Технологический и механический расчет насадочной колонны

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт/ 

Факультет    –  Институт природных ресурсов

Направление –  Машины и аппараты химических производств

  

Кафедра       – Общая химическая технология

 

 

 

«Технологический и  механический расчет насадочной колонны»

 

      Курсовая работа по курсу «Машины и аппараты химических производств»

 

 

                 

Выполнил 

         

Проверил 

 

 

 

 

Томск – 2013

Содержание:

1. Введение…………………………………………………………… ….. стр.3
2. Технологическая схема ректификационной установки………. стр.4
3. Расчет колонны………………………………………………………. стр.6
1. Исходные данные………………………………………………….. стр.6
2. Материальный расчет…………………………………………… стр.6
3. Диаграммы t-x, y; y-x……………………………………………… стр.11
4. Определение диаметра колонны и скорости пара……….… стр.13
5. Определение высоты насадки………………………………….. стр.17
6. Определение высоты колонны ……………………………….   стр.21
4. Тепловой расчет установки …………………………………….… стр.23
5. Механический расчет колонны……………………………………. стр.27
1. Определение толщины стенки обечайки …  ……………….. стр.28
2. Определение толщины стенки эллиптического днища и крышки   … …стр.29
3. Расчет и подбор штуцеров …………………………………… стр.31
4. Укрепление отверстий …………. … … … … … … … … … стр.33
5. Расчет фланцевого соединения ……………………………… стр.35
6. Расчет тарелок ………………………………. … … … … …   стр.42
7. Расчет балок … … … … … … … … … … … … …. … … … стр. 44
8. Выбор люка-лаза … … … … … … … … … … … … … … … стр.44
9. Масса колонны……… … … … … … … … … … … … ….… … стр.45
10. Расчет на ветровую нагрузку ………………………………….. стр.46
11. Расчет аппарата на сейсмическую нагрузку ……………………………….   стр.55

Вывод … … … …  … … … … … … … …  … … … … … … … …стр. 57

Список литературы…  … … … … … … … …  … … … … …    стр. 58

 

 

1. 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. Соответственно 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  аппарата, и проведение расчетов обеспечивающих работоспособность данного аппарата.

 

 

2. Технологическая схема ректификационной установки

Принципиальная схема  ректификационной установки представлена на рис 1.  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 хр.

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.

 

 

 

3. Расчет колонны:

3.1) Исходные данные

Наименование разделяемых компонентов……………………. метанол - вода;

Производительность по исходной смеси……...……… ;

Концентрации низкокипящего компонента (% мольн.):

в питании…………………………………………………………. .. ;

в дистилляте………………………………………………………. ;

в кубовой жидкости……………………………………………… ;

Начальная температура смеси………………………………………..… ;

Давление греющего пара (абс.).…………………………………. ;

Исходная смесь перед подачей в колонну нагревается до температуры кипения;

Колонна обогревается острым паром;

Кипятильник и дефлегматор вынесены из колонны.

 

3.2) Материальный расчет:

    Производительность  колонны по дистилляту G_D и кубовому остатку G_W определяем из уравнения материального баланса колонны:

G_F =  G_D +  G_W               (1)             

G_F · x_Fm= G_D ·x_Dm + G_W ·x_Wm (2)            

где  G_D – расход дистиллята, кг/с;

G_W – расход кубового остатка, кг/с;

Отсюда находим: 

Расход кубового остатка:

 

 

Расход  дистилята:

 

Пересчитываем составы фаз  из массовых в мольные доли по соотношению:

Питание:

 

 

 

Дистилят:

 

 

 

Кубовый остаток:

 

 

 

где  M_НИЗ, M_ВЫС – молекулярные массы метилового спирта и воды;

Метанол СН₄О – низкокипящий компонент.

Молекулярная  масса:  M_НИЗ = 32 кг/кмоль

Температура кипения ацетона: t_кип1= 64.5 °С

Вода H₂O – высококипящий компонент.

Молекулярная  масса:  M_ВЫС = 18 кг/кмоль

Температура кипения вода: t_кип2= 100 °С

Относительный мольный расход питания:

 

 

На рисунке 3. находим мольную долю летучего компонента в исходной смеси x_F и находим мольную долю низкокипящего компонента в паре, равновесном с жидкостью питания:

 

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются значением рабочего флегмового числа R. Ввиду отсутствия надёжной методики оценки R_опт используют приближённые вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) β, равного отношению R/R_min, где R_min – минимальное флегмовое число.

Определение минимального числа  флегмы:

 

 

 

Рабочее флегмовое число:

 

Уравнение рабочей линии для верхней части колонны:

 

Уравнение рабочей линии  для нижней части колонны:

 

Средние концентрации жидкости:

а ) в верхней части колонны:

 

б ) в нижней части колонны:

 

 

Мольные массы жидкости в верхней и нижней частях коллоны:

 

 

 

Мольная масса исходной смеси:

 

Мольная масса дистиллята:

 

Средние массовые расходы  по жидкости верхней и нижней частей колонны:

 

 

 

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Диаграммы t-x, y; y-x.

С целью проведения дальнейших материальных расчетов требуется построение линии равновесия и t-x-y диаграммы.

Для смеси метанол-вода рассчитаем и построим линию равновесия при  общем давлении П=760 мм.рт.ст.

Таблица 1. Расчет равновесных составов паровой и жидкой фаз

смеси метанол -  вода.

t,0C	x	yp
	мольные доли
64,5	1	1
66,0	0,9	0,958
67,5	0,8	0,915
69,3	0,7	0,870
71,2	0,6	0,825
73,1	0,5	0,779
75,3	0,4	0,729
78,0	0,3	0,665
81,7	0,2	0,579
87,7	0,1	0,418
91,2	0,06	0,304
93,5	0,04	0,230
96,4	0,02	0,134
100,0	0	0

 

По данным, приведённым  в таблице, строим диаграмму равновесия метанол – вода (диаграмма y – x), диаграмму t – y,x.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                     Рисунок №2. Диаграмма (t – x,y).

 

 

 

 

 

 

 

 

                   Рисунок №3. Диаграмма (y – x).

 

 

                                                                 

4.   Определение диаметра колонны и скорости пара.

Выбор рабочей скорости паров  обусловлен многими факторами и  обычно осуществляется путем технико – экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих при атмосферном давлении, рабочую скорость можно принимать на 20 - 30% ниже скорости захлебывания.