Разработка конструкций колонны для разделения смеси уксусная кислота-вода

     

     

     Министерство  образования Российской Федерации  Нижегородский государственный технический университет

     Дзержинский филиал

     Кафедра «Машины и аппараты химических и  пищевых

     производств»

     Пояснительная записка

     к курсовой работе по дисциплине «Специальное оборудование отрасли» 
 
 

     Выполнил:                студент  гр. 00-МАХП

                                                                                                                                               Головащенко С. А.

                                                                                                                                   Дата______ подпись

     Проверил:                    Суханов Д. Е.

                                                                                                                                   Дата______ подпись 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Дзержинск 2005

     Содержание.

     Введение                           3

1. Описание технологической схемы.                4
2. Обоснование выбора и описание конструкции аппарата.       5
3. Технологические расчеты.     

           3.1. Материальный  баланс колонны и определение  

           рабочего флегмового числа.                 7

           3.2. Расчет скорости  пара и диаметра колонны.         10

           3.3. Определение высоты  светлого слоя жидкости на 

           тарелке и паросодержания барботажного слоя.         12

           3.4. Расчет коэффициентов  массопередачи и высоты колонны.  13

4. Расчет гидравлического сопротивления аппарата.         19
5. Подбор вспомогательного оборудования.             20
6. Выводы.                           29
7. Список литературы.                      30

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

      Аннотация

     Темой данного курсового проекта является разработка конструкций колонны для разделения смеси уксусная кислота-вода, а также технологии изготовления днища.

     Проект  состоит из пояснительной записки  и графической части.

     В пояснительной записке приведены  описание технологической стадии производства, конструкция аппарата, технологический, конструктивный и прочностной расчёты аппарата. Также приведена технология монтажа аппарата и технология изготовления днища.

     В графической части проекта разработаны  сборочный чертёж аппарата, сборочный  чертёж опоры и технологическая карта изготовления днища.

 

      ВВЕДЕНИЕ

     Перегонка и ректификация — наиболее распространенные методы разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или нескольких летучих компонентов.

     Процессы  перегонки и ректификации широко применяют в химической и пищевой промышленности при получении технического и пищевого этилового спирта, в производстве ароматических веществ и др. Перегонку используют для грубого разделения смесей. Для наиболее полного их разделения применяют ректификацию.

     Ректификация представляет собой разделение смеси на составляющие ее компоненты в результате многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Проводят ректификацию в колонных аппаратах, снабженных контактными устройствами (тарелками различной конструкции) либо заполненных насадкой, изготовленной из различных материалов (керамика, металл, дерево).

     Процессы  перегонки и ректификации основаны на различной летучести компонентов  смеси при одной и той же температуре. Компонент смеси, обладающий большей летучестью, называется легколетучим, а компонент, обладающий меньшей летучестью, труднолетучим. Легколетучий компонент кипит при более низкой температуре, чем труднолетучий, поэтому их называют также низкокипящим и высококипящим компонентами.

     В результате перегонки или ректификации исходная смесь разделяется на дистиллят, обогащенный легколетучим компонентом, и кубовый остаток, обогащенный труднолетучим компонентом. Дистиллят получают в результате конденсации паров в конденсаторе-дефлегматоре. Кубовый остаток получают в кубе установки.

     Задачей данного проекта является создания оптимальной конструкции колонны, позволяющей эффективно решить проблему по разделению смеси уксусная кислота-вода и проведение расчетов обеспечивающих работоспособность данного аппарата.

     При расчете процессов ректификации принимается, что:

     1)  при конденсации 1 кмоль пара испаряется 1 кмоль жидкости, следовательно, количество пара, движущегося в ректификационной колонне, одинаково в любом ее сечении;

     2)  при конденсации пара в дефлегматоре не происходит изменения состава пара, следовательно, состав пара, уходящего из ректификационной колонны, равен составу дистиллята (y_d = x_d);

     3)  при испарении жидкости не происходит изменения ее состава, следовательно, состав пара, образующегося при испарении, равен составу кубового остатка (y_w = x_w).

     4) смесь перед вводом в колонну предварительно нагревается до температуры кипения в том сечении колонны, в которое она подается.

     5) тепло, потребное для парообразования,  подводится в кипятиль 
ник колонны с глухим паром. 
 

 

      1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

     Принципиальная  схема ректификационной установки  представлена на рис.  Исходная смесь  из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси х_р.

     Стекая  вниз по колонне, жидкость взаимодействует  с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка х_W, т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава х_P, которая получается в дефлегматоре 6 путем конденсации пара выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7, и направляется в промежуточную емкость 8.

     Из  кубовой части колонны насосом  9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

     Таким образом, в ректификационной колонне  осуществляется непрерывный неравновесный  процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовой остаток, обогащенный труднолетучим компонентом. 

     

     Рис.1. Принципиальная схема ректификационной установки:

     1 - емкость для исходной смеси; 2,9 - насосы; 3 - теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник; 5 - ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - емкость для сбора дистиллята; 10 - холодильник кубовой жидкости; 11 - емкость для кубовой жидкости. 

 

2 Конструкция аппарата

     Сущность процесса ректификации сводиться к выделению из смеси двух или более жидкостей с различными температурами кипения. Степень разделения смеси зависит от того, насколько развита поверхность фазового контакта, а следовательно от устройства ректификационной колонны.

     В промышленности применяю колпачковые, ситчатые, насадочные, клапанные, пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутренних устройств.

     Применение  разных контактных устройств обусловлено  следующими факторами:

                 - условиями разделения в аппарате;

                 - особыми требованиями к аппаратному оформлению;

                 - особыми требованиями к технологическому процессу.

     В настоящее время наиболее широкое  применение нашли тарельчатые колонны с переливными устройствами.

     Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и др.) выдвигаются требования, обусловленные спецификой производства: большой интервал устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, возможность использования тарелок в среде загрязненных жидкостей, возможность защиты от коррозии и т. п. Зачастую эти характеристики тарелок становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкций для использования в каждом конкретном процессе.

     В нашем случае применение ситчатых тарелок  обусловлено тем, что среда в аппарате токсичная и высоко коррозионная. При выходе из строя изготовить такую тарелку дешевле и легче чем остальные.

     Для корпуса аппарата выбираем по рекомендациям  [9] листовую сталь марки 10Х17Н13М2Т по ГОСТ 5632-72, для которой технические требования по ТУ 14-21-394-72; рабочие условия: = -30÷ 200°С; р, МПа - не ограничено. Виды испытаний и требования по ТУ 14-21-394-72 (испытания проводятся на заводе-поставщике металла по требованию заказчика).

     При выборе материала было учтено следующее:

     - Коррозионные свойства среды. При заданных рабочих параметрах скорость коррозии составляет менее 0,1 мм/год.

     - Технологические свойства используемого материала: свариваемость, пластичность и другие.

     - Технико-экономические соображения: нержавеющая сталь широко применяется в химическом машиностроении и других отраслях промышленности

     Сварка  автоматическая.

     Тип электрода по ГОСТ 10052-75 - Э-04Х20Н9.

     Материал  опоры должен выбираться из условий эксплуатации и в соответствии с техническими требованиями ОСТ 26-291-94. Назначаем материал опоры сталь 09Г2С по ГОСТ 5520-69, технические требования по ГОСТ 14637-79.

     Материал  фланцев - сталь 10Х17Н13М2Т. Сварочные материалы по ГОСТ 10052-75 - Э-04Х20Н9.

     Назначаем материал крепежных деталей: не контактирующих с агрессивной средой - сталь 35 по ГОСТ 1050-74; для деталей, контактирующих с агрессивной средой - сталь 10Х17Н13М2Т по ГОСТ 5632-72.

     По  рекомендациям (10) назначаем материал прокладок - паронит по ГОСТ 481-71. Внутренние элементы аппарата выполняются из стали 10Х17Н13М2Т по ГОСТ 5632-72. 

 

3 РАСЧЕТ  АППАРАТА

3.1 Технологический  расчет

     Расчет  ведем согласно [1]

     3.1.1 Материальный баланс колонны и определение рабочего флегмового числа.

     Производительность  колонны по дистилляту P и кубовому остатку W определяем из уравнения материального баланса колонны:

     F = P + W                        (1)

     F· = P· + W·                     (2)

     где P – расход дистиллята, кг/с;

                 W – расход кубового остатка, кг/с;