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……………………
r(гр. пара) = 2,120 кг/м3.
По ГОСТу выбираем диаметр трубопровода d = 133 х 4 мм.
M = F + Ф = 13,22 кг/с.
По ГОСТу выбираем диаметр трубопровода d = 108 х 6,0 мм.
остатка:
Q = VB = 0,023 .
По ГОСТу выбираем диаметр трубопровода d = 159 х 5,0 мм.
6. Диаметр трубопровода на выходе из кипятильника:
M = GГ.П. = 0,53 кг/с.
По ГОСТу выбираем диаметр трубопровода d = 76 х 4,0 мм.
7. Диаметр трубопровода на выходе из водяного холодильника кубового
остатка в ёмкость Е2:
M = W = 7,9 кг/с.
По ГОСТу выбираем диаметр трубопровода d = 108 х 6 мм.
8. Диаметр трубопровода на выходе из водяного холодильника дистиллята в
ёмкость Е3:
M = Р = 0,92 кг/с.
По ГОСТу выбираем диаметр трубопровода d = 38 х 2,0 мм.
9. Диаметр трубопровода для выхода воды из водяного холодильника
дистиллята:
Q = VB = 0,0017 .
По ГОСТу выбираем диаметр трубопровода d = 22 х 2 мм.
10. Диаметр трубопровода для подачи воды к водяному холодильнику кубового
остатка:
Q = VB = 0,016 .
По ГОСТу выбираем диаметр трубопровода d = 95 х 5,0 мм.
11. Диаметр трубопровода, идущего от распределителя к водяному
холодильнику дистиллята:
M = P = 0,92кг/с.
По ГОСТу выбираем диаметр трубопровода d = 38 х 2,0 мм.
12. Диаметр трубопровода, идущего от распределителя к колонне:
M = Ф = 4,42 кг/с.
По ГОСТу выбираем диаметр трубопровода d = 57 х 4,0 мм.
13. Диаметр трубопровода, идущего от подогревателя к колонне:
M = F = 8,8 кг/с.
По ГОСТу выбираем диаметр трубопровода d = 76 х 4,0 мм.
14. Диаметр трубопровода, идущего от колонны к водяному холодильнику
кубового остатка:
M = W = 7,9 кг/с.
По ГОСТу выбираем диаметр трубопровода d =108 х 6 мм.
Таблица 5
Таблица штуцеров
Штуцера с фланцами стальными плоскими приварными с соединительным выступом |
Пределы измерения |
Допускаемая рабочая температура, 0С | |
Условное давление РУ, МПа |
Условный диаметр DУ, мм |
от –70 до +300 | |
1 |
2 |
3 |
4 |
Диаметр трубопровода, идущего от колонны к водяному холодильнику кубового остатка |
1,0 |
56 |
+109,2 |
Диаметр трубопровода, идущего от подогревателя к колонне |
1,0 |
38 |
+105,4 |
Диаметр трубопровода, идущего от распределителя к колонне |
1,0 |
32 |
+93,8 |
Диаметр трубопровода на выходе из кипятильника |
1,0 |
48 |
+107,6 |
Диаметр трубопровода на выходе из колонны в кипятильник |
1,0 |
70 |
+109,2 |
Диаметр трубопровода на выходе из колонны в дефлегматор |
1,0 |
45 |
+93,8 |
9. 2. Расчёт теплообменного оборудования
9.1. Расчёт дефлегматора
а) определим количество паров, выходящих из колонны, по формуле:
G1=Ф+P ,
где Ф – количество флегмы, кг/с;
Р – количество дистиллята, кг/с.
G1 = 4,42 + 0,92 = 5,34 кг/с.
б) тепловая нагрузка аппарата из теплового баланса равна Q = QД = Вт.
в) расход воды V2 = 0,023 м3/с.
где ρ2 – плотность воды при 30 °С, равная 995 кг/м3.
G2 = 0,023 *995 = 22,8 кг/с.
г) определим среднюю разность температур:
Тепло отводится водой с начальной температурой t2H = 20 °С. Температура воды на выходе из холодильника t2К = 40 °С. Тогда средняя температура воды в холодильнике t2 = 30 °С.
Температурная схема:
93,8→93,8
40←20
——————
∆tм = 53,8 ∆tб = 73,8
Так как то
Средняя разность температур:
д) определим ориентировочное значение поверхности теплообмена:
Расчёт ведём по формуле:
Кор - коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара органической жидкости к воде.
В соответствии с таблицей [23] примем Кор = 500 .
Зададим числом Rе2 = 15000, определим соотношение для конденсатора из труб диаметром d0 = 25 х 2 мм:
где n – общее число труб;
z – число ходов по трубному пространству;
d – внутренний диаметр труб, м;
μ2 – вязкость воды при t = 30 0C; μ2 = 0,801 . 10-3 Па . с.
Наиболее
близкую к ориентировочной
Действительное число Rе2 равно:
(Переходная область)
Теплоотдача в переходной области (2300 < Re < 10000) в прямых трубах и каналах определяется по формуле:
где Pr2 - критерий Прандтля для воды:
где с2 = 4190 - средняя удельная теплоёмкость воды при 300С [21, рис. XI]
λ2 = 0,62 - коэффициент теплопроводности воды при 300С [21, рис. Х]
Определим коэффициент теплоотдачи к воде по формуле:
Определяем коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на пучке вертикальных труб.
Расчёт осуществляем приближённо (без учёта влияния поперечных перегородок) по формуле:
где λ1 = 0,14 - коэффициент теплопроводности
этилацетата при температуре конденсации t = 93,8 0С;
ρ1 = 796 - плотность этилацетата при 93,8 0С;
μ1 – вязкость этилацетата при t = 93,8 0C, μ1 = 0,21 . 10-3 Па . с [7, табл. IХ]
Тогда коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на пучке вертикальных труб, будет равен:
Определим сумму
термических сопротивлений
Определим коэффициент теплопередачи:
Тогда требуемая поверхность теплопередачи:
Следовательно, поверхность F = 52 м2 подходит.
ж) определим гидравлическое сопротивление в трубном пространстве ∆ртр.
Расчёт ведём по формуле:
где ωтр – скорость в трубках конденсатора, которая определяется по формуле:
λ - коэффициент трения, определяемый по формуле:
где e = - относительная шероховатость труб:
∆ - высота выступов шероховатостей (∆ = 0,2 мм).
ωтр. ш - скорость воды в штуцерах, определяемая по формуле:
где dш – диаметр условн [1]2}
9.2. Расчёт водяного холодильника кубового остатка
а) из теплового баланса тепловая нагрузка аппарата равна Q =
= Q3 = Вт.
б) расход воды V2 = 0,016 м3/с.
где ρ2 – плотность воды при 30 °С, равная 995 кг/м3.
в) средняя разность температур будет равна:
Тепло отводится водой с начальной температурой t2H = 20 °С. Температура воды на выходе из холодильника t2К = 40 °С. Тогда средняя температура воды в холодильнике t2 = 30 °С.
Температурная схема:
109,2→25
40←20
——————
∆tб = 69,2 ∆tм = 5
Так как
Средняя разность температур:
г) определим ориентировочное значение поверхности теплообмена:
Расчёт ведём по формуле:
Кор - коэффициент теплопередачи от жидкости к жидкости (для вынужденного движения).
В соответствии с табл. 2.1 (см. выше) примем Кор = 800 .
Наиболее близкое к заданному значению в соответствии с таблицей принимает холодильник с диаметром кожуха D = 600 мм диаметром труб d0 = 25 х 2 мм, числом ходов z = 1 и общим числом труб n = 257, L = 3 м, F = 61 м2.
[7, с 51]
9.3. Расчёт водяного холодильника дистиллята
а) тепловая нагрузка аппарата из теплового баланса равна Q = Q2 = =147330,45 Вт.
б) расход воды V2 = 0,0017 м3/с.
где ρ2 – плотность воды при 30 °С, равная 995 кг/м3.
в) определим среднюю разность температур:
Примем, что
тепло отводится водой с
Температурная схема:
93,8→25
40←20
——————
∆tб = 53,8 ∆tм = 5
Так как
Средняя разность температур:
г) определим ориентировочное значение поверхности теплообмена:
Расчёт ведём по формуле:
Кор - коэффициент теплопередачи от жидкости к жидкости (для свободного движения).
В соответствии с табл. 2.1 (см. выше) примем Кор = 140..
Наиболее
близкое к заданному значению
в соответствии с таблицей принимает
холодильник с диаметром кожуха D
= 400 мм диаметром труб d0 = 25 х 2 мм, числом
ходов z = 1 и общим числом труб n = 111, L = 6 м, F = 52 м2.
9.4. Расчёт куба-испарителя
а) тепловая нагрузка аппарата из теплового баланса равна Q = QК = =2592340,5 Вт.
б) расход греющего пара GГ.П. = 1,27кг/с.
в) определим среднюю разность температур:
∆tср = tп- tр
где tп – температура конденсации пара при рабс = 4 ;
tр – температура кипения раствора при рабс = 1 .
∆tср = 142,9 – 77,15 = 65,75 °С.
г) определим ориентировочное значение поверхности теплообмена:
Расчёт ведём по формуле:
Кор - коэффициент теплопередачи от конденсирующегося водяного пара к кипящей жидкости.
В соответствии с табл. 2.1 (см. выше) примем Кор = 400 .
Наиболее близкое к заданному значению в соответствии с таблицей принимает испаритель с диаметром кожуха D = 600 мм диаметром труб d0 = 25 х 2 мм, числом ходов z = 1 и общим числом труб n = 257, L = 4 м, F = 81 м2. [8]