Процесс ректификации, классификация ректификационных колонн

Принимаем тарелки типа ТС (ОСТ 26-01-108-85):

Исполнение I – неразборное;

Диаметр тарелки – 580,00 мм (рис 9);

Высота тарелки – 40мм;

Свободное сечение колонны  – 0,28 м2;

Рабочее сечение тарелки  – 0,165 м2;

Свободное сечение тарелки  – 0,51 м2;

Относительное свободное  сечение тарелки (при dотверстий=5 мм) – 7,23%;

Шаг между отверстиями  принимаем 13 мм;

Периметр слива – 0,570 м;

Сечение перелива – 0,012 м2;

Относительная площадь перелива – 4,1%;

Масса – 16,0 кг;

Расстояние между тарелками  – 300 мм;

Высота сливного порога – 30 мм;

Высота царги – 900 мм;

Число тарелок в царге  – 3.

 

Рис 8 – Устройство ситчатых тарелок

 

Рис 9 – Основание тарелки по ОСТ 26-01-108-85

 

5 Расчет числа тарелок

5.1 Средний КПД тарелки

Вязкость жидкости на питающей тарелке:

lnm = х×lnmA + (1 – x)×lnmB     (39)

где mА = 0,44 мПа×с – вязкость этанола;

mВ = 0,31 мПа×с – вязкость воды;

lnmж = 0,22×ln0,44 + (1 – 0,22)×ln0,31.

Откуда m = 0,33 мПа×с.

Коэффициент относительной  летучести:

a = рА/рВ        (40)

a=1120/525 = 2,13

где рА = 1120 мм рт.ст. – давление насыщенного пара этанола;

рВ = 525 мм рт.ст. – давление насыщенного пара воды.

Произведение am = 2,13×0,33 = 0,704

По диаграмме для приближенного определения КПД тарелки (рис 10) находим значение h=0,56.

 

h

am

Рис 10 – Диаграмма  для приближенного определения  КПД тарелки

 

 

Тогда число тарелок:

• в верхней части колонны

nв = nвТ/h        (41)

nв = 6/0,51 = 12;

• в нижней части колонны

nн = nнТ/h        (42)

nн = 3/0,51 = 6.

5.2 Высота колонны

Принимаем расстояние между  тарелками Нт = 300 мм, тогда высота нижней и верхней части составит:

Нн = (Nн – 1)Нт       (43)

Нн = (6 – 1)×0,3 = 1,5 м;

Нв = (Nв – 1)Нт       (44)

Нв = (Nв – 1)Нт = (12 – 1)×0,3 = 3,3 м.

 

Толщина тарелки – 0,04 м;

Высота сепарационного пространства – 0,7 м;

Высота кубового пространства – 2,3 м;

Высота опоры – 1,2 м;

Общая высота колонны:

 

Н = 1,2 + 2,3 + 0,7 + 18·0,04+ 3,3 + 1,5 =10,0 м

 

 

6 Гидравлический расчет колонны

6.1 Гидравлическое сопротивление сухой тарелки

DРс = xwп2 rп / (2j2)         (45)

где j = 0,10 – относительное свободное сечение тарелки;

x = 1,5 – коэффициент сопротивления тарелки (Приложение Е).

• нижняя часть:

DРсн = 1,5×1,682×1,037 / (2×0,1002) = 219,51 Па

• верхняя часть:

DРсв = 1,5×1,812×0,983 / (2×0,1002) = 241,53 Па

6.2 Гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения

s = 0,5(sА + sВ) ,        (46)

где sА = 0,017 Н/м - поверхностное натяжение этанола;

sВ = 0,059 Н/м – поверхностное натяжение воды.

s = 0,5×(0,017 + 0,059) = 0,038 Н/м

DРб = 4s/dэ ,         (47)

где dэ = 0,005 м – диаметр отверстий.

DРб =4×0,038/0,005 = 30,4 Па

6.3 Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя

DРсл = grжh₀          (48)

где h₀ –высота светлого слоя жидкости на тарелке.

h0 = 0,787q0,2hп0,56wТm[1 – 0,31exp(– 0,11m)](sж/sи)0,09  (49)

где q = L/rП – удельный расход жидкости;

П = 0,57 м – периметр сливного устройства;

hП = 0,03 м – высота сливного порога;

wт = wпSк/Sт – скорость пара отнесенная к рабочей площади тарелки;

sв = 0,059 Н/м – поверхностное натяжение воды

m – показатель степени m = 0,05 – 4,6hп = 0,05 – 4,6×0,03 = – 0,088

• нижняя часть:

hон = 0,787×[1,56/(928,77×0,57)]0,2×0,030,56×(1,81×0,502/0,41) – 0,088´

´[1 – 0,31×exp(– 0,11×0,33)]×(0,038/0,059)0,09 = 0,022 м

• верхняя часть:

hов = 0,787×[0,39/(837,77×0,57)]0,2×0,030,56×(1,68×0,502/0,41) – 0,088´

´[1 – 0,31×exp(– 0,11×0,33)]×(0,038/0,059)0,09 = 0,017 м

DРн.сл = 928,77×9,8×0,022 = 198,49 Па

DРв.сл = 837,77×9,8×0,017 = 139,57 Па

6.4 Полное сопротивление тарелки

DР = DРс + DРб· + DРсл (50)

DРн =219,51 + 30,40 + 198,49 = 448,40 Па

DРв = 241,53 + 30,40 + 139,57 = 411,5 Па

6.5 Суммарное гидравлическое сопротивление рабочей части колонны

DРк = 448,40×6 + 411,5×12 =7629,6 Па

 

7 Тепловой расчет колонны

7.1 Расход теплоты отдаваемой воде в дефлегматоре

Qд = Р(1 + R)rр      (51)

Qд = 0,34×(1+1,8) 1173,24 = 1116,92 кВт

где rр – теплота конденсации флегмы

rр = rA + (1 – )rв      (52)

rр = 0,82×882 + (1 – 0,82)×2500 = 1173,24 кДж/кг

где rA = 882 кДж/кг – теплота конденсации этанола, кДж/кг

rв = 2500 кДж/кг–теплота конденсации воды, кДж/кг

В качестве охлаждаемого агента принимаем  воду с начальной температурой 20°С, и конечной 30°С, тогда средняя разность температур составит:

 

Dtб = 77 – 20 = 57° С

Dtм = 77 – 30 = 47° С

Dtcр = (Dtб + Dtм) / 2      (53)

Dtcр = (57 + 47) / 2 = 52,0° С

 

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи:

К = 400 Вт/(м2×К), тогда требуемая поверхность теплообмена

F = Qд / (KDtср)       (54)

F = 1116,92×103/(400×52,0) = 54 м2

Принимаем стандартный кожухотрубчатый  конденсатор с диаметром кожуха 600 мм и длиной труб 4 м, для которого поверхность теплообмена равна 63 м2 (Приложение Д).

Расход охлаждающей воды

Gв = Qд / [св(tвк – tвн)]     (55)

Gв = 1116,92/[4,19×102·(30 – 20)] = 0,27 кг/с

 

 

7.2 Расход теплоты в кубе испарителе

Qк = 1,03(Qд + Рсрtр + Wcwtw – FcFtF)   (56)

где ср – теплоемкость дистиллята, кДж/(кг×К); сw – теплоемкость кубового остатка, кДж/(кг×К); сF– теплоемкость исходной смеси, кДж/(кг×К); 1,03 – коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду.

сp = xp сА + (1 – xp ) сВ;     (57)

сА – теплоемкость этилового спирта, кДж/(кг °C) (Приложение Г);

сВ – теплоемкость воды, кДж/(кг °C) (Приложение Г).

сp=0,82·0,71·4,19+0,18·4,19= 3,19 кДж/(кг×К).

Аналогично находим сF =3,27 кДж/(кг×К) и сw =4,16 кДж/(кг×К).

Qк = 1,03(1116,92 + 0,34×3,19×77 + 1,05×4,16×99,1 – 1,39×3,27×68) = 1362,52 кВт

7.3 Расход греющего пара

Принимаем пар с давлением 0,3 МПа, для которого теплота конденсации

r = 2171 кДж/кг, тогда

Gп = Qк/r (58)

Gп = 1362,52 / 2171 = 0,63 кг/c

Средняя разность температур в кубе испарителе

Dtср = tп – tw       (59)

Dtср = 167 – 99 = 68° C

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи

К = 300 Вт/(м2×К), тогда требуемая поверхность теплообмена.

F = Q / (KDtср)       (60)

F = 1362,52×103/(300×68) = 66 м2

Принимаем стандартный кожухотрубчатый  теплообменник с диаметром кожуха 600 мм и длиной труб 4 м, для которого поверхность теплообмена равна  75 м² (Приложение Д).

 

8 Конструктивный расчет

Корпус колонны диаметром  до 1000 мм изготовляют из отдельных  царг (Приложение Б), соединяемых между собой с помощью фланцев.

• Толщина обечайки:

S > pD/(2[s]j – p) + c      (61)

где [s] = 138 МПа – допускаемое напряжение для стали [3c394];

j = 0,8 – коэффициент ослабления сварного шва;

с = 0,001 мм – поправка на коррозию [3с394].

S > 0,1×0,8/(2×138×0,8 – 0,1) + 0,001 = 0,003 м

Принимаем толщину обечайки s=8мм

Наибольшее распространение  получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78.

• Толщину стенки днища (рис 11) принимаем равной толщине стенки обечайки sд = s = 8 мм.

 

Рис 11 – Днище колонны

 

Характеристика днища:

h = 40 мм – высота борта днища;

Масса днища mд = 16,9 кг.

Объем днища Vд = 0,086 м3.

Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 (рис 12).

 

Рис 12 – Фланец

Подсоединение трубопроводов  к аппарату осуществляется с помощью  штуцеров.

• Диаметр штуцеров

       (62)

где wшт – скорость среды в штуцере.

Принимаем скорость жидкости wшт=1 м/с, газовой смеси wшт=25 м/с

Штуцер для входа  исходной смеси

d1,2 = (1,39/0,785×1·903,34)0,5 = 0,044 м

принимаем d1 = d2 = 50 мм

Штуцер для входа  флегмы

d3 = (1,8×0,34/0,785×1×772,20)0,5 = 0,033 м

принимаем d3 = 40 мм

Штуцер для выхода кубового остатка

d3 = (1,05/0,785×1×954,2)0,5 = 0,037 м

принимаем d4 = 40 мм

Штуцер для выхода паров

d3 = (0,72/0,785×25×1,037)0,5 = 0,188 м

принимаем d5 = 200 мм

 

Штуцер для входа  паров

d6 = (0,5/0,785×25×0,983)0,5 = 0,17 м

принимаем d4 = 200 мм

Все штуцера должны быть снабжены плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80. Конструкция фланца приводится на рисунке 13, а размеры в таблице 4.

 

Рис 13 – Фланец штуцера

 

Таблица 4 – Размеры  приварного фланца штуцера

dусл	D	D2	D1	h	n	d
40	130	100	80	13	4	14
50	140	110	90	13	4	14
200	315	280	258	18	8	18

 

• Расчет опоры

Аппараты вертикального  типа с соотношением Н/D > 5, размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочными цилиндрическими опорами, конструкция которых приводится на рисунке 14.

 

 

Рис 14 – Опора юбочная

 

• Ориентировочная масса аппарата.

Масса обечайки

mоб = 0,785(Dн2-Dвн2) ρ      (63)

где Dн = 0,616 м – наружный диаметр колонны;

Dвн = 0,6 м – внутренний диаметр колонны;

Ноб = 10,0 м – высота колонны

ρ = 7900 кг/м3 – плотность  стали

 

mоб = 0,785(0,616-0,6)10,0·7900 = 992 кг

 

 

• Масса тарелок

mт = mn        (64)

mт = 18·16,0 = 288,0 кг

m = 16,0 кг – масса одной тарелки

• Общая масса колонны

Принимаем, что масса  вспомогательных устройств (штуцеров, измерительных приборов, люков и  т.д.) составляет 10% от основной массы колонны, тогда

mк = 1,1(mоб + mт + 2mд)       (65)

mк = 1,1(992 + 288,0 +2·16,9) = 1445,18 кг ≈ 1445 кг

Масса воды при гидроиспытании:

mв = 1000(0,785DвнHк + 2Vд)    (66)

mв = 1000(0,785·0,62·9,0 + 2·0,086) =4552,3 кг≈ 4552 кг

Вес колонны

Q = mк + mв       (67)

Q = 1445 + 4552 = 5997 кг ≈ 0,06 МН

 

Принимаем внутренний диаметр  опорного кольца D1 = 0,616 м, наружный диаметр опорного кольца D2 = 1,2 м.

Площадь опорного кольца

А = 0,785(D2 – D1)     (68)

А = 0,785(1,2 – 0,616) = 0,46 м²

• Удельная нагрузка опоры на фундамент

s = Q/A        (69)

s= 0,06/0,3 = 0,13 МПа < [s] = 15 МПа – для бетонного фундамента.

 

 

Выводы

 

На основе материального  расчета рассчитаны материальные потоки в колонне и определен диаметр  ректификационной колонны – 600 мм. Найдено оптимальное флегмовое число R = 1,8. Рассчитано действительное число тарелок: 6 в верхней и 12 в нижней части колонны. На основе теплового расчета выбран дефлегматор (диаметр кожуха 600 мм, длина труб 4 м, поверхность теплообмена 75 м²) и испаритель (диаметр кожуха 600 мм, длина труб 4 м, поверхность теплообмена 63 м²) определен расход охлаждающей воды и греющего пара. Проведен конструктивный расчет и подобраны нормализованные конструктивные элементы.

 

 

Заключение

В данной курсовой работе рассмотрены основы процесса ректификации, классификация ректификационных колонн по конструкции внутреннего устройства, по периодичности действия и по способу организации движения потоков контактирующих фаз. Кроме того, представлены основные требования по выбору того или иного типа колонны. Согласно заданию на курсовую работу, в котором указаны компоненты бинарной смеси: этанол-вода, выбрана колонна с ситчатыми тарелками, и проведен её расчет по исходным данным, указанным в задании. Выполнен материальный и тепловой балансы, определены основные размеры аппарата и подобраны нормализованные конструктивные элементы.