Схема ректификационной установки. Определение массовых и объемных расходов пара и жидкости вверху и внизу тарельчатой колонны. Гидравлическое сопротивление тарелок. Расчет теплообменных аппаратов: диаметра, изоляционного слоя и стенки корпуса колонны.
Аннотация к работе
Сопоставляя периодически действующую колонну с ректификационной колонной непрерывного действия можно заметить, что первая работает, подобно верхней части непрерывнодействующей колонны, как колонна для укрепления паров, а куб играет роль исчерпывающей части. В такой колонне перелив жидкости с тарелки на тарелку осуществляется при помощи специальных устройств - сливных трубок, карманов и т.д. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Большую часть получаемого бензола используют для синтеза других продуктов: 50 % бензола превращают в этилбензол; 25 % бензола превращают в кумол; приблизительно 10-15 % бензола гидрируют в циклогексан; 10 % бензола расходуется на производство нитробензола; 2-3 % бензола превращают в линейные алкилбензолы; приблизительно 1 % бензола используется для синтеза хлорбензола. Проходя по колонне, она обогащается высококипящим компонентом и спускается в нижнюю часть колонны, откуда один поток жидкости направляется через делитель в куб кипятильник 11, обогреваемый греющим паром, а другой поток, пройдя холодильник 10, выводится в сборник 9 в качестве готового продукта (кубового остатка). ректификационный колонна тарелка теплообменныйДля этого определим высоту слоев жидкости над сливными порогами и глубину барботажа жидкости на тарелках. Высоту слоя жидкости над сливным порогом вычислим по формуле м, где = - объемный расход жидкости через переточные трубы с учетом брызгоуноса, м3/с; П=2,032 м-периметр слива; - относительный унос жидкости, учитываемый в гидравлических расчетах аппарата при GB/LB<2 (кг жидкости)/(кг пара). Определим диаметры штуцеров колонны:-для входа исходной смеси: , где - скорость движения жидкости в штуцере от насоса, - скорость движения жидкости самотеком; - плотность исходной смеси на входе в колонну, находим по формуле -для выхода кубового остатка: , где ?w - плотность кубового остатка на выходе из колонны, определяем из уравнения: , здесь ?Б и ?т-плотности бензола и толуола, кг/м3, при температуре входа жидкости из колонны tw= 109,5 С?; Определим КПД колонны с учетом влияния длинны пути движения жидкости на тарелке: ?=?(1 ?)= 0,61·(1 0,26)= 0,77, где ?=0,26 - поправка на длину пути движения жидкости на тарелке L=3,25 м, (рис.20) [3].Были определены: диаметр колонны равный 600 мм; высота 8 м; количество орошаемых тарелок 18 шт.; толщина изоляционного слоя 0,055 м; толщина стенки корпуса 5 мм.
Введение
Ректификация - массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными аппаратам, используемым в процессах 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, переменный по высоте коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо - и теплопереноса) осложняет его расчет.
Процессы ректификации осуществляется периодически или непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).
Сопоставляя периодически действующую колонну с ректификационной колонной непрерывного действия можно заметить, что первая работает, подобно верхней части непрерывнодействующей колонны, как колонна для укрепления паров, а куб играет роль исчерпывающей части.
Ректификационные колонны предназначены для проведения процессов массообмена в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Колонные аппараты изготавливают диаметром 400-4000 мм для работы под давлением до 1.6 МПА в царговом исполнении корпуса до 4.0 МПА - в цельносварном исполнении. В зависимости от диаметра, колонные аппараты изготавливают с тарелками различных типов. Колонные аппараты диаметром 400-4000 мм оснащают стандартными контактными и распределительными тарелками, опорами, люками, днищами и фланцами. На цельносварном корпусе предусмотрены люки для обслуживания тарелок.
Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема, его стоимость и так далее) ряд требований может определяться спецификой производства, большим интервалом устойчивости работы при изменении нагрузок по фазам, способность тарелки работать в среде загрязнений жидкостей, возможностью защиты от коррозии и так далее. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.
В данной работе проводим расчет тарельчатой колонны со сливной перегородкой. В такой колонне перелив жидкости с тарелки на тарелку осуществляется при помощи специальных устройств - сливных трубок, карманов и т.д. Нижние концы трубок погружены в стакан на нижерасположенных тарелках и образуют гидравлические затворы, исключающие возможность прохождения газа через сливное устройство. Переливные трубки располагают на тарелках так, чтобы жидкость на соседних тарелках протекала во взаимнопротивоположных направлениях.
В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны.
Тарельчатые колпачковые колонны наиболее часто применяют в ректификационных установках. Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования ее уровня на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости. Колпачковые тарелки менее чувствительны к загрязнениям, чем ситчатые, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны. К недостаткам относят: сложность устройства и высокую стоимость, низкие предельные нагрузки по газу, относительно высокое гидравлическое сопротивление, трудность очистки. Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров: диаметр и высота.
Ректификацию будем проводить на колпачковых тарелках. На питание колонны будем подавать исходную смесь (бензол-толуол), подогретую до температуры кипения; флегму будем подавать в виде жидкости при температуре кипения; кубовый остаток будем испарять и подавать в виде насыщенного пара в низ колонны. Температуры кипения растворов близки по значениям, поэтому ожидаем большое число тарелок в колонне для лучшего разделения смеси.
В моем курсовом проекте бинарная смесь представляет систему бензол -толуол.
Бензол (C6H6) - органическое химическое соединение, бесцветная жидкость со специфическим сладковатым запахом. Простейший ароматический углеводород. Бензол входит в состав бензина, широко применяется в промышленности, является исходным сырьем для производства лекарств, различных пластмасс, синтетической резины, красителей. Хотя бензол входит в состав сырой нефти, в промышленных масштабах он синтезируется из других ее компонентов. Токсичен, канцерогенен. Температура плавления = 5,5 °C, температура кипения = 80,1 °C, плотность = 0,879 г/см?, молярная масса = 78,11 г/моль. С воздухом образует взрывоопасные смеси, хорошо смешивается с эфиром, бензином и другими органическими растворителями, с водой образует азеотропную смесь с температурой кипения 69,25 °C (91 % бензола). Растворимость в воде 1,79 г/л (при 25 °C). На сегодняшний день существует три принципиально различных способа производства бензола: коксование каменного угля, каталитический риформинг (в данном процессе кроме бензола образуются толуол и ксилолы), пиролиз бензиновых и более тяжелых нефтяных фракций, тримеризация ацетилена. При пропускании ацетилена при 400 °C над активированным углем с хорошим выходом образуется бензол и другие ароматические углеводороды: 3С2Н2 > С6H6. Значительная часть получаемого бензола используется для синтеза других продуктов.
Применение. Бензол входит в десятку важнейших веществ химической промышленности. Большую часть получаемого бензола используют для синтеза других продуктов: 50 % бензола превращают в этилбензол; 25 % бензола превращают в кумол; приблизительно 10-15 % бензола гидрируют в циклогексан; 10 % бензола расходуется на производство нитробензола; 2-3 % бензола превращают в линейные алкилбензолы; приблизительно 1 % бензола используется для синтеза хлорбензола. В существенно меньших количествах бензол используется для синтеза некоторых других соединений. Изредка и в крайних случаях, ввиду высокой токсичности, бензол используется в качестве растворителя. Кроме того, бензол входит в состав бензина. Ввиду высокой токсичности его содержание новыми стандартами ограничено введением до 1 %
Толуол (С6H5CH3) - метилбензол, бесцветная жидкость с характерным запахом, относится к аренам. Бесцветная подвижная летучая жидкость с резким запахом, проявляет слабое наркотическое действие. Смешивается в неограниченных пределах с углеводородами, многими спиртами и эфирами, не смешивается с водой. Горюч, сгорает коптящим пламенем. Сырье для производства бензола, бензойной кислоты, нитротолуолов (в том числе тринитротолуола), толуилендиизоцианатов (через динитротолуол и толуилендиамин) бензилхлорида и др. органических веществ. Является растворителем для многих полимеров, входит в состав различных товарных растворителей для лаков и красок.
Применение. Применяют толуол в качестве сырья для органического синтеза, высооктановых добавок к моторным топливам, в качестве растворителя в лакокрасочной промышленности для растворения тощих алкидов, кремнийорганических, акриловых смол, полистирола, как основной компонент входит в состав смесовых растворителей (Р-4, Р-4А, Р-5А, 646,647,648, Р-12), применяемых для растворения при изготовлении и нанесении эпоксидных, виниловых, акриловых, нитроцеллюлозных, хлоркаучуковых лакокрасочных материалов.
1.
Технологическая схема ректификационной установки
Принципиальная схема ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол - толуол показана на рис 1.
Рис. 1 Схема ректификационной установки непрерывного действия
Исходная смесь из емкости 1 подается насосом 2 в подогреватель 3, где она нагревается до температуры кипения смеси. Подогретая смесь поступает в ректификационную колонну 4 на так называемую питающую тарелку, которая делит колонну на две части, имеющие различное назначение: в верхней части происходит обогащение паров низкокипящим компонентом, т.е. укрепление паров, поднимающихся снизу вверх восходящим потоком, поэтому верхняя часть колонны называется укрепляющей; в нижней части колонны достигается максимальная степень удаления из жидкости низкокипящего компонента, поэтому она и называется исчерпывающей. Из верхней части колонны пары направляются в дефлегматор 5 воздушного (или водяного) охлаждения, В дефлегматоре пар конденсируется, и образующийся конденсат поступает в сборник 6, откуда насосом подается двумя потоками: один поток, называемый флегмой, возвращается в колонну, другой, охлаждаясь в холодильнике 7, выводится как готовый продукт (дистиллят) в сборник 8. Флегма, представляющая собой практически чистый низкокипящий ком компонент, подается в колонну на орошение для создания устойчивого нисходящего движения потока жидкости. Проходя по колонне, она обогащается высококипящим компонентом и спускается в нижнюю часть колонны, откуда один поток жидкости направляется через делитель в куб кипятильник 11, обогреваемый греющим паром, а другой поток, пройдя холодильник 10, выводится в сборник 9 в качестве готового продукта (кубового остатка). ректификационный колонна тарелка теплообменный
2.
Технологический расчет
Рассчитать тарельчатую и насадочную ректификационные установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол - толуол. Исходные данные: производительность по разделяемой смеси Lf = 5,5 т/ч = 1,527 кг/с. Содержание бензола в исходной смеси Xf = 40 %. Требуемое содержание бензола в дистилляте XD = 96 %, в кубовом остатке XW = 3 %. Исходная смесь, подаваемая в ректификационную колонну, нагревается в подогревателе от тн = 20 °С до температуры кипения. Обогрев кипятильника - насыщенный водяной пар ts=136 o C (Ps = 3,3 бар).
Ректификационная колонна - тарельчатая с колпачковыми тарелками, работает под атмосферным давлением. Конденсация пара в дефлегматоре - полная. Температура охлаждающей воды в холодильниках тн= 23 °С.
2.1 Материальный баланс
Расходы дистиллята LD и кубового остатка LW определим из уравнения материальных балансов: - по потокам 1,527=LD LW;
- по легколетучему компоненту 1,527·0,4= LD·0,96 LW·0,03
кг/с кг/с
Концентрации легколетучего компонента в мольных долях равны: - в исходной смеси =0,44
- дистилляте
-в кубовом остатке где МБ и Мт - мольные массы бензола и толуола.
2.2 Количество орошения и число теоретических тарелок
Для технологического расчета ректификационной колоны необходимо построить зависимость между фазами в координатах у - х и диаграмму t - х, у (рис. 2).
Минимальное флегматическое число определяется:
где Yp - концентрация легколетучего компонента в паровой фазе, равновесной с исходной смесью питания колонны, определяемая по концентрации Xf.
Рабочее флегмовое число, при ?=1,3 равно:
.
Уравнение линии рабочих концентраций верхней (укрепляющей) части колонны при R=2,12 имеет вид
-для верха колонны: .
-для низа колонны: , где F - относительный мольный расход питания. Здесь: .
Эти линии и ступени изменения концентраций построены на диаграмме y-x (рис.2).
Рис. 2 Диаграмма Y-X для определения числа теоретических тарелок
Числа теоретических тарелок в верхней и нижней частях колонны соответственно равны: NT.В=4,9; NT.Н=8,1.
2.3 Материальные потоки
Задачей расчета является определение массовых и объемных расходов пара и жидкости в верхней и нижней частях колонны. Для расчета объемных потоков предварительно найдем средние плотности пара и жидкости, а так же мольные массы пара.
Вычислим средние концентрации бензола в жидкой и паровой фазах: - в верху колонны: ;
;
- в низу колонны: ;
.
По диаграмме t-x,у (рис.3) зная , найдем средние температуры паров в верхней t"ср=81,5 °С и нижней t"ср =100,9°С частях колонны.
Средние мольные массы паров равны: -в верху колоны: кг/кмоль;
-в низу колонны кг/кмоль.
Средние плотности паров соответственно вверху и внизу колонны составляют: ;
.
Найдем плотности жидких бензола и толуола при следующих температурах в колонне: t"ср=81,9 °С, ?"б=817,1 , ?"т=809,9 ;
Теплой поток, отводимый в дефлегматоре при конденсации пара, найдем по формуле: КВТ, где КДЖ/кг, здесь rб и rt- удельные теплоты конденсации бензола и толуола, КДЖ/кг, - удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре КДЖ/кг[1].
Тепловой поток, подводимый в кипятильнике для испарения жидкости при 3% его потерь, определим по выражению:
где к,
1,03 - коэффициент, учитывающий компенсацию потерь тепла в окружающую среду; , , - удельные массовые теплоемкости дистиллята, исходной смеси и кубового остатка, КДЖ/(кг К); , , - соответственно температуры, определенные по диаграмме t-x,у (рис.3), исходной смеси на входе в колонну, дистиллята на выходе из дефлегматора, кубового остатка на выходе из колонны, °С.
Рис.3 Диаграмма t-x,у
Тепловой поток в паровом подогревателе исходной смеси при 5 % потерь в окружающую среду составляет
КВТ,
здесь СБ и СТ - удельные массовые теплоемкости бензола и толуола, КДЖ/(кг·К), при средней температуре в подогревателе исходной смеси, равной: °С.
Тепловой поток, отводимый в холодильнике дистиллята, равен
КВТ, где - температура дистиллята на выходе из холодильника, - удельная массовая теплоемкость дистиллята, , при средней его температуре в холодильнике, равной
°С, .
Тепловой поток, отводимый в холодильнике кубового остатка, составляет
КВТ, где - температура кубового остатка на выходе из холодильника, °С; - удельная массовая теплоемкость кубового остатка , при средней его температуре в холодильнике, которая равна: °С, .
Суммарный поток подогревателя исходной смеси и кипятильника составит: КВТ
Расход греющего пара в установке равен: кг/с, где - удельная теплота конденсации греющего пара, , при температуре ts=136 °С; - степень сухости пара.
Расход охлаждающей воды в установке составляет: , где и - температуры воды на выходе и входе в холодильниках дистиллята и кубового остатка, °С; - плотность воды, ; - удельная массовая теплоемкость воды, .
3. Гидравлический расчет аппарата
3.1 Определение диаметра колонны
Диаметр тарельчатой колонны определяют, исходя из величины рабочего сечения тарелки. Под рабочим сечением тарелки понимают разность площадей поперечных сечений колонны и переливных устройств.
Верх колонны. Для расчета рабочего сечения колонны предварительно определим скорость пара: м/с где ? - фактор вспениваемости жидкости [2];
- коэффициент, определяемый по рис.17. Здесь - расстояние между тарелками колонны, которое рекомендуется в первом приближении выбирать в интервале =300-400 мм [2];
- комплекс, учитывающий соотношение между расходами пара и жидкости в колонне.
По значению вычисленной величины комплекса, равной 0,033, и принятому расстоянию между тарелками =400 мм находим численное значение величины С=0,073 (рис.17) [3].
Рабочее сечение тарелки составляет: м2 . по =0,64 выбираем в ОСТ 26-01-282-74 [4], наиболее близкий диаметр верхней части колонны D=600 мм.
Вывод
В данном курсовом проекте произведен расчет ректификационной установки с колпачковыми тарелками. Были определены: диаметр колонны равный 600 мм; высота 8 м; количество орошаемых тарелок 18 шт.; толщина изоляционного слоя 0,055 м; толщина стенки корпуса 5 мм.
Также рассчитано вспомогательное оборудование: дефлегматор марки 600 ХКГ-4-16-М1-0/25-4-2 гр.Б; кипятильник марки Испаритель 600 ИН-2-6-6-М1-0/3-гр.Б; один холодильник марки 400 ХНГ-6-6-М1-0/20-4-2-гр. Б, другой холодильник марки 400 ХНГ-6-6-М1-0/20-4-2-гр. Б; а так же одноходовой подогреватель 325 ХНГ-40-М1-0/20-3-2-гр. Б.
Список литературы
1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А., Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов - 13-е изд./ Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2006. - 576с.
2. Машины и аппараты химических производств. Примеры и задачи/Под ред. В.Н. Соколова - Л.: Машиностроение, 1982. - 384с.
4. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по курсовому проектированию/ Г.С. Борисов, В.П Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Ю.И. Дытнерского, 4-е изд., стереотипное.- М.: ООО ТИД «Альянс», 2008. - 496с.
5. Криворот А.С. Конструкции и основы конструирования машин и аппаратов химической промышленности. - М.: Машиностроение, 1992. - 400с.
6. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.- М.: ООО ТИД «Альянс», 2005.- 753 с.
7. Сиверский Б.И., Вернидуб В.Д. Методические указания к курсовому проекту «Расчет ректификационной установки» - Новочеркасск, изд. НПИ, 1983. - 40с.
8. Машины и аппараты химических производств/ Под ред. И.И. Чернобыльского М.: Машиностроение, 1975. - 454с.
9. Чернобыльский И.И. «Машины и аппараты химических производств», Москва, изд. 3-е «Машиностроение», 1975. - 456с.