Проектирование ректификационной установки для разделения смеси вода - уксусная кислота

При покупке два чертежа - технологическая схема и теплообменник прилагаются ...

Содержание:

Введение
1. Аналитический обзор
2. Технологическая часть
3. Инженерный расчет
3.1. Технологические расчеты
3.1.1. Материальный баланс нижней частях колонны
3.1.2 Расчет расходов пара и жидкости в верхней и
3.1.3 Расчет теплового баланса колонны
3.2 Выбор основного конструктивного материала
3.3 Гидравлический расчет для ректификационной колонны с решетчатыми тарелками
3.4. Расчет высоты колонны
3.4.1. Определение кинетических параметров (коэффициент массоотдачи числа единиц переноса)
3.4.2 Коэффициент массопередачи
3.4.3. Локальная эффективность тарелки
3.4.4. Определение высоты и гидравлического сопротивления колонны
3.5. Ориентировочный расчет теплообменников
3.5.1. Куб – испаритель
3.5.2. Подогреватель исходной смеси греющим паром
3.5.3. Дефлегматор водяной
3.5.4. Холодильник дистиллята
3.5.5. Холодильник кубового остатка
3.6. Подробный расчет парового подогревателя исходной смеси
Вывод
Список использованной литературы

Введение

Ректификацию применяют в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности для разделения жидких смесей на технически чистые продукты. Этот метод основан на различной летучести составляющих смесь компонентов, т.е. на различии в температурах кипения компонентов при одинаковом давлении. Процесс ректификации осуществляют в аппаратах – ректификационных колоннах. В промышленности наибольшее распространение получили тарельчатые ректификационные колонны с колпачковыми, ситчатыми, клапанными и решетчатыми тарелками.
Через ректификационную колонну противотоком движутся пар и жидкость. Пар идет снизу вверх, жидкость стекает сверху вниз. На каждой тарелке колонны они вступают в контакт благодаря барботажу – прохождению пузырьков и струек пара через слой жидкости на тарелке. Вследствие отсутствия термодинамического равновесия между паром и жидкостью при этом возникают процессы тепло- и массообмена, в результате которых состояние двухфазной системы приближается к равновесному. Пар становится богаче более летучим (низкокипящим), а жидкость – менее летучим (высококипящим). Температура пара падает, жидкости – возрастает.
Пар образуется в кубе-испарителе при кипении жидкости, стекающей в него с нижней тарелки колонны. Концентрация легколетучего компонента как в жидкости, так и в образующемся при её кипении паре низкая. Из куба-испарителя пар поступает в колонну под нижнюю тарелку. По мере продвижения через тарелки пар все в большей степени обогащается легколетучим компонентом. С верхней тарелки пар уходит в конденсатор (дефлегматор), где он полностью конденсируется. Часть образовавшегося конденсата – жидкости с высокой концентрацией более летучего компонента поступает на верхнюю тарелку колонны. Эту жидкость называют флегмой. Остальную жидкость отбирают в качестве верхнего продукта – дистиллята. Флегма, стекая вниз по тарелкам, обедняется более летучим компонентом и приходит в куб-испаритель состоящей в основном из менее летучего компонента. Часть этой жидкости отбирают в качестве нижнего продукта – кубового остатка. Исходную бинарную смесь (питание) подают на одну из тарелок средней части колонны, на которой состав жидкости близок к составу питания.
Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной смеси состава XF (GF) на дистиллят GD с высоким содержанием более летучего компонента XD и кубовый остаток GW с малой его концентрацией XW. Концентрации XD и XW получаемых продуктов разделения зависят от числа тарелок в колонне и от режима ее работы.
Для обогрева испарителей ректификационных колонн наиболее часто применяют насыщенный водяной пар, реже – электронагрев, топочные газы и высокотемпературные органические теплоносители. Охлаждение дефлегматоров производят чаще всего водой, реже – атмосферным воздухом.

(3.38)
кДж/кгК
(3.39)
кДж/кгК
(3.40)
кДж/кгК
Тогда:
кВт
кВт
Расход греющего пара, подаваемого в куб колонны:
(3.41)
где Gгр.п. – расход греющего пара, кг/с;
rгр.п. - удельная теплота парообразования, кДж/кг
Из уравнения (3.41) следует, что:
кг/с
Tгр.п=142,15 С
3.2 Выбор основного конструктивного материала
В качестве основного конструкционного материала узлов и деталей теплообменных и колонных аппаратов выберем сталь марки 12Х18Н10Т. Это углеродистая высоколегированная коррозионностойкая сталь І группы (хромоникелевая). Она применяется в среднеагресивных средах, отличается высокой прочностью и термостойкостью.
Характеристики стали 12Х18Н10Т:
а) скорость коррозии в рабочей среде
П < 0.1·10-3 м/год;
б) предельные значения температуры по условиям морозоустойчивости и термостойкости tmin = -253°C, tmax = 600°C.
3.3 Гидравлический расчет для ректификационной колонны с решетчатыми тарелками
Гидравлический расчет решетчатых тарелок начинают с определения рабочей скорости пара (газа). При этом необходимо отметить две особенности:
во-первых, рабочая скорость пара (газа) для решетчатых тарелок принимается равной скорости пара (газа) в сечении колонны, т.е. Sраб = S = 0.785D2, несмотря на то, что диаметр тарелки несколько меньше, чем внутренний диаметр колонны
во-вторых, рабочая скорость пара (газа) должна находиться в области устойчивой работы решетчатой тарелки
Для определения рабочей скорости пара (газа) выберем следующую формулу:
где wпр – предельная скорость пара (газа), м/с. dэкв – эквивалентный диаметр щели (удвоенная величина ширины щели: для b = 6 мм dэкв = 0.012 м), м. ω – относительное свободное сечение тарелки. μx – динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с. В – коэффициент, равный 2.95 для нижнего и 10 для верхнего пределов работы тарелки. μВ – динамический коэффициент вязкости воды при температуре равной 20°С.
Для предварительного расчета величины wпр задаются ω = 0.15 и В = 6 и определяют рабочую скорость пара (газа), а затем – рабочую скорость w = 0.8·wпр
а) для верхней части колонны:
м/с
б) для нижней части колонны:
м/с
Диаметр колонны определим по объемному расходу пара (газа):
(3.42)
где Vy – объемный расход пара(газа), м3/с; w – скорость пара(газа) в колонне, м/с
а) для верхней части колонны:
м
б) для нижней части колонны:
м
Результат округляют до ближайшего стандартного значения D = 1,8 м. Далее уточняют скорость пара (газа) по уравнению:
(3.43)
При расчете процесса ректификации, как правило, выбирают один и тот же диаметр колонны для обеих частей: верхней и нижней.
Скорректируем коэффициент В с учетом найденной рабочей скорости пара (газа) по соотношению
(3.44)
где В1 – предварительно принятое значение коэффициента при соответствующих значениях предельной скорости пара (газа) wпр1 свободного сечения тарелки ω1; w – скорость пара (газа) для выбранной стандартной колонны, м/с; ω – относительное свободное сечение тарелки для выбранной стандартной колонны.
Для выбранной стандартной колонны должно быть выполнено условие: 2.95<B<10.
а) для верхней части колонны:
м/с
а) для нижней части колонны:
м/с
Высота газожидкостного (барботажного) слоя рассчитывается по следующим формулам:
(3.45)
где - критерий Фруда (оптимальный); w0 – скорость пара (газа) в свободном сечении (щелях) тарелки, м/с; hг-ж – высота газожидкостного (барботажного) слоя, м; С – коэффициент.
Коэффициент С определяется по соотношению:
(3.46)
где U – плотность орошения, м3/(м2с); μx – динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с; σ – поверхностное натяжение, Н/м.
В уравнении подставляется уточненный коэффициент В. Скорость пара (газа) в щелях определяется по уравнению:
w0 = w/ω (3.47)
Плотность орошения (приведенная скорость жидкости) U рассчитывается по формуле:
(3.48)
где Lx – расход жидкости, кг/с; S – площадь поперечного сечения выбранной колонны, м2
а) для верхней части колонны:

w0В = 1.295/0.15 = 6,476 м/с
м
б) для нижней части колонны:

w0Н = 1.327/0.15 = 6,637 м/с
м
Высота светлого слоя жидкости h0 определяется по соотношению:
(3.49)
Величина газосодержания ε рассчитывается по соотношению:
(3.50)
а) для верхней части колонны:
м
а) для нижней части колонны:
м
Гидравлическое сопротивление тарелки рассчитывается по уравнению
(3.51)
ΔР = ΔР1 + ΔР2 (3.52)
(3.53)
(3.54)
где ΔР – гидравлическое сопротивление тарелки, Па; ζ = 1.4 – коэффициент гидравлического сопротивления сухой тарелки; β – безразмерный коэффициент; τ – доля площади отверстий, занятая стекающей жидкостью; σ – поверхностное натяжение, Н/м; dэкв – эквивалентный диаметр щели (удвоенная величина ширины щели), м.
Величина τ рассчитывается по уравнению.
Необходимо отметить, что величины гидравлических сопротивлений, рассчитанные по разным формулам, могут значительно отличаться друг от друга.
а) для верхней части колонны:
Па
Па
ΔРВ = 99,459 + 49,211 = 148,67 Па
б) для нижней части колонны:
Па
Па
ΔРН = 148,735 + 76,112 = 224,847 Па
Брызгоунос рассчитывается по формуле:
(3.55)
где hc – высота сепарационного пространства, м; w – рабочая скорость пара (газа), м/с; к – поправочный коэффициент.
Высота сепарационного пространства hc определяется по соотношению:
(3.56)
где h – расстояние между тарелками, м; h0 – высота светлого слоя жидкости, м.
Поправочный коэффициент k определяется по соотношению:
(3.57)
а) для верхней части колонны:
м
б) для нижней части колонны:
м
Основные характеристики выбранной решетчатой тарелки:
Диаметр тарелки D = 1,8 м
Расстояние между тарелками h = 0.3 м
Диаметр отверстий d0 = 0.008 м
Относительное свободное сечение тарелки ω = 15%
3.4. Расчет высоты колонны
3.4.1. Определение кинетических параметров (коэффициент массоотдачи числа единиц переноса)
Независимо от того, каким способом находятся число реальных тарелок или ступеней, необходимо определить коэффициенты массоотдачи.
Коэффициент массоотдачи βyf можно рассчитать по следующему соотношению:
(3.58)
где - диффузионный критерий Пекле, wp – рабочая скорость пара (газа), для решетчатой тарелки wp = w, м/с; hг-ж – высота газожидкостного (барботажного) слоя, м; Dy – коэффициент диффузии для паровой (газовой) фазы, м2/с.
Уравнение удовлетворительно отвечает опытным данным для тарелок различных типов: колпачковых, ситчатых и решетчатых.
Также в случае расчета решетчатых (провальных) тарелок рекомендуется находить βyf из следующих критериальных уравнений:
(3.59а)
(3.59б)
где - диффузионный критерий Нуссельта; - диффузионный критерий Прандтля; - критерий Вебера;
h0 - высота светлого слоя жидкости, м;
σ – поверхностное натяжение, Н/м.
В уравнении ; в уравнении где w0 – скорость пара (газа) в щелях тарелки, м/с.
Менее надежно для расчета решетчатых тарелок соотношение:
где ω – относительное свободное сечение тарелки; ε – газосодержание; h0 – высота светлого слоя жидкости, м;
Коэффициент массоотдачи βyf в уравнениях (36)-(39) имеет размерность м/с;
Коэффициент массоотдачи βхf (м/с) можно рассчитать по следующему соотношению:
где - диффузионный критерий Пекле; hг-ж – высота газожидкостного (барботажного) слоя, м; Dx – коэффициент диффузии для жидкой фазы, м2/с; U – приведенная плотность орошения, м3/(м2с).
а) для верхней части колонны:
б) для нижней части колонны:
рр
3.4.2 Коэффициент массопередачи
Коэффициенты массопередачи Kyf и Kxf определяют по уравнениям аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:
(3.60)
(3.61)
где Kyf и Kxf коэффициенты массопередачи соответственно по паровой (газовой) и жидкой фазам, отнесенные к единице рабочей площади тарелки; βxf – коэффициенты массоотдачи соответственно по паровой (газовой) и жидкой фазам, отнесенным к единице рабочей площади тарелки; m – тангенс угла наклона равновесной линии.
а) для верхней части колонны:
б) для нижней части колонны:
3.4.3. Локальная эффективность тарелки
Локальная эффективность Е0 зависит от модели структуры потока, принятой для паровой (газовой) фазы (для жидкой фазы предполагается полное перемешивание):
(3.62)
где n0y – общее число единиц переноса по паровой (газовой) фазе на тарелке.
Общее число единиц переноса n0y можно рассчитать по уравнению:
(3.63)
где nx и ny – число единиц переноса по паровой (газовой) и жидкой фазам на тарелке; m и l – тангенсы угла наклона соответственно равновесной и рабочей линии.
Частные числа единиц переноса nx и ny определяются либо по эмпирическим формулам, либо по уравнениям:
(3.64)
(3.65)
где βyf и βxf – коэффициенты массоотдачи по паровой (газовой) и жидкой фазам, отнесенные к единице рабочей площади тарелки, м/с; wp – рабочая скорость пара (газа), отнесенная к единице рабочей площади тарелки, м/с; U – приведенная плотность орошения, м3/(м2с)
а) для верхней части колонны:
б) для нижней части колонны:
3.4.4. Определение высоты и гидравлического сопротивления колонны
Общая высота колонны включает высоту ее тарельчатой части НТ, и определяется по формуле:
H = HT + zB + zH (3.66)
где zB и zH – расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.
В соответствие со значением диаметра колонны выбираем zB = 1.0, zH = 2.0
Н = 6.6 + 1.0 + 2.0 = 9.6 м
Гидравлическое сопротивление колонны ΔРК для процесса ректификации в простой полной колонне определяются по формуле:
ΔРК= ΔРТВ·nB + ΔРТН·nH (3.67)
где ΔРТВ и ΔРТН – гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны.
ΔРК = 4.987*10^4·18 + 3.352*10^4·5 = 1.065*10^6 Па
3.5. Ориентировочный расчет теплообменников
3.5.1. Куб – испаритель
Исходные данные: QK = 4.349*10^3 кВт, tw = 115.4°C, давление греющего пара рг.п. = 1.5 атм(изб)
Температура греющего пара tг.п. = 142.15°С
Δt = tг.п. + tW
Δt = 142.15 – 115.4 = 26.75°С
Ориентировочный (минимальный) коэффициент теплопередачи Кор при теплообмене от конденсирующегося пара к кипящей жидкости:
Кор = 700 Вт/м2К
Тогда поверхность теплообмена определим по формуле:
Q = K·F·Δtcp (3.68)
где Q – расход передаваемой теплоты, Вт
K – коэффициент теплопередачи, Вт/м2К
F – площадь поверхности теплопередачи, м2
Δtcp – средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, К
Из (3.70) следует, что:
(3.68a)
м2
Запас поверхности:
По ориентировочной поверхности теплообмена выбираем куб испаритель одноходовой 20*2 с длиной труб l = 6м, n=717, диаметром кожуха D = 800мм, с поверхностью теплообмена F = 270м2 (запас поверхности 16.3%)
3.5.2. Подогреватель исходной смеси греющим паром
Исходные данные: GF = 2.22 кг/с, хF = 0.2 (масс), tF = 110.1°С, tCMH = 15°С, Рг.п. = 1.5 атм(изб)
Температура греющего пара: tг.п. = 126.25°С
Δtм = 142.15 – 110.1 = 32.05°С
Δtб = 142.15 – 15 = 127.15°С
1 – горячий теплоноситель (пар)
2 – холодный теплоноситель (С2Н5ОН+Н2О)
tcp1 = 142.15°C
tcp2 = 142.15 – 69.03 = 73.137°C
Определим теплоемкость смеси при tcp2:
сА2 =4.19 кДж/кгК
сВ2 =2.29 кДж/кгК
кДж/кгК
кВт
Корmin = 650 Вт/м2К
М2
Расход пара:
кг/с
Запас поверхности:
По ориентировочной поверхности теплообмена выбираем подогреватель одноходовой 20*2 с длиной труб l=4м, n=389, диаметром кожуха D = 600мм, с поверхностью теплообмена F = 98м2 (запас поверхности 24.4%)
3.5.3. Дефлегматор водяной
Исходные данные: Qд = 153.435 кВт, tD = 100.3°С, tBH = 15°С,
tBK = 20°С
Δtм = 100.3 – 20 = 80.3°С
Δtб = 100.3 – 15 = 85.3°С
1 – пар, конденсирующийся в межтрубном пространстве
2 – вода, нагревающаяся в трубном пространстве
tcp1 = 100.3°C
tcp2 = 100.3 – 83.333 = 16.967°C
Теплоемкость воды при tcp2:
кДж/кгК
Кор = 650 Вт/м2К

м2
Расход воды:
кг/с
Запас поверхности:
По ориентировочной поверхности теплообмена выбираем конденсатор одноходовой 20*2 с длиной труб l=4м, n=389, диаметром кожуха D = 600мм, с поверхностью теплообмена F = 98м2 (запас поверхности 22.1 %)
3.5.4. Холодильник дистиллята