Спроектировать ректификационную установку для разделения смеси ацетон -вода

Введение
1 Описание процесса ректификации
2 Устройство ректификационных аппаратов
3 Описание технологической схемы ректификационной установки
4. Расчет тарельчатой ректификационной колонны.
4.1 Определение производительности по дистилляту и кубовому остатку.
4.2 Определение молярных концентраций исходной смеси, дистиллята и кубового остатка
4.3 Определение минимального флегмового числа
4.4 Определение оптимального флегмового числа
4.5 Определение потоков пара по колонне
4.6 Определение диаметра колонны и основных характеристик контактного устройства
4.7 Выбор типа и гидравлический расчет контактного устройства
4.8 Определение кинематических коэффициентов.
4.9 Построение кинетической кривой и определение числа тарелок
4.10 Определение гидравлического сопротивления колонны
5. Расчет проходного диаметра штуцеров колонны и выбор фланцев.
5.1 Штуцер для входа исходной смеси
5.2 Штуцер для выхода пара в дефлегматор
5.3 Штуцер для входа флегмы в колонну
5.4 Штуцер для выхода кубовой жидкости
5.5 Штуцер для входа пара из кипятильника
5.6 Изготовление штуцеров и выбор фланцев.
6. Выбор насосов
6.1 Насос для подачи исходной смеси
6.2 Насос для подачи флегмы в колонну и насос для подачи дистиллята в холодильник
7. Расчет кожухотрубчатого конденсатора (дефлегматора)
7.1 Определение данных для расчета
7.2 Тепловой расчет
7.3 Расчет трубных решеток и фланцев кожуха.
8. Расчет и выбор теплообменников
8.1 Кипятильник
8.2 Холодильник
8.3 Рекуператор
8.4 Подогреватель
9. Тепловой баланс процесса ректификации
Выводы
Список литературы

Так как жидкость выходит самотеком, принимаем 0,3 м/с.
Принимаем диаметр штуцера dк = 300 мм.
5.5 Штуцер для входа пара из кипятильника
где: Vц – объемный расход пара, выходящего из кипятильника, м3/с;
Gц – массовый расход циркуляционного пара, кг/с;
Gкуб = Gw
(п – плотность пара из кипятильника, кг/м3;
Mср – молярная масса пара;
Wц – скорость входа потока пара из кипятильника, принимаем 30 м/с.
Принимаем диаметр штуцера dц = 400 мм.
5.6 Изготовление штуцеров и выбор фланцев.
Для упрощения конструктивных деталей колонны, будем изготовлять штуцера из отрезков труб соответствующих диаметров. Внешний вылет штуцеров составляет ( 1.5 от диаметра штуцера, внутренний - ( 0.3. Чтобы предупредить попадание жидкости во внутреннее пространство штуцера, подающего циркуляционный пар, труба, из которой он изготовлен, обрезается под углом книзу.
К выступающим отрезкам труб привариваются фланцы плоские стальные.
6. Выбор насосов
6.1 Насос для подачи исходной смеси
Выбираем центробежный насос марки Х45/31.

6.2 Насос для подачи флегмы в колонну и насос для подачи дистиллята в холодильник
Выбираем центробежный насос марки Х45/31.
7. Расчет кожухотрубчатого конденсатора (дефлегматора)
7.1 Определение данных для расчета
Молярный расход паров:
Массовый расход паров:
где: Мср – молярная масса пара, равная 78.364;
Удельная теплота конденсации смеси: r = 519.6 кДж/кг;
Температура конденсации: 80.5 о С;
Свойства конденсата при температуре конденсации:
Плотность:
Динамическая вязкость:
Коэффициент теплопроводности:
Тепло конденсации отводим водой с начальной температурой:
Примем температуру воды на выходе из конденсатора:
При средней температуре t = 20 о С воды имеет следующие свойства:
Плотность:
Теплоемкость:
Теплопроводность:
Динамическая вязкость:
Прандтль:
7.2 Тепловой расчет
Тепловая нагрузка аппарата:
Расход воды:
Средняя разность температур:
Ориентировочное значение поверхности:
Примем значение коэффициента теплоотдачи К = 500 Вт/м2К, тогда:
По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991г., «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения» принимаем наиболее близкий к ориентировочному значению площади поверхности конденсатор КНГ: двухходовой, с одной плоской и одной эллиптической крышкой, диаметром кожуха 800 мм, длиной труб – 4000мм, диаметром труб 25х2 мм и поверхностью теплообмена 138 м2.
Проводим тепловой расчет выбранного конденсатора.
Число Рейнольдса:
Коэффициент теплоотдачи к воде:
Коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося в пучке горизонтальных труб:
Сумма термодинамических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений со стороны воды и пара:
Коэффициент теплопередачи:
Требуемая поверхность теплообмена:
Имеем запас по площади:
Толщину обечайки кожуха дефлегматора по рекомендации каталога ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991г., «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения» принимаем 10 мм.
Диаметры штуцеров для входа и выхода охлаждающей воды по каталогу – 250 мм. Диаметр штуцера для входа пара и соответствует штуцеру выхода пара из колонны, а штуцер для слива конденсата соответствует штуцеру для входа флегмы.
7.3 Расчет трубных решеток и фланцев кожуха.
Толщина трубной решетки, исходя из закрепления труб развальцовкой с обваркой, определяется из условия:
где: dн – наружный диаметр трубы, равный 25 мм;
tр – шаг между трубами, равный 43 мм.
В соответствии с ГОСТ 28759.2–90 «Фланцы сосудов и аппаратов плоские приварные» для конденсатора с D = 800 мм и Ру = 0.6 Мпа толщина фланцев равна 40 мм. Так как фланцы у нас являются одной деталью с трубной решеткой, то толщина ее, соответственно, тоже 40 мм.
8. Расчет и выбор теплообменников
8.1 Кипятильник
Расход пара, кг/с:
Коэффициент теплопередачи, Вт/м2К:
Температура жидкости, оС:
Температура греющего пара, оС:
Удельная теплота парообразования смеси, кДж/кг:
Удельная теплота конденсации воды, кДж/кг:
Тепловая нагрузка аппарата, Вт:
Расход греющего пара, кг/с:
Средняя разность температур, оС:
Площадь поверхности теплообмена:
По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991г., «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения», выбираем испаритель ИН-1 одноходовой с площадью теплообмена 41 м2. Диаметр кожуха - 600 мм, длина труб – 2000мм, количество – 131шт.
8.2 Холодильник
Расход дистиллята, кг/с:
Коэффициент теплопередачи, Вт/м2К:
Температура дистиллята, оС:
Температура охлаждающей воды, оС:
Теплоемкость воды, Дж/кгК:
Тепловая нагрузка аппарата, Вт:
Расход охлаждающей воды, кг/с:
Средняя разность температур, оС:
Площадь поверхности теплообмена, м2:
По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991г., «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения», выбираем холодильник ХК двухходовой с площадью теплообмена 24 м2. Диаметр кожуха - 426 мм, длина труб – 3000 мм.
8.3 Рекуператор
Расход греющей жидкости (кубовая жидкость), кг/с:
Расход обогреваемой жидкости (исходная смесь), кг/с:
Коэффициент теплопередачи, Вт/м2К:
Температура исходной смеси, оС:
Температура кубовой жидкости, оС:
Теплоемкость исходной смеси:
Теплоемкость кубовой жидкости:
Тепловая нагрузка аппарата:
Конечная температура исходной смеси:
Средняя разность температур:
Площадь поверхности теплообмена:
По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991г., «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения», выбираем теплообменник одноходовой с площадью теплообмена 77 м2. Диаметр кожуха - 600 мм, длина труб – 3000 мм.
8.4 Подогреватель
Расход исходной смеси, кг/с:
Коэффициент теплопередачи, Вт/м2К:
Температура жидкости, оС:
Температура греющего пара, оС:
Удельная теплота конденсации воды, кДж/кг:
Тепловая нагрузка аппарата, Вт:
Расход греющего пара, кг/с:
Средняя разность температур, оС:
Площадь поверхности теплообмена:
По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991г., «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения», выбираем теплообменник двухходовой с площадью теплообмена 51 м2. Диаметр кожуха - 600 мм, длина труб – 3000 мм.
9. Тепловой баланс процесса ректификации
Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6
Q1 = 3154000 - тепло, поступающее в кипятильник ректификационного аппарата с греющим паром, Вт.
Q2 = 1286600 - тепло, поступающее с разделяемой смесью, Вт.
Q3 = 428900 - тепло, поступающее с флегмой, Вт.
Q4 = 3849000 - тепло, уходящее с парами, Вт.
Q5 = 102298 – тепло, уходящее с остатком, Вт.
Q6 – тепло, выделяемое в окружающую среду.
Q6 = Q1 + Q2 + Q3 - Q4 - Q5 = 918202 Вт.
Для снижения тепловых потерь возможно применение тепловой изоляции как на колонне и теплообменниках, так и на трубопроводах.
Выводы
Как известно, ректификация – это массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаях в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными 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 верхний частях колонны, переменный по высоте коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.
Одна из сложностей, с которой встречаются проектировщики, заключается в том, что в литературе отсутствуют обобщенные закономерности для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 (мм), с насадками и тарелками, широко применяемыми в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчетов ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании абсорбционных процессов.
Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (такими как высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и др.) ряд требований может определятся спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способностью тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии и т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющим пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.
Размеры тарельчатой колонны (диаметр и высота) определяются нагрузками по пару и жидкости, типом контактного устройства (тарелки), физическими свойствами взаимодействующих фаз.
Целью проектного расчета ректификационной колонны для разделения смеси ацетон-вода являлось определение диаметра колонны, числа контактных устройств в укрепляющей и исчерпывающей частях колонны, гидравлического сопротивления тарелки и колонны в целом, при заданных составах исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, расходе исходной смеси и давлении в колонне.
Проведенные расчеты позволили установить:
диаметр колонны ;
число контактных устройств – ситчатых тарелок – в укрепляющей части колонны – 11 (шт.);
число контактных устройств – ситчатых тарелок – исчерпывающей части колонны – 15 (шт.);
гидравлическое сопротивление тарелки ;
гидравлическое сопротивление колонны .
диаметр штуцера для входа исходной смеси в колонну dи=100 (мм);
диаметр штуцера для выхода пара в дефлегматор dп=400 (мм);
диаметр штуцера для входа флегмы в колонну dф=100 (мм);
диаметр штуцера для выхода кубовой жидкости dк=300 (мм);
диаметр штуцера для входа пара из кипятильника dц=400 (мм);
для подачи исходной смеси, флегмы в колонну и дистиллята в холодильник используются центробежные насосы Х45/31;
тепловой баланс процесса ректификации Q=918202 (Вт).
При данных параметра разделение смеси ацетон-вода в спроектированной ректификационной установке будет происходить наиболее оптимально, и заданная производительности по исходной смеси будет достигнута.
Список литературы
Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. – М.: Химия, 1978.
Артамонов Д.С., Орлов В.Н. Расчет тарельчатой ректификационной колонны: Методические указания. – М.: МИХТ, 1981.
Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. – М.: Химия, 1991.
Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. рановесие между жидкостью и паром. – М.: Наук, 1966.
Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. – Л.: Машиностроение, 1981.
Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. – Л.: Машиностроение, 1970.
Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1987.
Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1968.
Рудов Г.Я., Д. А. Баранов Д.А. Расчет тарельчато ректификационной колонны: Методические указания. – М.: МГУИЭ, 1998.
Стабников В.Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов. – Киев: Техника, 1970.
Тютюнников А.Б., Товажнянский Л.Л., Готлинская А.П. Основы расчета и конструирования массообменных колонн. – Киев: Высшая школа, 1989.
ГОСТ 9617-76. Сосуды и аппараты. Ряды диаметров. – М.: Издательство стандартов, 1977.
Каталог: Емкостная стальная сварная аппаратура. – М.: «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1969.
Каталог: Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения. – М.: «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1991.
Краткий справочник физико-химических величин. – М.: Химия, 1967.
Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1968, 848 с.
Павлов К.Ф.,Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. / Под ред. Романкова П.Г. – Л.: Химия, 1981, 560 с.
Павлов К.Ф.,Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. / Под ред. Романкова П.Г. – Л.: Химия, 1981, 560 с.
2