Проектирование ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси ацетон - уксусная кислота, производительностью 6,0 кг/с по дистилляту

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский Государственный Технологический Институт

(Технический Университет)

_______________________________

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

Факультет IV

Курс 3

Группа 461

Учебная дисциплина: процессы и аппараты химической технологии

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Тема: проектирование ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси

ацетон - уксусная кислота, производительностью 6,0 кг/с по дистилляту.

Проектировал студент: Бусыгина Н.В.

Руководитель проекта: Константинов В.А.

Оценка за курсовой проект _____________ подпись _______

Дата защиты проекта _________________________

Санкт-Петербург

2009г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………………………………………………………...3

Задание на проектирование……………………………………………………….……….……………

1.Аналитический обзор………………………………………………………..………………………...6

2. Технологическая часть………………………………………………………………………………

3. Расчёт тарельчатой ректификационной

колонны……………………………………………...11

3.1. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое

число……………………………………...11

3.2. Скорость пара и диаметр

колонны…………………………………………………………………….16

3.3. Высота колонны……………………………………………………………………………………………25

3.3.1. Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержание барботажного

слоя…………………………………………………………………………………………………………………….

3.3.2. Коэффициенты массопередачи и высота колонны………………………………………….28

3.4. Гидравлические сопротивления тарелок

колонны…………………………………………………..35

3.5. Тепловой расчет установки.

……………………………………………………………………………..37

4. Расчет теплообменной аппаратуры………………………………………………………………39

4.1. Подробный расчет подогревателя исходной

смеси………………………………………………...39

4.1.1. Турбулентный режим………………………………………………………………………………40

4.1.2. Определение гидравлических сопротивлений………………………………………………….43

4.2. Приближенный расчет теплообменных аппаратов……………………………………………….44

Заключение………………………………………………………………………………………………45

Список использованной литературы…………………………………………………………………

Приложения……………………………………………………………………………………………..47

Приложение 1: Графики……………………………………………………………………………………….47

График зависимости состава пара, равновесного с жилкостью и графики рабочих

линий……………………………………………………………………………………………………………………

…47

График зависимости равновесных составово пара и жидкости от

температуры………....49

Приложения 2: Раксчет колонн с диаметром 1.4м и 1.6м……………………………………………..52

Введение.

Ректификация — массообменный процесс, который осуществляется в большинстве

случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки тарелки)

аналогичными используемым в процессе абсорбции. Поэтому методы подход к расчету и

проектированию ректификационных и абсорбционных установок имею много общего. Тем не

менее, ряд особенностей процесса ректификации (различие соотношение нагрузок по жидкости и

пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства

фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса)

осложняет его расчет.

Одна из сложностей заключается в отсутствии обобщенных закономерностей для расчета

кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к

колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко применяемым в химических

производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчета

ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании

абсорбционных процессов (в приведенных в данной главе примерах в основном использованы эти

рекомендации).

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 1. Исходную

смесь из промежуточной емкости центробежным насосом 10 подают в теплообменник 5, где она

подогревается кубовой жидкостью, а затем попадает в догреватель 11, где и доводится до

температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну на

тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси х

1 0

1 1

1 а

1 б

Рис1 - Принципиальная схема ректификационной установки:

1 – ректификационная колонна (а – укрепляющая часть, б – исчерпывающая часть); 2 –

кипятильник; 3 – дефлегматор; 4 – делитель флегмы; 5 – подогреватель исходной смеси; 6 –

холодильник дистиллята (или холодильник – конденсатор); 7 – холодильник остатка (или

нижнего продукта);. 8, 9 – сборники; 10 – насосы; 11 – догреватель исходной смеси

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром,

образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 2. Начальный состав пара

примерно равен составу кубового остатка х

, 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) состава х

, получаемой в дефлегматоре 3 путем конденсации пара,

выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта

разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 6 и направляется в

промежуточную емкость 9.

Из кубовой части колонны непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт,

обогащенный труднолетучим компонентом, часть которого охлаждается в теплообменнике 7 и

направляется в емкость 8, а часть направляется к подогревателю исходной смеси 5.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный

процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием

легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических

размеров - диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются

гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и

физических свойств фаз, а также от типа насадки.

В данном курсовом проекте выполняется проектная разработка аппаратуры

ректификационной установки с технологическими, тепловыми и гидравлическими расчетами.

«Аналитический обзор» работы содержит информацию об основах процесса ректификации

и расчета ректификационных колонн.

В «Технологической части» приведена принципиальная схема процесса ректификации.

В «Инженерном расчете» в соответствии с заданием произведен расчет тарельчатой

ректификационной колонны.

Задание на проектирование.

Спроектировать ректификационную установку для непрерывного разделения смеси:

ацетон-уксусная кислота. Рассчитать диаметр, высоту, гидравлическое сопротивление

ректификационной колонны. Рассчитать тепловой баланс и расход греющего пара, охлаждающей

воды. Рассчитать и выбрать теплообменник для подгрева исходной смеси кубовым остатком.

Перечень работ, выполненных на ЭВМ: определить поверхность теплообмена

подогревателя исходной смеси.

Основные данные:

Кг

0.6

95.0

(мольн.)

158.0

(мольн.)

02.0

(мольн.)

3. Давление в колонне: атмосферное.

4. Температура исходной смеси: 15°С.

5. Температура охлаждающей воды: 11°С.

6. Давление греющего пара: выборочное.

1. Аналитический обзор

Ректификация – это противоточное взаимодействие двух неравновесных фаз – жидкости и

пара, образующегося из этой жидкости. При этом пар непрерывно обогащается низкокипящим

(легколетучим) компонентом. Ректификацией может быть достигнута любая заданная степень

разделения жидких смесей. Ректификация является сложным процессом дистилляции.

Аппараты, служащие для проведения ректификации, — ректификационные колонны —

состоят из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и

жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара, — куба и

дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр, внутри

которого установлены т. н. тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен

фигурный кусковой материал — насадка (соответственно существуют насадочные и тарельчатые

ректификационные колонны). Куб и дефлегматор — это обычно кожухотрубные теплообменники

(находят применение также трубчатые печи и роторные испарители). Также важными элементами

являются теплообменники для подогрева исходной смеси и охлаждения кубового остатка и

дистиллята.

Назначение тарелок и насадки — развитие межфазной поверхности и улучшение контакта

между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива

жидкости.

В качестве насадки в насадочных ректификационных колоннах обычно используются

кольца Рашига, кольца Паля, сёдла Берля, сёдла интеллокс или пластмассовые розетки Теллера.

Т.к. в данном проекте рассматривается тарельчатая колонна, то больше внимания уделим

тарельчатым контактным устройствам.

Эти устройства можно классифицировать по многим признакам; например, по способу

передачи жидкости с тарелки на тарелку различают тарелки с переливными устройствами и

тарелки без переливных устройств (провальные).

Тарелки с переливными устройствами имеют специальные каналы, по которым жидкость

перетекает с одной тарелки на другую, причем по этим каналам не проходит газ. На провальных

тарелках нет переливных устройств, и жидкость, и газ проходят через одни и те же отверстия или

прорези в полотне тарелки. Эти прорези работают периодически: в определенный момент времени

одни прорези пропускают пар, другие — жидкость; затем их роли меняются.

По характеру взаимодействия газового и жидкостного потоков различают тарелки

барботажного и струйного типов. Тарелки, на которых сплошной фазой является жидкость, а

дисперсной — газ или пар, называют барботажными. На струйных тарелках дисперсной фазой

является жидкость, сплошной — газ; потоки взаимодействуют в прямоточном режиме на

поверхности капель и жидкостных струй, взвешенных в газовом потоке.

В зависимости от конструкции устройств ввода пара (газа) в жидкость различают тарелки

клапанные, колпачковые, ситчатые, язычковые, решетчатые и др. Одни из этих тарелок могут

работать только в барботажном режиме (колпачковые), другие — только в струйном (язычковые),

третьи и в том, и в другом режимах (клапанные).

В химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающих отраслях промышленности

наиболее распространены барботажные тарелки с переливами.

Рассмотрим некоторые конструкции барботажных тарелок с переливными устройствами

подробнее:

1. Колпачковые тарелки (рис. 1) с капсульными колпачками до недавнего времени считали

лучшими контактными устройствами для ректификационных и абсорбционных аппаратов

благодаря простоте эксплуатации и универсальности.

Основной частью колпачковой тарелки является стальной диск 1 (или полотно тарелки) с

отверстиями для паровых патрубков 6. Патрубки приварены к диску. Над патрубками

установлены колпачки 5 диаметром 60 или 80 мм. Колпачки имеют прорези высотой 15; 20 или 30

мм.

Рис. 1

Колпачковая тарелка

Для создания, необходимого уровня жидкости на тарелке последнюю снабжают сливной

перегородкой 3. Переливная перегородка 1 образует переливной карман а, в который погружается

сливная планка 4 тарелки, расположенной выше.

Применяют два варианта крепления колпачка к тарелке. В исполнении 1 положение

колпачка можно регулировать по высоте, в исполнении 2 регулирование невозможно, и нижние

кромки прорезей в этом случае упираются в полотно тарелки.

Тарелка работает следующим образом. Поступающая жидкость заполняет тарелку на

высоту, определяемую сливной перегородкой 3, при этом прорези колпачков должны быть

погружены в жидкость. Пар проходит через паровые патрубки, щели колпачков и барботирует

сквозь слой жидкости. Газ и жидкость взаимодействуют в перекрестном токе: жидкость движется

по тарелке от переливного кармана к сливной перегородке и далее на расположенную ниже

тарелку, а газ — вверх по оси колонны.

Колпачковые тарелки можно изготовлять из чугуна, меди, керамики, углеграфита,

пластмасс и др.

Тарелки с капсульными колпачками имеют относительно высокий КПД (0,75—0,80) и

работают в широком диапазоне производительностей по газу. Их можно использовать при

нестабильных нагрузках по жидкости и пару. Для этих тарелок гидравлическое сопротивление,

зависящее от глубины погружения колпачка, не превышает 1 кПа. К недостаткам этих тарелок

следует прежде всего отнести значительные металлоемкость и трудоемкость изготовления.

2. Клапанные тарелки также широко применяют в нефтехимической промышленности. Основные

преимущества этих тарелок — способность обеспечить эффективный массообмен в большом

интервале рабочих нагрузок, несложность конструкции, низкая металлоемкость и невысокая

стоимость.

Клапанные тарелки изготовляют с дисковыми и прямоугольными клапанами; работают

тарелки в режиме прямоточного или перекрестного движения фаз. В отечественной

промышленности наиболее распространены клапанные прямоточные тарелки с дисковыми

клапанами. На клапанной прямоточной тарелке (рис. 2) в шахматном порядке расположены

отверстия, в которых установлены саморегулирующиеся дисковые клапаны диаметром 50 мм,

способные подниматься при движении пара (газа) на высоту до 6—8 мм.

Рис. 2

Клапанно-прямоточная тарелка

Дисковый клапан снабжен тремя направляющими, расположенными в плане под углом 45°;

две из этих направляющих имеют большую длину. Кроме того, на диске клапана штамповкой

выполнены специальные упоры, обеспечивающие начальный зазор между диском и тарелкой; это

исключает возможность «прилипания» клапана к тарелке (положение I). При небольшой

производительности по пару поднимается легкая часть клапана (положение II) и пар выходит

через щель между клапаном и полотном тарелки в направлении, противоположном направлению

движения жидкости по тарелке. С увеличением скорости пара клапан поднимается и зависает над

тарелкой (положение III); теперь пар барботирует в жидкость через кольцевую щель под

клапаном. При дальнейшем увеличении производительности по пару клапан занимает положение,

при котором пар выходит в направлении движения жидкости, уменьшая разность уровней

жидкости на тарелке (положение IV). При этом короткая направляющая фиксируется в

специальном вырезе на кромке отверстия, обеспечивая заданное положение клапана при его

подъеме. У клапанных тарелок достаточно высокий диапазон устойчивой работы, который

составляет 3,5, а также довольно низкое гидравлическое сопротивление.

Существуют также жалюзийно-клапанные тарелки (рис. 3), которые несколько отличаются:

Рис. 3

В жалюзийно-клапанной тарелке щель для входа газа на тарелку 1 образуется при повороте

плоских клапанов-жалюзей 3 вокруг их оси, укрепленной в рамке 2.

3. Ситчатые тарелки со сливным устройством применяют в колонных аппаратах диаметром

400—4000 мм при расстоянии между тарелками от 200 мм и более. Основной элемент таких

тарелок — металлический диск с отверстиями диаметром 2—6 мм, расположенными по вершинам

равносторонних треугольников.

Рис. 4

Элемент ситчатой тарелки

В колоннах диаметром более 800 мм тарелки состоят из отдельных секций. По креплению секций

тарелки к корпусу и устройству переливов такие колонны аналогичны аппаратам с колпачковыми

и клапанными тарелками. Преимущество ситчатой тарелки — большое свободное (т. е. занятое

отверстиями) сечение тарелки, а следовательно, и высокая производительность по пару, простота

изготовления, малая металлоемкость. По производительности по пару (газу) эти тарелки на 30—40

% превосходят колпачковые. Недостаток — высокая чувствительность к точности установки.

Аппараты с ситчатыми тарелками не рекомендуется использовать для работы на загрязненных

средах; это может вызвать забивание отверстий.

2. .Технологическая часть

Исходная смесь из промежуточной емкости центробежным насосом подается в

теплообменник, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на

разделение в середину ректификационной колонны на тарелку питания, где состав жидкости равен

составу исходной смеси.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром,

образующимся при кипении кубового остатка, т.е. обедненным 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 путем конденсации пара, выходящего

из колонны.

Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения -

дистиллята, которых охлаждается в теплообменнике и направляется в промежуточную емкость.