Автор работы: Пользователь скрыл имя, 27 Февраля 2012 в 00:26, курсовая работа
Цель данной курсовой работы проектирование колпачковой ректификационной колоны непрерывного действия для разделения смеси этилацетат – толуол.
Для осуществления данной цели необходимо выполнить следующие задачи:
Изучить теоретические основы процесса ректификации;
Рассмотреть особенности колпачковой ректификационной колонны неперывного действия;
Найти методику расчета ректификационной колонны;
Введение………………………………………………………….………… ……... 5
Основные теоретические положения процесса бинарного разделения смеси этилацетат-толуол, с помощью колпачковой ректификационной колонны………………………………………………………………….…..7
1.1.Теоретические основы процесса ректификации……………….…......7
1.2. Выбор конструкционного аппарата................................. …………..15
1.3. Физико-химическая характеристика продуктов…………………....16
1.4. Выбор конструкции материала……………………………….……....18
2. Технологический схема………………………………………………..…...22
2.1. Материальный баланс колонны………………………………..…...…22
2.2 Рабочее флегмовое число……………………………………..………..22
2.3. Средние массовые расходы по жидкости и пару……………….......29
3. Диаметр колонны и скорость пара…………………………………….......32
3.1. Средняя температура верха и низа колонны…....................................32
3.2. Плотности жидкой и паровой фазы …..................................................33
3.3. Максимальная скорость пара и диаметр колонны в верхней части колонны………………..………………………………………………….…35
3.4. Максимальная скорость пара и диаметр колонны в нижней части
колонны……………………..………………………………………..…...…36
3.5. Выбор диаметра колонны……………………………………………...37
3.6. Действительные рабочие скорости паров…………………… ……..38
4. Высота и полное гидравлическое сопротивление колонны…………….38
4.1. Выбор тарелки……………………………………………………...…...39
4.2. Расчет высота переливного устройства тарелки………………….......40
4.3. Эффективность тарелки в верхней части колонны………………...…43
4.4. Эффективность тарелки в нижней части колонны…………………..44
4.5. Высота колонны………………………………………………..........….47
5. Определение числа и размера колпачков…………………………………..48
6. Расчет гидродинамического сопротивления ……………………… …..…49
7. Тепловой баланс………………………………………….…………….…......52
8. Расчет аппарата на прочность……………………………………………..…55
8.1. Расчёт толщины стенки обечайки………………………………………55
8.2. Расчёт толщины днища …………………………………………………55
8.3. Определение толщины тепловой изоляции …………………………....56
9. Расчёт и выбор вспомогательного оборудования……………………….....58
9.1. Расчёт диаметра трубопроводов………………………………………...58
9. 2. Расчёт теплообменного оборудования…………………………………63
9.1. Расчёт дефлегматора……………………………………………………..63
9.2. Расчёт водяного холодильника кубового остатка……………………..67
9.3. Расчёт водяного холодильника дистиллята…………...………………..69
9.4. Расчёт куба-испарителя…………...……………………………………..70
9.5. Расчёт подогревателя исходной смеси……………………………….....71
10. Объём и размеры ёмкостей для исходной смеси и продуктов
разделения……………………………………………………………………73
10.1. .Расчёт ёмкости для исходной смеси………………………………..…73
10. 2. Расчёт ёмкости для дистиллята…………………………………….….73
10.3. Расчёт ёмкости для кубового остатка……………………………….…74
11. Напор и марка насосов…………….……………………………………….…74
11.1. Расчёт и выбор насоса для подачи исходной смеси………………..…74
11.2. Выбор запасного насоса для подачи исходной смеси…….……….…78
11.3. Расчёт и выбор насоса, стоящего на выходе кубового остатка из ёмкости ………………………………………………………………………..78
11.4. Расчёт и выбор насоса, стоящего на выходе дистиллята из ёмкости3……………………………………………………………………….79
Заключение ……………………………………………………………………..…..81
Библиографический список……………………
Рис. 9 - Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R1=3,78
Рис. 10 - Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R2=4,86
Рис. 11. - Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R3=1,57
Рис. 12. - Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R4=2,1
Рис. 13.- Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R4=2,1
Рис. 14. - Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R4=22,5
Полученное количество теоретических тарелок занесем в таблицу 2:
Таблица 2
Данные для нахождения R рабочего флегмового числа
R |
3,78 |
4,86 |
6,3 |
8,46 |
11,88 |
22,5 |
Nт |
14 |
12 |
10 |
8 |
7 |
6 |
|
66,92 |
58,6 |
73 |
75,68 |
90,16 |
141 |
где – минимальное произведение, пропорциональное объему ректификационной колонны ( – число ступеней изменения концентраций или теоретических тарелок, а – расход паров).
По данным табл. 2 построим график зависимости:
Рис. 15. – График зависимости Nт от Nт·(R-1)
Из рисунка 14 находим, что R=4,8
2.3. Средние массовые расходы по жидкости и пару
2. 3.1. Средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны
где - состав исходной смеси, - состав кубового остатка, - состав дистиллята.
2.3.2. Средние мольный массы жидкости в верхней и нижней частях колонны
где - молекулярная масса этилацетата; - средний мольный состав жидкости в верхней части колонны; - молекулярная масса толуола.
где - молекулярная масса этилацетата; - средний мольный состав жидкости в нижней части колонны; - молекулярная масса толуола.
2.3.3. Мольная масса исходной смеси
где - молекулярная масса этилацетата; - состав исходной смеси.
2.3.4. Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны
где Р – массовый расход по дистилляту; – рабочее флегмовое число; - средняя мольная масса жидкости в верхней части колонны; - мольная масса дистиллята ().
Средний массовый расход по жидкости для нижней части колонны
2.3.5. Средний мольный состав пара в верхней и нижней частях колонны
Из рис. 7 находим соответственно:
Средний мольный состав пара в верхней части колонны:
Средний мольный состав пара в нижней части колонны:
2.3.6. Средние мольные массы пара в верхней и нижней части колонны
Средние мольные массы пара в верхней части колонны найдем по следующей формуле:
где - молекулярная масса этилацетата; - средний мольный состав пара в верхней части колонны; - молекулярная масса толуола.
Определим средние мольные массы пара в нижней части колонны:
где - молекулярная масса этилацетата; - средний мольный состав пара в верхней части колонны; - молекулярная масса толуола.
2.3.7. Средние массовые расходы пара в верхней и нижней частях колонны
Рассчитаем средний расход пара в верхней части колонны:
Рассчитаем средний расход пара в нижней части колонны:
3.1. Средняя температура верха и низа колонны
Построим
диаграмму зависимости
Из рис. 16 температура в средней части колонны равна , что соответствует ;
в верхней части температура - ;
и в нижней части температура - .
Тогда средние температуры равны:
Рис.16. - Диаграмма зависимости концентраций в паровой и жидкой фазе от температуры
3.2. Плотности и вязкости жидкой и паровой фазы
3.2.1. Плотность жидкой фазы в верхней части колонны
При средней температуре верхней части 90°С, плотности жидких этилацетата и толуола равны соответственно:
По закону аддитивности:
3.2.2. Плотность жидкой фазы в нижней части колонны
При средней температуре нижней части 93°С, плотности жидких этилацетата и толуола равны соответственно:
По закону аддитивности плотность жидкой фазы в нижней части колонны находится по формуле:
3.2.3. Плотность паровой фазы в верхней и нижней части колонны
где
Рассчитаем вязкость жидкой фазы в верхней части колонны:
где – вязкости этилацетата и толуола при средней температуре верха колонны .
– вязкости этилацетата и толуола при средней температуре низа колонны .
рассчитывается так:
где – вязкости этилацетата и толуола при средней температуре верха колонны .
– вязкости этилацетата и толуола при средней температуре низа колонны .
3.3. Максимальная скорость пара и диаметр верхней части колонны
Принимаем расстояние между тарелками Н=600 мм, диаметр колпачка dk = 80 мм, высота колпачка - hk = 55 мм.
3.3.1. Предельная скорость пара
Для ректификационных колонн с колпачковыми тарелками предельную скорость пара для верхней и нижней части колонны определяют по формуле:
где – плотности жидкости и пара, Н – расстояние между тарелками, м; dk – диаметр колпачка, м; hk – высота колпачка, м.
Для верхней части колонны:
Для нижней части колонны:
Определим среднюю рабочую скорость пара в колонне:
Средняя плотность пара:
Теперь рассчитаем диаметр верхней части колонны:
где - средний массовый расход, кг/с; - средняя плотность паровой фазы, ; .
Определим диаметр нижней части колонны:
3.4. Выбор диаметра колонны
Рассчитанные диаметры верхней и нижней частей колонны отличаются друг от друга не более чем на 10%, принимаем колонну единого диаметра, равную большему из рассчитанных: D = 2000 мм [7].
3.5. Действительные рабочие скорости паров
Рассчитаем рабочие скорости паров в верхней и нижней части колонны:
3.5.1. Выбор тарелки
Выбираем для разделения смеси колпачковые тарелки типа ТСК – Р диаметром [7, с. 214]:
Свободное сечение колонны 3,14 м2
Рабочее сечение тарелки 0,385 м2
Относительное свободное сечение тарелки 12,2 %
Сечение перелива 0,33м2
Периметр слива 1,455 м
Длина линии барботажа 36,4 м
3.6. Расчет высоты переливного устройства тарелки
3.6.1. Объемный расход жидкости в верхней и нижней частях колонны
где - средний массовый расход в верхней части колонны, кг/с; - плотность жидкой фазы, .
Аналогично находим для нижней части колонны:
3.6.2. Высота подпора жидкости над сливным порогом находится по
следующей формуле:
где – средний объемный расход жидкости, , П – периметр слива,
Теперь определим высоту подпора жидкости:
3.6.3. Высота глубины барботажа
где , - средняя плотность жидкой
фазы, .
Тогда высота глубины барботажа равна:
3.6.4. Высота переливного устройства
- высота установки колпачка от 0 до 10 мм. Принимаем
3.6.5. Объемный расход жидкости, отнесенные к средней ширине потока
жидкости на тарелке
Средняя ширина потока жидкости на тарелке находим по формуле:
Отсюда найдем объемный расход жидкости:
3.7.. Коэффициент продольного перемешивания в жидкой фазе
Определим коэффициент продольного перемешивания в жидкой фазе следующим образом:
- скорость пара, рассчитанная на рабочую площадь тарелки
Объемный расход жидкости найдем по формуле:
Отсюда найдем скорость пара:
3.8.. Высота запаса жидкости определяется для колпачковых
тарелок по формуле:
Все данные подставим в формулу и получем:
Высота запаса жидкости равна 0,138 м
3.9. Среднее время пребывания жидкости на тарелке
Время пребывания жидкости на тарелке рассчитаем так:
3.10.. Определяем коэффициент массотдачи для паровой фазы:
где Nun – критерий Нуссельта:
Где Ren – критерий Рейнольдса,
ω – скорость пара в колонне, м/с,
Dn - коэффициент диффузии для паровой фазы:
Где h – определяющий размер, принятый при обработке опытных данных,
Т – средняя температура пара в соответствующей части колонны, К,
р=0,1013 МПа – атмосферное давление
, - молекулярные массы компонентов
- диффузные мольные объемы
[21]
Коэффициент массотдачи для жидкой фазы определяем по формуле:
где Nuж – критерий Нуссельта, М – средние мольные массы жидких веществ, кг/кмоль:
Dt – коэффициент диффузии газа в жидкости, м2/ч.
Коэффициент диффузии газа в жидкости связан с коэффициентом диффузии при 20 °С:
где b – температурный коэффициент,
ρ – плотность жидкости, кг/м3
- коэффициент диффузии для жидкой фазы (по высококипящему компоненту) при температуре 20 °С:
где μ – динамический коэффициент вязкости жидкости при t = 20 °С, мПа · с,
μ = 0,586 мПа*с
А и В – коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества (н.к) и растворителя (в.к.). А, В = 1 [21].
Рассчитываем коэффициент массопередачи по паровой фазе:
Где - коэффициент распределения компонента по фазам. Для его нахождения определим тангенс угла наклона к линии равновесия. Для этого построим диаграмму зависимости x от y. В которой проведем касательную к линии равновесия в точке, соответствующей . Затем построим прямоугольный треугольник из точки пересечения с линией равновесия, так чтобы гипотенузой треугольника являлась касательная к линии равновесия. Из полученного треугольника определим координаты х и у (длина соответствующих катетов): ,
Рис. 18 – Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у), для определения тангенса угла наклона к линии равновесия
из рисунка 9: - тангенс угла наклона к линии равновесия.
Общее число единиц переноса для верхней части колонны:
- средняя мольная масса паров, кг/кмоль. .
Локальная эффективность