Расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения смеси бензол-толуол

                                                          

 

 

 

Рисунок 2.9 – Графический  расчет числа тарелок по кинетической кривой

 

Число тарелок - .

Высота колонны определяется по формуле:

 м.

Высота колонны – 4,55 м

 

2.5 Тепловой расчет ректификационной колонны

 

2.5.1 Определение расхода  греющего пара

 

Определим расход пара на подогрев смеси в теплообменнике и на испарение в колонне из уравнения теплового баланса:

,

где    Q₁ – количество тепла, вносимое начальной смесью, кДж/ч;

Q₂ - количество тепла, вносимое флегмой, кДж/ч;

Q₃ - количество тепла, вносимое в колонну греющим паром, кДж/ч;

Q₄ - количество тепла, уносимое парами, кДж/ч;

Q₅ - количество тепла, уносимое с кубовыми остатками, кДж/ч;

Q₆ - тепло, затрачиваемое на конденсат греющего пара, кДж/ч.

Q₇ - тепло, потери в окружающую среду ( ), кДж/ч.

По фазовой диаграмме (рис. 2.10) находим температуру кипения исходной смеси:

Рисунок 2.10 – Фазовая  диаграмма бинарной смеси бензол-толуол

температура кипения  исходной смеси: ;

температуру кипения  дистиллята: ;

температуру кипения  остатка: .

Последовательно рассчитываем количество вносимого тепла и  потраченного тепла.

Количество тепла, вносимое начальной смесью, определяем по формуле:

где с_б – удельная теплоемкость бензола при t_F = 104⁰C приблизительно равна 2,01 кДж/(кг К); (рис. 16, [1])

с_т - удельная теплоемкость толуола при t_F = 104⁰C приблизительно равна 1,88 кДж/(кг К). (рис. 16, [1])

Количество тепла, вносимого  флегмой:

,

где с_Ф – удельная теплоемкость флегмы, кДж/(кг∙К).

Количество тепла, вносимое в колонну греющим паром:

,

где G_w – расход греющего пара, кг/с, i и i_r – энтальпия водяного пара и его конденсата при атмосферном давлении. При давлении 5 атм., энтальпия водяного пара (табл.57 [1]) i = 2754 кДж/кг, энтальпия конденсата i_k = 637,7, кДж/кг.

Тепло, уносимое парами, поднимающимися с верхней тарелки в дефлегматор, определяется:

, ,

где r – удельная теплота парообразования, кДж/(кг∙К).

Тепло, уносимое с кубовыми остатками:

,

Тепло, на конденсирование  греющего пара:

.

Из основной формулы  теплового баланса имеем:

.

По известному абсолютному  давлению греющего пара ( ) найдём его теплоту конденсации

 

Примем потери тепла  в 2,5%, тогда:

Следовательно, расход греющего пара, который подводится в куб колонны составляет 0,33 кг/с

 

2.5.2 Определение поверхности  теплопередачи испарителя

 

Примем в качестве ориентировочного значения коэффициента теплопередачи от конденсирующегося пара к органическим жидкостям          К = 300 Вт/м²∙К.

Тогда ориентировочное  значение поверхности теплообмена  будет определяться по формуле:

 м²

По ориентировочному значению поверхности теплообмена из справочной литературы [11, стр. 51] был выбран кожухотрубный теплообменник мм, диаметр труб 25х2 мм, общее число труб 257, длина труб 300мм, число ходов - 1,

 

2.5.3 Определение толщины изоляции

 

Толщина изоляции определяем по упрощенному уравнению для  плоской стенки:

 

 или  .

 

 

2.6 Конструктивный расчет ректификационных колонн

 

Ситчатые тарелки изготовляют  в виде листа, перфорированного круглыми отверстиями. Диаметр отверстий  0,8..8 мм. Наиболее распространенные тарелки с отверстиями 5 мм. Шаг между отверстиями (2..5) , площадь сечения отверстия составляет 6-20% от площади поперечного сечения колонны. Высота сливного патрубка над сичатой тарелкой принимают в диапазоне 20-50 мм.

Примем диаметр отверстий 10 мм, шаг между отверстиями 20 мм.

 

2.7 Расчет гидравлического  сопротивления ректификационных  колонн

 

Гидравлическое сопротивление  ситчатой тарелки рассчитывается по формуле (Х-147 из книги [2]):

Соберем необходимые  данные, рассчитанные в процессе выполнения курсовой работы:

 кг/м³

 кг/м³

м/с формула взята из [2];

          

 м - высота сливного патрубка;

 м – диаметр отверстий  ситчатой тарелки;

 – толщина ситчатой тарелки;

Подставляя выписанные данные в формулу гидравлического  давления, получим:

 

Общее сопротивление тарелок колонны равно:

 кПа.

Проверим правильность принятия расстояния между тарелками  в  0,3м по критерию.

. Расстояние между тарелками  в 0,3 м было выбрано правильно.

 

2.8 Расчет дефлегматора

 

Считаем, что дефлегматор охлаждается водой с . в дефлегматоре вода нагревается до

Определение тепловой нагрузки дефлегматора

Вычислим  :

 кВт

Из уравнения теплового  баланса дефлегматора определим  расход воды:

 кг/с

Температура паров, выходящих  верхом колонны и поступающих  в дефлегматор . Дефлегматор охлаждается водой с . В дефлегматоре вода нагревается до , а органические пары при температуре конденсируются и переходят в другое фазовое состояние (жидкость).

Определяем средний  температурный напор:

, ⁰С.

Поверхность теплообмена  найдем из уравнения теплопередачи

, Вт,  

 

откуда

 

, м^2,

 

где Q – производительность дефлегматора, кг/с; К – коэффициент теплопроводности, Вт/(м²град.); Δt – средний температурный напор, град.

Для нахождения поверхности  теплообмена, необходимо задать значение коэффициента теплопередачи. В соответствии с [11, с.47] примем К = 500 Вт/(м²К).

, м²

Выбираем дефлегматор: диаметр кожуха 400 мм, трубы 25х2, одноходовый, длина труб 3м, количество труб 111.

 

2.9 Расчет подогревателя  исходной смеси и холодильника  для охлаждения дистиллята и  кубового остатка

 

В теплообменнике водяной  пар с температурой подогревает исходную смесь температурой до температуры , при этом температура водяного пара конденсируется на поверхности стенок труб при той же температуре . Расход нагреваемого теплоносителя G₂ = 1,53 кг/с.

Определение производительности и расхода пара

Определим производительность теплообменника по формуле

, кВт

Определение среднего температурного напора:

, ⁰С.

Из уравнения находим  расход пара G₁:

, кг/с

Ориентировочную поверхность  теплообмена найдем из уравнения  теплопередачи:

, м^2,

где Q – производительность подогревателя, кг/с; К – коэффициент  теплопроводности, Вт/(м²град.); Δt – средний температурный напор, град.

Для нахождения поверхности  теплообмена, необходимо задать значение коэффициента теплопередачи. В соответствии с [11, с.47] примем К = 150 Вт/(м²К).

, м²

Принимаем диаметр кожуха 325мм, трубы 25х2 мм, длина труб 1,5м, количество труб 62, одноходовый.

В охладителе дистиллят  с температурой охлаждается водой температурой до температуры , при этом температура воды повышается до температуры . Расход дистиллята G_p = 1,17 кг/с.

Определим производительность теплообменника по формуле

,

где с_р1 – удельная теплоемкость охлаждающего теплоносителя при .

, кВт

Определение среднего температурного напора

, ⁰С.

Определение поверхности теплообмена

Для нахождения поверхности  теплообмена, необходимо задать значение коэффициента теплопередачи. В соответствии с [11, с.47] примем К = 200 Вт/(м²К).

, м²

Выбираем теплообменник: диаметр кожуха 400 мм, трубы 25х2 мм , длина  труб 2 м, одноходовый, число труб 111.

 

2.10 Расчет питающего насоса

 

Мощность на валу насоса: ,где кг/с. , .

Напор насоса: . м

Потери напора:

.

 м

Для определения коэффициента найдем величину:

, т.е режим течения турбулентный. Примем абсолютную шероховатость равной D=2´10^-4 м. Тогда:

Таким образом, в трубопроводе имеет место смешанное трение, и расчет l следует проводить по формуле:

Определим сумму коэффициентов  местных сопротивлений:

сумма коэффициентов в коленах

åx_кол=8∙2,2=17,6

сумма коэффициентов  в вентилях

åx_н=4∙1,04=4,16

Суммарные коэффициенты местного сопротивления:

Общие потери напора:

м

Следовательно, общие  потери напора составляют:

.

Мощность на валу насоса равна:

 

2.11 Расчет вместительности  и размеров хранилищ

 

Рассчитаем емкость  хранилищ при условии шестичасовой рабочей смены.

Для исходного дистиллята:

 м³ . Выбираем по ГОСТ 32 м³

Выберем диаметр хранилища, равный =4м, тогда его высота из условия цилиндричности форм будет м.

Для кубового остатка:

 м³. Выбираем по ГОСТ 10 м³

Выберем диаметр хранилища, равный 2,8 м, тогда его высота из условия цилиндричности форм будет м.

Условие: соблюдается.

 

2.12 Выбор конструктивных материалов для аппарата

 

Специфические условия  работы химической аппаратуры характеризуются диапазоном давления от глубокого разряжения до избыточных давлений порядка 250 МН/м2 и выше, большим интервалом рабочих температур от -254^оС до +1000^оС и выше, а также агрессивностью воздействующей среды. В связи с этим предъявляются высокие требования к выбору конструкционных материалов проектируемой аппаратуры.

Наряду с обычными требованиями высокой коррозионной стойкости в определенных агрессивных средах к конструкционным материалам одновременно предъявляются также требования высокой механической прочности, жаростойкости и жаропрочности, сохранения удовлетворительных пластических свойств при знакопеременных или повторных однозначных нагрузках (циклической прочности), малой склонности к старению и т. д. Для химической аппаратуры преимущественно применяются конструкционные материалы, стойкие и весьма стойкие в агрессивных средах.

Для правильного, наиболее целесообразного выбора материала или способа его защиты от коррозии необходимо знать природу и свойства материала, характеристику агрессивной среды, условия его эксплуатации.

Материал аппарата должен быть устойчив к воздействию как  бензола, так и толуола. Этому  требованию удовлетворяют стали: углеродистые, легированные (12Х13, 12Х17, 12Х25, 12Х28, 12Х21Н5Т, 12Х18Н10Т, 12Х17Н13М2Т, ОХ23Н28М3Д3Т).

Принимаем для деталей  колонны, соприкасающихся со смесью бензол-толуол, сталь легированную 12Х13 ГОСТ 5632-72. При этом скорость коррозии составляет 0,1 мм/год. Для деталей, не соприкасающихся со смесью, подойдет сталь Ст 3 ГОСТ 380-71.