Колонные аппараты

метки: Колонный, Аппарат, Оборудование, Тарелка, Жидкость, Формула, Получить, Определимый

В химической технологии для разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, широко используются процессы перегонки.

Перегонка основана на различии 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. Неиспарившаяся часть жидкости носит название кубовой жидкости (кубового остатка) и содержит больше высококипящего 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.

Темой настоящего курсового проекта является проектирование тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной смеси ацетона и воды.

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.

Конечными продуктами разделения являются дистиллят (конденсированные пары легкокипящего компонента) и кубовый остаток (высококипящий компонент).

Общие сведения о перегонке и ректификации

... разделения смесей. Перегонка с ректификацией - наиболее распространенный в химической и нефтегазовой технологии массообменный процесс, осуществляемый в аппаратах - ректификационных колоннах - путем многократного противоточного контактирования паров и жидкости. ... В тарельчатых колоннах контакт между Ж и П (Г) фазами осуществляется на поверхности специальных контактных устройств - тарелок, а в ...

Принципиальная схема установки приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 — Принципиальная схема ректификационной установки. 1 — емкость для исходной смеси; 2,9,12 — 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.

Работа установки осуществляется следующим образом.

Исходную смесь (70% ацетона и 30% воды) поступает в емкость сырья 1, откуда центробежным насосом 2 подается в подогреватель 3, где она подогревается до температуры 61С. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на 11-ю тарелку питания, колонна снабжена ситчатыми тарелками (11 тарелок в нижней части и 9 тарелок в верхней части).

Пары дистиллята из верха колонны поступают в дефлегматор 6, орошаемый водой, конденсируются и поступают в распределитель поз. Р. Из распределителя часть дистиллята в виде флегмы возвращается в колонну, другая часть проходит холодильник 7 и собирается в емкость 8, откуда по мере необходимости откачивается насосом 12 на склад готовой продукции. Кубовая жидкость из куба колонны 5 поступает в холодильник 10, орошаемый водой, откуда сбрасывается в промышленную канализацию для дальнейшей утилизации или обезвреживания. Нижняя часть колонны 5 снабжена выносным кипятильником 4, обогреваемым паром. Температурный режим в колонне (верх: 58С; низ: 98С) регулируется с помощью регулирующих клапанов, установленных на линии подачи флегмы вверху колонны и на линии подачи пара в кипятильнике 4 внизу колонны.

Также регулируется уровень жидкости в кубе колонны с помощью регулирующего клапана, установленного на линии слива кубовой жидкости, уходящей из куба. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легкокипящего компонента) и кубовый остаток (обогащенный высококипящим компонентом).

2. Конструкция колонны и выбор конструкционного материала

2.1 Описание конструкции колонны и обоснование ее выбора

Основными показателями при выборе типа тарелки являются её эффективность (или число единиц переноса на тарелку), производительность (нагрузка по газу), пределы работы (отношение максимальной нагрузки по газу к минимальной) и гидравлическое сопротивление. Кроме того, учитываются и другие факторы: величину брызгоуноса и необходимое расстояние между тарелками, расход металла и стоимость тарелки, простоту изготовления, возможность отвода тепла, коррозионную стойкость, легкость осмотра, чистки и ремонта и т.д. Рассмотрев сравнительные характеристики различных типов тарелок (по рекомендации 11, табл. V-5), выбираем ситчатую тарелку ТС. Ситчатые тарелки работают устойчиво в большом диапазоне нагрузок, имеют малое гидравлическое сопротивление, малый унос брызг, малый запас жидкости, малое расстояние между тарелками, имеют большую эффективность, небольшие капитальные затраты, малый расход металла, легкость монтажа, возможность отвода тепла, возможность использования в агрессивных средах. По всем характеристикам, перечисленным в табл. V-5 стоят оценки «3» — вполне пригодна и «4» — хорошо пригодна.

Расчет ректификационной колонны для разделения бинарной смеси бензол-толуол

... и расчет процесса разделения исходной смеси в ректификационной колонне и получить достаточно ... кг/кмоль?204 Найдем энтальпии бензола h Б, HБ и толуола hТ, HТ при ... колонны, могущих иметь самую различную конструкцию, осуществляется интенсивное взаимодействие между восходящим паровым и нисходящим жидким потоками. В предельном случае работы тарелки энергообмен между соприкасающимися парами и жидкостью ...

Конструкция колонны приведена на рисунке 2.1 и чертеже общего вида.

Колонные аппараты, работающие при атмосферном давлении и давлении до 1,6 МПа, изготовляется в царговом исполнении корпуса.

Аппарат состоит из шести царг (1), соединенных с кубовой частью (2) и верхней съемной эллиптической крышкой (3) с уплотнительной поверхностью — выступ-впадина. Корпус колонны устанавливается на цилиндрическую вертикальную опору (4).

Внутри аппарата на опорных рамах монтируются ситчатые тарелки типа ТС (5): 11 штук в исчерпывающей части и 9 штук в укрепляющей части.

Для подачи и отвода соответствующих технологических потоков колонна снабжена штуцерами. Кроме этого на колонне имеются штуцера под контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации.

Рисунок 2.1 — Конструкция колонны

2.2 Выбор конструкционного материала

При выборе конструкционного материала учитываются следующие факторы: рабочее давление в аппарате, температура среды и ее коррозионная активность. В данном случае скорость коррозии является главным фактором выбора материала, т.к. колонна работает под атмосферным давлением при сравнительно невысокой температуре. Также при выборе материала следует избегать дорогих и дефицитных материалов и при этом учитывать такие его свойства, как плотность, теплопроводность, пластичность и свариваемость.

Согласно /11/, в среде ацетона и воды хорошо работают стали марок: 08Х13, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, Вст3сп5, 0Х21Н5Т, 0Х21Н6М2Т, 0Х17Н13М2Т

Сравнивая вышеперечисленные материалы с учетом их применяемости в химической промышленности и стоимости, принимаем в качестве основного материала элементов колонны (корпус, внутренние устройства, штуцера и люки) легированную сталь Вст3сп5 ГОСТ 1256 — 84. Скорость коррозии стали в рабочей среде менее 1 мм/год .

Для изготовления прочих стальных элементов колонны, используем:

• Опора — углеродистая сталь Вст3сп5 ГОСТ 380 — 88;
• Крепежные изделия — сталь 08Х13 ГОСТ 1256 — 84;
• Прокладки — паронит ПМБ ГОСТ 481 — 80.

  3.

Технологический расчет колонны

3.1 Цель расчета

Целью технологического расчета колонны ректификации является составление материального баланса, расчет диаметра колонны, числа тарелок и высоты аппарата, гидравлический и тепловой расчет колонны.

3.2 Исходные данные

Исходная смесь: ацетон (А) — вода(В).

Производительность по исходной смеси G _F = 0,83 кг/с

Содержание легколетучего компонента А (% масс.)

в исходной смеси 35% масс.

в дистилляте 98% масс.

в кубовом остатке 5% масс.

Давление греющего пара Р _гп = 0,25 МПа

Температура исходной смеси, поступающей на установку t _F = 20C

Начальная температура охлаждающей воды t _вн = 20C

Давление в колонне атмосферное

Расчет ведем согласно /1,2/.

3.3 Материальный баланс колонны

Производительность колонны по дистилляту и кубовому остатку определим из уравнений материального баланса:

Откуда находим:

Относительный мольный расход питания:

• Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение R _опт можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки R_опт используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) = . Здесь R_min — минимальное флегмовое число:

где — мольная доля компонента А в паре, равновесном с жидкостью питания, определяем по диаграмме ,

x _F и x_P — мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте,

Обычно коэффициент избытка флегмы, при котором достигается оптимальное флегмовое число, не превышает 1,3. Один из возможных приближенных методов расчета R заключается в нахождении такого флегмового числа, которому соответствует минимальное произведение N (R + 1), пропорциональное объему колонны (N — число теоретических тарелок, определяющее высоту колонны, а R + 1 — расход паров и, следовательно, сечение колонны).

Определим R по этой рекомендации. Пересчитаем составы фаз из массовых долей в мольные по формуле:

Где М _А и М_В — молекулярные массы ацетона и воды, кг/кмоль

Аналогично найдем x _d и x_W :

По данным /3/ строим и диаграммы, представленные соответственно на рисунках 3.1 и 3.2.

Таблица 1. Равновесные составы жидкости (x) и пара (y) в мольных% и температура кипения (t) в°C двойных смесей при 760 мм. рт. ст.

По данным, приведённым в таблице, строим диаграмму равновесия пар — жидкость (диаграмма y — x).

t	П	х	у
56,9	760	1	1
57,5	760	0,9	0,943
58,2	760	0,8	0,904
59	760	0,7	0,882
59,8	760	0,6	0,869
60,7	760	0,5	0,855
61,6	760	0,4	0,842
62,6	760	0,3	0,827
64,5	760	0,2	0,803
69,6	760	0,1	0,72
77,9	760	0,05	0,603
100	760	0	0

Рисунок 1 Диаграмма x-y для смеси ацетон — вода

Тогда минимальное флегмовое число равно:

Рабочее флегмовое число:

; (7)

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы в, определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме состав пара y-состав жидкости x (рис. 3.3) находим N. Результаты расчетов рабочего флегмового числа приведены ниже:

Коэффициент избытка флегмы, в	Флегмовое число, R	Число теоретических тарелок, N
1,05	0,105	6,0	6,6
1,35	0,135	5,0	5,7
1,75	0,175	4,5	5,3
2,35	0,235	4,0	4,9
3,30	0,330	3,5	4,6
6,25	0,625	3,0	4,9

Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R=0,492. При этом коэффициент избытка флегмы в = . На рис. 3.1 изображены рабочие линии частей колонны в соответствии с найденным значением R.

По диаграмме для смеси ацетон-вода имеем:

• температура в кубе колонны t _W = 96C

• температура дистиллята t _p = 58C

• температура кипения исходной смеси t _F = 61C

Уравнения рабочих линий:

• верхней (укрепляющей) части колонны
• нижней (исчерпывающей) части колонны

где f = F/R — количество питания, приходящегося на 1 кмоль дистиллята.

Относительный мольный расход питания:

3.4 Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют из соотношений:

Где М _D и М_F — мольные массы дистиллята исходной смеси;

М _в и М_н — средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента — ацетона. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

Где М _А и М_В — мольные массы ацетона и воды;

х _ср.в. и х_ср.н. — средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны

• в верхней части колонны
• в нижней части колонны

Тогда

Мольная масса исходной смеси:

Подставив рассчитанные величины в уравнения получим:

Средние массовые потоки пара в верхней G _в и нижней G_н частях колонны соответственно равны:

• где — мольная масса дистиллята, кг/кмоль;
• средние мольные массы паров соответственно в верхней и нижней частях колонны, кг/кмоль.

где

Тогда

Подставив численные значения в уравнения получим:

Найдем плотности жидкости _х.в. , _х.н. и пара _у.в. , _у.н в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них t_в и t_н . Средние температуры паров определим по диаграмме по средним составам фаз:

t _в = 60С и t_н = 79С

Тогда

После подстановки численных значений получим:

Средняя плотность паров:

Температура в верхней части колонны при х _D = 0,944 равна 60С. Плотность жидких ацетона и воды при 60С: , тогда

Температура в нижней части колонны при x _W = 0,018 равна 79С. Плотность жидких ацетона и воды при 79С: , тогда

Для ситчатых тарелок уравнение для расчета скорости пара имеет вид:

Допустимая скорость в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

Тогда

Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнения расхода:

Как правило, несмотря на разницу в рассчитанных диаметрах укрепляющей и исчерпывающей частей колонны (вследствие различия скоростей и расходов паров), изготовляют колонну единого диаметра, равного большему из рассчитанных. В данном случае скорости _в и _н мало отличаются друг от друга, используем в расчете среднюю скорость паров:

Принимаем средний массовый поток пара в колонне G равным полусумме G _в и G_н :

Диаметр колонны:

Выберем стандартный диаметр обечайки колонны (согласно [1, раздел 5.14]) d = 1,8 м. При этом рабочая скорость пара:

3.3 Расчет высоты насадки

Расчет высоты насадочной колонны ведем согласно [11] через высоту, эквивалентную теоретической тарелке (ВЕТТ).Высота слоя насадки Н _н может быть рассчитана также по уравнению:

• где — высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЕТТ);
• число теоретических тарелок.

Для насадочных ректификационных колонн, работающих в режиме эмульгирования, эквивалентная высота насадки может быть определена из уравнения:

• где — эквивалентный диаметр насадки;,
• критерий Рейнольдса;
• отношение потоков пара и жидкости;
• m — тангенс угла наклона равновесной линии.

Отношение нагрузок по пару и жидкости , кмоль / кмоль равно:

для верхней части колонны

для нижней части колонны

Здесь

Вязкость паров для верхней части колонны

(36)

где и — вязкость паров ацетона и воды при средней температуре верхней части колонны, /5, с. 371/

• средняя концентрация паров:

Подставив, получим:

Аналогичным расчетом для нижней части колонны находим:

Эквивалентная высота насадки в верхней части колонны:

Эквивалентная высота насадки в нижней части колонны:

Значения — для верхней части колонны и — для нижней определены арифметическим усреднением локальных значений в интервалах изменения составов жидкости соответственно от до и от до .

По рис. число ступеней изменения концентрации составляет в верхней части колонны , в нижней части колонны

Высота насадки в верхней и нижней частях колонны равна соответственно:

Общая высота насадки в колонне

С учетом того, что высота слоя насадки в одной секции Z равна 3 м, общее число секций в колонне составляет 7.

Общую высоту ректификационной колонны определяют по уравнению

где Z — высота насадки в одной секции;

n — число секций

• высота промежутков между секциями насадки, в которых устанавливают распределители жидкости;
• соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой.

Значения выбирают в соответствии с рекомендациями /1, c. 130/

Общая высота колонны

Определяем скорость пара, соответствующую нижнему пределу работы тарелки.

Для ситчатых тарелок минимальная скорость _н , при которой начинают работать все отверстия, находится по уравнению

где — коэффициент сопротивления сухой тарелки (принимаем = 1,5)

Тогда

Проверим условие _н ?_раб :

0,38 0,71

Условие выполняется. Следовательно, при диаметре d = 0,8 м и рабочей скорости пара 0,71 м/с возможна устойчивая работа колонны.

По каталогу для колонны диаметром 800 мм выбираем ситчатую однопоточную тарелку ТС со следующими конструктивными размерами /1, стр. 216/:

Диаметр отверстий в тарелке
Шаг между отверстиями
Свободное сечение тарелки
Высота переливного порога
Ширина переливного порога
Рабочее сечение тарелки

Тогда действительная скорость пара в рабочем сечении тарелки составит:

3.5 Определение числа тарелок

Для определения числа тарелок воспользуемся методом кинетической кривой.

Этот метод основан на определении КПД тарелки по Мэрфи и позволяет находить действительное число тарелок.

Построение кинетической кривой ведем согласно /3/.

Коэффициент массопередачи определяется из уравнения аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

• где — коэффициенты массоотдачи соответственно в паровой и жидкой фазах, ; m- коэффициент распределения в уравнении равновесия.

Для расчета коэффициентов массоотдачи в паровой и жидкой фазах воспользуемся эмпирическими зависимостями /1, стр. 239/:

• где — коэффициент диффузии компонента А в паровой фазе, ;
• коэффициент диффузии компонента А в жидкой фазе, ; 0,043 — относительная площадь прохода паров /1, прил.

5.2/ ;

• вязкость паровой фазы, ;
• вязкость жидкой фазы, ;
• плотность орошения, ;
• скорость пара в рабочем сечении тарелки, ;
• газосодержание ;
• высота светлого слоя жидкости на тарелке, м.

Высота светлого слоя жидкости на ситчатой тарелке определяется по формуле:

• где — высота переливной перегородки, м;
• удельный расход жидкости на 1 м ширины сливной перегородки, ;
• ширина сливной перегородки, м;
• поверхностное натяжение соответственно жидкости и воды при средней температуре в колонне /2, табл. 24/; .

Вязкость жидких смесей находим по уравнению:

Где и — вязкости жидких ацетона и воды при температуре смеси /2/.

Тогда вязкость жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

Откуда

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Паросодержание барботажного слоя находят по формуле:

критерий Фруда

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Вязкость паров в верхней части колонны:

• где и — вязкости паров ацетона и воды при средней температуре верхней части колонны, мПас; y _в и y_н — средние концентрации паров в верхней и нижней частях колонны.

Тогда

Рассчитываем коэффициенты молекулярной диффузии в жидкой D _x и паровой D_y фазах.

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре /1, 6.22/:

• где — коэффициент диффузии при ;
• температурный коэффициент.

Коэффициент диффузии в жидкости при можно вычислить по приближенной формуле /1/:

• где — коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя /2, 289/;
• вязкость жидкости при , ;
• , — мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, /2, 288/

Тогда коэффициент диффузии в жидкости при 20С равен:

температурный коэффициент:

где принимают при температуре /2/.

Тогда

Тогда имеем:

• для верхней части
• для нижней части

Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению:

где Т — средняя температура в соответствующей части колонны, К

Р — абсолютное давление в колонне, Па

Тогда для верхней части колонны:

Аналогично для нижней части колонны получим:

Плотность орошения определяется соотношением:

где — массовый расход жидкости, кг/с.

S — рабочее сечение тарелки, м ²

Тогда имеем:

• для верхней части колонны

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе:

• для нижней части колонны

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе:

Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на кмоль/(м ² с):

• для верхней части колонны
• низ колонны

Коэффициенты массоотдачи, рассчитанные по средним значениям скоростей и физических свойств паровой и жидкой фаз, постоянны для верхней и нижней частей 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, необходимо вычислить несколько значений коэффициента массопередачи в интервале изменения состава жидкости от до . В качестве примера приведем расчет коэффициента массопередачи и данных для построения кинетической кривой на примере одной точки с концентрацией .

Коэффициент распределения компонента по фазам (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке)

Коэффициент массопередачи вычисляем по коэффициентам массоотдачи в нижней части колонны:

Общее число единиц переноса на тарелку определим по уравнению:

Локальная эффективность:

Для определения эффективности по Мэрфи необходимо рассчитать также фактор массопередачи , долю байпасирующей жидкости , число ячеек полного перемешивания S и межтарельчатый унос e.

Фактор массопередачи для нижней части колонны:

Долю байпасирующей жидкости для различных конструкций тарелок можно найти в монографии /5, рис. III-20/. Для ситчатых тарелок при факторе скорости

принимают /8/.

Для колонн диаметром более 600 м 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 и определим число ячеек полного перемешивания S как отношение длины пути жидкости на тарелке l _т к длине l.

Определим длину пути жидкости l _т как расстояние между переливными устройствами:

Тогда число ячеек полного перемешивания на тарелке

Относительный унос жидкости е 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 физических свойств потоков на унос, особенно для процессов ректификации.

Для этих процессов унос можно оценить с помощью графических данных, представленных на рис. 6.7 /1, 242/. По этим данным унос на тарелках различных конструкций является функцией комплекса _т / (тН_с ).

Коэффициент т, учитывающий влияние на унос физических свойств жидкости и пара, определяют по уравнению:

Высота сепарационного пространства Н _с равна расстоянию между верхним уровнем барботажного слоя и плоскостью тарелки, расположенной выше:

где — межтарельчатое расстояние, м.

• высота барботажного слоя (пены), м

В соответствии с каталогом /9/ для колонны диаметром 800 мм расстояние . Высота сепарационного пространства в нижней части колонны меньше, чем в верхней, поэтому определим h _п для низа:

Тогда имеем:

Тогда при комплексе унос составит:

Унос жидкости в верхней части колонны и значительно отличается от уноса в нижней части колонны. Подставляя в уравнения 3.35-38 вычисленные значения m, E _y , , S и е определяем КПД по Мэрфи

Зная эффективность по Мэрфи, можно определить концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из тарелки y _к по соотношению:

где — концентрация соответственно легколетучего компонента в паре на входе в тарелку и равновесная с жидкостью на тарелке.

Отсюда:

Аналогичным образом подсчитаны и для других составов жидкости.

Результаты расчета параметров, необходимых для построения кинетической линии сведены в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 — Данные к построению кинетической кривой

Параметр	Верхняя часть	Нижняя часть
	0,006	0,11	0,26	0,41	0,56	0,71	0,86
	5,4	0,55	0,2	0,1	0,16	0,26	0,6
	0,041	0,053	0,054	0,055	0,054	0,043	0,041
	1,344	1,737	1,769	1,803	1,769	1,336	1,274
	0,74	0,824	0,829	0,835	0,829	0,737	0,720
	4,87	1,25	0,96	0,87	0,92	1,02	1,14
	1,64	1,08	1,03	1,02	1,02	0,92	0,92
	0,59	0,96	0,98	0,99	0,98	0,88	0,83
	0,21	0,24	0,24	0,24	0,24	0,12	0,12
	0,04	0,29	0,54	0,76	0,81	0,85	0,89

Взяв отсюда значения , наносят на диаграмму точки, по которым проводят кинетическую линию (рисунок 3.4).

Построением ступеней изменения концентраций между рабочими линиями и кинетической кривой в интервале концентраций от x _p до x_F определяют число действительных тарелок для верхней (укрепляющей) части N_в и в интервале от x_F до x_w — число действительных тарелок для нижней (исчерпывающей) части колонны N_н .

Рис. 3.4 — Кинетическая кривая.

Построение дает следующие результаты:

• укрепляющая часть шт. ;
• исчерпывающая часть шт.
• Общее число тарелок составит .

3.6 Высота колонны

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле:

• где h — расстояние между тарелками, м;
• расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м;

Подставив, получим:

Согласно /1/ в местах установки люков расстояние между тарелками h ₁ = 800 мм. В колонне предусмотрено три люка.

Тогда дополнительная высота между тарелками равна

3 (h ₁ — h) = 3 (0,8 — 0,35) = 1,35 м

С учетом этого, принимаем высоту колонны равной: H _k = 8,75 + 1,35 = 10,1 м

3.7 Гидравлическое сопротивление тарелок колонны

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определяют по формуле:

где — гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны, Па.

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки складывается из трех слагаемых:

• где — гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) тарелки, Па;
• гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя (пены) на тарелке, Па;
• гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, Па.

где ?? — коэффициент сопротивления сухoй тарелки, ??=1,55 /1/.

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелках различно для верхней и нижней частей колонны:

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения равно:

Тогда полное сопротивление одной тарелки верхней и нижней частей колонны равно:

Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны:

3.8 Тепловой расчет установки

Расход тепла, отдаваемого охлаждающей водой в дефлегматоре-конденсаторе:

Где r _D — удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре, Дж / кг

Удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре определяется по формуле:

где r _a = 521,3 кДж/кг — удельная теплота конденсации ацетона при Т = 58С;

r _в = 2361,42 кДж/кг — удельная теплота конденсации воды при Т = 58С

кДж/кг

Расход тепла, получаемого в кубе-испарителе от греющего пара:

где — тепловые потери в окружающую среду.

С учетом потерь в окружающую среду:

Q _k = 1,03(557928,0 + 0,562346,458 + 0,213142,596 — 0,772560,0961) = 594563,2 Вт

Расход тепла в паровом подогревателе исходной смеси:

Расход тепла, отдаваемого охлаждающей воде в водяном холодильнике кубовой жидкостью:

Расход греющего пара давлением (Р _абс = 0,3513 мПа) и влажностью составит:

• в кубе-испарителе

где — удельная теплота конденсации греющего пара /2, табл. LVII/;

• степень сухости греющего пара.
• в подогревателе исходной смеси от до

Общий расход греющего пара составит:

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на составит:

• в дефлегматоре
• в холодильнике кубовой жидкости

Тепловая нагрузка холодильника дистиллята:

3.9 Расчет тепловой изоляции

Температура наружной поверхности изоляции не должна быть выше 40С. Примем температуру окружающего воздуха t _в = 20С и определим суммарный коэффициент теплоотдачи в окружающую среду лучеиспусканием и конвекцией по уравнению:

где — разность температур поверхности аппарата и окружающего воздуха.

Удельный тепловой поток определяется по выражению:

где — температура наружной поверхности изоляции.

Тогда имеем:

Принимая приближенно, что все термическое сопротивление сосредоточено в слое изоляции, можно записать:

Тогда толщина слоя изоляции определяется из выражения:

Откуда толщина слоя изоляции:

• где — коэффициент теплопроводности шлаковой ваты;
• расчетная температура наружной поверхности корпуса колонны.

Согласно /12/ стандартная толщина мата шлаковой ваты равна 50 мм. В соответствии с этим, окончательно принимаем толщину тепловой изоляции .

4. Выбор вспомогательного оборудования

4.1 Цель раздела

Целью раздела является подбор емкостей исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, теплообменной аппаратуры (дефлегматора), диаметра штуцеров, а также насоса для подачи исходной смеси.

4.2 Емкостное оборудование

Номинальный объем емкостного оборудования определяется по формуле:

• где — массовый расход продукта, ;
• время пребывания продукта в емкости, ч;
• плотность продукта, .

Принимая время пребывания продукта в емкостях равным 8 ч, , получим:

• для исходной смеси

Согласно ГОСТ 9617-67 принимаем емкость диаметром D = 1400 мм. Тогда ее высота составит

• для дистиллята

Согласно ГОСТ 9617-67 принимаем емкость диаметром D = 1400 мм. Тогда ее высота составит

4.3 Теплообменная аппаратура

Подбор теплообменной аппаратуры проводится по основному уравнению теплопередачи:

• где — тепловая нагрузка на теплообменный аппарат, Вт;
• ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, /2, табл.

4.8/, — средняя движущая сила процесса теплообмена, С

Согласно п.п. 3.9 тепловая нагрузка на теплообменные аппараты дефлегматора и кипятильника составляет:

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи согласно /2, табл. 4.8/:

Среднюю движущую силу определим исходя из температурных схем движения теплоносителей:

Дефлегматор

кипятильник

подогреватель исходной смеси

118,7

холодильник кубовой жидкости

холодильник дистиллята

;

Подставив полученные значения в уравнение теплопередачи, получим следующие значения необходимых поверхностей теплообмена:

Согласно /2, табл. 4.12/ принимаем следующие теплообменные аппараты:

• дефлегматор
• кипятильник
• подогреватель исходной смеси
• холодильник кубовой жидкости
• холодильник дистиллята

D = 325 мм,

4.4 Насосное оборудование

Подбор насоса для подачи исходной смеси на питающую тарелку из емкости проведем по формуле, согласно /2/:

• где — геометрическая высота подъема исходной смеси до питающей тарелки;
• общие потери напора на трение и местные сопротивления, м.

р ₁ , р₂ — давление соответственно в аппарате, из которого перекачивается жидкость и в аппарате, в который подается жидкость.

В данном случае р ₁ = р₂ , поэтому H = H_г + h_п

Общие потери напора на трение и местные сопротивления определим по формуле:

• где ?? — коэффициент трения;
• собственная длина трубопровода подачи исходной смеси плюс эквивалентная длина местных сопротивлений;
• скоростной напор, м
• внутренний диаметр трубопровода

Скорость жидкости в трубопроводе определяется уравнением расхода:

Тогда потери напора и требуемый напор составят:

Мощность двигателя:

где Q — подача насоса, м ³ /с;

• плотность перекачиваемой жидкости, кг/м ³ ,

H — полный напор, развиваемый насосом, в метрах столба перекачиваемой жидкости;

= 0,4 — общий КПД насосной установки

Подставив соответствующие значения, получим:

Согласно /2, табл. 2.5/ при требуемом напоре и объемном расходе и мощности двигателя N = 1,6 кВт, принимаем насос марки Х 8/18 со следующими характеристиками:

4.5 Расчет диаметров штуцеров

Диаметр штуцера определяется по формуле:

где — расход соответственно жидкости или пара, .

• скорость потока жидкости или пара, кг/м ³

• плотность соответственно жидкости или пара, .

Величина скоростей потоков принимается по рекомендации /1, с.16/.

Результаты расчета сведены в таблицу 5.1.

Таблица 5.1 — Таблица штуцеров

Наименование штуцера	Расход,	Плотность,	Скорость,	Кол-во	Диаметр, м
					расчетный	принятый
Вход питания	0,77	853,7	2,25	1	0,022	0,032
Вход флегмы	0,196	746,0	0,5	1	0,026	0,032
Выход паров	0,756	1,92	30	1	0,129	0,133
Выход кубовой жидкости	0,21	955,5	0,5	1	0,024	0,032
Вход паров из кипятильника	0,39	0,5246	30	1	0,179	0,194

5. Прочностной расчет основных элементов колонны

5.1 Цель расчета

Целью расчета является определение размеров основных элементов аппарата, исходя из условий прочности и устойчивости. Расчет ведется согласно /1, 7/.

5.2 Исходные данные

Диаметр аппарата , м	0,8
Рабочее давление	атмосферное
Расчетная температура (принимается равной максимально допустимой рабочей температуре)	96
Материал аппарата	сталь ВСт3сп
Срок службы аппарата	15
Скорость коррозии, эрозии (не более)	0,133
Допускаемые напряжения ,	134,3

5.3 Днище и обечайка корпуса

Максимальную нагрузку днище колонны испытывает при гидроиспытаниях под наливом водяного столба. Расчетная схема днища:

Толщина стенки эллиптического днища, нагруженного внутренним давлением, находится по формуле:

• где Р — давление при гидростатическом испытании, МПа;
• нормативное допускаемое напряжение, МПа;
• суммарная прибавка к расчетной толщине стенки, м;
• прибавка для компенсации коррозии и эрозии;
• прибавки на компенсацию минусового допуска и технологическая прибавка;
• радиус кривизны в вершине днища;
• коэффициент прочности сварного шва.

Прибавка определяется по формуле:

Давление при гидроиспытаниях определяется по формуле:

где — плотность воды при гидроиспытаниях

• высота столба жидкости при гидроиспытаниях.

Подставляя значения, получим:

Подставляя полученные значения, получим:

С учетом коррозии и запаса прочности принимаем исполнительную толщину стенки днища равной 10 мм ( S = 10 мм).

Толщину стенок обечайки принимаем равную толщине днища.

Проверим условие применимости расчетных формул. Для эллиптических днищ должны выполняться условия:

где Н = 0,25D

Условие выполняется.

Условие 0,2 ? 0,25 ? 0,5 выполняется.

5.4 Выбор опоры

Выбор опоры осуществляется по максимальным и минимальным приведенным нагрузкам.

Максимальная приведенная нагрузка для нижнего сечения опорной обечайки при отсутствии изгибающего момента рассчитывается по формуле /7/:

где — вес аппарата соответственно при рабочих условиях и условиях гидроиспытаний, МН.

Вес аппарата G ₁ при рабочих условиях состоит из веса обечайки G_об , веса тарелок G_т , веса фланцев G_ф , веса жидкости на тарелках G_{ж, т} и веса жидкости в кубе колонны G_{ж, w} .

G ₁ = G_об + G_т + G_ф +G_{ж, т} + G_{ж, w}

где — число тарелок

Где n = 14 — число фланцев царг

где — объем куба колонны

Тогда G ₁ =2016 + 420 + 310 + 1700 + 750 = 5100 кг = 0,051 МН

Вес аппарата при гидравлическом испытании состоит из веса обечайки, веса тарелок, веса люков и веса жидкости.

G ₂ = 2016 + 420 + 1700 + 5074 = 9200 кг = 0,092 МН

G ₁ = 0,051 МН G₂ = 0,092 МН

Подставляя соответствующие значения нагрузок, получим:

Q _max ={0,051; 0,092} = 0,051 МН

Минимальная приведенная нагрузка определяется по формуле /7/:

где — максимальная нагрузка в условиях монтажа.

Принимаем цилиндрическую опору типа 3 /7/ с :

Опора 3 -800 — 25 — 12,5 — 1200 — ОСТ 26 — 467 — 78.

Заключение

В курсовом проекте в соответствие с заданием приведены следующие разделы:

• описание технологической схемы;
• выбор конструкции колонны и конструкционного материала;
• технологический расчет колонны;
• выбор вспомогательного оборудования;
• прочностной расчет элементов колонны.

Таким образом, в проекте всесторонне рассмотрены вопросы выбора и расчета принятой конструкции колонны ректификации для разделения смеси ацетон — вода.

При разработке колонны учтены рекомендации и опыт эксплуатации контактных устройств в колонных аппаратах при разделении различных смесей

Список использованной литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/diplomnaya/kolonnyie-apparatyi/

1. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по курсовому проектированию./ Под ред. Дытнерского Ю.И. — М.: Химия, 1983. — 272 с.;

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. — Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. — Л.: Химия, 1987. — 575 с.;

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1973. — 780 с.

4. Колонные аппараты. Каталог-справочник. — М.: Цинтинефхиммаш, 1966. — 56 с.;