ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.11.2023
Просмотров: 149
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Минобрнауки России
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(технический университет)»
| Направление подготовки | 15.03.02 | Технологические машины и оборудование | | ||
| Направленность | | Проектирование, эксплуатация и диагностика технологических машин и оборудования | | ||
| Факультет | Механический | | | ||
| Кафедра | Процессов и аппаратов | | | ||
| Учебная дисциплина | Процессы и аппараты химической технологии | | |||
| | Курс 3 | Группа 301 | |||
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
| ||||
| | ||||
| Студент | ___________________ | В.Д. Варнакова | ||
| | (подпись, дата) |  (инициалы, фамилия) | ||
| Руководитель, доцент | __________________ | В. А. Константинов | ||
| Оценка за курсовой проект | (подпись, дата) | (подпись руководителя) | ||
Санкт-Петербург
2023
Содержание Введение…………………………………………………………………………...………5
1 Аналитический обзор………………………………………………………………...…7
2 Цели и задачи проекта………………………………………………………………..…9
3 Технологическая схема………………………………………………………………..10
4 Инженерные расчеты……………………………………………………………….…12
4.1 Технологический расчет…………………………………………………………...12
4.1.1 Материальный баланс………………………………………………………....12
4.1.2 Расчет средних физических величин потоков пара и жидкости……………16
4.1.3 Тепловой баланс……………………………………………………………….24
4.1.4 Расчет греющего пара в кубе испарителе………………………………...….26
4.1.5 Расчет расхода воды в дефлегматоре……………………………………..….27
4.2 Гидравлический расчет………………………………………………………...…..29
4.2.1 Определение диаметра колонны……………………………………………29
4.2.2 Расчет колпачковой тарелки……………………………………………..……30
4.2.3 Расчет сопротивления тарелки………………………………………………38
4.2.4 Расчет высоты колонны……………………………………………………….40
4.3 Расчет дефлегматора…………………………………………………………….…44
4.3.1 Ориентировочный расчет дефлегматора……………………………….…….45
4.3.2 Подробный расчет процесса теплопередачи…………………………...…….46
5 Выводы по курсовому проекту………………………………………………………52
Список использованных источников………………………………………...…………53
ПРИЛОЖЕНИЕ А………………………………………………………………….…….54
Введение
Ректификация (ступенчатая противоточная перегонка) — это тепломассообменный процесс, применяемый для разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения. При этом одна группа веществ, составляющих смесь, переходит преимущественно в пар (легколетучие (низкокипящие) компоненты – ЛЛК), а другая часть - в жидкость, или кубовый остаток (труднолетучие компоненты – ТЛК). Создание противоточных парового и жидкостного потоков, контактирующих между собой, осуществляется в ректификационных колоннах.
Сущность процесса ректификации сводится к выделению из смеси двух или в общем случае нескольких жидкостей с различными температурами кипения одной или нескольких жидкостей в более или менее чистом виде. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло- и массообменном между жидкой и паровой фазами; в результате часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего компонента - из паровой фазы в жидкую.
Ректификационная колонна — это противоточный колонный аппарат, в котором по всей его высоте реализуется процесс тепломассообмена между стекающей вниз флегмой (жидкостью) и поднимающимся вверх паром. Процесс тепломассообмена заключается в непрерывном "обмене" теплом и отдельными компонентами между жидкой и паровой фазами. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ТЛК, а из жидкости испаряется преимущественно ЛЛК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается ТЛК, а поднимающиеся пары обогащаются ЛЛК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый ЛЛК. Эти пары поступают в конденсатор, называемый дефлегматором, и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть отводится в качестве дистиллята. Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность фазового контакта, и, следовательно, от количества орошающей жидкости (флегмы) и устройства ректификационной колонны.
Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Повышенные давления применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Ректификацию под вакуумом осуществляют, когда необходимо разделить высококипящие жидкие смеси. Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность фазового контакта, и, следовательно, от количества орошающей жидкости (флегмы) и устройства ректификационной колонны.
Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров – диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типов колонны и выбранных насадок.
1 Аналитический обзор
В ряде производств химической, нефтяной, пищевой и других отраслей промышленности в результате различных технологических процессов получают смеси жидкостей, которые необходимо разделить на составные части. Для разделения смесей жидкостей и сжиженных газовых смесей в промышленности применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, молекулярной перегонки и ректификации. Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в другой.
Сущность процесса ректификации сводится к выделению из смеси двух или в общем случае нескольких жидкостей с различными температурами кипения одной или нескольких жидкостей в более или менее чистом виде. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло и массообменом между жидкой и паровой фазами; в результате часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего компонента — из паровой фазы в жидкую.
Процесс ректификации осуществляют в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, дефлегматор, холодильник-конденсатор, подогреватель исходной смеси, сборники дистиллята и кубового остатка.
Дефлегматор, холодильник-конденсатор и подогреватель представляют собой обычные теплообменники. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы. В большинстве случаев конечными продуктами являются дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).
Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенные давления применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении.
Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность фазового контакта, и, следовательно, от количества орошающей жидкости (флегмы) и устройства ректификационной колонны. В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого — обеспечение взаимодействия жидкости 7 и пара.
Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых или ситчатых) либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.
Колпачковые тарелки представляют собой массообменное устройство, в котором газ, поднимаясь вверх по колонне проходит через прорези в колпачке, дробясь на мелкие пузырьки, проходит через слой жидкости, где и происходит обмен компонентами. Высота слоя жидкости регулируется высотой сливной планки.
2 Цели и задачи курсового проекта
Целью курсового проекта является разработка ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси ацетон – вода под атмосферным давлением, а также подробный расчёт и чертеж дефлегматора.
Задачей проекта является изучение процесса непрерывной ректификации, ознакомление с конструкцией и видами контактных устройств.
3 Технологическая схема
1 - емкость для исходной смеси; 2, 9 – центробежные 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
Рисунок 1 - Принципиальная схема ректификационной установки
Исходную смесь из промежуточной емкости 1 (рисунок 1) центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси.
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, 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 того же состава, получаемой 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 кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).
Такие установки оснащаются необходимыми контрольно – измерительными приборами, позволяющими автоматизировать их работу и проводить процесс с помощью программного управления в оптимальных условиях.
4 Инженерные расчеты
4.1 Технологический расчет
4.1.1 Материальный баланс
Мольные массы смеси компонентов:
 | (1) |
где
– мольная масса смеси в питании, дистилляте и кубовом остатке соответственно, 
; 
– мольная доля компонента, (мол.);
и 
– мольные массы компонентов, .Физические свойства, в том числе мольные массы компонентов взяты из [1] и представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Физические свойства жидкостей [1]
| Свойство | Компонент | |
| Ацетон | Вода | |
| Химическая формула | CH3СОСН3 | H2O |
| Мольная масса  , кг/кмоль | 58 | 18 |
| Температура кипения при 1 атм,  | 56,4 | 100 |
В смеси легколетучим компонентом является тот компонент, у которого температура кипения ниже.
Следовательно, легколетучий компонент – ацетон.
Переведем исходные массовые доли легколетучего компонента в мольные по формуле:
 | (2) |
где
– содержание легколетучего компонента, массовые доли.Найдем мольные доли компонента легколетучего (низкокипящего) в дистилляте, питании и кубовом остатке по уравнению (2):
Рассчитываем мольные массы легколетучего компонента в питании, дистилляте и в кубовом остатке по уравнению (1):
Уравнения материального баланса:
 , | (3) |
 | (4) |
где
– расход в питании, дистилляте и кубовом остатке соответственно, кг/с.Решаем систему уравнений (3) и (4) и определяем неизвестные расходы:
,
.Полученные данные для удобства заносим в таблицу 2.
Таблица 2 – Расходы и составы потоков
| Поток | Расход потоков | Состав потоков | ||
| Молярная масса, кг/кмоль | Массовый расход, кг/с | молярная | массовая | |
| Исходная смесь (F) |  |  |  |  |
| Кубовый остаток (W) |  |  |  |  |
| Дистиллят (D) |  |  |  |  |
Уравнения рабочих линий процесса связывают действительные концентрации компонента в жидкой и паровой фазах в любом сечении колонны.
а) Уравнение рабочей линии верхней части колонны:
 | (6) |
б) Уравнение рабочей линии нижней части колонны:
 | (7) |
где
– молярная доля легколетучего компонента в паре, входящем снизу на тарелку, (мол.); 
– флегмовое число; 
– число питания;
– молярная доля легколетучего компонента в жидкости, стекающей с этой тарелки, (мол.). Число питания определяется по уравнению:
 | (8) |
Определим число питания:
 | |
Рабочее число флегмы:
 , | (9) |
где
– минимальное число флегмы.Определяем минимальное число флегмы по уравнению:
 , | (10) |
где
- равновесная концентрация.По уравнению (10) и рисунку А.2 определим минимальное число флегмы при условии, что графически было определенно, что
По уравнению (9) определим рабочее число флегмы:
Уравнение верхней рабочей линии (6) примет вид:
Уравнение нижней рабочей линии (7) примет вид:
4.1.2 Расчет средних физических величин потоков пара и жидкости
Определение средних физических величин жидкой фазы:
Мольные составы
и 
определяют как среднеарифметические:  | (11) |
 | (12) |
Мольные составы по уравнению (11) и (12) соответственно:
Мольные массы
и 
определяются по уравнению (1):
Массовые составы
и 
определяют по уравнению (2):
Средние температуры
и 
определяем по Приложению А при соответствующих значениях 
и 
.Плотности
, 
определяю по уравнению:  | (13) |
где
и 
– плотности легколетучего и труднолетучего компонентов при соответствующих температурах, 
.Плотности легколетучего и труднолетучего компонентов при соответствующих температурах по [1] занесены в таблицу 3.
Таблица 3 - Плотность компонентов в зависимости от температуры
| Компонент | Плотность, | |
 |  | |
| Ацетон | 745 | 713 |
| Вода | 981 | 969 |
,
Рассчитываем динамические коэффициенты вязкости
, 
:  | (14) |
где
, 
– коэффициенты динамической вязкости легколетучего и труднолетучего компонентов.Коэффициенты динамической вязкости легколетучего и труднолетучего компонентов при соответствующих температурах по [4] занесены в таблицу 4.
Таблица 4 – Динамические коэффициенты вязкости
| Компонент | Коэффициент динамической вязкости,  | |
| |  | |
| Ацетон | 0,224 | 0,193 |
| Вода | 0,451 | 0,336 |
Рассчитаем динамические коэффициенты вязкости по уравнению (14):
Рассчитаем температурный коэффициент:
 | (15) |
где
– динамический коэффициент вязкости жидкости при 
; 
– плотность жидкости при .Коэффициенты динамической вязкости и плотности легколетучего и труднолетучего компонентов при
занесены в таблицу 5.Таблица 5 – Коэффициенты вязкости и плотности компонентов при
| Жидкость | Коэффициент вязкости,  | Плотность жидкости, |
| Ацетон | 0,325 | 790 |
| Вода | 1 | 998 |
Рассчитаем плотности
, 
при по уравнению (13)
Рассчитаем динамические коэффициенты вязкости при
по уравнению (14):
Рассчитаем температурный коэффициент из уравнения (15):
Коэффициент диффузии (при
):  | (16) |
где
и 
– мольные объёмы растворенного вещества и растворителя, 
; 
и 
– коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя.Мольные объёмы растворённого вещества [3]:
Рассчитаем коэффициент диффузии при
, используя уравнение (16):
Коэффициент диффузии:
 | (17) |
Рассчитаем коэффициент диффузии по уравнению (17):
Поверхностные натяжения можно найти:
 | (18) |
где
и 
– поверхностные натяжения исходных веществ при соответствующих температурах, 
.Поверхностные натяжения представлены в таблице 6:
Таблица 6 – Поверхностные натяжения исходных веществ
| Компонент | Поверхностное натяжение, мН/м | |
| | | |
| Ацетон | 0,0182 | 0,0156 |
| Вода | 0,0657 | 0,0617 |
Рассчитаем поверхностные натяжения по уравнению (18):
Массовые расходы:
 | (19) |
 | (20) |
где
, 
– массовые расходы питания и дистиллята, 
.Вычислим массовые расходы, используя уравнения (19) и (20):
Объёмные расходы:
 | (21) |
Рассчитаем объемные расходы, используя уравнения (21):
Определение средних физических величин паровой фазы
Мольные составы определяем по уравнениям рабочих линий (6) и (7):
Мольные массы определяем на основе уравнения (1):
Массовые составы определяем на основе уравнения (2):
Средние температуры
и 
определим по Приложению А при соответствующих значениях 
и 
. (мольные)Плотности смесей определим по уравнению Клапейрона:
 | (22) |
где
– плотность пара при нормальных условиях (
, 
), кг/м3
– средняя температура пара, К; 
– среднее давление в колонне.
Коэффициент диффузии:
 | (24) |
По уравнению (24):
Массовые расходы:
 | (25) |
| | |
Рассчитаем массовые расходы, используя уравнение (25):
 | (26) |
| | |
Рассчитаем объемные расходы пара, используя уравнение (26):
4.1.3 Тепловой баланс
Количество теплоты, выделяющееся при конденсации паров дистиллята, находится по уравнению:
 | (27) |
где
– удельная теплота испарения дистиллята, 
.Удельную теплоту испарения найдем по формуле:
 | (28) |
Зная мольный состав дистиллята, исходной смеси и кубового остатка, по диаграмме x-y(t) найдем их температуры кипения:
, 
, 
.Зная мольный состав и температуру кипения дистиллята, найдем удельную теплоту испарения:
, 
, значит удельная теплота испарения:
Количество теплоты дистиллята:
Зная температуры кипения дистиллята, исходной смеси и кубового остатка, можно найти (удельные теплоёмкости таблица 8):
 | (29) |
| | |
Таблица 8 - Удельная теплоёмкость исходных веществ
| Компонент | Удельная теплоемкость,  | ||
 |  |  | |
| Ацетон | 2301 | 2318 | 2394 |
| Вода | 4185 | 4193 | 4212 |
По уравнению (29):
Количество теплоты, дистиллята, исходной смеси и кубового остатка:
 | (30) |
В соответствии с уравнением (30):
Количество теплоты, которое необходимо подвести в куб-испаритель:
(31)
(32)
4.1.4 Расчет греющего пара в кубе испарителе
В кубе – испарителе происходит кипение смеси состава xw и ее испарение. Для подогрева используется греющий пар. Необходимое количество теплоты, которое должно передаваться кипящей жидкости в кубе – испарителе была определена в расчете теплового баланса:
Для стабильного и интенсивного протекания процесса теплообмена между греющим паром и заданной смесью, необходимо соблюдать условие: минимальная движущая сила должна быть около 30
. Так как на установку греющий пар подается на несколько теплообменников, необходимо взять температуру на 30 выше, чем наибольшая температура в теплообменниках.Наибольшая температура в кубе испарителе рассчитывается по формуле:
 | (33) |
Рассчитаем температуру греющего пара по формуле (33)
Принимаем
, при заданной температуре, греющий пар будет иметь давление 
атм.Принимаем
тогда , а удельная теплота парообразования 
Расход греющего пара определяется по формуле:
 | (34) |
Определим расход греющего пара по формуле (34):
4.1.5 Расчет расхода воды в дефлегматоре
В дефлегматоре конденсируется пары дистиллята за счет охлаждения водой, введем индексацию: 1 – дистиллят; 2 – вода.
1- зависимость температуры дистиллята от длины теплообменных труб;
2- зависимость температуры воды от длины теплообменных труб.
Рисунок 2 – Температурная схема процесса в дефлегматоре
Принимаем
где
– температура конденсации паров дистиллята, 
Рассчитаем наименьшую и наибольшую движущую силу теплопередачи
и 
:  | (35) |
 | (36) |
Средняя разность температур считается по уравнению:
 | (37) |
Рассчитаем среднюю разность температур, используя уравнение (37):
Средняя температура исходной смеси:
 | (38) |
Теплофизические параметры воды при средней температуре:
Массовый расход воды в дефлегматоре определим по формуле:
 | (39) |
Рассчитаем расход воды в дефлегматоре, используя уравнение (39):
4.2 Гидравлический расчёт
4.2.1 Определение диаметра колонны
Диаметр колонны определяем по объёмному расходу газа (пара):
 | (40) |
где
– скорость газа (пара) в колонне, 
.Задаемся скоростью газа (пара)
и при определённом объёмном расходе газа (пара) рассчитываем диаметр колонны по уравнению (40):
После многочисленного перевыбора диаметра выбираем стандартный диаметр
, периметр слива 
, число колпачков 
. Задаемся расстоянием между тарелками 
, диаметр колпачка 
и площадь прорези колпачка 
.4.2.2 Расчёт колпачковой тарелки
Действительные (рабочие) скорости газа рассчитываются по формуле:
 | (41) |
Схема колпачковой тарелки представлена на рисунке 3:
1 - площадь, занятая колпачками – рабочая площадь тарелки (
);2 -переливной сегмент (
)Рисунок 3 – Схема тарелки исполнения 1 с переливным устройством
Рабочая площадь тарелки и площадь переливного сегмента рассчитывается по формулам:
 | (42) |
 | (43) |
где
– расстояние от стенки колонны до рабочей площади тарелки.Расстояние от стенки колонны до рабочей площади тарелки, исходя из ее геометрии, по формуле:
 | (44) |
Рассчитаем расстояние от стенки колонны до рабочей площади тарелки, используя уравнение (44):
Рассчитаем площадь переливного сегмента колонны, используя уравнение (43):
Рассчитаем рабочую площадь тарелки, используя уравнение (42):
По формуле (41) посчитаем действительные скорости в верхней и нижней части колонны:
Максимальные скорости газа рассчитывается формулой:
 | (45) |
где -коэффициент, для колпачковых тарелок a=1; Cmax – коэффициент, зависящий от расстояния между тарелками, Cmax=1030.
Коэффициент
:
Рассчитанный коэффициент
входит в допустимые пределы 
.Скорость газа (пара) в прорезях колпачка определяется по соотношению:
 | (47) |
Рассчитаем скорость газа (пара) в прорезях колпачка, используя уравнение (47):
Минимально допустимая скорость газа (пара) в прорезях колпачка определяется по соотношению:
 | (48) |
где
– коэффициент гидравлического сопротивления.Рассчитаем минимально допустимую скорость, используя уравнение (48):
Максимально допустимая скорость газа (пара) в прорезях колпачка определяется по следующему соотношению и соответствует полному открытию прорезей колпачка:
 | (49) |
В соответствии с уравнением (49) рассчитаем максимальную допустимую скорость:
Т.к.
, то следует установить колпачки без зазора. При выполнении этого условия определим степень открытия прорезей 
по соотношению:  | (50) |
Для нормальной работы кулачковой тарелки прорези должны быть открыты не меньше, чем на половину, то есть
Рассчитаем степень открытия прорезей для верха и низа колонны, используя уравнение (37):
Высота слоя жидкости на тарелке для верхней и нижней части колонны определяется по формуле:
 | (51) |