рассчитать и спроектировать ректификационную колонну

(приложение 2).Средние мольные массы и плотность пара:а) б) Средняя плотность пара в колонне:Температура в верху колонны равняется 80,5ºC, а в кубе-испарителе – 108,5ºC. Плотность жидкого п,м,о –ксилол при t = 80,5ºC равна 815,5 кг/м³, плотность жидкого п,м,о -этилтолуола при t = 108,5ºC равна 797,3 кг/м³.Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне .По данным каталога-справочника «Колонные аппараты» принимаем расстояние между тарелками h=300 мм. По графику находим С=0,032.Определяем скорость пара в колонне:Объёмный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне где -мольная масса дистиллята, равная Диаметр колонны:По каталогу-справочнику «Колонные аппараты» берём D=1600 мм. Тогда скорость пара в колонне будет:2.3. Гидравлический расчёт тарелокПринимаем следующие размеры тарелки колпачковой с капсульными колпачками: диаметр отверстий , высота сливной перегородки . Свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки.Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны по уравнению:а) Верхняя часть колонны.Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:Где - коэффициент сопротивления неорошаемых колпачковых тарелок со свободным сечением 7-10%; - скорость пара в отверстиях тарелки.Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:Где - поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 91,5ºC; - диаметр отверстий тарелки.Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:Высота парожидкостного слоя:Величину - высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по формуле:Где - объёмный расход жидкости, м³/с; П – периметр сливной перегородки, м; - отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приближённо равным 0,5.Объёмный расход жидкости в верхней части колонны:Где - средняя мольная масса жидкости, кг/моль.Периметр сливной перегородки П находим, решая систему уравнений:Где - радиус тарелки; - приближённое значение площади сегмента.Решение даёт: Находим .Высота парожидкостного слоя на тарелке:Сопротивление парожидкостного слоя:Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:б) Нижняя часть колонны:(- поверхностное натяжение жидкости при);Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками необходимое для нормальной работы тарелок условиеДля тарелок нижней части колонны, у которых гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок верхней части:Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается:Проверим равномерность работы тарелок – рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях , достаточную для того, чтобы колпачковая тарелка работала всеми отверстиями:Рассчитанная скорость ; следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.2.4 Определение числа тарелок и высоты колонныНаносим на диаграмму y – x рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число ступеней изменения концентрации .(приложение 3).В верхней части колонны , в нижней части , всего 13 ступеней.Число тарелок рассчитаем по уравнению:Для определения среднего к.п.д. тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов и динамический коэффициент вязкости исходной смеси при средней температуре в колонне, равной 95ºC.При этой температуре давление насыщенного пара п,м,о –ксилол , п,м,о -этилтолуола, откуда Динамический коэффициент вязкости п,м,о –ксилол при 95ºC равен , п,м,о -этилтолуола. Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси Тогда По графику находим длина пути жидкости на тарелке где .По графику находим значение поправки на длину пути Среднийк.п.д. тарелок по уравнению:Число тарелок:в верхней части колонны;в нижней части колонныОбщее число тарелок , с запасом , из них в верхней части колонны 12 тарелок и в нижней части 14 тарелок.Высота тарельчатой части колонны:Общее гидравлическое сопротивление тарелок:2.5. Тепловой расчёт установкиРасход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре- конденсаторе, находим по уравнению:Здесь где и - удельные теплоты конденсации п,м,о –ксилол и п,м,о -этилтолуола при 80,5ºC.Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению:Здесь тепловые потери приняты в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты; удельные теплоёмкости взяты соответственно при, , .Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:Примем тепловые потери 5%, удельная теплоёмкость подаваемой смесивзята при средней температуре ..Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:.Удельная теплоёмкость дистиллята взята при средней температуре ..Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:.Удельная теплоёмкость кубового остаткавзята при средней температуре..Расход греющего пара, имеющего давление и влажность 5%:а) в кубе-испарителе,где - удельная теплота конденсации греющего пара;б) в подогревателе исходной смеси.Общий расход греющего пара: или .Расход охлаждающей воды при нагреве её на 30ºC:а) в дефлегматоре;б) в водяном холодильнике дистиллята;в) в водяном холодильнике кубового остатка.Общий расход охлаждающей воды: или .2.6. Расчёт толщины обечаекИсполнительную толщину стенки аппарата, нагруженной внутренним избыточным давлением, рассчитывают по формуле:Где - внутреннее избыточное давление в колонне.Где - средняя плотность пара в колонне; - высота цилиндрической части колонны; для стали 06ХН28МДТ; - скорость коррозии, - срок службы аппарата; - допускаемое напряжение, - поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки.Примем, что толщина обечайки равна 15 мм.допускаемое внутреннее избыточное давление для оболочки: должно соблюдаться условие 2.7. Расчёт толщины днища и крышкиЭллиптические днище и крышка:Толщина стенки днища и крышки определяется по формуле: - радиус кривизны в вершине днища; - для эллиптических днищ.- высота днища без учёта цилиндрическойотбортовки.Принимаем толщину крышки и днища равной толщине стенки, т.е. 15 мм.Длину цилиндрической части для эллиптического днища считают по формуле:м2.8. Расчёт диаметра штуцеровДля расчёта штуцеров применяют следующие основные формулы:,принимаем ;принимаем .а) Штуцер для выхода пара:.Принимаем [4, с. 175]б) Штуцер для входа флегмы:.Принимаем .в) Штуцер для входа пара:.Принимаем .г) Штуцер для входа питания:.Принимаем .д) Штуцер для выхода кубового остатка:.Принимаем .е) Штуцер на циркуляцию:Принимаем .2.9 Выбор конструкционного материала Выбор материала должен производиться из его коррозионной стойкости в заданной среде, рабочих условий (давления и температуры). п,м,о –ксилол и п,м,о -этилтолуол являются коррозионно-активными веществами, рабочая температура в колонне выше 100С, избыточное давление 0,3МПа. Таким образом, детали колоны, соприкасающиеся с разделяемыми жидкостями (днища, обечайки, тарелки и др.) изготавливаем из стали 06ХН28МДТ3 Расчет вспомогательного оборудования3.1 Расчет дефлегматораВ дефлегматоре происходит конденсация паров дистиллята.Расход охлаждающей воды в дефлегматоре находим, преобразуя уравнение гдеr – удельная теплота парообразования дистиллята, кДж/кг;сВ – теплоемкость воды, кДж/кг·К;tК,tН – конечная и начальная температура воды, 0С.Удельные теплоты парообразования компонентов смесиrА=530,8 кДж/кгrБ=417,6 кДж/кгУдельная теплота парообразования дистиллятаРасход воды будет равенПоверхность дефлегматора найдем по формулегде QD – теплота, которую необходимо отвести для конденсации, Вт;k – коэффициент теплопередачи;Δt – разность начальной и конечной температуры воды, 0С;Теплоту, которую необходимо отвести, найдем по формулеТогдаПо ГОСТ 15122-79 подбираем двухходовой дефлегматор с площадью теплообмена 75 м2, диаметром кожуха 600 мм, с трубами 25×2 длинной 4 м и количеством труб 240 шт.3.2 Расчет холодильника дистиллятаВ холодильнике происходит охлаждение дистиллята от температуры кипения 46,6°С до 25°С.Расход воды в холодильнике дистиллята найдем по формулегде сD - удельная теплоемкость дистиллята при температуре кипения, Дж/кг·К;сВ - теплоемкость воды, Дж/кг·К;ΔtD, ΔtВ - разность температур на входе и на выходе теплообменника дистиллята и воды, соответственно, °С.Находим теплоемкость дистиллята при температуре кипения Подставляем значения в формулу (6.4)Теплоту, которую необходимо отвести в холодильнике дистиллята, находим по формуле (6.3)Находим среднюю разность температур по формулегдеtDН, tDК - начальная и конечная температуры дистиллята, °С;tВН, tВК - начальная и конечная температура охлаждающей воды, °С.Найдем поверхность теплообмена по формуле (6.2)По ГОСТ 15122-79 подбираем одноходовой холодильник с площадью теплообмена 7,5 м2, диаметром кожуха 273 мм, с трубами 20×2 длинной 2 м и количеством труб 61 шт.3.3 Расчет холодильника кубового остаткаВ холодильнике происходит охлаждение кубового остатка от температуры кипения 66,3°С до 25°С.Находим теплоемкость кубового остатка при температуре кипенияРасход воды в холодильнике кубового остатка найдем по формуле Теплоту, которую необходимо отвести в холодильнике, находим по формуле (6.3)Находим среднюю разность температур по формуле (6.5)Найдем поверхность теплообмена по формуле (6.2)По ГОСТ 15122-79 подбираем одноходовой холодильник с площадью теплообмена 12,5 м2, диаметром кожуха 325 мм, с трубами 20×2 длинной 2 м и количеством труб 100 шт.3.4 Расчет подогревателя исходной смесиВ теплообменнике происходит нагрев исходной смеси от температуры 20°С до температуры кипения 58,4°С.Находим теплоемкость исходной смесиТеплоту, которую необходимо затратить на нагрев смеси, находим по формуле (6.3)Расход греющего пара на подогрев смеси до температуры кипения найдем по формулеНаходим разность температур Найдем поверхность теплообмена по формуле (6.2)По ГОСТ 15122-79 подбираем двухходовой подогреватель с площадью теплообмена 7,5 м2, диаметром кожуха 273 мм, с трубами 20×2 длинной 2 м и количеством труб 61 шт.3.5 Расчет подогревателя кубового остаткаВ теплообменнике происходит испарение кубового остатка при температуре кипения.Расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью от греющего пара в подогревателе кубового остатка, равенПодставляем значения в формулу (6.7)С учетом 3% потерьНаходим среднюю разность температур Найдем поверхность теплообмена по формуле (6.2)По ГОСТ 15122-79 подбираем одноходовой подогреватель с площадью теплообмена 40 м2, диаметром кожуха 600 мм, с трубами 25×2 длинной 2 м и количеством труб 257 шт.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ результате выполнения курсового проекта была рассчитана и спроектирована колонна непрерывного действия для разделения смеси п,м,о –ксилолы; п,м,о -этилтолуолы; мезитилен; псевдокумол; гемимеллитол. Тип ректификационная колонны – колпачковаяПроизводительность колонны по сырью 16 600 кг/ч Диаметр колонны . Также подобран нормализованный вертикальный кожухотрубный одноходовой испаритель, в трубное пространство которого подается более нагретый теплоноситель – п,м,о -этилтолуол, общее число труб , длина труб –. Диаметр испарителя , запас поверхности .Подобран одноходовой подогреватель с площадью теплообмена 40 м2, диаметром кожуха 600 мм, с трубами 25×2 длинной 2 м и количеством труб 257 шт.Подобран двухходовой подогреватель с площадью теплообмена 7,5 м2, диаметром кожуха 273 мм, с трубами 20×2 длинной 2 м и количеством труб 61 шт.Подобран одноходовой холодильник с площадью теплообмена 7,5 м2, диаметром кожуха 273 мм, с трубами 20×2 длинной 2 м и количеством труб 61 шт.Подобран двухходовой дефлегматор с площадью теплообмена 75 м2, диаметром кожуха 600 мм, с трубами 25×2 длинной 4 м и количеством труб 240 шт.Приложение 1Приложение 2СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫПавлов К.Ф.и др. «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии», Л. «Химия», 1987 г.Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. Под ред. Н.Б.Варгафтика. М. «Наука», 1972 г.Основные процессы и аппараты химической технологии. Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.«Химия», 1983 г.Плановский А.Н. и др «Процессы и аппараты химической технологии. М. «Химия», 1968 г.Романков П.Г. и др «Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии» Санкт-Петербург ХИМИЗДАТ 2010 г., 544 сБеев Э.А. «Расчет ректификационной колонны для разделения бинарной смеси» ТГНГУ, 2005 г.Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Изд. 2-е, пер. и доп. Л., «Химия», 1974 г., 344с. Александров И.А. Ректификационные и адсорбционные аппараты/ Под редакцией И.А. Александрова. – 2-е изд. перераб. – М.:Химия, 1971, - 296с