Расчет и проектирование тарельчатой ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси метанол-вода

работа.docx

Ректификация - массообменный процесс разделения однородной смеси летучих компонентов осуществляемый путем противоточного многократного взаимодействия паров образующихся при перегонке с жидкостью образующейся при конденсации этих паров.
Разделение жидкой смеси основано на различной летучести веществ. При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят - смесь обогащенную низкокипящим компонентом и кубовый остаток - смесь обогащенную высококипящим компонентом.
Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке основным аппаратом которой является ректификационная колонна в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу а навстречу парам стекает жидкость подаваемая в виде флегмы в верхнею часть аппарата.
Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении а также при давлениях выше или ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенное давление применяют для разделения смесей находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Атмосферное давление принимают при разделении смесей имеющих температуру кипения 30 - 150°С.
Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемого дистиллята и кубового остатка зависят от того насколько развита поверхность контакта фаз от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны.
В промышленности применяют тарельчатые насадочные пленочные трубчатые и центробежные пленочные аппараты. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата.
Тарельчатые контактные устройства в ректификационной колонне подразделяются на: колпачковые ситчатые клапанные и т.п.
Преимущественное использование тарельчатых колонн в процессах
ректификации объясняется их значительно большей производительностью по сравнению с насадочными.
ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ 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.
Конечными продуктами разделения являются дистиллят (конденсированные пары легкокипящего компонента) и кубовый остаток (высококипящий компонент).
В данной установке производится разделение бинарной смеси метанол-вода.
Рис.1. Принципиальная схема ректификационной установки
- колонна 2 - подогреватель исходной смеси 3 - гребенка 4 - кипятильник 5 - конденсатор 67 - холодильники 8 - 10 - сборники;
- исходная смесь - дистиллят III - кубовая жидкость IV - пар V - флегма VI - теплоноситель VII - охлаждающий агент
Принципиальная схема процесса непрерывной ректификации бинарных смесей показана на рис. Исходная смесь 1 подогревается в подогревателе 2 (предпочтительно до температуры кипения или близкой к ней) и через гребенку 3 (обеспечивающую возможность варьирования места подачи) подается в ректификационную колонну 1 внутри которой размещены контактные устройства (тарелки насадка). Источником парового потока является кипятильник 4 источником жидкого потока - конденсатор 5. В схеме предусмотрены холодильники 6 и 7 продуктов отбираемых сверху (поток II) и снизу (поток III) а также емкости исходной смеси и продуктов 8-10. Перекачивающие насосы на рисунке не показаны.
Принята следующая терминология основных потоков и узлов ректификационной установки:
поток носит естественное название - исходная смесь;
поток II именуют дистиллятом (или дистиллатом);
поток III называют кубовым остатком (или кубовой жидкостью);
восходящий паровой поток IV так и называют: поток пара (иногда просто "пар");
нисходящий жидкостной поток V (в том числе - возвращаемый сверху в колонну на орошение) именуют флегмой (иногда просто "жидкостью").
Тарелку находящуюся в сечении подачи исходной смеси в колонну 7 называют тарелкой питания.
Часть колонны находящаяся выше тарелки питания (на выходе из нее получается "крепкий" НКК) носит название укрепляющей части колонны (иногда - укрепляющей колонны).
Часть колонны находящаяся ниже тарелки питания (в ней НКК отгоняется из жидкости исчерпывается) носит название отгонной (реже - исчерпывающей) части колонны (иногда - отгонной или исчерпывающей колонны).
Генератор пара называют кипятильником источник флегмы (чаще всего - и дистиллята) - конденсатором.
ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА АППАРАТА
При конструировании химической аппаратуры следует применять стойкие металлические и неметаллические конструкционные материалы в заданных агрессивных средах. Важно учитывать все виды возможного коррозийного разрушения материалов в агрессивной среде при ее заданных рабочих параметрах. При выполнении прочностных расчетов в первую очередь сталкиваются с необходимостью оценки общей поверхностной коррозии выбираемого конструкционного материала характеризующегося проницаемостью ПМ ммгод.
В расчетах аппаратуры на прочность потеря по толщине материала на коррозию учитывается соответствующей прибавкой С определяемой амортизационным сроком службы аппарата и проницаемость по формуле:
С=ПМ·tа где ПМ ≤ 01 мм год tа – амортизационный срок примем tа=20 лет.
Материал деталей колонны соприкасающихся с метиловым спиртом и водой – сталь марки Х17Н13М2Т ГОСТ 3632-72 [1 с. 534] (корпус аппарата днища люки отбойник сетчатый камера уровнемера приспособление для выверки).
Материал прочих сборочных единиц – сталь 3 ГОСТ 380-71. Материал прокладок – паронит ПОН-1 ГОСТ 481-80.
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА РАБОЧИХ СРЕД
Температура кипения 0С
Плотность жидкости кгм3
Теплота парообразования кДжкг
Метанол(метиловый спирт древесный спирт карбинол метилгидрат гидроксид метила)— CH3OH простейший одноатомный спирт бесцветнаяядовитаяжидкость.
С воздухом в объёмных концентрациях 672—365% образует взрывоопасные смеси (температура вспышки156°C). Метанол смешивается в любых соотношениях сводойи большинством органическихрастворителей.
При обычных условиях это бесцветная легколетучая горючая жидкость. иногда с запахом напоминающим запах этилового спирта. На организм человека метанол действует опьяняющим образом и является сильным ядом вызывающим потерю зрения и в зависимости от дозы смерть.
Вода- химическое соединение состоящее из 1111% водорода и 8889% (по массе) кислорода.Химически чистая водапредставляет собой бесцветную жидкость без запаха и вкуса.
Вода- единственная жидкость на Земле для которой зависимость удельной теплоемкости от температуры имеет минимум. Этот минимум реализуется при температуре +350С. При этом нормальная температура человеческого тела состоящего на две трети (а в юном возрасте и того более) из воды находится в диапазоне температур 36-380С.
Удельная теплоемкость водысоставляет 4180 Дж(кг·0С) при 00С. Удельная теплота плавления при переходе льда в жидкое состояние составляет 330 кДжкг удельная теплота парообразования - 2250 кДжкг при нормальном давлении и температуре 1000С.
Плотность водыпри охлаждении от 100 до 3980С возрастает как и у подавляющего большинства жидкостей. Но достигнув максимального значения при температуре 3980С плотность при дальнейшем охлаждении воды начинает уменьшаться. Другими словами максимальная плотность воды наблюдается при температуре 3980С а не при температуре замерзания 00С.
Вода - самый сильный универсальный растворитель. Если ей дать достаточно времени она может растворить практически любое твердое вещество. Именно из-за уникальной растворяющей способности воды никому до сих пор не удалось получить химически чистую воду - она всегда содержит растворенный материал сосуда.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
1. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС КОЛОННЫ.
Уравнение материального баланса.
Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W.
Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания дистиллята и кубового остатка в мольных долях.
где - молекулярная масса метанола () - молекулярная масса воды .
Относительный мольный расход питания:
Определяем мольные массы исходной смеси дистиллята и кубового остатка.
М=х*МНК + (1 - х) МВК
гдеМНК – молярная масса низкокипящего компонента;
МВК – молярная масса высококипящего компонента.
Переведем количества жидкостей из кгс в кмольc:
Таблица1. Составы и расходы потоков.
Средняя молярная масса кмолькг
Исходная смесь Дистиллят Кубовый остаток
Концентрация легколетучего компонента в паровой фазе .
Исходные данные введем в табл. 2:
Табл. 2 – Данные по парожидкостному равновесию для системы метанол-вода при нормальном давлении.
По данным табл. 1 построим диаграмму равновесия xy: находим:
Рис. 2 – Диаграмма равновесия между паром (у) и жидкостью (х) при постоянном давлении
Минимальное флегмовое число.
Рабочее флегмовое число.
R = 13 Rmin + 03= 13*0789 + 03=1326
Уравнение рабочих линий:
А) верхней части колонны:
В) нижней части колонны:
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ПАРА И ДИАМЕТРА КОЛОННЫ
Средние концентрации жидкости:
А) в верхней части колонны:
Б) в нижней части колонны:
Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.
Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:
А) в верхней части колонны
средние температуры пара определяем по диаграмме t – xу:
Рис.3 Диаграмма равновесия системы метанол –вода
Средние мольные массы и плотности пара:
Средняя плотность пара в колонне:
Температура в верху колонны при хD = 0.937 равняется 65 0С а в кубе-испарителе при хW = 0.023 она равна 960С.
Плотность жидкого метанола при 65 0С :
Плотность воды при 960С:
Средняя плотность жидкости в колонне:
Принимаем расстояние между тарелками h = 300мм. для ситчатых тарелок по графику находим С=0032. Скорость пара в колонне:
Объемный расход проходящий через колонну пара при средней температуре в колонне tCP = (65+96)2 = 8050С:
Принимаем: D = 1600 мм.
Тогда скорость пара в колонне будет:
3 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТАРЕЛОК
По каталогу для колонны диаметром 1600 мм выбираем ситчатую тарелку
ТС-Р 1600-300 ОСТ 26-805-73 со следующими конструктивными размерами [3 с217]:
Диаметр отверстий в тарелке do 4 мм
Шаг между отверстиями t 8-15 мм
Относит-ое свободное сечение тарелки при t в пределах 8-15 Fсеч = 147-408%
Свободное сечение колонны F 2.01 м2
Рабочее сечение тарелки Fр 1834 м2
Высота переливного порога hпер 30 мм
Периметр слива П 0795 м
Коэффициент сопротивления 182
Сечение перелива Fсл 0088 м2
Относительная площадь перелива FслFл 44%
Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстий d0 = 4 мм высота сливной перегородки hП = 40мм. свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8 % от площади тарелки. Площадь занимаемая двумя сегментами составляет 20 % от общей площади тарелки.
Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и в нижней части колонны по уравнению: р = рсух + р + рпж.
А) Верхняя часть колонны.
Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:
= 182 – коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 7 – 10 %;
w0 = 13 008 = 1625 мс – скорость пара в отверстиях тарелки.
Сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения:
– поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 780С.
Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:
Высота парожидкостного слоя:
величину h – высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по формуле:
где Vж – объемный расход жидкости м3с; П – периметр
сливной перегородки м; k = ρпжρж – отношение плотности парожидкостного слоя к плотности жидкости принимаемое приближенно равным 05.
Объемный расход жидкости в верхней части колонны:
Периметр сливной перегородки П находим решая систему уравнений:
где R = 09 м – радиус тарелки; 23Пb – приближенное значение площади сегмента.
Решение дает: П = 132 м; b= 0.289 м. находим h:
Высота парожидкостного слоя на тарелке:
hпж = hп + h= 004 + 001 = 005.
Сопротивление парожидкостного слоя:
рпж = 13hпжρпжgk=13 005 05 85665 981= 273Па.
Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:
р’ = рсух + р + рпж = 2355 + 178 + 273 = 5263 Па.
Б) Нижняя часть колонны:
– поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 88 0С.
hпж = hп + h= 004 + 002= 006 м.
рпж = 13hпжρжgk=13 006 05 854665 981= 3277 Па.
Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:
р’’ = рсух + р + рпж = 1922 + 168 + 3277= 5367Па.
Проверим соблюдается ли при расстоянии между тарелками h = 0.3 м необходимое для нормальной работы тарелок условие
Для тарелок нижней части у которых гидравлическое сопротивление больше чем у тарелок верхней части:
Условие соблюдается.
Проверим равномерность работы тарелок – рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях w0min достаточную для того чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями:
Рассчитанная скорость w0m следовательно тарелки будут работать всеми отверстиями.
4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ТАРЕЛОК И ВЫСОТЫ КОЛОННЫ.
А)наносим на диаграмму у – х рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число ступеней изменения концентрации пТ. в верхней части колонны п’T = 5 в нижней части колонны п’’T = 4 всего 9 ступени. Число тарелок рассчитывается по уравнению: п = пТ .
Для определения среднего к.п.д. тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов α = РМ РВ и динамический коэффициент вязкости исходной смеси при средней температуре в колонне равной 83 0С.
При этой температуре давление насыщенного метанола и воды соответственно равны:
откуда α = РМ РВ = 15264006=38
динамические коэффициенты вязкости метанола и воды соответственно равны [1]:
по графику находим = 047. Длина пути жидкости на тарелке
l = D – 2b = 16 – 2 0.289 = 1022
По графику находим значение поправки на длину пути = 007. Средний к.п.д. тарелок: l = (1 + ) = 0.47(1+0.07) = 0.5.
Для сравнения рассчитаем средний к.п.д. тарелки 0 по критериальной формуле полученной путем статистической обработки многочисленных опытных данных для колпачковых и ситчатых тарелок:
В этой формуле безразмерные комплексы:
где w – скорость пара в колонне мс; SСВ – относительная площадь свободного сечения тарелки; hП – высота сливной перегородки м; ρП и ρЖ – плотности пара и жидкости кгм3; DЖ – коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси; – поверхностное натяжение жидкости питания Нм.
Коэффициент диффузии
В нашем случае: = 1; Ж = 03110-3 Пас; М = МF = 2185 кгкмоль;
= 374 + 148 + 74 = 37см3моль-мольный объем растворенного вещества при температуре кипения; Т = 83 + 273 = 356К.
Безразмерные комплексы:
Средний к.п.д. тарелки:
что близко к найденному значению l.
В верхней части колонны п = п’Т = 5 0.5 = 10;
В нижней части колонны п = п’’Т = 4 0.5 = 8.
Общее число тарелок п = 18 с запасом 22 из них в верхней части колонны 12 и в нижней части 10 тарелок.
Высота тарельчатой части колонны:
НТ = (п-1)h = (22-1)03= 63м.
Н = НТ + НС + НК где Нс = 05м – высота сепарационной части колонны;
Нк = 20м высота кубовой части колонны;
Общее гидравлическое сопротивление тарелок:
р = р’nв + р’’nн = 5263 12 + 5367 10 = 116826 Па
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ КОЛОННЫ
1 ПОДРОБНЫЙ РАСЧЕТ ХОЛОДИЛЬНИКА КУБОВОЙ ЖИДКОСТИ
Проведем подробный расчет холодильника кубового остатка. Для горячего теплоносителя (кубовый остаток) принимаем индекс “1” для холодного (оборотная вода) – “2”. Кубовый остаток охлаждается от t1н= 96°С до t1к=25°С при помощи охлаждающего агента. В качестве охлаждающего агента оборотная вода с t2н=12°С и t2к=44°С (принимаем).
Тепловая нагрузка со стороны кубового остатка равна:
удельная теплоемкость кубового остатка при средней температуре tср =
= 1.839*4.24 (96-25) = 553.61
Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 200С:
Определим среднюю разность температур. Средняя разность температур tср зависит от схемы движения теплоносителей. Так как в холодильнике не происходит изменение агрегатного состояния теплоносителей и температура их изменяется то целесообразно выбрать противоток так как при противотоке достигается большая величина средней движущей силы теплопередачи tср.
Представим температурный режим теплообменника в виде схемы:
tк2 ← tн232°С ← 12°С
tб = 96 – 32 = 64°С; tм = 25 – 12 = 13°С так как tб tм = 492 > 2 то tср – определяется как средне логарифмическая между tб и tм
Средняя разность температур теплоносителей равна:
В соответствии с таблицей 2.1 [3] принимаем Вт(м2 К). Направим кубовый остаток в межтрубное пространство а в трубное – оборотную воду (хладагент) т.к. больший расход охлаждающей воды (=1839 кгс = 6.6 кгс). Ориентировочные значение поверхности теплообмена найдём по уравнению:
Задаваясь числом Reo=15000 что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах определим соотношение nz для трубы d=25×2 мм по уравнению:
где n – общее число труб шт.;
внутренний диаметр трубы мм;
динамический коэффициент вязкости воды при средней температуре воды tср2 определен из таблицы 9 учебника [1] Пас;
– наружный диаметр трубы мм.
Соотношение числа труб на число ходов nz определяем по уравнению:
Предварительно выбираем кожухотрубчатый холодильник для охлаждения кубового остатка оборотной водой по ГОСТ 15120 – 79 в таблице 2.3 [1] параметры которого представлены в таблице 3.
Таблица 3– Параметры кожухотрубчатого теплообменника
Параметры теплообменника
Поверхность теплообмена F м2
Площадь сечения одного хода по трубам Fтр м2
Площадь сечения потока между перегородками Fмтр м2
Уточним температуру холодного теплоносителя (воды):
Зададимся температурой стенки и вычислим среднюю разность температур:
При t2=5407°С найдем значения вязкости коэффициента теплопроводности и удельную теплоемкость холодного теплоносителя [1]:
Действительное число Reд находим по уравнению:
Рассчитаем критерий Pr:
Так как температура стенки мало отличается от температуры холодного теплоносителя то примем Prст2=Pr2.
Рассчитаем критерий Nu:
Коэффициент теплоотдачи определим по уравнению[2]:
Рассчитаем тепловой поток:
Тепловая проводимость загрязнений стенок со стороны холодного теплоносителя (вода среднего качества) и кубового остатка равны 1r1=1r2=2320 Вт(м2К) значения из таблицы 2.2 [3]. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной из таблицы 28 [2]. Сумма термический сопротивлений стенки и загрязнений равна
где – толщина стенки м.
Коэффициент теплопередачи равен:
Температура стенки со стороны горячего теплоносителя вычисляется по формуле:
С учетом того что количество метанола в кубовом остатке мало = 0023 кмолькмоль смеси 005 будем применять при расчетах что кубовый остаток состоит только из ТЛК (воды). Определим среднюю температуру второго теплоносителя (кубового остатка):
tср1 = (96 + 25) 2 = 605°С.
При tср1 найдем значения вязкости коэффициента теплопроводности и удель-ную теплоемкость кубового остатка в таблицах 92011 [1]:
Определим критерий Прандтля при средней температуре второго теплоносителя (кубового остатка) по формуле:
Определим критерий Прандтля со стороны кубового остатка при tст1=5697°С.
При tст1 найдем значения вязкости коэффициента теплопроводности и удельную теплоемкость кубового остатка в таблицах 92011[1]:
Определим критерий Рейнольдса:
где Sм.тр=0017 м2 – по ГОСТ 15120-79 (таблица 5.1);
Определим критерий Нуссельта:
Удельная тепловая нагрузка со стороны второго теплоносителя (кубового остатка):
Зададимся другой температурой стенки и вычислим среднюю разность температур:
Рассчитаем тепловой поток по формуле:
Температура стенки со стороны второго теплоносителя вычисляется по формуле:
Рассчитаем тепловой поток по формуле:
Проведём аналогичные расчёты при .
Вычислим среднюю разность температур:
Рассчитаем тепловой поток
Температура стенки со стороны второго теплоносителя
При построении зависимости тепловых потоков от температуры со стороны холодного теплоносителя tст2=5110С
Проверим равенство тепловых потоков:
Отклонение соответствует допустимому
Вычислим средний тепловой поток:
Вычислим коэффициент теплопередачи:
Расчетное значение поверхности теплообмена:
Оставляем выбранный кожухотрубчатый холодильник для охлаждения кубового остатка по ГОСТ 15120-79
Поверхность теплообмена F=24м2
F = (1.15 1.20)Fр=24357 м2
Требуемая поверхность теплопередачи:
Запас теплообменной поверхности:
Скорость исходной смеси в трубах определяется по формуле
где плотность воды при tcр2=22°С
Скорость в межтрубном пространстве
где плотность кубового остатка (воды) в межтрубном пространстве при tср1=605°С
Скорость в штуцерах для кубового остатка
Диаметр штуцера выбираем по таблице 2.6 [3] м.
Скорость в штуцерах для охлаждаемой воды
Коэффициент трения при Re≥2300 находим по формуле:
Гидравлическое сопротивление кожухотрубчатого теплообменника в трубном пространстве рассчитывается по формуле:
Гидравлическое сопротивление кожухотрубчатого теплообменника в межтрубном пространстве рассчитывается по формуле
где x=10 – число сегментных перегородок значения из таблицы 2.7 [3]
m – число рядов труб преодолеваемых потоком теплоносителя в межтрубном пространстве.
. Примем округлив в большую сторону
2 РАСЧЕТ ХОЛОДИЛЬНИКА ДИСТИЛЛЯТА
Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменник для охлаждения дистиллята. Горячий раствор в количестве кгс охлаждается от °С до °С (примем). Начальная температура охлаждающей воды равна =12°С. Зададимся температурой воды после прохода через теплообменник tк2=32°C.
Выбираем движение теплоносителей противотоком так как при противотоке достигается большая величина средней движущей силы теплопередачи tср.
tб = 56 – 44 = 33°С; tм = 34 – 28 =13°С так как tб tм ≥ 2 то tср – определяется как средне логарифмическая между tб и tм по уравнению
Расход теплоты отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята определяется по уравнению
удельная теплоемкость дистиллята при средней температуре tср =
Определим расход охлаждающей воды
где – удельная теплоёмкость воды Дж(кгК).
По таблице 2.1 [1] принимаем Кор=450 Вт(мК).
Ориентировочная площадь теплообменника по уравнению
В соответствии с таблицей 2.3 [1] принимаем ГОСТ 15120-79 двухходовой кожухотрубчатый теплообменник со следующими характеристиками Dкож=400 мм F=16 м d=25×2мм L=2м N=100z=2.
Запас площади по уравнению (5.26):
Так как выбранный теплообменник имеет запас площади 2529 % что меньше 40% но больше 10% то он выбран верно.
3 РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКА-ИСПАРИТЕЛЯ
Рассчитать и подобрать нормализованный вид конструкции кожухотрубчатого испарителя ректификационной колонны с GW=1839 кгс паров раствора органической жидкости при температуре кипения tW=t1н=t1к=96° С.
В качестве теплоносителя используем насыщенный водяной пар давлением р=2атм =1967 кПа температурой конденсации t2к=t2н=1196°С.
Расход теплоты получаемой в кубе-испарителе от греющего пара по уравнению
Расход тепла получаемого в кубе-испарителе от греющего пара равен
Находим теплоемкости метанола и воды (см. [1] стр.535 рис. XI).
=1.03(3122.57+1.161*2.75*65+1.839*4.243*96-3*3.608*78) = 3331.95 кВт
Qпотер - приняты в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты
паровой подогреватель смеси
Тепловая нагрузка аппарата QК=333195кВт.
Расход греющего пара.
где - удельная теплота конденсации греющего пара.
Давление греющего пара тогда и
(см. [1] стр.525 табл. LVII). x – степень сухости греющего пара = 095
t1н t1к1196°С 1196°С
t2к ← t2н 96°С ← 96°С
Средняя движущая сила
В соответствии с таблицей 2.1 [3] принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор=1800 Вт(мК). Тогда ориентировочные значения площади теплообменника по уравнению
В соответствии с ГОСТ 15121-79 по таблице 2.9 [3] близкую к ориентиро-вочной площади имеет кожухотрубчатый теплообменник с Dкож=600 мм d=25×2 мм S=97 м N=206шт z=4 L= 6 м.
Запас площади по уравнению
Так как выбранный теплообменник имеет запас площади 2367 % что меньше 40% но больше 10% то он выбран верно.
4 РАСЧЕТ КОНДЕНСАТОРА (ДЕФЛЕГМАТОРА)
Рассчитать и подобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубчатого конденсатора смеси паров органической жидкости (дефлегматора) для конденсации кгс паров. Удельная теплота конденсации смеси кДжкг температура конденсации tD =65°С. Тепло конденсации отводится водой с начальной температурой .
Принимаем температуру воды на выходе из конденсатора . Средняя температура воды
Расход тепла отдаваемого охлаждающей воде в конденсаторе-дефлегматоре находим по уравнению
где - удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре.
Удельные теплоты конденсации метанола и воды при (см. [1] стр.516 табл. XLV).
=1161*(1326+1)*11563 =3122.57кВт
Тепловая нагрузка аппарата
Средняя разность температур:
tб = 53°С; tм = 33°С так как tб tм 2 то tср – определяется по уравнению
В соответствии с таблицей 2.1 [1] принимаем . Ориенти-ровочные значение поверхности по уравнению
В соответствии с ГОСТ 15119-79 по таблице 2.9 [3] принимаем теплообменник со следующими характеристиками: Dкож=800 мм d=25×2 мм z=4 L=4 м S=127 м2 n=404.
Так как выбранный теплообменник имеет запас площади 22.4% что меньше 40% но больше 10% то он выбран верно.
5 РАСЧЕТ ПОДОГРЕВАТЕЛЯ ИСХОДНОЙ СМЕСИ
Исходную смесь необходимо подогреть от t1н = 24 °C до t1к = 78 °C. Темпера-туру греющего водяного насыщенного пара выберем t2н=t2к=1196 °C (давление 1967 кПа).
tб = 956°С; tм = 416°С так как tб tм ≥ 2 то tср – определяется как среднеарифметическая между tб и tм по уравнению:
Расход тепла в паровом подогревателе смеси
удельная теплоемкость исходной смеси при средней температуре tср = (t1 + tнач) 2 =
([1] стр.535 рис. XI)
Расход греющего пара в подогреватели исходной смеси рассчитаем по формуле
В соответствии с таблицей 2.1 [3] принимаем . Ориентировочные значение поверхности по уравнению
В соответствии с ГОСТ 15120-79 по таблице 2.9 [3] принимаем теплообменник со следующими характеристиками: Dкож=600 мм d=25×2 мм z=2 L=3 м S=57 м2 n=240.
Так как выбранный теплообменник имеет запас площади 284% что меньше 40% но больше 10% то он выбран верно.
В курсовой работе разработана тарельчатая ректификационная установка непрерывного действия для разделения бинарной смеси метанол-вода. Процесс проводится в вертикальной ректификационной установке. Высота тарельчатой части аппарата 6300 мм диаметр 1600мм. Используются ситчатые тарелки типа ТС-Р.
Для подогрева питания используется двухходовой кожухотрубчатый теплообменник с поверхностью теплопередачи 57 м2 диаметром кожуха D=600 мм с 240 трубами размером 25х2 и длиной L=3 м.
В качестве кубового испарителя выбран четырехходовой теплообменник со следующими характеристиками: D=600 мм n=206 размер труб 25х2 и поверхностью теплопередачи 97м2.
В связи с необходимостью охлаждать дистиллят используют холодильник (двухходовой кожухотрубчатый теплообменник) с поверхностью теплопередачи 16 м2 диаметром кожуха D=400 мм с 100 трубами размером 25х2 и длиной L=2 м.
Для охлаждения кубовой жидкости используется двухходовой кожухотрубчатый теплообменник с поверхностью теплопередачи 24 м2 диаметром кожуха D=400 мм с 100 трубами размером 25х2 и длиной L=3 м.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Александров И. А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. Изд. 3-е. М.: «Химия» 1978. – 280 с.
Борисов Г.С. Брыков В.П. под ред. Дытнерского Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию 2-е изд.перераб.и дополненное М.: Химия.1991.-496с.
Колонные аппараты: Каталог. – М.: ЦИНТИхимнефтемаш 1978. – 31с.
ГОСТ 15118—79. Аппараты теплообменные кожухотрубчатые с не- подвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Размещение отверстий под трубы в трубных решетках и перегородках. Основные размеры.
ГОСТ 15119—79. Испарители кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Основные параметры и размеры.
ГОСТ 15120—79. Холодильники кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Основные параметры и размеры.
ГОСТ 15121—79. Конденсаторы кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Основные параметры и размеры.
ГОСТ15122—79. Теплообменники кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Основные параметры и размеры.

Общий вид.frw

Вход паров из кипятильника
Выход кубового остатка
Планка регулировочная
Болт М12х25 по ГОСТ 7798-70
Гайка М12 по ГОСТ 5616-70
Шайба 12 по ГОСТ 11371-58
Схема расположения штуцеров и люков
Техническая характеристика
Аппарат предназначен для разделения смеси метанол-вода
Номинальная емкость 22 м.
Производительность 10800 кгч.
Давление в колонне атмосферное.
Температура среды в кубе до 96 С.
Среда в аппарате - пожаровзрывоопасная
Тип тарелок - ситчатые.
Технические требования
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 - сталь 08Х13 ГОСТ 5632 - 72 и сталь 20
остальные сборочные единицы и детали
из стали ВСт 3сп 3 ГОСТ 380 - 71.
Материал прокладок - паронит ПОН - 1 ГОСТ 481 - 80
Материал опоры - 29Г2С ГОСТ 5520 - 79.
Аппарат испытать на прочность и плотность гидравлически
в горизонтальном положении - под давлением 1.25 МПа
тикальном положении - под наливом.
ОСТ 26 - 01 - 82 - 77 "Сварка в химическом машиностроении".
Сварные соединения должны соответствовать требованиям
Сварные швы в объеме 100% контролировать рентгено-
Действительное расположение штуцеров и люков см. на схеме.
Не указанный вылет штуцеров 150 мм.
Размеры для справок.
Выход жидкости на кипятильник
Колонна ректификационная
ДГТУ КП 280.700.30000.ОВ

Колонна_1600.frw

Вход паров из кипятильника
Выход кубового остатка
Планка регулировочная
Болт М12х25 по ГОСТ 7798-70
Гайка М12 по ГОСТ 5616-70
Шайба 12 по ГОСТ 11371-58
Схема расположения штуцеров и люков
Техническая характеристика
Аппарат предназначен для разделения смеси метанол вода
Номинальная емкость 22 м.
Производительность 10800 кгч.
Давление в колонне атмосферное.
Температура среды в кубе до 96 С.
Среда в аппарате - пожаровзрывоопасная
Тип тарелок - ситчатые.
Технические требования
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 - сталь 08Х13 ГОСТ 5632 - 72 и сталь 20
остальные сборочные единицы и детали
из стали ВСт 3сп 3 ГОСТ 380 - 71.
Материал прокладок - паронит ПОН - 1 ГОСТ 481 - 80
Материал опоры - 29Г2С ГОСТ 5520 - 79.
Аппарат испытать на прочность и плотность гидравлически
в горизонтальном положении - под давлением 1.25 МПа
тикальном положении - под наливом.
ОСТ 26 - 01 - 82 - 77 "Сварка в химическом машиностроении".
Сварные соединения должны соответствовать требованиям
Сварные швы в объеме 100% контролировать рентгено-
Действительное расположение штуцеров и люков см. на схеме.
Не указанный вылет штуцеров 150 мм.
Размеры для справок.
Выход жидкости на кипятильник
Колонна ректификационная
ДГТУ 280.700.30000.ОВ

Технологическая схема.frw

Колонна ректификационная
Установка ректификационная.
Технологическая схема.
Условное обозначение
Паро-жидкостная эмульсия
Вода оборотная (подача)
Вентиль регулирующий

Колонна_1600.dwg

Циркуляционная труба
Емкость упаренного раствора
Ящик барометрический
Конденсатор барометрический
Сепарационная камера
Емкость исходного раствора
Вход паров из кипятильника
Выход кубового остатка
Планка регулировочная
Болт М12х25 по ГОСТ 7798-70
Гайка М12 по ГОСТ 5616-70
Шайба 12 по ГОСТ 11371-58
Схема расположения штуцеров и люков
Техническая характеристика
Аппарат предназначен для разделения смеси метиловый спирт-вода
Номинальная емкость 22 м.
Производительность 6000 кгч.
Давление в колонне 0.1 МПа.
Температура среды в кубе до 98 С.
Среда в аппарате - пожаровзрывоопасная
Тип тарелок - ситчатые.
Технические требования
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 - сталь 08Х13 ГОСТ 5632 - 72 и сталь 20
остальные сборочные единицы и детали
из стали ВСт 3сп 3 ГОСТ 380 - 71.
Материал прокладок - паронит ПОН - 1 ГОСТ 481 - 80
Материал опоры - 29Г2С ГОСТ 5520 - 79.
Аппарат испытать на прочность и плотность гидравлически
в горизонтальном положении - под давлением 1.25 МПа
тикальном положении - под наливом.
ОСТ 26 - 01 - 82 - 77 "Сварка в химическом машиностроении".
Сварные соединения должны соответствовать требованиям
Сварные швы в объеме 100% контролировать рентгено-
Действительное расположение штуцеров и люков см. на схеме.
Не указанный вылет штуцеров 150 мм.
Размеры для справок.
Выход жидкости на кипятильник
Колонна ректификационная

Содержание.doc

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ 5
ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА АППАРАТА .7
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА РАБОЧИХ СРЕД 7
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ 9
1. Материальный баланс ..9
2. Определение скорости пара и диаметра колонны .12
3. Гидравлический расчет тарелок 14
4. Определение числа тарелок и высоты колонны .17
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ КОЛОННЫ .19
1. Подробный расчет холодильника кубового остатка ..19
2. Расчет холодильника дистиллята .29
3. Расчет теплообменника-испарителя 31
4. Расчет конденсатора-дефлегматора .32
5. Расчет подогревателя исходной смеси 34
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ..37

ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ и ЗАДАНИЕ.docx

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды»
д.т.н. проф. Месхи Б.Ч.
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту на тему:
«Ректификационная установка непрерывного действия для разделения смеси: метанол - вода»
Автор дипломного проекта
Обозначение дипломного проекта
Специальность «Инженерная защита окружающей среды»
Руководитель проекта
Консультант по разделам:
Безопасность жизнедеятельности
Кафедра «Безопасность жизнедеятельности и защиты окружающей среды»
Срок представления проекта к защите
Исходные данные для курсового проекта:
Материалы практики ГОСТы и иная нормативная документация задание на курсовой проект технологические схемы.
Задание принял к исполнению

Схема.dwg

Колонна ректификационная
Установка ректификационная.
Технологическая схема.
Условное обозначение
Паро-жидкостная эмульсия
Вода оборотная (подача)
Вентиль регулирующий