Ректификационная установка для разделения смеси бинарной смеси метиловый спирт-изопропиловый спирт

ректификация 3316.DOC

Процессы тепло- и массообмена
Установка ректификационная
для разделения смеси
метиловый спирт – изопропиловый спирт
(Пояснительная записка)
Задание по курсовому проектированию
Технологическая схема
Расчет ректификационной установки
1 Равновесие системы «метиловый спирт – изопропиловый спирт»
2 Материальный баланс установки
3 Уравнение рабочей линии колонны
4 Определение скорости пара и диаметра колонны
5 Гидравлический расчет тарелок
6 Определение числа тарелок и высоты колонны
7 Тепловой расчет установки
8 Расчет парового подогревателя исходной смеси
9 Расчет дефлегматора-конденсатора
10 Расчет холодильника дистиллята
11 Расчет парового испарителя куба
12 Расчет холодильника кубового остатка
Список использованных источников
Ректификация – широко используемый в промышленности массообменный процесс разделения гомогенных смесей основанный на различной летучести компонентов.
В зависимости от свойств разделяемой смеси и требований к чистоте продуктов разделения процесс ректификации осуществляется при различных технологических условиях.
Разделение умеренно летучих веществ ведут при атмосферном давлении ввиду простоты эксплуатации оборудования и легкости обеспечения герметичности. В качестве теплоносителей при этом используют водяной пар воду и воздух.
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. 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 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) 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.
Принципиальная схема ректификационной установки
– емкость для исходной смеси; 2 9 – насосы; 3 – теплообменник-подогреватель;
– кипятильник; 5 – ректификационная колонна; 6 – дефлегматор; 7- холодильник дистиллята; 8- емкость для сбора дистиллята; 10 – холодильник кубовой жидкости;
– емкость для кубовой жидкости.
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 смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).
ЗАДАНИЕ ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ
Спроектировать ректификационную установку для разделения смеси «метиловый спирт – изопропиловый спирт» под атмосферным давлением.
Сделать подробный расчет ректификационной колонны и холодильника кубового остатка.
Куб-испаритель паровой подогреватель исходной смеси дефлегматор-конденсатор и холодильник дистиллята рассчитать приближенно используя коэффициенты теплопередачи.
Выбрать стандартные аппараты.
Сделать чертеж общего вида холодильника кубового остатка.
и эскиз технологической схемы установки.
Исходные данные для расчета
Колонна с ситчатыми тарелками.
Производительность установки по исходной смеси 52 кгс.
Концентрация легколетучего компонента в исходной смеси 52% мол.
Концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке 9% мол.
Концентрация легколетучего компонента в дистилляте 90% мол.
Температура исходной смеси 20ºС.
Температура охлаждающей воды от 15ºС до 25 ºС.
Готовые продукты охлаждаются до 25ºС.
Давление греющего пара 1.5 атм (изб.)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА
Схема ректификационной установки для разделения смеси «метиловый спирт – изопропиловый спирт» исполнена в виде чертежа формата А1 (см. графическую часть проекта).
Исходная смесь из емкости Е-1 подается насосом Н-11(или Н-12) в паровой подогреватель питания Т-1 где нагревается до температуры кипения и затем подается на питательную тарелку ректификационной колонны КР-1. В ректификационной колонне на контактных тарелках осуществляется взаимодействие паровой и жидкой фаз. Стекающая по тарелкам жидкость насыщается труднолетучим компонентом и поступает в куб колонны. Для парового орошения колонны часть жидкости из куба насосом Н-31(Н-32) подается в кипятильник Т-2 испаряется в нем и в парообразном состоянии поступает под нижнюю тарелку. Кубовый остаток из куба колонны при температуре подается в холодильник X-1 в котором охлаждается водой до температуры 20ºС и поступает в сборник кубового остатка Е-3. Паровая смесь через штуцер в верхнем днище колонны поступает в межтрубное пространство конденсатора дистиллята Х-2 где конденсируется под действием охлаждающей воды подаваемой в трубы и через конденсатоотводчик КО направляется в сборник дистиллята Е-2. Часть дистиллята подается насосом Н-21(Н-22) в качестве флегмового орошения на верхнюю тарелку колонны КР-1.
РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
1.Равновесие системы «метиловый спирт – изопропиловый спирт»
В таблице 1 представлены равновесные концентрации по жидкости и пару системы «метиловый спирт - изопропиловый спирт»
2. Материальный баланс установки
Уравнения материального баланса
Массовые концентрации дистиллята кубового остатка и питания
Производительность по дистилляту
Производительность по кубовому остатку
3. Уравнение рабочей линии колонны
Относительный мольный расход питания
Построение диаграммы Y-х
Рис.2 Равновесная кривая бинарной смеси метиловый спирт-изопропиловый спирт
Мольная доля метилового спирта в паре равновесном с жидкостью питания определенная по диаграмме Y-х (см. рис.2)
Кривая равновесия точек перегиба не имеет. Определяем минимальное число флегмы по уравнению:
Рабочее число флегмы
Уравнения рабочих линий:
а) Укрепляющей части колонны
б) Исчерпывающей части колонны
Обобщенное уравнение для всей колонны
Рис.3 Рабочие линии процесса ректификации
4. Определение скорости пара и диаметра колонны
Средние концентрации жидкости:
а) в верхней части колонны:
б) в нижней части колонны:
Средние концентрации пара нахдим по уравнениям рабочих линий:
Для определения температур строим графики зависимости x-t и y-t (рис.4)
Рис.4 Диаграммы xy-t
Определяем средние температуры пара по графику
Средние мольные массы и плотности пара:
Средняя плотность пара в колонне:
Определяем средние температуры жидкости по графику
Плотность компонентов определяем по справочным таблицам для средних температур
Плотность жидкости для средних температур вверху и внизу колонны
Принимаем расстояние между тарелками h=600 мм
Для ситчатых тарелок
Скорость пара в колонне
Мольная масса дистиллята
Массовые расходы пара в верхней и нижней части колонны
Объемные расходы пара в верхней и нижней части колонны
Диаметры верхней и нижней части колонны
Разность между диаметрами верхней и нижней части колонны
Следовательно для верхней и нижней части колонны выбираем один диаметр
Уточним скорость пара в верхней и нижней части колонны
5. Гидравлический расчет тарелок
Для ситчатых тарелок по ОСТ 26-01-108-85 исполнение 3 диаметром 3.6 м
Свободное сечение колонны
Относительное сечение перелива
Средняя мольная масса жидкости вверху и внизу колонны
Мольная масса жидкости питания
Объемный расход жидкости вверху и внизу колонны
Линейная плотность орошения
Поверхностное натяжение компонентов при температурах верха и низа колонны
Поверхностное натяжение смеси метилового и изопрпилового спиртов при температурах верха и низа колонны
Вспомогательный коэффициент для определения максимальной скорости
Максимальная скорость пара в рабочем сечении тарелки
Скорость пара в рабочем сечении тарелки равна:
не превышает максимальную
Коэффициент динамической вязкости компонентов при средних температурах верха и низа колонны
Коэффициент динамической вязкости (среднемольный) исходной смеси
Высота сливной перегородки
Высота запаса жидкости на тарелке
Газосодержание барботажного слоя
Высота парожидкостного слоя для верхней и нижней тарелки
Высота сепарационного пространства
Коэффициент сопротивления отверстия
Минимальная допустимая скорость пара в отверстиях тарелки
Максимальное относительное свободное сечение для ситчатой тарелки
Расчитанным значениям удовлетворяют ситчатые тарелки по ОСТ 26-01-108-85 исполнение 3 диаметром 36 м
Шаг размещения отверстий
Расстояние между тарелками
Относительное свободное сечение
Площадь прохода паров
Скорость пара в отверстиях тарелки
Длина пути жидкости на тарелке
Гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны
Сопротивление тарелки обусловленное силами поверхностного натяжения
Сопротивление парожидкостного слоя на нижней и верхней тарелке
Общее гидравлическое сопротивление тарелки верхней и нижней части колонны
Необходимое для нормальной работы тарелок расстояние расчитаем для нижней тарелки т.к. на ней сопротивление больше
Полученное значение не превышает выбранного h=600 мм т.е. условие нормальной работы тарелки выполняется
Минимальная скорость пара в отверстиях тарелки необходимая для нормальной работы тарелки
Таким образом тарелки будут работать всеми отверстиями
6. Определение числа тарелок и высоты колонны
Средняя температура верхней и нижней частей колонны
Давление насыщенных паров компонентов при средних температурах в верхней и нижней части колонны
Коэффициент относительной летучести паров
Атомные объемы углерода водорода кислорода
Мольный объем метанола
Мольный объем изопропанола
Коэффициенты динамической и кинематической вязкости компонентов при
Коэффициенты динамической вязкости (среднемольный) исходной смеси при
Коэффициенты диффузии исходной смеси
Коэффициенты диффузии
Коэффициенты динамической вязкости пара вверху и внизу колонны
Диффузионный критерий Прандтля
Газосодержание парожидкостного слоя
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе
Коэффициент массоотдачи в паровой фазе
Мольные расходы жидкости и пара
Тангенс угла наклона равновесной кривой
Тангенс угла наклона рабочей линии
Общее число единиц переноса
Локальная эффективность
Уравнение кинетической кривой
Рис. 5. Кинетическая кривая
Число тарелок в верхней части
Число тарелок в нижней части
Включая тарелку питания
Общая высота колонны
Общее гидравлическое сопротивление тарелок
7. Тепловой расчет установки
Удельные теплоты конденсации паров компонентов при
Удельные теплоты конденсации дистиллята при
Расход теплоты отводимой в дефлегматоре конденсаторе
Удельные теплоемкости компонентов при
Удельные теплоемкости питания дистиллята кубового остатка исходной смеси и конечного продукта
Полезно затрачиваемая теплота
Примем тепловые потери равными 3% от полезно затрачиваемой теплоты
Расход теплоты получаемой в кубе-испариетеле от греющего пара
Расход теплоты отдаваемых исходной смеси в холодильнике кубового остатка
Расход теплоты на подогрев исходной смеси до температуры кипения
Примем тепловые потери в паровом подогревателе равными 5% от полезно затрачиваемой теплоты
Расход теплоты на подогрев исходной смеси
Расход теплоты отдаваемой в водяном холодильнике дистиллята
Удельная теплота конденсации насыщенного водяного пара при Рп=1.5 атм
Температура пара 126.30С
Расход греющего пара в подогревателе исходной смеси при влажности пара 5%
Расход греющего пара в кубе-испарителе при влажности пара 5%
Общий расход пара в установке
Расход охлаждающей воды при нагреве ее на
а) в водяном холодильнике кубового
Общий расход охлаждающей воды на установке
8. Расчет парового подогревателя исходной смеси
Температура исходной смеси начальная (после подогрева в холодильнике дистиллята) и конечная
Удельная теплота конденсации насыщенного водяного пара при Рп=1.5 атм
Средняя разность температур
Коэффициент теплопередачи при конденсации водяного пара на пучке труб со смесью
Требуемая поверхность теплообмена
Выбираем конденсатор 400 ККВ-10-М125Г-2-3 ГОСТ 15121-79 с поверхностью 31 кв.м. диаметр кожуха 400 мм труб 25х2 длина труб - 3м количество трубок 166 двухходовой
9. Расчет дефлегматора-конденсатора
Теплота выделяемая при конденсации паров дистиллята
Коэффицент теплопередачи при конденсации паров на пучке труб с охлаждающей водой
Требуемая поверхность теплообмена
Выбираем конденсатор 1000 ККГ-10-М120Г-3 ГОСТ 15121-79 с поверхностью 286 кв.м. диаметр кожуха 1000 мм труб 20х2 длина труб - 4м количество трубок 1138 двухходовой
10. Расчет холодильника дистиллята
Температура кубового остатка и воды начальная и конечная
Теплота. выделяемая при охлаждении кубового отстака
Коэффициент теплопередачи при трубах с охлаждающей водой в межтрубном пространстве
Выбираем теплообменник 400 ХНГ-10-М125Г-2-3 ГОСТ 15121-79 с поверхностью 47 кв.м. диаметр кожуха 400 мм труб 25х2 длина труб - 6м количество трубок 100 двухходовой
11. Расчет парового испарителя куба
Температура водяного пара и кубового остатка
Выбираем теплообменник 800 ИНВ-1-10-М120Г-2 ГОСТ 15118-79 с поверхностью 130 кв.м. диаметр кожуха 800 мм труб 20х2 длина труб - 3м количество трубок 690 двухходовой
12. Расчет холодильника кубового остатка
Температура кубового остатка начальная и конечная
Выбираем конденсатор 800 ХНГ-10-М120Г-2-3 ГОСТ 15121-79 с поверхностью 130 кв.м. диаметр кожуха 800 мм труб 20х2 длина труб - 3м количество трубок 690 двухходовой
Свойства воды при средней температуре
Средняя тмпература кубового остатка
Расход воды на охлаждение
Скорость воды в межтрубном пространстве
Критерий Рейнольдса
Коэффициент угла атаки
Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к воде
Коэффициент теплопроводности материала труб
Толщина стенки труба
Термическое сопротивление стенки трубы и загрязнений
Примем разность температур внешней стенки и воды
Температура стенки со стороны межтрубного пространства
Тепловой поток через поверхность
Температура стенки со стороны трубного пространства
Средняя плотность смеси в трубах при температуре
Коэффициенты динамической вязкости компонентов
Удельная теплоемкость смеси
Теплопроводность компонентов
Теплопроводность смеси
Скорость смеси в трубном пространстве
Коэффициент теплоотдачи от дистиллята к стенке
Коэффициент теплопередачи
Следовательно имеем запас
Таким образом теплообменник подобран верно
В курсовом проекте на основании технического задания на проектирование произведен технологический расчет ректификационной установки разделения смеси «метиловый спирт – изопропиловый спирт» под атмосферным давлением который включает:
Расчет материального баланса ректификации
Гидравлический расчет тарелок
Расчет числа тарелок внутреннего диаметра и высоты колонны
Тепловой расчет установки в целом
Расчет холодильника кубового остатка
Ориентировочные инженерные расчеты парового испарителя кубового остатка дефлегматора конденсатора холодильников конечных продуктов подогревателя исходной смеси.
Подбор типовой аппаратуры
Графическая часть проекта включает в себя чертеж технологической схемы установки на формате А1 и чертеж общего вида холодильника кубового остатка на формате А1.
Все инженерные расчеты выполнены с использованием программного пакета MathCAD 14.
Плановский А.Н. Рамм В.М. Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. изд-е пятое стереотипное – М.: Химия 1987. – 576 с. ил.
Павлов К.Ф. Романков П.Г. Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов Под ред.чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. -10-е изд. перераб. и доп. – Л.: Химия 1987. – 576 с. ил.
Яблонский П.А. Озерова Н.В. Проектирование тепло- и массообменной аппаратуры химической промышленности: Учебное пособие II-е изд. перераб. и доп. С-Пб. Технолог. ин-т. СПб. 1993. – 92 с. – JSBN 5-230-096II-X
Волжинский А.И. Флисюк О.М. Ректификация: Справочные данные по физико-химическим величинам: - Метод. указания. – СПб. СПбГТИ(ТУ) 2002. – 10с.
Волжинский А.И. Флисюк О.М. Определение средних физических величин потоков пара и жидкости: - Метод. указания. – СПб. СПбГТИ(ТУ) 2002. – 10с
Волжинский А.И. Флисюк О.М. Ректификация: Справочные данные по физико-химическим величинам: - Метод. указания. – СПб. СПбГТИ(ТУ) 2002. – 19с
Волжинский А.И. Флисюк О.М. Ректификация: Материальный и тепловой балансы: - Метод. указания. – СПб. СПбГТИ(ТУ) 2002. – 27с
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию Под ред. Ю.И.Дытнерского 2-е изд. перераб. и дополн. - М.: «Химия» 1991. – 496с.

рект.3316.dwg

Техническая характеристика
а) межтрубное пространство - вода
б) трубное пространство - смесь "метанол-изопропанол"
а) трубное пространство - 0
б) межтрубное пространство - 0
Поверхность теплообмена - 130м2
Технические требования
Аппарат подлежит действию "Правил Госгортехнадзора РФ
При изготовлении испытании и поставке аппарата должны
а) ГОСТ 12.2.003-74 "Оборудование производственное.
б) ОСТ 26-291-79 "Сосуды и аппараты стальные сварные.
Материал деталей аппарата соприкасающихся с агрессивной средой -
Аппарат испытать на прочность и плотность гидравлически
а) межтрубное пространство - 0
б) трубное пространство - 0
Сварные соединения должны соответствовать требованиям
Материал прокладок - паронит ПОН-1 ГОСТ 481-80
выполняться требования:
Общие требования безопасности";
Технические требования".
остальных - Ст3сп5 ГОСТ 380-90
в горизонтальном положении давлением:
ОСТ 26-01-82-77 "Сварка в химическом машиностроении".
Выход кубового остатка
Вход кубового остатка
Распределительная камера
Наименование и марка материала
Крышка эллиптическая
Холодильник кубового остатка
Установка разделения смеси
Технологическая схема
Условное обозначение
Вода оборотная (подача)
Вода оборотная (возврат)
Подогреватель исходной смеси
Колонна ректификационная
Дефлегматор-конденсатор

ректификация 3316-испр..doc

Процессы тепло- и массообмена
Установка ректификационная
для разделения смеси
метиловый спирт – изопропиловый спирт
(Пояснительная записка)
Задание по курсовому проектированию
Технологическая схема
Расчет ректификационной установки
1 Равновесие системы «метиловый спирт – изопропиловый спирт»
2 Материальный баланс установки
3 Уравнение рабочей линии колонны
4 Определение скорости пара и диаметра колонны
5 Гидравлический расчет тарелок
6 Определение числа тарелок и высоты колонны
7 Тепловой расчет установки
8 Расчет парового подогревателя исходной смеси
9 Расчет дефлегматора-конденсатора
10 Расчет холодильника дистиллята
11 Расчет парового испарителя куба
12 Расчет холодильника кубового остатка
Список использованных источников
Ректификация – широко используемый в промышленности массообменный процесс разделения гомогенных смесей основанный на различной летучести компонентов.
В зависимости от свойств разделяемой смеси и требований к чистоте продуктов разделения процесс ректификации осуществляется при различных технологических условиях.
Разделение умеренно летучих веществ ведут при атмосферном давлении ввиду простоты эксплуатации оборудования и легкости обеспечения герметичности. В качестве теплоносителей при этом используют водяной пар воду и воздух.
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. 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 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) 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.
Принципиальная схема ректификационной установки
Рис.1. Схема ректификационной установки
– емкость для исходной смеси; 2 9 – насосы; 3 – теплообменник-подогреватель; 4 – кипятильник; 5 – ректификационная колонна; 6 – дефлегматор; 7- холодильник дистиллята; 8- емкость для сбора дистиллята; 10 – холодильник кубовой жидкости; 11 – емкость для кубовой жидкости.
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 смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).
ЗАДАНИЕ ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ
Спроектировать ректификационную установку для разделения смеси «метиловый спирт – изопропиловый спирт» под атмосферным давлением.
Сделать подробный расчет ректификационной колонны и холодильника кубового остатка.
Куб-испаритель паровой подогреватель исходной смеси дефлегматор-конденсатор и холодильник дистиллята рассчитать приближенно используя коэффициенты теплопередачи.
Выбрать стандартные аппараты.
Сделать чертеж общего вида холодильника кубового остатка.
и эскиз технологической схемы установки.
Исходные данные для расчета
Колонна с ситчатыми тарелками.
Производительность установки по исходной смеси 52 кгс.
Концентрация легколетучего компонента в исходной смеси 52% мол.
Концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке 9% мол.
Концентрация легколетучего компонента в дистилляте 90% мол.
Температура исходной смеси 20ºС.
Температура охлаждающей воды от 15ºС до 25 ºС.
Готовые продукты охлаждаются до 25ºС.
Давление греющего пара 1.5 атм (изб.)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА
Схема ректификационной установки для разделения смеси «метиловый спирт – изопропиловый спирт» исполнена в виде чертежа формата А1 (см. графическую часть проекта).
Исходная смесь из емкости Е-1 подается насосом Н-11(или Н-12) в паровой подогреватель питания Т-1 где нагревается до температуры кипения и затем подается на питательную тарелку ректификационной колонны КР-1. В ректификационной колонне на контактных тарелках осуществляется взаимодействие паровой и жидкой фаз. Стекающая по тарелкам жидкость насыщается труднолетучим компонентом и поступает в куб колонны. Для парового орошения колонны часть жидкости из куба насосом Н-31(Н-32) подается в кипятильник Т-2 испаряется в нем и в парообразном состоянии поступает под нижнюю тарелку. Кубовый остаток из куба колонны при температуре подается в холодильник X-1 в котором охлаждается водой до температуры 20ºС и поступает в сборник кубового остатка Е-3. Паровая смесь через штуцер в верхнем днище колонны поступает в межтрубное пространство конденсатора дистиллята Х-2 где конденсируется под действием охлаждающей воды подаваемой в трубы и через конденсатоотводчик КО направляется в сборник дистиллята Е-2. Часть дистиллята подается насосом Н-21(Н-22) в качестве флегмового орошения на верхнюю тарелку колонны КР-1.
РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
1.Равновесие системы «метиловый спирт – изопропиловый спирт»
В таблице 1 представлены равновесные концентрации по жидкости и пару системы «метиловый спирт - изопропиловый спирт»
2. Материальный баланс установки
Уравнения материального баланса
Массовые концентрации дистиллята кубового остатка и питания
Производительность по дистилляту
Производительность по кубовому остатку
3. Уравнение рабочей линии колонны
Относительный мольный расход питания
Построение диаграммы Y-х
Рис.2 Равновесная кривая бинарной смеси метиловый спирт-изопропиловый спирт
Мольная доля метилового спирта в паре равновесном с жидкостью питания определенная по диаграмме Y-х (см. рис.2)
Кривая равновесия точек перегиба не имеет. Определяем минимальное число флегмы по уравнению:
Рабочее число флегмы
Уравнения рабочих линий:
а) Укрепляющей части колонны
б) Исчерпывающей части колонны
Обобщенное уравнение для всей колонны
Рис.3 Рабочие линии процесса ректификации
4. Определение скорости пара и диаметра колонны
Средние концентрации жидкости:
а) в верхней части колонны:
б) в нижней части колонны:
Средние концентрации пара нахдим по уравнениям рабочих линий:
Для определения температур строим графики зависимости x-t и y-t (рис.4)
Рис.4 Диаграммы xy-t
Определяем средние температуры пара по графику
Средние мольные массы и плотности пара:
Средняя плотность пара в колонне:
Определяем средние температуры жидкости по графику
Плотность компонентов определяем по справочным таблицам для средних температур
Плотность жидкости для средних температур вверху и внизу колонны
Принимаем расстояние между тарелками h=600 мм
Для ситчатых тарелок
Скорость пара в колонне
Мольная масса дистиллята
Массовые расходы пара в верхней и нижней части колонны
Объемные расходы пара в верхней и нижней части колонны
Диаметры верхней и нижней части колонны
Разность между диаметрами верхней и нижней части колонны
Следовательно для верхней и нижней части колонны выбираем один диаметр
Уточним скорость пара в верхней и нижней части колонны
5. Гидравлический расчет тарелок
Для ситчатых тарелок по ОСТ 26-01-108-85 исполнение 3 диаметром 3.2 м
Свободное сечение колонны
Относительное сечение перелива
Средняя мольная масса жидкости вверху и внизу колонны
Мольная масса жидкости питания
Объемный расход жидкости вверху и внизу колонны
Линейная плотность орошения
Поверхностное натяжение компонентов при температурах верха и низа колонны
Поверхностное натяжение смеси метилового и изопрпилового спиртов при температурах верха и низа колонны
Вспомогательный коэффициент для определения максимальной скорости
Максимальная скорость пара в рабочем сечении тарелки
Скорость пара в рабочем сечении тарелки равна:
не превышает максимальную
Коэффициент динамической вязкости компонентов при средних температурах верха и низа колонны
Коэффициент динамической вязкости (среднемольный) исходной смеси
Высота сливной перегородки
Высота запаса жидкости на тарелке
Газосодержание барботажного слоя
Высота парожидкостного слоя для верхней и нижней тарелки
Высота сепарационного пространства
Коэффициент сопротивления отверстия
Минимальная допустимая скорость пара в отверстиях тарелки
Максимальное относительное свободное сечение для ситчатой тарелки
Расчитанным значениям удовлетворяют ситчатые тарелки по ОСТ 26-01-108-85 исполнение 3 диаметром 36 м
Шаг размещения отверстий
Расстояние между тарелками
Относительное свободное сечение
Площадь прохода паров
Скорость пара в отверстиях тарелки
Длина пути жидкости на тарелке
Гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны
Сопротивление тарелки обусловленное силами поверхностного натяжения
Сопротивление парожидкостного слоя на нижней и верхней тарелке
Общее гидравлическое сопротивление тарелки верхней и нижней части колонны
Необходимое для нормальной работы тарелок расстояние расчитаем для нижней тарелки т.к. на ней сопротивление больше
Полученное значение не превышает выбранного h=600 мм т.е. условие нормальной работы тарелки выполняется
Минимальная скорость пара в отверстиях тарелки необходимая для нормальной работы тарелки
Таким образом тарелки будут работать всеми отверстиями
6. Определение числа тарелок и высоты колонны
Средняя температура верхней и нижней частей колонны
Давление насыщенных паров компонентов при средних температурах в верхней и нижней части колонны
Коэффициент относительной летучести паров
Атомные объемы углерода водорода кислорода
Мольный объем метанола
Мольный объем изопропанола
Коэффициенты динамической и кинематической вязкости компонентов при
Коэффициенты динамической вязкости (среднемольный) исходной смеси при
Коэффициенты диффузии исходной смеси
Коэффициенты диффузии
Коэффициенты динамической вязкостипара вверху и внизу колонны
Диффузионный критерий Прандтля
Газосодержание парожидкостного слоя
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе
Коэффициент массоотдачи в паровой фазе
Мольные расходы жидкости и пара
Тангенс угла наклона равновесной кривой
Тангенс угла наклона рабочей линии
Общее число единиц переноса
Локальная эффективность
Уравнение кинетической кривой
Рис. 5. Кинетическая кривая
Число тарелок в верхней части
Число тарелок в нижней части
Включая тарелку питания
Общая высота колонны
Общее гидравлическое сопротивление тарелок
7. Тепловой расчет установки
Удельные теплоты конденсации паров компонентов при
Удельные теплоты конденсации дистиллята при
Расход теплоты отводимой в дефлегматоре конденсаторе
Удельные теплоемкости компонентов при
Удельные теплоемкости питания дистиллята кубового остатка исходной смеси и конечного продукта
Полезно затрачиваемая теплота
Примем тепловые потери равными 3% от полезно затрачиваемой теплоты
Расход теплоты получаемой в кубе-испариетеле от греющего пара
Расход теплоты отдаваемых исходной смеси в холодильнике кубового остатка
Расход теплоты на подогрев исходной смеси до температуры кипения
Примем тепловые потери в паровом подогревателе равными 5% от полезно затрачиваемой теплоты
Расход теплоты на подогрев исходной смеси
Расход теплоты отдаваемой в водяном холодильнике диситллята
Удельная теплота конденсации насыщенного водяного пара при Рп=1.5 атм
Температура пара 126.3
Расход греющего пара в подогревателе исходной смеси при влажности пара 5%
Расход греющего пара в кубе-испарителе при влажности пара 5%
Общий расход пара в установке
Расход охлаждающей воды при нагреве ее на
а) в водяном холодильнике кубового
Общий расход охлаждающей воды на установке
8. Расчет парового подогревателя исходной смеси
Температура исходной смеси начальная (после подогрева в холодильнике дистиллята) и конечная
Удельная теплота конденсации насыщенного водяного пара при Рп=1.5 атм
Средняя разность температур
Коэффициент теплопередачи при конденсации водяного пара на пучке труб со смесью
Требуемая поверхность теплообмена
Выбираем конденсатор 325 ККВ-19-М120Г-1-3 ГОСТ 15121-79 с поверхностью 19 кв.м. диаметр кожуха 325 мм труб 20х2 длина труб - 3м количество трубок 100 одноходовой
9. Расчет дефлегматора-конденсатора
Теплота выделяемая при конденсации паров дистиллята
Коэффицент теплопередачи при конденсации паров на пучке труб с охлаждающей водой
Требуемая поверхность теплообмена
Выбираем конденсатор 1000 ККГ-10-М120Г-3 ГОСТ 15121-79 с поверхностью 286 кв.м. диаметр кожуха 1000 мм труб 20х2 длина труб - 4м количество трубок 1138 двухходовой
10. Расчет холодильника дистиллята
Температура кубового остатка и воды начальная и конечная
Теплота. выделяемая при охлаждении кубового отстака
Коэффициент теплопередачи при трубах с охлаждающей водой в межтрубном пространстве
Выбираем теплообменник 400 ХНГ-10-М125Г-2-3 ГОСТ 15121-79 с поверхностью 47 кв.м. диаметр кожуха 400 мм труб 25х2 длина труб - 6м количество трубок 100 двухходовой
11. Расчет парового испарителя куба
Температура водяного пара и кубового остатка
Выбираем теплообменник 800 ИНВ-1-10-М120Г-2 ГОСТ 15118-79 с поверхностью 130 кв.м. диаметр кожуха 800 мм труб 20х2 длина труб - 3м количество трубок 690 двухходовой
12. Расчет холодильника кубового остатка
Температура кубового остатка начальная и конечная
Выбираем конденсатор 800 ХНГ-10-М120Г-2-3 ГОСТ 15121-79 с поверхностью 130 кв.м. диаметр кожуха 800 мм труб 20х2 длина труб - 3м количество трубок 690 двухходовой
Свойства воды при средней температуре
Средняя температура кубового остатка
Расход воды на охлаждение
Скорость воды в межтрубном пространстве
Критерий Рейнольдса
Коэффициент угла атаки
Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к воде
Коэффициент теплопроводности материала труб
Толщина стенки труба
Термическое сопротивление стенки трубы и загрязнений
Примем разность температур внешней стенки и воды
Температура стенки со стороны межтрубного пространства
Тепловой поток через поверхность
Температура стенки со стороны трубного пространства
Средняя плотность смеси в трубах при температуре
Коэффициенты динамической вязкости компонентов
Удельная теплоемкость смеси
Теплопроводность компонентов
Теплопроводность смеси
Скорость смеси в трубном пространстве
Коэффициент теплоотдачи от дистиллята к стенке
Коэффициент теплопередачи
Следовательно имеем запас
Таким образом теплообменник подобран верно
В курсовом проекте на основании технического задания на проектирование произведен технологический расчет ректификационной установки разделения смеси «метиловый спирт – изопропиловый спирт» под атмосферным давлением который включает:
Расчет материального баланса ректификации
Гидравлический расчет тарелок
Расчет числа тарелок внутреннего диаметра и высоты колонны
Тепловой расчет установки в целом
Расчет холодильника кубового остатка
Ориентировочные инженерные расчеты парового испарителя кубового остатка дефлегматора конденсатора холодильников конечных продуктов подогревателя исходной смеси.
Подбор типовой аппаратуры
Графическая часть проекта включает в себя чертеж технологической схемы установки на формате А1 и чертеж общего вида холодильника кубового остатка на формате А1.
Все инженерные расчеты выполнены с использованием программного пакета MathCAD 14.
Плановский А.Н. Рамм В.М. Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. изд-е пятое стереотипное – М.: Химия 1987. – 576 с. ил.
Павлов К.Ф. Романков П.Г. Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов Под ред.чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. -10-е изд. перераб. и доп. – Л.: Химия 1987. – 576 с. ил.
Яблонский П.А. Озерова Н.В. Проектирование тепло- и массообменной аппаратуры химической промышленности: Учебное пособие II-е изд. перераб. и доп. С-Пб. Технолог. ин-т. СПб. 1993. – 92 с. – JSBN 5-230-096II-X
Волжинский А.И. Флисюк О.М. Ректификация: Справочные данные по физико-химическим величинам: - Метод. указания. – СПб. СПбГТИ(ТУ) 2002. – 10с.
Волжинский А.И. Флисюк О.М. Определение средних физических величин потоков пара и жидкости: - Метод. указания. – СПб. СПбГТИ(ТУ) 2002. – 10с
Волжинский А.И. Флисюк О.М. Ректификация: Справочные данные по физико-химическим величинам: - Метод. указания. – СПб. СПбГТИ(ТУ) 2002. – 19с
Волжинский А.И. Флисюк О.М. Ректификация: Материальный и тепловой балансы: - Метод. указания. – СПб. СПбГТИ(ТУ) 2002. – 27с
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию Под ред. Ю.И.Дытнерского 2-е изд. перераб. и дополн. - М.: «Химия» 1991. – 496с.