Xreferat.com » Рефераты по промышленности и производству » Расчет ректификационной установки

Расчет ректификационной установки

МИНИСТЕРСТВО ПРОСВЕЩЕНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ


КУРСОВАЯ РАБОТА

по ПАХТ


Студентки 4 курса

группы ТФП

заочного отделения НФаУ

факультета промышленной фармации

Кайда Юлия Владимировна


Харьков 2008

Исходные данные


Разделяемая смесь: толуол - хлорбензол.

М (С6Н5СН3) = 12∙6 +5 + 12 +3 = 92 г/моль (легколетучий);

М (С6Н5Cl) = 12∙6 + 5 + 35∙5 = 112,5 г/моль (труднолетучий).

Производительность: 5500 т/ч.

Расчет ректификационной установки

Давление греющего пара в кубе 3 ат.

Давление в колоне 400 мм рт. ст.

Тип колонны: колпачковая.

Расчет ректификационной установки= 30°С.


1. Цель и задачи расчёта


Целью расчёта ректификационной установки непрерывного действия является определение основных размеров оборудования, входящего в технологическую схему установки, размеров внутренних устройств ректификационного аппарата, мат. потоков и затрат тепла. При этом следует помнить, что ректификация представляет собой процесс разделения жидких смесей на компоненты, при котором происходит переход вещества из жидкой фазы в паровую и наоборот. В большинстве случаев ректификация осуществляется в противоточных колоннах с контактными элементами.

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рисунке 1. Исходная смесь из промежуточной ёмкости 1 центробежным насосом 2 подаётся в теплообменник 3, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колону 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси Хƒ.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, который образуется при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка Хw, т.е. обеднён легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкости (флегмиат) состава Хр, которая получается в дефлегматоре 6 путём конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выходит из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллятора, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную ёмкость 8. Из кубовой части колонны насосом 11 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащённый труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 9 и направляется в ёмкость 10.

Таким образом, в ректификационной колонне происходит непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовый остаток, обогащённый труднолетучим компонентом.

При выполнении курсового проекта необходимо провести:

материальный, гидравлический, тепловой расчёты ректификационной колонны;

материальный и тепловой расчёты дефлегматора, подогревателя исходной смеси и холодильников для охлаждения готовых продуктов разделения;

выбор питающего насоса по расходуемой энергии конденсатоотводчика;

определить размеры ёмкостей для исходной смеси дистиллята и кубовой жидкости.

2. Исходные данные к расчёту


Исходная смесь подаётся в колонну на питающую тарелку при температуре кипения на ней.


Расчет ректификационной установки

Расчет ректификационной установкиРис.1. Принципиальная схема ректификационной установки непрерывного действия:

1 - ёмкость для исходной смеси;

2, 11 - насосы;

3 - теплообменник-подогреватель;

4 - кипятильник;

5 - ректификационная колонна;

6 - дефлегматор;

7 - холодильник дистиллята;

8 - ёмкость для сбора дистиллята;

9 - холодильник кубовой жидкости;

10 - ёмкость для кубовой жидкости.


3. Расчёт ректификационной колонны


Расчёт ректификационной колонны сводится к определению основных геометрических размеров - диаметра и высоты. Обе эти величины определяются нагрузкой по пару и жидкости, типом контактного устройства, физическими свойствами взаимодействующих фаз.


3.1 Расчёт материальных потоков


Материальные расчёты процесса ректификации в основном выполняются в мольных количествах. Если заданы концентрации летучего компонента в массовых долях или процентах, перевод в мольные доли или проценты осуществляется по зависимостям:


Расчет ректификационной установки

Расчет ректификационной установки


Расчёт средних молекулярных масс дистиллята, исходной смеси и кубового остатка производится по формулам:


Расчет ректификационной установки

или Расчет ректификационной установки,


где

Мср - средняя молекулярная масса потока, кг/моль;

Х - мольная концентрация компонента, моль. доли;

Расчет ректификационной установки- массовая концентрация компонента, масс. доли.


Расчет ректификационной установки


Для расчёта материальных потоков составляем уравнения материального баланса для всего количества смеси (3.1) и летучего компонента (3.7):


Расчет ректификационной установки


где Расчет ректификационной установки- массовый расход дистиллята, исходной смеси, кубового остатка, кг/с.


Расчет ректификационной установки


наименование жидкости средн. молекулярная масса, кг/моль

состав,

моль. масс

расход, кг/с
дистиллят 93,7 0,917 0,9 0,617
исх. жидкость 103,7 0,428 0,38 1,527
кубовый остаток 111,75 0,0366 0,03 0,91

Полученные расходы, концентрации, давления и температуры наносят на технологическую схему.

3.2 Определение флегмогового числа


Пользуясь справочной литературой, выписывают таблицу равновесных составов жидкости и пара. Строят диаграммы t - x,y, и y-x. При отсутствии экспериментальных данных о фазовом равновесии идеальной смеси строят равновесную линию, исходя из давления насыщенных паров компонентов исходной смеси в интервале между температурами кипения легколетучего и труднолетучего компонентов.

ХЛ.К. и YЛ.К. рассчитываются по формулам:


Расчет ректификационной установки Расчет ректификационной установки


Последовательно получаем:


Расчет ректификационной установки

Расчет ректификационной установки

Расчет ректификационной установки

Расчет ректификационной установки

Расчет ректификационной установки

Расчет ректификационной установки


t РЛ.К. РТ.К. Робщ ХЛ.К. YЛ.К.
91 400 160 400 1 1
93 440 180 400 0,846 0,930
95 490 200 400 0,689 0,844
98 520 250 400 0,555 0,721
100 580 290 400 0,379 0,549
103 630 320 400 0,258 0,406
105 650 350 400 0,166 0,269
108 670 380 400 0,068 0,113
110 700 400 400 0 0

Расчет ректификационной установки


На диаграмме Y-X по оси абсцисс откладывают составы жидкой фазы, по оси ординат - паровой. Зависимость между составами жидкой и паровой фазы выражается линией равновесия. Кроме равновесной линии на диаграмму наносят вспомогательную линию - диагональ, уравнение которой y = x.

На диагонали находят точку А с координатами Хр = Yp, а затем проводят вертикаль из точки Хƒ пересечения с равновесной линией в точке В. Линия АВ - теоретическая рабочая линия верхней части колонны при минимальном флегмовом числе Rmin.

Пересечение этой линии с осью ординат даёт точку Вmаx. Минимальное флегмовое число равно


Расчет ректификационной установки


Реальное флегмовое число R больше Rmin, причём отношение Расчет ректификационной установки и называется коэффициентом избытка флегмы и колеблется на практике в довольно широких пределах (от 1,05 до 10) в зависимости от свойств разделяемой смеси, рабочих параметров и экономических факторов.

Поскольку пределы изменения β достаточно широки, необходимо определить флегмовое число и соответствующий коэффициент избытка флегмы. Несмотря на математическую простоту, эта задача очень трудоёмкая, поскольку требует проведения полного технико-экономического расчёта при различных значениях флегмового числа R.

Учитывая, что масса колонны, зависящая от числа ступеней разделения, является определяющей в стоимости процесса ректификации, приближенно Rопт, можно рассчитать следующим образом. По уравнению (3.3) определяют минимальное флегмовое число Rmin. Затем, задав несколько значений коэффициента избытка флегмы в пределах примерно 1,05ё5,0, графически определяют соответствующее им число теоретических ступеней Nt. Для этого, при каждом значении ректификации, между ними и равновесной линией проводят отрезки, параллельные осям координат. Число ступеней, образующихся в результате такого построения в пределах изменения концентраций Хр-Хƒ, будет соответствовать числу теоретических тарелок в верхней части колонны, а число ступеней, образующееся в пределах изменения концентраций Хр-Хw - числу теоретических тарелок в нижней части колонны.

Результаты расчёта подаём в виде таблицы:


β=R/Rmin 1,05 1,1 1,3 1,8 2,5 3,1 3,3 3,8 4,4 5
R 1,99 2,1 2,5 3,4 4,8 5,9 6,3 7,2 8,4 9,5
Nt 26,4 26,4 16,3 13,2 10,2 9,2 9,2 9,05 8,7 8,5
(R+1) Nt 79 82 57 58 59 63 67 74 82 89

Расчет ректификационной установки


Уравнение рабочей линии:


Расчет ректификационной установки


Расчет ректификационной установки


3.3 Расчёт высоты ректификационной колонны


Расчет ректификационной установки


Высота ректификационной колонны определяется числом действительных тарелок или ступеней изменения концентраций. До настоящего времени нет точного и простого теоретического метода расчёта числа тарелок, поэтому надёжные результаты при проектировании могут быть получены опытными методами. Если опытные данные отсутствуют, то высоту колонны можно рассчитать только приближенно. Из существующих методов расчёта числа рабочих тарелок наиболее распространены следующие методы:

метод теоретической тарелки, рекомендуется применять при наличии сведений о средних КПД колонны;

метод кинетической кривой, рекомендуется использовать при наличии данных о КПД тарелок. Этот метод даёт более надёжные результаты определения числа тарелок.

3.3.1 Исходные данные для расчёта размеров колонны

Физические величины по высоте колонны переменны, поэтому для расчёта вычисляют их средние значения. При этом для жидкой смеси определяют:

· средние составы в верхней и нижней частях колонны


Расчет ректификационной установки

Расчет ректификационной установки


· средние температуры жидкостей: tср. в и tср. н для Хср. в и Хср. н по диаграмме t-x,y


Расчет ректификационной установки


Средние плотности жидкостей Расчет ректификационной установки для Хср. в и Расчет ректификационной установки для Хср. н по формуле при условии аддитивности объёмов:


Расчет ректификационной установки.


Таким образом,


Расчет ректификационной установки


Средний объёмный расход жидкости для верхней и нижней части колонны:


Расчет ректификационной установки

Расчет ректификационной установки


Для смеси паров: средние составы пара в верхней части колонны Расчет ректификационной установки и в нижней части Расчет ректификационной установки находят по соответствующим уравнениям рабочих линий по Хср. в и Хср. н.


Расчет ректификационной установки


Средние температуры пара в верхней и нижней части колонны tср. в и в нижней части tср. н находят по диаграмме t-x,y: Расчет ректификационной установки

Средние молекулярные массы Расчет ректификационной установки


Расчет ректификационной установки


Средние плотности пара Расчет ректификационной установки находим по формуле:


Расчет ректификационной установки


где Т0 - температура потока при нормальных условиях,

р - давление потока, Па, р0 - давление потока при нормальных условиях Расчет ректификационной установки


Расчет ректификационной установки


3.3.2 Расчёт диаметра ректификационной колонны

Ориентировочный диаметр ректификационной колонны определяют из уравнения расхода по среднему массовому потоку пара:


Расчет ректификационной установки, либо Расчет ректификационной установки, где


Расчет ректификационной установки- диаметр ректификационной колонны,

Расчет ректификационной установки- расход пара, л/с,

Расчет ректификационной установки- скорость пара, м/с,

V0 - объёмный расход пара, мі/с,

Расчет ректификационной установки - средняя плотность жидкости в колонне.


Расчет ректификационной установки


Скорость движения паров по колонне для колечковых тарелок выбираются по графику Расчет ректификационной установки в зависимости от расстояния между тарелками.


Расчет ректификационной установки


3.3.3 Построение кинетической кривой

Для построения кинетической кривой по диаграмме x-y проводят произвольно вертикальные отрезки между равновесной и рабочими линиями. Эти отрезки делят в отношении, равном коэффициенту обогащения тарелки Сy:


Расчет ректификационной установки


где nоу - число единиц переноса, рассчитываемое по уравнению:


Расчет ректификационной установки


Коэффициент Расчет ректификационной установки, где FТ - рабочая площадь тарелки, FК - площадь сечения колонны.

В среднем φ принимают равным 0,8ё0,9.


V (С6Н5Cl) = 6∙14,8 + 5∙3,7 + 24,6 = 131,9;

V (С6Н5CН3) = 6∙14,8 + 5∙3,7 + 14,8 + 3∙3,7 = 133,2.


По известному значению Сy определяют и откладывают на диаграмме отрезки ВС. Через полученные точки В проводят кинетическую кривую Расчет ректификационной установки. Затем в пределах концентраций Расчет ректификационной установкипроизводят ступенчатое построение ломаной линии. Число ступеней этой линии даёт число тарелок для верхней и нижней частей колонны N.

При выражении движущей силы через жидкую фазу между равновесной и рабочей линиями проводят ряд горизонтальных отрезков, которые делят также в отношении Сy. Дальнейшее построение осуществляется способом, описанным выше.

Для определения Сy необходимо рассчитать коэффициент массопередачи Ку (кмоль/мІс):


Расчет ректификационной установки,


где m - коэффициент распределения, определяющий тангенс угла наклона равновесной линии:


Расчет ректификационной установки


Коэффициент пароотдачи в паровой фазе:


Расчет ректификационной установки


Критерий Рейнольдса вычисляют по формуле


Расчет ректификационной установки,


где Расчет ректификационной установки- вязкость парового потока, Па∙с.

Коэффициент масоотдачи в жидкой фазе


Расчет ректификационной установки.


Критерий Прандтля:


Расчет ректификационной установки


Расчет ректификационной установки


Расчет ректификационной установки


Далее,


Расчет ректификационной установки


Расчёт А:


Расчет ректификационной установки

Расчет ректификационной установки


Z действительных тарелок = 28.


Х-Х* Y-Y* m Ку nоу Су

Расчет ректификационной установки

0,917-0,85 0,96-0,93 0,447 0,02898 0,931 2,53 1,58
0,85-0,75 0,93-0,88 0,5 0,02898 0,931 2,53 2,57
0,75-0,6 0,88-0,765 0,76 0,02898 0,931 2,53 3,35
0,6-0,5 0,765-0,665 1 0,02898 0,931 2,53 3,16
0,5-0,35 0,665-0,53 0,9 0,02898 0,931 2,53 1,97
0,35-0,2 0,53-0,325 1,36 0,02896 0,930 2,53 2,17
0,2-0,1 0,325-0,16 1,65 0,02894 0,929 2,53 1,97
0,1-0,0366 0,16-0,055 1,6 0,02894 0,929 2,53 2,37

3.3.4 Высота тарельчатой части колонны


Расчет ректификационной установки,


Где h - расстояние между тарелками, мЖ

N - число действительных тарелок. Таким образом,


НТ = 0,6 (28-1) = 16,2 м.

3.3.5 Общая высота колонны


Расчет ректификационной установки,


где

Нк. в., Нк. н. - высота цилиндрической части колонны над и под тарелками.


Расчет ректификационной установки


3.4 Тепловой расчёт


Эта часть расчёта содержит: определение расхода греющего пара на куб колонны, расчёт поверхности теплопередачи и размеров подогревателя кубы колонны, толщины слоя изоляции.


3.4.1 Определение расхода греющего пара

Составляем тепловой баланс колонны.

Приход тепла: с исходной смесью Расчет ректификационной установкигде


Расчет ректификационной установки

Расчет ректификационной установки


Расход тепла: с паром, направляющимся из колонны в дефлегматор


Расчет ректификационной установки

Расчет ректификационной установки


3.4.2 Определение поверхности теплоотдачи испарителя

Поверхность нагрева испарителя определяется из основного уравнения теплоотдачи. В это уравнение в этом случае подставляются:


Расчет ректификационной установки


3.4.3 Определение толщины слоя изоляции

Толщину слоя изоляции определяют по упрощённому уравнению для плоской стенки


Расчет ректификационной установки


Расчет ректификационной установки


3.5 Конструктивный расчёт тарельчатых ректификационных колонн


Колпачковая тарелка включает в себя следующие основные детали: паровые патрубки, колпачки, сливные патрубки или переточные пороги.

При определении количества паровых патрубков, колпачков и количества сливных патрубков вначале производят проверочный расчёт, а затем по нормалям НИИХИММАШа выбирают их окончательные размеры и число. Живое сечение φ0 всех паровых патрубков на тарелках принимается равным 10-20% от живого сечения колонны. Диаметры паровых патрубков по нормалям НИИХИММАШа рекомендуется брать при изготовлении их из углеродистых сталей 57/3,5 и 70/4 и из нержавеющих сталей 57/3 и 70/3 мм.

Задавшись диаметром парового патрубка, определяют их количество на тарелке:


Расчет ректификационной установки


где Fn - общее сечение паровых патрубков, мІ;

ƒn - сечение одного патрубка, мІ.

Скорость пара в паровом патрубке должна быть в пределах 3-8 м/с. Поэтому необходимо делать проверочный расчёт и определить фактическую скорость пара. Если она не лежит в допустимых пределах, необходимо задаться новым диаметром патрубка и сделать перерасчёт.

Диаметр колпачка вычисляют из условия равенства скорости пара в патрубке и в кальциевом сечении между паровым патрубком и колпачком:


Расчет ректификационной установки


где dn - толщина стенки патрубка (1ё3 мм).

Возвышение колпачка над паровым патрубком, мм:


Расчет ректификационной установки


Возвышение нижнего края зубца колпачка под тарелкой Sк = 5 мм. Возвышение уровня жидкости над верхним обрезом прорезей колпачков hср = 15-40 мм.

Размеры прорезей в колпачках лежат в пределах:

l - высота - 10-50 мм;

b - ширина - 2-7 мм.

Расстояние между прорезями - 3-4 мм.

При размещении колпачков на вершинах правильных треугольников минимальный шаг колпачков рассчитывают по зависимости:


Расчет ректификационной установки


где l2 - минимальный зазор между колпачками (12,5ё0,25 мм),

dк - толщина стенки колпачка (1ё3 мм).

Диаметр сливного патрубка, мм:


Расчет ректификационной установки


где wсл - скорость жидкости в сливном патрубке, м/с (можно принять 0,1-0,2 м/с).

Высота уровня жидкости над сливным патрубком:


Расчет ректификационной установки


Расстояние от нижнего торца сливного патрубка до тарелки:


S1 = 0,25∆h


Возвышение верхнего торца сливного патрубка над тарелкой:


Расчет ректификационной установки


Расстояние от оси сливного патрубка до оси ближайшего колпачка:


Расчет ректификационной установки


3.6 Гидравлическое сопротивление ректификационных колонн


3.6.1 Гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки

Гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки слагается из сопротивления сухой тарелки при открытых прорезях ∆Р1, сопротивления, обусловленного силами поверхностного натяжения ∆Р2, гидростатического давления столба жидкости над верхним обрезом прорези ∆Р4, Па.


Расчет ректификационной установки


wn - скорость пара в прорезях колпачка, находится в пределах 2-8 м/с; для колонн, работающих под вакуумом - в пределах 0,8-3 м/с;

ξ - коэффициент сопротивления (ξ = 1,5-2)


Расчет ректификационной установки


3.6.3 Общее гидравлическое сопротивление колонны


Расчет ректификационной установки


Для проверки правильности принятого расстояния между тарелками можно воспользоваться эмпирическим соотношением:


Расчет ректификационной установки

4. Расчёт дефлегматора


Предварительно выбирают вариант с частичной или полной конденсацией пара в дефлегматоре.


4.1 Определение расхода охлаждающей воды на дефлегматоре


Для определения этой величины необходимо составить тепловой баланс дефлегматора, включающий следующие величины.

Приход тепла:

с охлаждающей водой Расчет ректификационной установки

с паром из колонны Расчет ректификационной установки

Расход тепла:

с дистиллятом Расчет ректификационной установки

Уравнение теплового баланса дефлегматора:


Расчет ректификационной установки


4.2 Поверхность теплопередачи дефлегматора


Расчет ректификационной установки

5. Подогреватель исходной смеси


Исходная смесь подогревается чаще всего в трубчатом теплообменнике насыщенным водяным паром до температуры кипения на питающей тарелке.


5.1 Количество тепла для подогрева исходной смеси


Количество тепла для подогрева исходной смеси определяется в Вт:


Расчет ректификационной установки

Расчет ректификационной установки


5.2 Расход греющего пара на подогреватель


Расход греющего пара на подогреватель определяется в кг/с:


Расчет ректификационной установки


5.3 Поверхность нагрева подогревателя


Расчет ректификационной установки

6. Выбор питающего насоса


Выбор питающего насоса производится в зависимости от

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: