Автор: Пользователь скрыл имя, 05 Ноября 2011 в 21:55, курсовая работа
Современная промышленность требует все больше чистых и особо чистых материалов. Поэтому производство становится еще более важными, сложным и дорогостоящими, а технологиям по разделению веществ и их очистке от примесей уделяется все большее внимание.
Наиболее распространенной промышленной технологией разделения является ректификация. Основы современной промышленной ректификации в настоящем ее виде были заложены около 40-50 лет назад [2
Введение………………………………………………………….………… ……... 5
Основные теоретические положения процесса бинарного разделения смеси этилацетат-толуол, с помощью колпачковой ректификационной колонны………………………………………………………………….…..7
1.1.Теоретические основы процесса ректификации……………….…......7
1.2. Выбор конструкционного аппарата................................. …………..15
1.3. Физико-химическая характеристика продуктов…………………....16
1.4. Выбор конструкции материала……………………………….……....18
2. Технологический схема………………………………………………..…...22
2.1. Материальный баланс колонны………………………………..…...…22
2.2 Рабочее флегмовое число……………………………………..………..22
2.3. Средние массовые расходы по жидкости и пару……………….......29
3. Диаметр колонны и скорость пара…………………………………….......32
3.1. Средняя температура верха и низа колонны…....................................32
3.2. Плотности жидкой и паровой фазы …..................................................33
3.3. Максимальная скорость пара и диаметр колонны в верхней части колонны………………..………………………………………………….…35
3.4. Максимальная скорость пара и диаметр колонны в нижней части
колонны……………………..………………………………………..…...…36
3.5. Выбор диаметра колонны……………………………………………...37
3.6. Действительные рабочие скорости паров…………………… ……..38
4. Высота и полное гидравлическое сопротивление колонны…………….38
4.1. Выбор тарелки……………………………………………………...…...39
4.2. Расчет высота переливного устройства тарелки………………….......40
4.3. Эффективность тарелки в верхней части колонны………………...…43
4.4. Эффективность тарелки в нижней части колонны…………………..44
4.5. Высота колонны………………………………………………..........….47
5. Определение числа и размера колпачков…………………………………..48
6. Расчет гидродинамического сопротивления ……………………… …..…49
7. Тепловой баланс………………………………………….…………….…......52
8. Расчет аппарата на прочность……………………………………………..…55
8.1. Расчёт толщины стенки обечайки………………………………………55
8.2. Расчёт толщины днища …………………………………………………55
8.3. Определение толщины тепловой изоляции …………………………....56
9. Расчёт и выбор вспомогательного оборудования……………………….....58
9.1. Расчёт диаметра трубопроводов………………………………………...58
9. 2. Расчёт теплообменного оборудования…………………………………63
9.1. Расчёт дефлегматора……………………………………………………..63
9.2. Расчёт водяного холодильника кубового остатка……………………..67
9.3. Расчёт водяного холодильника дистиллята…………...………………..69
9.4. Расчёт куба-испарителя…………...……………………………………..70
9.5. Расчёт подогревателя исходной смеси……………………………….....71
10. Объём и размеры ёмкостей для исходной смеси и продуктов
разделения……………………………………………………………………73
10.1. .Расчёт ёмкости для исходной смеси………………………………..…73
10. 2. Расчёт ёмкости для дистиллята…………………………………….….73
10.3. Расчёт ёмкости для кубового остатка……………………………….…74
11. Напор и марка насосов…………….……………………………………….…74
11.1. Расчёт и выбор насоса для подачи исходной смеси………………..…74
11.2. Выбор запасного насоса для подачи исходной смеси…….……….…78
11.3. Расчёт и выбор насоса, стоящего на выходе кубового остатка из ёмкости ………………………………………………………………………..78
11.4. Расчёт и выбор насоса, стоящего на выходе дистиллята из ёмкости3……………………………………………………………………….79
Заключение ……………………………………………………………………..…..81
Библиографический список…………………………………………
Рис. 19. Определение числа теоретических тарелок при рабочем флегмовом числе
из рисунка 8 находим число тарелок в верхней части колонны , и в нижней
4.2. Общее
число действительных тарелок
4.3. Высота
колонны
– расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны (10)
–
расстояние между нижней
тарелкой и днищем колонны
5. Определение числа
и размеров колпачков
Согласно выбранной колпачковой тарелки типа ТСК - Р принимаем [21, с. 214]: диаметр парового патрубка колпачка dп = 100 мм = 0,10 м
Количество
колпачков на тарелке:
Высота
части колпачка над паровым патрубком:
Расстояние от нижнего края зубца колпачка до тарелки δ = 15 мм. Высота уровня жидкости над верхним обрезом прорезей колпачка h1 = 30 мм.
Диаметр
колпачка:
Высота
прорезей вычисляют из условий оптимального
барбатажа, соответствующего полному
открытию прорезей для пара:
где ω0 – скорость пара, соответствующая полному открытию прорезей, м/с;
ξ – коэффициент сопротивления колпачковых тарелок, принимаем 1,75.
Средняя
плотность пара и жидкости в колонне:
Количество
прорезей в колпачке:
где
а – расстояние между прорезями,
равное 4 мм
Ширина
прорезей в колпачке – 5 мм.
6.. Расчет гидравлического
сопротивления
Общее гидравлическое сопротивление работы колонны:
ΔР = ΔРсух + ΔРσ + ΔРст
Гидравлическое
сопротивление неорошаемой
где ρу – средняя плотность пара, кг/м3;
ξ –
коэффициент сопротивления
Гидравлическое
сопротивление, обусловленное силами
поверхностного натяжения:
где σ – поверхностное натяжение жидкости, Н/м [21. ХХV];
d0
– эквивалентный диаметр отверстия, м:
П – периметр прорези, м,
S - площадь
поперечного сечения прорези, м2
[3, с. 214].
Гидравлическое
сопротивление жидкостного слоя
на тарелке:
где l – высота прорези, принимаем 70 мм;
k – относительная плотность пены, принимаем 0,5;
е – расстояние от верхнего края прорези до сливного порога, равное 20 мм;
ρx - плотность жидкости, кг/м3;
∆h
– высота слоя над сливной перегородкой,
м:
Vж – объемный расход газовой смеси при рабочих условиях, м3/с:
П – периметр сливной перегородки, м
/с
/с
Для верхней части колонны:
Для
нижней части колонны:
Полное
гидравлическое сопротивление:
Минимальная
скорость пара в отверстиях колпачковой
тарелке:
тарелка работает всеми отверстиями.
Гидравлическое
сопротивление всех тарелок абсорбционной
колонны:
7. . Тепловой
баланс колонны.
Расход
тепла, отдаваемого охлаждающей
воде в дефлегматоре-конденсаторе,
находим по уравнению:
где rD
– удельная теплота конденсации смеси,
Дж/кг.
где rэ-а,
rт - удельные теплоты конденсации
этилацетата и толуола при 105 °С.
Расход тепла, получаемого в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению:
где Qпот. – тепловые потери, принятые в размере 3 % от полезно затрачиваемого тепла;
cР, cW, cF – удельные теплоёмкости, взятые соответственно при tР = 103 °С,
tW
= 108 °С, tF = 77,5 °С.
Расход
тепла в паровом подогревателе
исходной смеси:
где tнач. – начальная температура смеси, равная 20 °С;
1,05 показывает тепловые потери, принятые в размере 5 %;
Расход
тепла, отдаваемого охлаждающей
воде в водяном холодильнике дистиллята:
где tкон.
– конечная температура смеси, равная
25 °С;
Расход
тепла, отдаваемого охлаждающей
воде в водяном холодильнике кубового
остатка:
где tкон.
– конечная температура смеси, равная
25 °С;
Расход греющего пара, имеющего давление рабс. = 4 ат. и влажность 5 %:
а) в
кубе-испарителе:
где rГ.П.
– удельная теплота конденсации греющего
пара, Дж/кг; [1, табл. LVII]
x –
степень сухости греющего пара.
б) в
подогревателе исходной смеси:
Всего:
Расход охлаждающей воды при нагреве её на 20 °С:
а) в
дефлегматоре:
где (tкон. - tнач.) = 20 °С;
сВ – удельная теплоёмкость воды при 20 °С, [21, рис. XI]
ρВ
– плотность воды при 20 °С, [2, табл. IV]
б) в
водяном холодильнике дистиллята:
в) в
водяном холодильнике кубового остатка:
Всего:
Таким образом, наша ректификационная колонна работает эффективно. Производительность колонны исходной смеси равна 8,8 , производительность по дистилляту 0,92 , по кубовому остатку 7,9 . Производительность кубового остатка достаточно велика, что даёт преимущество нашей колонне, так как образуется большое количество чистого толуола, который применяется во многих отраслях промышленности.
Вывод:
В результате расчета у нас получилось,
что высота ректификационной колонны
составляет 8000 мм, ее диаметр – 2000ммм,
это означает, что затраты на оборудование
будут небольшие. Рассчитав рабочее флегмовое
число мы получили, что число тарелок в
колонне составляет 11. Выбранные нами
колпачковые тарелки работают эффективно
и тсабильно. Таким образом, ректификационная
колонна работает эффективно и стабильно
(под атмосферным давлением). Она даёт
большую производительность по кубовому
остатку и требует небольших экономических
затрат.
8. Расчёт
аппарата на прочность.
8.1. Расчёт толщины стенки обечайки.
Выбираем легированную сталь марки 03Х18Н11 [7, табл. 13.1].
Определим
исполнительную толщину тонкостенной
гладкой цилиндрической стенки обечайки,
нагруженной внутренним избыточным
давлением, по формуле:
Так как в нашем случае D ≥ 200 мм, то должно соблюдаться условие:
где Р
– избыточное давление, МПа;
D – диаметр колонны, мм;
– допускаемое напряжение, МПа;
φ – коэффициент прочности сварных швов, φ = 1 (для бесшовных аппаратов);
С –
прибавка к расчётным толщинам, мм.
где П – скорость коррозии, П = 0,1;
ТА
– срок службы аппарата, ТА
= 10 лет.
Определяем допускаемое напряжение для выбранного материала по формуле:
h
где η = 1 коэффициент (так как среда не взрыво- и пожароопасная);
σ* = 133 МПа - нормативное допускаемое напряжение;
Определяем
толщину стенки ректификационной колонны:
Тогда по ГОСТу толщина стенки обечайки S = 5 мм.
8.2. Расчёт толщины днища
Определим толщину стенки эллиптического днища по формуле:
где R
– радиус кривизны в вершине днища;
где H
– высота днища без учёта цилиндрической
отбортовки, для эллиптических днищ с
Тогда принимаем толщину стенки днища равной S = 5 мм.
8.3. Определение толщины тепловой изоляции
Толщину
тепловой изоляции
находят из равенства
удельных тепловых потоков
через слой изоляции
от поверхности изоляции
в окружающую среду:
где αВ = 9,3 + 0,058 . tст2 – коэффициент теплоотдачи от верхней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, ;
tст2 – температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха), для аппаратов, работающих в закрытом помещении, tст2 выбирают в интервале 35- 45 0С, tст2 = 40 0С;
tст1 – температура изоляции со стороны аппарата;
ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции tст1 принимают равной температуре греющего пара tГ.П., при давление греющего пара РГ.П .= 4 ат, тогда tст1 = 142,9 0С;