Расчет массообменного аппарата (непрерывная ректификационная установка).

Содержание

Введение
1 Описание процесса ректификации
2 Устройство ректификационных аппаратов
3 Описание технологической схемы ректификационной установки
4 Таблица физико-химических свойств веществ
5 Расчет тарельчатой ректификационной колонны.
5.1 Определение производительности по дистилляту и кубовому остатку.
5.2 Определение молярных концентраций исходной смеси, дистиллята и кубового остатка
5.3 Определение минимального флегмового числа
5.4 Определение оптимального флегмового числа
5.5 Определение потоков пара по колонне
5.6 Определение диаметра колонны и основных характеристик контактного устройства
5.7 Выбор типа и гидравлический расчет контактного устройства
5.8 Определение кинематических коэффициентов.
5.9 Построение кинетической кривой и определение числа тарелок
5.10 Определение гидравлического сопротивления колонны
6. Расчет проходного диаметра штуцеров колонны и выбор фланцев.
6.1 Штуцер для входа исходной смеси
6.2 Штуцер для выхода пара в дефлегматор
6.3 Штуцер для входа флегмы в колонну
6.4 Штуцер для выхода кубовой жидкости
6.5 Штуцер для входа пара из кипятильника
6.6 Изготовление штуцеров и выбор фланцев.
7 Выбор насосов
7.1 Насос для подачи исходной смеси
7.2 Насос для подачи флегмы в колонну и насос для подачи дистиллята в холодильник
8 Расчет кожухотрубчатого конденсатора (дефлегматора)
8.1 Определение данных для расчета
8.2 Тепловой расчет
8.3 Расчет трубных решеток и фланцев кожуха.
9 Расчет и выбор теплообменников
9.1 Кипятильник
9.2 Холодильник
9.3 Рекуператор
9.4 Подогреватель
10 Тепловой баланс процесса ректификации
Выводы
Список литературы

Расчет массообменного аппарата (непрерывная ректификационная установка).

Сечение перелива 0,269 (м2);
Относительная площадь для прохода паров Fс=10,9(%);
Масса 118,3 (кг).
4.7 Гидравлический расчет контактного устройства
,
где - общее гидравлическое сопротивление тарелки;
- гидравлическое сопротивление сухой тарелки;
- сопротивление от сил поверхностного натяжения;
- статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке;
Определяем сопротивление сухой тарелки:
,
где - коэффициент сопротивления для тарелки;
- скорость пара в прорезях колпачка.
Определяем сопротивление от сил поверхностного натяжения:
,
где - эквивалентный диаметр.
Определяем статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке:
,
где - высота барботажа на тарелке;
Определяем общее гидравлическое сопротивление:
Проверка принятого расстояния между тарелками:
Принятое межтарельчатое расстояние соответствует заданному условию.
Определяем гидравлическое сопротивление колонны:
, где N – число тарелок. (10)
4.8 Построение кинетической кривой, определение числа тарелок и расчет высоты колонны
Принимая отношение периметра переливного порога к диаметру колонны , находим центральный угол сегмента, занятого переливным устройством:
Определяем площадь, занятую сливным устройством:
Определяем рабочую площадь тарелки:
Определяем число единиц переноса на тарелку при средней температуре пара 80,5 С:
Определяем число единиц перенося на тарелку для жидкой фазы:
для верхней части колонны:
для нижней части колонны:
Определяем число тарелок. Отношение :
Для верхней части колонны:
Для нижней части колонны:
Гидравлическое сопротивление ректификационного тарельчатого аппарата и, как его элемента, отдельной тарелки является важным показателем работы, определяющим минимальное расстояние между тарелками и работу переливного устройства.
Все расчетные данные приведены в таблице.
х
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,142
0,066
0,06
0,046
0,035
0,03
0,033
0,057
0,08
0,122
0,125
0,082
0,191
0,06
m
2,5
0,8
0,5
0,4
0,04
0,2
0,5
101,01
114,3
117,1
118,1
118,1
119,9
117,1
0,0533
0,0218
0,0193
0,0146
0,0111
0,0091
0,0106
; ;
Определяем рабочую площадь тарелки:
Определяем мольный расход пара по колонне:
.
На диаграмме Y–X (рис. 3) откладываем (Y*-Yк) от равновесной линии вниз. Полученные точки соединяем плавной линией. Построенная кривая является кинетической кривой.
Число реальных тарелок, которое обеспечивает заданную четкость разделения, находим путем построения ступенчатой линии между рабочей и кинетической линиями. Построение ступенчатой линии проводим от концентраций Xf, Xp и от Xf, Xw.
Число ступеней в пределах концентраций Xf÷Xp равно числу реальных тарелок в укрепляющей секции колонны. Число ступеней в пределах концентраций Xf÷Xw равно числу реальных тарелок исчерпывающей секции колонны.
В результате построения получаем:
число реальных тарелок в укрепляющей секции колонны – 4;
число реальных тарелок в исчерпывающей секции колонны –6;
общее число тарелок – 10.
Общее число действительных тарелок
Расчет высоты колонны:
,
где - расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой.
Для .
5 Расчет кожухотрубчатого конденсатора (дефлегматора)
Кожухотрубчатые конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогрева жидкостей и газов за счет теплоты конденсации пара. В соответствии с ГОСТ 15121-79, конденсаторы могут быть 2-, 4-, 6-ходовыми по трубному пространству.
(кг/с)
Количество пара (кг/с)
Температура конденсации ºС
Физико-химические свойства конденсата при температуре конденсации:(Дж/кг), (Дж/кг).
(Дж/кг)
(Вт×м/К)
(Вт×м/К)
(Вт×м/К).
(кг/м3)
(кг/м3)
(кг/м3)
(спз)
(спз)
(Па×с)
Принимаем температуру воды на выходе из конденсатора – 39 ºС.
Тепло конденсации отводим водой с начальной температурой – 20 ºС.
Физико-химические свойства воды при средней температуре ºСследующие:
(Дж/(кг×К));
(Вт×м/К);
(кг/м3);
(Па×с);
;
Тепловая нагрузка аппарата: (Вт).
Расход воды: (кг/с).
Средняя разность температур: ºС.
Принимаем, что (Вт/м2×К)
Определяем ориентировочное значение поверхности: (м2).
Наиболее близкую к ориентировочной поврхность теплопередачи имеет нормализованный аппарат с доиной труб по ГОСТ 15121-79 (м), (м2), (м2).
Определяем гидравлическое сопротивление ():
(Па)
Штуцер для подачи пара: (мм)
Штуцер для отвода конденсата: (мм)
Штуцер для охлаждения воды: (мм)
Штуцер для соединения с атмосферой: (мм)
По ГОСТ 1255-67 по диаметрам составных частей аппарата выбираем фланцы (исполнение 1):
Таблица 2
150
260
225
202
161
13
18
М16
3
8
400
535
495
465
426
18
23
М20
5
16
20
90
65
50
26
10
12
М10
1
4

Теперь произведем расчет толщины стенки дефлегматора:
(м), (МПа), (м)
Коэффициент ослабления днища
(мм)
6 Расчет и выбор штуцеров
1) Расчет штуцера для подачи исходной смеси
(м/с)
ºС
(кг/м3)
(кг/м3)
(кг/м3)
(мм)
По ОСТ 26-1401-76 выбираем:
(мм)
(мм)
(мм)
(мм)
(МПа)
Штуцер 50-1-155-ВСт3сп4-10.
2) Расчет штуцера для подачи флегмы
(м/с)
ºС
(МПа)
(кг/м3)
(кг/м3)
(кг/м3)
(мм)
По ОСТ 26-1401-76 выбираем:
(мм)
(мм)
(мм)
(мм)
(МПа)
Штуцер 25-1-155-ВСт3сп4-10.
3) Расчет штуцера для подачи пара
(м/с)
(МПа)
(кг/м3)
(мм)
По ОСТ 26-1401-76 выбираем:
(мм)
(мм)
(мм)
(мм)
(МПа)
Штуцер 300-1-190-ВСт3сп4-10.
4) Расчет штуцера для отвода пара
(м/с)
(МПа)
(кг/м3)
(мм)
По ОСТ 26-1401-76 выбираем:
(мм)
(мм)
(мм)
(мм)
(МПа)
Штуцер 200-1-160-ВСт3сп4-10.
5) Расчет штуцера для отвода кубового остатка
(м/с)
(МПа)
ºС
(кг/м3)
(кг/м3)
(кг/м3)
(мм)
По ОСТ 26-1401-76 выбираем:
(мм)
(мм)
(мм)
(мм)
(МПа)
Штуцер 20-1-155-ВСт3сп4-10.
7 Выбор фланцев
По ГОСТ 1255-67 по диаметрам составных частей аппарата выбираем фланцы (исполнение 1)
Таблица 3
50
140
110
90
59
10
14
М12
2
4
25
100
75
60
33
10
12
М10
2
4
300
435
395
365
325
18
23
М20
4
12
200
315
280
258
222
15
18
М16
3
8
20
90
65
50
26
10
12
М10
2
4
8 Механический расчет
8.1 Расчет колонны и элементов опоры из условий прочности и устойчивости
8.1.1 Расчет обечайки, работающей под внутренним давлением
Определяем расчетное давление в нижней части обечайки с учетом гидростатического давления столба жидкости:
(м)
Принимаем, что (МПа)
Номинальное допускаемое напряжение для Ст.3 (МН/м2)
(МН/м2)
Номинальная расчетная толщина обечайки: (мм)
(мм)
Рассчитываем толщину стенки обечайки из условия устойчивости:
(мм)
(мм).
Принимаем, что (мм)
Определяем допустимое давление в обечайке
(МН/м2)
8.1.2 Расчет эллиптического днища, работающего под внутренним давлением
Определяем коэффициент ослабления днища отверстиями
Определяем номинальную расчетную толщину стенки днища
(мм)
Определяем общую прибавку к номинальной расчетной толщине стенки
(мм)
Определяем толщину стенки днища с учетом прибавок
(мм)
Принимаем, что (мм)
Определяем допустимое давление в днище:
(МН/м2)
Выбираем стандартное днище: Днище 1600×10-40-Ст.3 ГОСТ 6533-68.