию n<30,4 и F<59,5 удовлетворяет шестиходовой теплообменник, внутренним диаметром 600 мм с числом труб на один ход трубного пространства n=33 (общее число труб n=196).

Уточняем значение критерия Рейнольдса Re

.

Критерий Прандтля для смеси при средней температуре t1=55,6 ºС равен

,

где λ1=0,15– коэффициент теплопроводности смеси при t1=55,6 ºС (рисунок Х [1]);

с1=2723,5 Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость смеси при t1=55,6 ºС (рисунок XI [1]);

μ1=1,275·10-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости смеси при t1=55,6ºС (таблица VI [1]).

Рассчитаем критерий Нуссельта для смеси

,

где ε1=1.

Отношение (Pr1/Prст1)0,25 примем равным 1,1 (с последующей проверкой).

Таким образом, коэффициент теплоотдачи для смеси равен

 Вт/(м2·К).

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб. Расчет осуществляем приближенно (без учета влияния поперечных перегородок).

 Вт/(м2·К),

где ε=0,6 – коэффициент, зависящий от расположения и числа труб по вертикали в пучке, для шахматного расположения труб и числе труб nв=14 (с.162 [1]);

εГ=0,6 – коэффициент, зависящий от относительной массовой концентрации воздуха в паре – Υ, принимаем Υ=0,5 % (с.164 [1]);

Вt=1058 (таблица 4.6 [1]);

G2=0,56 кг/с;

n=196 – общее число труб;

L=2 м – длина труб (таблица 4.12 [1]).

Примем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны греющего пара 1/rзагр.2=5800 Вт/(м2·К), со стороны бутанола 1/rзагр.1=5800 Вт/(м2·К) (таблица ХХХI [1]). Коэффициент теплопроводности стали λст=46,5 Вт/(м2·К) (таблица ХХVII [1]); δ=0,002 м – толщина стенки.

Находим сумму термических проводимостей стенки и загрязнений

 Вт/(м2·К).

Коэффициент теплопередачи

 Вт/(м2·К).

Поверхностная площадь теплового потока

 Вт/м2,

где Δtср=61,5 ºС – средняя разность температур.

Проверяем принятое значение (Pr1/Prст1)0,25. Определим

 ºС,

ºС.

Определим критерий Прандтля при tст1=87,6 ºС

,

где λ1=0,149– коэффициент теплопроводности смеси при tст1=87,6 ºС (рисунок Х [1]);

с1=2750 Дж/(кг·К) – средняя удельная теплоемкость бутанола при tст1=87,6ºС (рисунок XI [1]);

значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:

,

где  - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;

 - массовые доли компонентов.

;

μ1=0,677·10-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости смеси при tст1=87,6 ºС (таблица VI [1]).

Динамический коэффициент вязкости смеси:

где μА, μВ- коэффициенты динамической вязкости компонентов А и В при соответствующей температуре [2, c.516].

Следовательно,

Было принято (Pr1/Prст1)0,25 =1,1. Разница

Расчетная площадь поверхности теплообмена

 м2.

Принимаем к установке шестиходовой теплообменник с F=31 м2.

Характеристики теплообменника

Внутренний диаметр кожуха Dн=600 мм;

Общее число труб n=196;

Поверхность теплообмена F=31 м2;

Длина труб L=2 м;

Диаметр трубы d=25х2 мм.

Запас площади поверхности теплообмена

Заключение

В результате проведенного расчета мы определили:

Диаметр D=2600 мм и высоту колонны H =23,75 м, число тарелок 46.

Произвели гидравлический и тепловой расчет колонны.

Рассчитали и подобрали вспомогательное оборудование.

Библиографический список

1. Ченцова,Л.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебное пособие к самостоятельной работе/ Л.И. Ченцова, М.К. Шайхудинова, В.М. Ушанова.- Красноярск: СибГТУ,2006.-267с.

2. Павлов, К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов. Перепечатка с изд. 1987г.- М.:ООО «РусМедиаКонсалт», 2004.-576с.

3. Шайхудинова М.К., Ченцова Л.И., Борисова Т.В. Процессы и аппараты химической технологии. Расчет выпарной установки: учебное пособие к выполнению курсового проекта.-Красноярск: СибГТУ, 2005.- 80с.

4. Левин Б.Д., Ченцова Л.И., Шайхутдинова М.Н., Ушанова В.М. процессы и аппараты химических и биологических технолгий. Учеб. пособие для студентов химических специальностей вузов / Под общ. ред. д-ра. хим. Наук С.М. Репяха. – Красноярск: Сибирский государственный технологический университет, 2002. - 430с.

5. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. – 496 с.