Ректификационная установка этанол-вода

spetsifikatsia.doc

-----------------------
#.066Технологическая схема
Пояснительная записка
Установка ректификационная тарельчатая.

technological scheme final.cdw

Колонна ректификационная
Вентиль регулирующий
Условное обозначение
Наименование среды в
Вода оборотная (подача)
Паро-жидкостная смесь
Установка ректификационная.
Технологическая схема
каф. ПАХТ гр. 5121-21

spetsifikatsia chertezh mark 2V.docx

Опора цилиндрическая
ГОСТ 24-757-81 тип 3
Аппарат тарельчатый ректификационный непрерывного действия.

Титул 1.docx

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»
Кафедра процессов и аппаратов химической технологии (ПАХТ)
РЕКТИФИКАЦИОННАЯ УСТАНОВКА
Пояснительная записка к курсовому проекту
Руководитель доц. каф. ПАХТ Бронская В.В.
Каф. ПАХТ гр.5121-21

rektif with tube mark 8.cdw

1. При изготовлении испытании и поставке аппарата должны
выполняться требования:
а) Госгортехнадзора;
б) ГОСТ 12.2.003-74 "Оборудование производственное.
Общие требования безопасности";
в) ОСТ 26-291-79 "Сосуды и аппараты стальные сварные.
Технические требования.
Материал тарелок и частей колонны соприкасающихся с разделяемыми
жидкостями или их парами - сталь Х17Н13М2Т ГОСТ 1133-71 остальных
деталей Ст 3 ГОСТ 380-71.
Материал прокладок - фторопласт ГОСТ 10007-72.
Аппарат испытать на прочность и плотность
гидравлически в горизотальном положениипод давлением 10 МПа в
вертикальном положении - под наливом.
Сварные соединения должны соответствовать требованиям
ОСТ 26-01-82-77 "Сварка в химической промышленности.
Сварные швы в объеме 100% контролировать
рентгенопросвечиванием.
Действительное расположение штуцеров люков цапф
штырей см. на схеме.
Не указанный вылет штуцеров 150 мм.
Размеры для справок.
Аппарат предназначен для разделения смеси этанол - вода.
Объем аппарата 327742 м
Производительность 222 кгс.
Рабочее давление 01 МПа.
Температура среды в кубе 100
Среда в аппарате - токсичная.
Тип тарелок - ситчатые.
Количество тарелок - 25.
Условное давлениеМПа
Выход кубового остатка
Выход жидкости на циркуляцию
Для регулятора уровня
Для камеры уровнемера
Для замера температуры
Колонна ректификационная
Техническая характеристика
Технические требования

Записка Е - копия.docx

В химической технологии для разделения жидких однородных смесей состоящих из двух или более компонентов широко используют процессы перегонки.
Перегонка основана на различиях температур кипения парциальных давлений и летучестей отдельных компонентов составляющих исходную смесь.
В широком смысле перегонка представляет собой процесс включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров осуществляемые однократно (дистилляция) или многократно (ректификация).
В результате конденсации паров получается жидкость-дистиллят (ректификат) состав которого отличается от состава исходной смеси и содержит больше низкокипящего компонента.
Процесс многократного взаимодействия между неравновесной жидкой и паровой фазами при их противоточном относительно друг друга движении называется ректификацией.
При ректификации между фазами происходит массо – и теплообмен обусловленный стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар обогащается низкокипящим компонентом а жидкость высококипящим компонентом. Многократный контакт жидкости и пара приводит к практически полному разделению исходной смеси. Таким образом отсутствие равновесия и разности температур при движении фаз является необходимым условием проведения процесса ректификации.
1.ОПИСАНИЕ СХЕМЫ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
Процесс непрерывной ректификации осуществляется в ректификационной установке включающей колонну ректификации подогреватель исходной смеси дефлегматор кипятильник кубовой жидкости холодильники дистиллята и кубового остатка сборники продуктов разделения и насосное оборудование.
Основным аппаратом установки является колонна ректификации в которой пары поднимающиеся из куба колонны взаимодействуют со стекающей сверху жидкостью.
Конечным продуктом разделения являются дистиллят и кубовый остаток.
Принципиальная схема установки приведена на рисунке 1 и на чертеже
Рис.1 Принципиальная схема ректификационной установки:
ёмкость для исходной смеси ; 2 9- насосы; 3- теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник;
- ректификационная колонна; 6- дефлегматор; 7- холодильник дистиллята; 8- ёмкость для сбора дистиллята; 10- холодильник кубовой жидкости; 11- ёмкость для кубовой жидкости.
Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 1. Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3 где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания где состав жидкости равен составу исходной смеси XF
Стекая вниз по колонне жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка Xw т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава XР получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.
Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт обогащенный труднолетучим компонентом который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.
Таким образом в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).
Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров - диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны который в свою очередь зависит от скоростей и физических свойств фаз а также от типа насадки.
Для автоматизации процесса регистрации контроля и регулирования его параметров в технологической схеме предусмотрены следующие контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации:
- регулирование уровня жидкости(П) в емкостях исходной смеси кубового остатка и дистиллята за счет подачи исходной смеси в емкость и отбора продуктов разделения потребителю или на дальнейшую переработку;
- регулирование температуры (Т) исходной смеси на выходе в колонну после подогревателя верха и низа колонны дистиллята и кубовой жидкости на выходе из холодильника за счет подачи греющего пара флегмы и охлаждающей воды;
- регистрация давления (Р) на нагнетающих линиях насосов пара на входе в теплообменную аппаратуру верха и низа колонны.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОЛОННЫ
Целью технологического расчета колонны ректификации является составление материального баланса расчет диаметра колонны высоты аппарата гидравлический расчет колонны.
1.Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число
Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определяется из материального баланса колонны:
Пересчет составов фаз из массовых долей в мольные по соотношению:
Мэтанола= 46 кгкмоль
Содержание низкокипящего компонента в питании вычисляют по формуле:
где ХF – концентрация низкокипящего компонента в питании мольные доли;
Мэтанола – мольная масса низкокипящего компонента кгмоль;
Мводы – мольная масса высококипящего компонента кгмоль;
Содержание низкокипящего компонента в дистилляте вычисляют по формуле:
где ХD - концентрация низкокипящего компонента в дистилляте мольные доли
Содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке вычисляют по формуле:
где ХW - концентрация низкокипящего компонента в кубовом остатке мольные доли.
Подставим в формулу(1) в формулу (2) и в формулу (3) исходные данные и найдем содержание уксусной кислоты в смеси (питании) в дистилляте и в кубовом остатке.
По данным таблицы 1 строим х-у и t-xy диаграммы (приложение 1 и 2 соответственно).
Таблица 1. Равновесные составы жидкости и пара для системы Этанол-Вода
Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R. Ввиду отсутствия надежной методики оценки Rопт используют приближенные вычисления основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) =RRmin. Здесь Rmin – минимальное флегмовое число:
Один из возможных приближенных методов расчета R заключается в нахождении такого флегмового числа которому соответствует минимальное произведение N(R+1) пропорциональное объему ректификационной колонны. Определим R по этой рекомендации.
Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме состав пара y состав жидкости х (приложение 1) находим N. Результаты расчетов рабочего флегмового числа представлены на графике и приведены ниже:
Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R=063 (приложение 3). При этом коэффициент избытка флегмы =176.
Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют из соотношений:
где - мольные массы дистиллята кубового остатка и питания исходной смеси кгкмоль; - средние мольные массы жидкостей в верхней и нижней частях колонны кгкмоль.
где и - средний молярный состав жидкостей в верхней и нижней частях колонны соответственно определяемый по формулам:
xср. в=xD+xF2=061+01442=0377кмолькмоль смеси
xср.н=xF+xW2=0144+00082=0076кмолькмоль смеси
Таким образом получим:
Mв=46×0377+18×1-0377=28556кгкмоль
Mн=46×0076+18×1-0076=20128кгкмоль
Мольная масса исходной смеси
MF=46×0144+18×1-0144=22032кгкмоль
Подставляя полученные величины в уравнения и получим:
Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:
где - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны кгкмоль определяемые по формулам:
В данных формулах присутствуют средние молярные концентрации паров в верхней и нижней частях колонны которые можно найти по уравнениям рабочих линий .
Подставляя полученные величины в уравнения получим:
2.Скорость пара и диаметр колонны
Расчет скорости пара в колоннах с ситчатыми тарелками выполняется по уравнению:
Найдем плотности жидкости и пара в верхней и
нижней частях колонны при средних температурах в них tв и tн. Средние температуры паров определим по диаграмме t – xy (приложение 2) по средним составам фаз:
Найдем плотности пара и :
Плотности жидкостей находим с помощью и - средних молярных составов жидкостей в верхней и нижней частях колонны:
ρx=xср.ρэтанол+1-xср.ρвода
Где ρэтанол и ρвода- плотности жидкостей определенные по диаграмме t – xy (приложение 2) по средним составам жидкостей.
Из [3] находим: ρxв=85483кгм3 ρxн=93684кгм3
Средняя плотность жидкости в колонне:
Определяем скорость пара в колонне :
Диаметр ректификационной колонны определяют из уравнения расхода:
Так как скорости и мало отличаются друг от друга используем в расчете среднюю скорость паров:
Принимаем средний массовый поток пара в колонне G равным полусумме и :
G= 0.918+0.682=0.799кгс
Средняя плотность паров
ρy=ρyв+ρyн2= 1.11+0.82=0.955кгм3
Выберем стандартный диаметр обечайки колонны dв = 1 м. При этом рабочая скорость пара
По каталогу [2] для колонны диаметром 1000мм выбираем ситчатую однопоточную тарелку ТС со следующими конструктивными размерами:
Диаметр отверстий в тарелке мм
Шаг между отверстиями мм
Свободное сечение тарелки %
Высота переливного порога мм
Ширина переливного порога мм
Рабочее сечение тарелки м2
Скорость пара в рабочем сечении тарелки:
3.Определение действительного числа тарелок и высоты колонны.
Расчет высоты светлого слоя жидкости и паросодержания барботажного слоя.
Высоту светлого слоя жидкости для ситчатых тарелок находят по уравнению:
Где - удельный расход жидкости на 1 м ширины сливной перегородки м2с; -ширина сливной перегородки м; -высота переливной перегородки м; -поверхностное натяжение соответственно жидкости и воды при средней температуре в колонне[3]; -в мПа·с[3]; .
Вязкости и поверхностные натяжения[3]:
Для верхней части колонны:
Для нижней части колонны:
Паросодержание барботажного слоя находят по формуле:
Расчет коэффициента молекулярной диффузии распределяемого компонента в жидкости и паре.
Коэффициент диффузии в жидкой фазе может быть вычислен по уравнениям:
где х и х принимают при температуре 20С[3];
t – средняя температура в соответствующей части колонны С;
A B – коэффициенты зависящие от свойств растворяющегося вещества и растворителя (А=124; В=2) [1]; -вязкость жидкости при 20°С мПа·с[3].
– мольные объемы компонентов в жидком состоянии при нормальной температуре кипения[1]:
– молярные массы соответственно этанола и воды.
Тогда коэффициенты диффузии в жидкости для верхней и нижней частей колонны при 20°С равны:
Температурный коэффициент:
Коэффициент диффузии для пара рассчитывается по формуле:
где T – средняя температура пара К; P – абсолютное давление в колонне Па.
Расчет коэффициентов массоотдачи
Для тарелок барботажного типа коэффициент массоотдачи в жидкой и паровой фазах находится по следующим формулам:
Для расчета и необходимо определить вязкость паров:
где и -вязкости паров этанола и воды при средней температуре верхней и нижней частей колонны мПа·с[3] -средняя концентрация паров:
yср.в=yP×yF2=061+04252=0518 yср.н=yW×yF2=0008+04252=0217
Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на кмоль(м2с):
Коэффициенты массоотдачи рассчитанные по средним значениям концентраций скоростей и физических свойств паровой и жидкой фаз постоянны для верхней и нижней части колонны. В то же время коэффициент массопередачи – величина переменная зависящая от кривизны линии равновесия т.е. от коэффициента распределения. Поэтому для определения данных по которым строится кинетическая линия рассчитаем несколько значений коэффициента массопередачи в интервале изменения состава жидкости от xw до xp.
Пусть х=0008. Коэффициент распределения компонента по фазам (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке) m=188
Расчет коэффициентов массопередачи и высоты колонны
Коэффициент массопередачи отнесенный к единице рабочей площади тарелки определяется по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:
Общее число единиц переноса на тарелке находим по уравнению:
Для определения высоты колонны необходимо знать число действительных тарелок. Число тарелок рассчитывается графоаналитическим методом – построением кинетической линии при помощи КПД по Мэрфри рассчитанным через числа единиц переноса.
КПД по Мэрфри равен:
λ – фактор массопередачи;
Еу – локальная эффективность по пару;
е – межтарельчатый унос жидкости кг жидкости кг пара;
– доля байпасирующей жидкости;
S – число ячеек полного перемешивания;
m – тангенс угла наклона равновесной линии.
Для модели идеального смешения для жидкой фазы и идеального вытеснения для газовой фазы КПД по Мэрфри может быть рассчитан по уравнению:
Фактор массопередачи для нижней части колонны:
Длина пути жидкости:
Для колонн диаметром более 600 мм с ситчатыми тарелками отсутствуют надежные 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.
Число тарелок полного перемешивания:
Относительный унос жидкости в тарельчатых колоннах определяется в основном скоростью пара высотой сепарационного пространства и физическими свойствами жидкости и пара. В настоящее время нет надежных зависимостей учитывающих влияние физический свойств потоков на унос особенно дл процессов ректификации. Для этих процессов унос можно оценить с помощью графических данных представленных на рис. 6.7 [6]. По этим данным унос на тарелках различных конструкций является функцией комплекса T(mHc). Коэффициент m учитывающий влияние на унос физических свойств жидкости и пара определяют по уравнению:
m=11510-3xρy0.295ρx-ρyy0.425
mн=11510-36010-3080.295961-0800113510-30.425=1253.
Высота сепарационного пространства:
Hс = H - hп где H – межтарельчатое расстояние (H = 05 м); hп=h0(1-)–высота пены;
В соответствии с каталогом [2] для колонны диаметром 1000 мм расстояние Н=03 м.
T(mHc)=117612530294=3192
При таком значении комплекса T(mHc) унос . Унос жидкости в верхней части колонны .
Подставляя вычисленные значения и определяем к. п. д. по Мерфи (значение байпаса принимается равным 01).
Зная эффективность по Мерфи можно определить концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из тарелки по соотношению:
где и - концентрация соответственно легколетучего компонента в паре на входе в тарелку и равновесная с жидкостью на тарелке.
yк=0015+05528009-0015=0056
Аналогичным образом подсчитаны для других составов жидкости. Результаты расчета параметров необходимых для построения кинетической линии приведены ниже:
Взяв отсюда значения и строим кинетическую линию. С помощью построения ступеней между рабочей и кинетической линиями в интервале от до определим число действительных тарелок для верхней (укрепляющей) части и в интервалах от до - число действительных тарелок для нижней (исчерпывающей) части колонны . Общее число действительных тарелок:
Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле:
где - расстояние между тарелками м; - расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой м.
4.Выбор оптимального варианта ректификационной установки
Использование ЭВМ для расчета ректификационной установки включающей колонну теплообменники другое вспомогательное оборудование позволяет подсчитать два или несколько вариантов с последующим выбором наилучшего из них и даже оптимального в технико-экономическом отношении.
Результаты оптимизации представлены в приложении 5.
5.Гидравлическое сопротивление тарелок колонны
Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определяют по формуле
где и - гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны Па.
Полное гидравлическое сопротивление тарелки складывается из трех слагаемых:
Гидравлическое сопротивление сухой ситчатой тарелки:
Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелках различно дл верхней и нижней частей колонны:
Гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения:
Полное сопротивление одной тарелки верхней и нижней частей колонны:
Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны:
Конструктивный расчет
Конструктивный расчет включает в себя нахождение диаметров основных штуцеров.
Диаметр условного прохода найдем по уравнению:
где V- объемный расход жидкости или пара ; w – скорость жидкости или пара мс. Примем скорость жидкости в пределах 05-5 мс скорость пара – 10-30 мс.
Диаметр штуцера для входа смеси:
Диаметр штуцера для выхода кубового остатка:
Диаметр штуцера для выхода кубовой жидкости:
Диаметр штуцера для входа флегмы:
Диаметр штуцера для входа пара:
Диаметр штуцера для выхода пара:
Диаметры условного прохода и установочные размеры штуцеров с плоскими стальными приварными фланцами[5]ГОСТ 26-1404-76
Для обеспечения сочетания прочности и надежности химической аппаратуры и малой материалоемкостью на стадии проектирования необходимо провести подробный механический (прочностной) расчет каждого узла и детали вновь создаваемого оборудования.
1.Расчет толщины обечаек
Наибольшее распространение в химическом аппаратостроении получили цилиндрические обечайки отличающиеся простотой изготовления рациональным расходом материала и хорошей сопротивляемостью давлению среды. Поэтому при конструировании аппаратов если это не противоречит каким-либо особым требованиям предъявляемым к аппарату рекомендуется применять цилиндрические обечайки. Произведем расчет обечайки
нагруженной внутренним давлением.
Толщину стенки цилиндрической оболочки будем искать по формуле
где pR – давление в аппарате МПа;
sR – расчетное значение толщины стенки мм;
D – внутренний диаметр обечайки мм
– допускаемое напряжение Мпа;
φ – прочность сварочного шва;
c – прибавка на коррозию мм.
для сталь марки X17Н13М2Т =168 МПа [10]
-прибавка на коррозию (принимаем =7);
-прибавка на возможность коррозии (если рабочая среда движется с огромной скоростью и несет абразивные частицы принимаем );
-допуск на отклонение толщины листа проката от номинального размера .
Допускаемое напряжение
2.Расчет толщины днища
Толщину стенки эллиптического или полусферического днища определяют по формуле:
где R- радиус кривизны в вершине днища; R=D для эллиптических днищ с H=025D.
3.Расчет отъемной крышки
Толщину стенки эллиптических крышек рассчитывают по формуле:
где R- радиус кривизны в вершине крышки; R=D для эллиптических днищ с H=025D ;С=4
Определить основные размеры юбочной опоры для ректификационного аппарата.
За максимальную приведенную нагрузку на юбочные опоры колонных аппаратов принимаем цилиндрическую опору типа 3
Опора 3-3000-160-80-3000 ГОСТ 24-757-81
Основные размеры цилиндрической опоры типа 3ГОСТ 24-757-81мм[5].
В данном курсовом проекте был выбран и рассчитан тарельчатый ректификационный аппарат для разделения смеси этанол - вода со следующими параметрами:
Диаметр колонны – 18м.
Высота колонны – 72м.
Общее число тарелок = 25
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
Павлов К.Ф. Романков П.Г. Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.”Химия” 1976 516с.
Каталог. Колонные аппараты. М. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ М. 1972.32с.
Справочник химика т. III 1962. т У М-Л. “Химия” 1966 1071с.
Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-ое М .”Химия” 1973 81с.
Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т.2. – Калуга: Издательство Н.Бочкаревой2002 885с.
Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию.3-е изд.стереотипное. М.:ООО ИД «Альянс» 2007 – 220226с.
Приложение 1. Диаграмма равновесия между паром и жидкостью при постоянном давлении в координатах х-у (состав пара – состав жидкости); здесь же показано графическое определение числа ступеней изменения концентраций при различных флегмовых числах.
Приложение 2. Диаграмма равновесия между паром и жидкостью при постоянном давлении в координатах t- ху (температура - состав пара и состав жидкости).
Приложение 3. Определение рабочего флегмового числа.
Приложение 4. Графическое определение общего числа действительный тарелок для верхней части колонны в интервале от XF до XD и для нижней – в интервале от XW до XF.
Приложение 5. Результаты оптимизации.

Содержание.docx

Описание схемы ректификационной установки 5
технологический расчет 8
материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число 8
Скорость пара и диаметр колонны 13
Определение действительного числа тарелок и высоты колонны 16
Выбор оптимального варианта ректификационной установки 25
Гидравлическое сопротивление тарелок колонны 25
конструктивный расчет 26
механический расчет 27
расчет толщины обечаек 27
Расчет толщины днища 29
Расчет отъемной крышки 29
Список используемой литературы 33