Курсовая работа (т): Гидравлический расчет тарелок в верхней части колонны

Гидравлический расчет тарелок в верхней части колонны

Оглавление

Введение

.        Технологическая схема и ее описание

.        Выбор конструкционного материала аппарата

.        Задание на расчет ректификационной установки

.        Технологический расчет аппарата

.1      Материальный баланс

.2      Определение рабочего флегмового числа

.3      Средние массовые расходы по жидкости и пару

.4      Диаметр колонны и скорость пара

.5      Выбор тарелки и определение скорости пара в рабочем сечении

.        Гидравлический расчет

.1      Гидравлический расчет тарелок в верхней части колонны

.2      Гидравлический расчет тарелок в нижней части колонны

.3      Минимальное расстояние между тарелками

.4      Высота колонны

.5      Определение гидравлического сопротивления колонны

.        Конструктивный расчет

.        Механический расчет

.        Тепловой расчет

Список литературы

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 подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное 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.

Процессы перегонки и ректификации основаны на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Компонент смеси, обладающий большей летучестью, называется легколетучим, а компонент, обладающий меньшей летучестью, труднолетучим. Соответственно легколетучий компонент кипит при более низкой температуре, чем труднолетучий. Поэтому их называют также низкокипящим и высококипящим компонентами.

В результате перегонки или ректификации исходная смесь разделяется на дистиллят, обогащенный легколетучим компонентом и кубовый остаток, обогащенный труднолетучим компонентом. Дистиллят получают в результате конденсации паров в конденсаторе-дефлегматоре. Кубовый остаток получают в кубе установки.

Задачей данного проекта является создание оптимальной конструкции аппарата и проведение расчетов, обеспечивающих работоспособность данного аппарата.

1. Технологическая схема и ее описание

Рис. 1 - Принципиальная схема ректификационной установки

1 - емкость для исходной смеси; 2 - подогреватель; 3 - колонна;

- кипятильник; 5 - дефлегматор; 6 - делитель флегмы; 7 - холодильник; 8 - сборник дистиллята; 9 - сборник кубового остатка.

Исходную смесь из емкости 1 центробежным насосом подают в теплообменник 2, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 3, где состав жидкости равен составу исходной смеси x_F. Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. 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_Р, получаемой в дефлегматоре 5 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 емкость 8. Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в емкость 9.

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).

2. Выбор конструкционного материала аппарата

При конструировании химической аппаратуры следует применять стойкие металлические и неметаллические конструкционные материалы в заданных агрессивных средах. Важно учитывать все виды возможного коррозийного разрушения материалов в агрессивной среде при ее заданных рабочих параметрах. При выполнении прочностных расчетов в первую очередь сталкиваются с необходимостью оценки общей поверхностной коррозии выбираемого конструкционного материала, характеризующегося проницаемостью П_М мм/год.

В расчетах аппаратуры на прочность потеря по толщине материала на коррозию учитывается соответствующей прибавкой С, определяемой амортизационным сроком службы аппарата и проницаемость по формуле:

С=П_М·t_а,

где П_М ≤ 0,1 мм/ год

t_а - амортизационный срок, примем t_а=20 лет.

С=20·0,1=2 мм

Для корпуса аппарата выбираем по рекомендациям [1] листовую сталь марки 12Х18Н10Т по ГОСТ 10885-75, для которой технические требования по ГОСТ 10885-75; рабочие условия: t_R = -30 т- 200°С; р, МПа - не ограничено. Виды испытаний и требования по ГОСТ 10885-75 (испытания проводятся на заводе-поставщике металла по требованию заказчика).

При выборе материала было учтено следующее:

1 коррозионные свойства среды. При заданных рабочих параметрах скорость коррозии составляет менее 0,1 мм/год.

2 технологические свойства используемого материала: свариваемость, пластичность и другие.

3 влияние конструкционного материала на качество исходной смеси и продуктов разделения

4 технико-экономические соображения: нержавеющая сталь широко применяется в химическом машиностроении и других отраслях промышленности

Сварка автоматическая.

Тип электрода по ГОСТ 10052-75 - Э-04Х20Н9.

Опоры цилиндрические. Материал деталей опор должен выбираться из условий эксплуатации и в соответствии с техническими требованиями ОСТ 26-291-94. Предел текучести материала должен быть не менее 210 МПа при t = 20°С. Назначаем материал опор сталь 09Г2С-3 по ГОСТ 5520-79, технические требования по ГОСТ 5520-79.

Материал фланцев - сталь 12Х18Н10Т. Сварочные материалы по ГОСТ 10052-75 - Э-04Х20Н9.

Назначаем материал крепежных деталей: не контактирующих с агрессивной средой - сталь 35 по ГОСТ 1050-74; для деталей, контактирующих с агрессивной средой - сталь 08X13 по ГОСТ 5632-72.

По рекомендациям [7] назначаем материал прокладок - резина по ГОСТ 481-71. Внутренние элементы аппарата выполняются из стали 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72.

3.      Задание на расчет ректификационной установки.

Рассчитать тарельчатую ректификационную колонну непрерывного действия для разделения бинарной смеси и нарисовать чертеж выбранного типового аппарата.

Обозначения и размерности

Производительность по исходной смеси F, т/ч.

Содержание летучего компонента, (н.к).

В исходной смеси X f,

В дистилляте Xd,

В кубовом остатке Хw

Давление в паровом пространстве дефлегматора Р=0,3Мпа.

Исходные данные

4.      Технологический расчет аппарата

.1 Материальный баланс

Производительность колонны по дистилляту P и кубовому остатку W определяем из уравнения материального баланса колонны.

Уравнение материального баланса:

F = D + W(1)

F· =D· + W· (2)

гдеD - расход дистиллята, кг/с;

W - расход кубового остатка, кг/с;

Отсюда находим производительность колонны по дистилляту D и кубовому остатку W:

F=18 т/ч=5 кг/с

(3)

D == F - W = 5 - 3,351 = 1,649 кг/с

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются значением рабочего флегмового числа R. Ввиду отсутствия надёжной методики оценки R_опт используют приближённые вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) β, равного отношению R/R_min, где R_min - минимальное флегмовое число.

,(4)

где x_F, x_D -мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси;

y_F^*-концентрация легколетучего компонента в паре, находящегося в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.

Пересчитываем составы фаз из массовых в мольные доли по соотношению:

,(5)

где M_M, M_H2O - молекулярные массы метанола и воды;

M_А = 32, M_В = 18 кг/кмоль

Аналогично находим x_D и x_W:

Таблица 1. Равновесные составы жидкости (x) и пара (y) в мольных % и температура кипения (t) в °C двойных смесей при 760 мм. рт. ст. [2, стр. 255]

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

Рис. 2 - Диаграмма равновесия между паром (у) и жидкостью (х) при постоянном давлении

Из рисунка 1: y_F^*=0,61

Минимальное флегмовое число

R_min=(x_D - y_F) / (y_F - x_F)=(0,931-0,61)/(0,61-0,217)=0,8402

.2 Определение рабочего флегмового числа R

,

где β - коэффициент избытка флегмы (берем произвольно)

Равновесные данные для различных систем приведены в справочнике [2].

Результаты расчетов рабочего флегмового числа приведены в таблице.

Таблица 2.

Минимальное произведение N(R+1) соответствуют флегмовому числу R_опт=1,2603 (β=1,5).

Рис. 3 Нахождение оптимального флегмового числа

Получаем уравнения рабочей прямой верхней и нижней частей колонны:

Где f - относительный мольный расход, f=(X_D - X_W)/(X_F - X_W)=4,473

Рис. 4 Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при оптимальном флегмовом числе R_опт=1,25

4.3 Средние массовые расходы по жидкости и пару

Средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны

кмоль/кмоль смеси;

кмоль/кмоль смеси;

Средние мольный массы жидкости в верхней и нижней частях колонны

кг/кмоль;

кг/кмоль;

Мольная масса исходной смеси и дистиллята:

кг/кмоль;

кг/кмоль;

Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны

; ;

 кг/с

 кг/с;

Средний мольный состав пара в верхней и нижней частях колонны

По равновесной линии находим