Курсовая работа: Ректификационная колонна УГНТУ

1 - при Н/м; 2 - при Н/м

Рисунок 3.3 - Значение коэффициента С при различных величинах поверхностного натяжения

Плотность паровой фазы при данной температуре Т рассчитывается по уравнению

(3.6)

ректификационная колонна температура равновесие

Плотность жидкости при температуре Т определяется по формуле

, (3.7)

где

- произвольная начальная температура (обычно 273 или 293 К);

- плотность смеси при температуре , зависящая от плотности индивидуальных компонентов

а - средняя температурная поправка плотности на один градус в пределах температур от до Т, (г/см³),

для бинарной системы

(3.8)

х_Д - определяем по изобарной диаграмме.

Отмечаем у_Д и введем перпендикуляр до пересечения с паровой фазы. После, от этой точки, введем горизонталь до пересечения с жидкой фазы - это и будет х_Д =0,875

(3.9)

Определим диаметр колонны по выражению:

(4.0)

Принимаем по ГОСТ 9617-61 - 3400 мм.

В связи с корректировкой колонны под ГОСТ проводим уточнения

значения щq по выражению щут=

3.2. Расчет высоты колонны

Рабочая высота колонны рассчитывается по выражению

, (4.1)

где - число теоретических тарелок в концентрационной и отгонной секциях;

- эффективность (к.п.д.) тарелки, принимаем 75%;

h - расстояние между тарелками; h = 0,3 … 0,7 м (D < 6 м, h = 450-600 мм), принимаем 0,5 м;

- расстояние между верхним днищем и верхней тарелкой; = 1,0…1,3 м, принимаем 1,0 м;

- расстояние между тарелками в эвапарационном пространстве (высота зоны питания); = 1,0 … 1,5 м, принимаем 1,0 м;

- расстояние между нижним днищем и нижней тарелкой; = 1,0…1,5 м, принимаем 1,3 м.

Рисунок 3.4 - Схема для расчета рабочей высоты колонны

Таким образом, общая высота колонны:

Примем H=11м.

3.3 Расчет диаметров штуцеров

Схема штуцеров

1. Расчет диаметра штуцера для ввода холодного орошения штуцер 1

жидкости движущиеся самотеком табл.7.

Принимаем:

м³/ч

Примем

2. Расчет диаметра штуцера для вывода паров дистиллята и орошения штуцер 2

(4.3)

(4.4)

Насыщенные углеводородные и другие пары при абсолютном давлении (МПа) 0.2046 соответственно:

. Примем

Примем

3. Расчет диаметра штуцера для ввода в колонну паров из кипятильника штуцер 3

(4.5)

(4.6)

.[табл.7]. Примем

Примем

4. Расчет диаметра штуцера для вывода жидкости из колонны, штуцер 4

(4.7)

м³/ч (4.8)

кг/ч

(4.9)

при температуре низа колонны, t=93.46 С

. табл.7. Примем

Примем

5. Расчет диаметра штуцера для ввода сырья штуцер 5

(5.0)

(5.1)

при температуре ввода сырья, t_f=72,2 С⁰

(5.2)

Согласно допустимым значениям скорости в нагнетательном трубопроводе

1.0 - 3.0 м/с, табл.7.

м

Принимаем

4. Расчет гидравлического сопротивления ситчатой тарелки

Тип тарелки -ТС-Р;

Диаметр колонны, мм - 3400;

Рабочая площадь тарелки, м² - 8.308;

Площадь перелива, м² - 0,376;

Периметр слива, м- 1,905;

Диаметр отверстия принимаем, мм - 4;

Шаг между отверстиями составит 8-15; принимаем 10

Относительное свободное сечение тарелки, % - 16.3-4.61, принимаем 10,0%

Гидравлическое сопротивление тарелки

?р=?р_сух+?р_о+?р_{пж (5.3)}

где:

?р_сух = о?щ²_0/2?р_n (5.4)

Для ситчатой тарелки со свободным сечением отверстий от 7-10% о = 1,82

Скорость пара в отверстиях

щ₀= (5.5)

щ₀=

?р_сух=1,82*4.9²/2*5.35=116.844 Па

Сопротивление обусловленное силами поверхности натяжения

?р_о = 4Х/d_{0 (5.6)}

?р_о= (4*12,5*10^-3)/(0.004)=12.5 Па

где поверхностное натяжение жидкости при температуре 58,8⁰С

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке

?р_nж = 1,3h_nжжgk (5.7)

Высота парожидкостного слоя определяется

h_nж = h_n+?h (5.8)

где: h_n= 40 мм - принимаем

?h = (5.9)

где: V- объемный расход жидкости

?h =

h_nж= 0,04+0,00436 = 0,04436 м

?р_nж = 1,3*0,04436*592.41*9,81*0,5 =167.57 Па

Гидравлическое сопротивление для одной тарелки

?р_I = 116.844 +12.5 +167.57 =296.9 Па

Общее гидравлическое сопротивление всех тарелок

?р = ?р_I*N (6.0)

?р=296.914*17 = 5047,5 Па

Проверяем, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h = 0,5 м необходимое для нормальной работы тарелок условие

h> 1,8 (6.1)

1.8

0,5> 0,091

Следовательно вышеуказанное условие соблюдается

Проверим равномерность работы тарелок - рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях щ_0миндостаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями :

щ_0мин = 0,67 (6.2)

щ_0мин= 0,67

Рассчитанная скорость щ_0мин = 3.44 м/с.

5. Тепловой баланс

Тепловой баланс колонны (без учета тепло потерь) включает:

- статьи прихода - тепло вносимое сырьем и через кипятильник ,

- статьи расхода - тепло выносимое дистиллятом , остатком и через конденсатор

(6.3)

То есть:

(6.4)

Где,

Q_F - тепло вносимое сырьем

Q_В - тепло кипятильника

Q_Д - тепло отводимое с дистиллята

Q_W - тепло отводимое с остатком

Q_d - тепло в дефлегматоре

(6.5)

1) Количество теплоты, отдаваемое конденсирующимся паром охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, вычисляется по уравнению:

; (6.6)

где,

; (6.7)

где удельная теплота конденсации (парообразования);

r1= н пентан при t верха 92 С° =306 кДж/кг

r2= н гексан при t верха 92 С° = 318 кДж/кг

;

Qd=2183

2) Тепловой поток в паровом подогревателе исходной смеси:

Для расчета энтальпии жидкой фазы используем выражение:

QF=752.23

3) Тепловой поток в дистилляте.:

Теплоемкость бинарной смеси в дистилляте определим по выражению

кВт

Qд=394

4) Тепловой поток , получаемый в кубе-испарителе от греющего пара, находится по уравнению:

Для расчета энтальпии жидкой фазы используем выражение:

Qw=424

Материальный баланс колонны принял следующий вид:

QВ=Qd+ Qд+ Qw - QF

2248.77=2183+394+424-752.23

752.23+2248.77=2183+394+424.

6. Расчет и подбор вспомогательного оборудования

1) конденсатор Q_d

2) куб-испаритель Q_w

3) нагреватель сырья Q_F

м² (6.1.)

1) Конденсатор Q_d

Хладагент - оборотная вода (20-22)⁰С

?tср =

где К = 300…800 принимаем 500 Вт/(см²*град)

F_d =

F_d - конденсатор

Поверхность = 121 м²

Технологическая характеристика аппарата «Кожухотрубчатый конденсатор испаритель»

Диаметр кожуха D = 800 мм

Длина труб = 4 м

Диаметр труб d = 25*2 мм

Площадь сечения одного хода по трубам = 0,022 м²

Общее число труб: 384 шт

Число ходов: 6

2) Куб-испарительQ_w

Горячий теплоноситель - насыщенный водяной пар.

Р_пара = 5 кг/смІ

t_пара = 151.1 ⁰ С

t_конд = 151.1 ⁰ С

?tср =

К = 120...340 Вт/(см²*град)

К принимаем 200 Вт/(см²*град)

F_W =

F_W - куб-испаритель

Поверхность теплообмена = 46 м²

Технологическая характеристика аппарата «Кожухотрубчатый конденсатор испаритель»

Диаметр кожуха D = 600 мм

Длина труб = 3 м

Диаметр труб d = 25*2 мм

Площадь сечения одного хода по трубам = 0,011 м²

Общее число труб: 196 шт

Число ходов: 6

3) Нагреватель сырья Q_F

Горячий теплоноситель - насыщенный водяной пар.

Р_пара = 5 кг/смІ

t_пара = 151.1 ⁰ С

t_конд = 151.1 ⁰ С

?tср =

К = 120...340 Вт

К принимаем 300 Вт

F_F =

Технологическая характеристика аппарата «Кожухотрубчатый конденсатор испаритель»

Поверхность теплообмена = 75 м²

Диаметр кожуха D = 600 мм

Длина труб = 4 м

Диаметр труб d = 25*2 мм

Площадь сечения одного хода по трубам = 0,042 м²

Общее число труб: 240 шт

Число ходов: 2

7 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.

В среде н-пентана и н-гексана 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.

Заключение

В данной работе графико-аналитическим способом был произведен расчет ректификационной колонны для разделения бинарной смеси н-пентан н-гексан производительностью 16000 кг/ч для получения 9043.5 кг/ч бензола и 6956.5 кг/ч толуола. Рассчитаны основные размеры и показатели работы ректификационной колонны:

Диаметр колонны d_К = 3,4 м,

Высота колонны H = 11 м.

Число теоретических тарелок в колонне N_теор = 13.

Тип тарелок ТС-Р, с диаметром отверстий 4 мм.

Температурный диапазон работы колонны - (58,8 - 93,5)⁰С

Было подобрано вспомогательное оборудование:

Дефлегматор: Ду -1200, поверхность теплообмена - 635 м²

Куб - испаритель: Ду -1000, поверхность теплообмена - 267 м²

Нагреватель сырья: Ду -500, поверхность теплообмена - 31 м²

Список использованной литературы

1. Дытнерский Ю.И., Борисов Г.С., Брыков В.П. “Основные процессы и аппараты химической технологии”: пособие по проектированию - М: Химия 1991 - 496 с.

2. Касаткин А.Г. “Основные процессы и аппараты химической технологии” - М.: Химия 1971 - 784 с.

3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. “Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии”. - Л.: Химия 1987 - 576 с.

4. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З., «Процессы и аппараты химической технологии». М., Химия, 1968.

5. Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1982. - 584 с.

6. Учебно - методическое пособие бинарная ректификация под.ред.доц.,канд.техн.наук Т.Ф.Ильина ,2008 г.

6. Физико - химические свойства индивидуальных углеводородов справочное пособие /под. Ред. Проф. В.М. Татевского .М : Гостотехиздат, 1960.