Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ректификация захаров

.pdf
Скачиваний:
299
Добавлен:
04.01.2017
Размер:
953.37 Кб
Скачать

Федеральное агентство по образованию

Московская государственная академия тонкой химической технологии

им. М.В. Ломоносова

Кафедра Процессы и аппараты химической технологии

М.К. Захаров

РЕКТИФИКАЦИОННАЯ УСТАНОВКА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Методические указания по выполнению курсового проекта

Москва, 2010

www.mitht.ru/e-library

УДК 66.048

ББК 35.113

Рецензент: проф. Лапшенков Г.И. (каф. СУ и АХТП)

Автор: М.К. Захаров Ректификационная установка непрерывного

действия. Методические указания по выполнению курсового проекта.

66 стр., 4 рис.

Москва, 2010 В пособии приведены основные требования к

курсовому проекту, порядок его выполнения и основные методики расчета. В ряде случаев даны ссылки на литературу, в которой отдельные расчеты выполнены наилучшим образом.

Методические указания предназначены для

студентов 4-го курса всех специальностей при выполнении ими курсового проекта, а также для студентов 6-го курса при выполнении

квалификационных работ, связанных с ректификацией.

Данные указания являются переработанным

вариантом ранее разработанных на кафедре методических указаний по проектированию

ректификационных установок.

Утверждено библиотечно–издательской комиссией в качестве учебно–методического пособия.

©МИТХТ им. М. В. Ломоносова, 2010

2

www.mitht.ru/e-library

Издание учебное

Захаров Михаил Константинович

РЕКТИФИКАЦИОННАЯ УСТАНОВКА

НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Методические указания по выполнению курсового проекта

Компьютерная верстка: Пирогова О. Н.

Подписано в печать. . . . . . . . . . . . . Формат 60х84/16 Бумага писчая. Отпечатано на ризографе. Уч. изд. Листов 2,0. Тираж 200 экз. Заказ . . . . . . . . .

Лицензия на издательскую деятельность ИД № 03507 от 15.12. 2000 (рег.№003792) код 221

Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова Издательско-полиграфический центр

119571 Москва, пр. Вернадского, 86.

66

Оглавление

Основные условные обозначения........................................

5

1. Цель и задачи курсового проектирования......................

6

2. Проработка общих вопросов.............................................

6

2.1. Технологическая схема................................................

7

2.2. Рабочее давление.........................................................

9

2.3. Конструкционный материал......................................

10

2.4. Тип и конструкции контактных устройств ...............

11

2.5. Физико – химические данные, необходимые для

 

расчета .................................................................................

16

3. Расчет основного оборудования....................................

19

3.1 Материальный баланс колонны................................

20

3.2. Флегмовое число.........................................................

20

3.3. Внутренние материальные потоки в колонне........

23

3.4. Тепловой расчет ректификационной колонны ......

24

3.5. Диаметр тарельчатой колонны.................................

25

3.6. Расстояние между тарелками...................................

30

3.7. Число теоретических тарелок...................................

30

3.8. Число реальных тарелок в ректификационной

 

колонне.................................................................................

32

3.9. Гидравлический расчет тарельчатых колонн........

34

3.10. Характеристики конструкций тарелок и их

 

основных элементов..........................................................

39

3.11. Диаметр насадочной ректификационной

 

колонны ................................................................................

44

3

 

www.mitht.ru/e-library

3.13. Особенности конструирования насадочных

 

колонн...................................................................................

47

4.

Проектирование установки..............................................

49

4.1. Компоновка оборудования........................................

49

4.2. Конструктивное исполнение ректификационных

 

колонн...................................................................................

51

4.3. Диаметры штуцеров ...................................................

53

4.4. Фланцевые соединения.............................................

54

5.

Расчет теплообменной аппаратуры

 

ректификационной установки.............................................

54

6.

Расчет тепловой изоляции..............................................

60

7.

Расчет и выбор вспомогательного оборудования......

60

7.1. Перекачивающие насосы ..........................................

60

7.2. Конденсатоотводчики.................................................

61

7.3. Резервуары ..................................................................

62

8.

Расчет ректификационной и теплообменной

 

аппаратуры и их деталей на прочность............................

62

Рекомендуемая литература................................................

63

4

25.Клинов И.Я. Коррозия химической аппаратуры и

коррозионностойкие материалы, М., Машгиз,

1960.

26.Домашнев А.Д. Конструирование и расчет химических аппаратов, М., Машгиз, 1961.

27.Унифицированные кожухотрубные теплообменные аппараты специального назначения, Каталог, М., ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1987.

28.Стандартные кожухотрубчатые теплообменные

аппараты общего назначения, Каталог, М., ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1988.

29.Центробежные горизонтальные и вертикальные

химические насосы с проточной частью из металла, Каталог, М., ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1991.

30.Мясоеденков В.М. Подбор конденсатоотводчиков,

М., МИТХТ, 2000.

31.Носов Г.А., Захаров М.К. Конструктивное

оформление колонных аппаратов, М., МИТХТ, 2009.

32.Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета

технологического и природоохранного оборудования. Справочник в 3х томах. Калуга,

изд. Н. Бочкаревой, 2001.

33.Айнштейн В.Г., Захаров М.К. Об истечении жидкости на переливных перегородках. Хим.

пром. №7, 2001, с.43.

34.Носов Г.А., Вышнепольский В.И., Лапшенков Г.И.

Технологические схемы химико-технологических процессов. М., МИТХТ, 2010.

65

www.mitht.ru/e-library

нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник

для вузов. 3–е изд, перераб. и доп. – М. ООО

“Недра – Бизнесцентр”, 2000, 677с.

14.Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры, М., «Машиностроение», 1970.

15.Тютюнников А.Б., Товажнянский Л.Л.,

Готлинская А.П. Основы расчета и конструирования массообменных колонн, Киев,

Высш. школа, головное издательство, 1989, 224с.

16. Колонные аппараты. Каталог, ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, М., 1987.

17.Расчеты основных процессов и аппаратов

нефтепереработки. Справочник под ред. Е.Н. Судакова, М., Химия, 1979, 566с.

18.Викторов М.М. Методы вычисления физико– химических величин и прикладные расчеты, М.,

Химия, 1977, 360с.

19.Флореа О., Смигельский О. Расчеты по

процессам химической технологии, М., Химия, 1971.

20.Альперт Л.З. Основы проектирования химических

установок, М., «Высшая школа», 1976.

21.Отраслевая нормаль ОН 26–02–29–66, Тарелки

ректификационные клапанные прямоточные,

Гипронефтемаш, М., 1966.

22.Дж. Пери. Справочник инженера химика, т.1–2, Л.,

Химия, 1969.

23.Генкин А.Э. Оборудование химических заводов, М., Высшая школа, 1978.

24.Кувшинский М.Н., Соболева А.П. Курсовое

проектирование по предмету «Процессы и аппараты химической промышленности», М., Высшая школа, 1980.

64

Основные условные обозначения

 

А, В

 

 

низкокипящий (НКК) и высококипящий (ВКК)

 

 

 

 

 

 

компоненты;

 

 

 

А, В, С

 

 

константы в уравнениях;

 

 

 

а

 

 

массовая концентрация компонента А, кг А/кг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

смеси;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с

 

 

теплоёмкость, кДж/(кг·К) или кДж/(кмоль·К);

 

 

 

 

 

 

D

 

 

поток пара, кг/с или кмоль/с;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dк

 

диаметр колонны, м;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fуд

 

 

удельная поверхность насадки, м23;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H, h

 

 

высота, м;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 · К);

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

поток жидкости, кг/с или кмоль/с;

 

 

 

R

 

 

флегмовое число;

 

 

 

Rм

 

 

минимальное флегмовое число;

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

теплота

парообразования, кДж /кг

или

 

 

 

 

 

 

кДж/кмоль;

 

 

 

V

 

 

объёмный поток пара, м3/с;

 

 

 

w

 

 

скорость, м/с;

 

 

 

x

 

 

мольная

концентрация компонента

А в

 

 

 

 

 

 

жидкости,

 

 

 

 

 

 

 

 

кмоль А/кмоль смеси;

 

 

 

y

 

 

мольная концентрация компонента А в паре,

 

 

 

 

 

 

кмоль А/кмоль смеси;

 

 

μ– вязкость, Па/с;

ρ– плотность, кг/м3;

σ – поверхностное натяжение, Н/м.

Индексы

А – компонент А В – компонент В

1– исходная смесь;

2– дистиллят (верхний продукт);

0 – кубовый остаток (нижний продукт);

5

www.mitht.ru/e-library

1. Цель и задачи курсового проектирования

Курсовой проект является самостоятельной работой студента, базирующейся не только на теории

процессов и аппаратов химической технологии, но и

на ряде предшествующих дисциплин (графика, прикладная механика, физическая химия). Качество проекта зависит от уровня овладения студентов знаниями по указанным дисциплинам, от умения

пользоваться технической литературой и от

проявленной при проектировании инициативы. Целью курсового проектирования является

закрепление знаний, приобретенных при изучении упомянутых дисциплин, а также привитие навыков

комплексного использования полученных

теоретических знаний для решения конкретных задач по аппаратному оформлению технологических процессов.

Курсовой проект состоит из расчетно –

пояснительной записки и чертежей проектируемой

установки на двух листах стандартного размера —

814×576. На первом листе помещаются общий вид основного аппарата установки с достаточным

количеством проекций (продольные и поперечные разрезы) и наиболее важные узлы. На втором листе

приводится технологическая схема установки.

2. Проработка общих вопросов

После получения задания следует, в первую очередь, повторить материал соответствующей главы теоретического курса и затем рассмотреть возможные варианты аппаратурно – технологического оформления рабочего процесса, обратив внимание на

6

Рекомендуемая литература

1.Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии, М., Химия, 1981, 811с.

2.Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты

химической технологии, М., Госхимиздат, 1971,

750с.

3.Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А. и др.

Общий курс процессов и аппаратов химической

технологии. М., Логос, 2006, 1760с.

4.Александров И.А. Ректификационные и адсорбционные аппараты, М., Химия, 1978.

5.Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В.

Равновесие между жидкостью и паром, М., Наука, 1966, кн. 1,2.

6.Справочник химика, т.1–5, М.Л., изд. Госхимиздат,

1962–1968.

7.Справочник по растворимости, т.1,2, М. Л., изд.

АН СССР, 1963.

8.Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л., Химия, 1987, 575с.

9.Чернышев А.К., Поплавский К.Л., Заичко Н.Д.

Сборник номограмм для химико–технологических

расчетов, М., Химия, 1969.

10.Дытнерский Ю.И. Основные процессы и

аппараты химической технологии, Пособие по проектированию, М., Химия, 1991.

11.Стабников В.Н. Ректификационные аппараты, изд. «Машиностроение», 1965.

12.Захаренко В.В. Методические указания по расчету аппаратов воздушного охлаждения, М., МИТХТ, 1987.

13.Скобко А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И.,

Щелкунов В.А. Процессы и аппараты

63

www.mitht.ru/e-library

7.3. Резервуары

Для приема исходной смеси, сбора кубового продукта и дистиллята, а также в качестве промежуточных емкостей (пример – перед насосом

для флегмы) на проектируемой установке должны

быть предусмотрены резервуары. Размеры (объемы) последних рассчитывают исходя из условий

обеспечения непрерывности работы установки в

течение 1, 2 или 6 часов, и степени их заполненности, равной 0, 8÷0, 9. Нормализованные резервуары выбирают по [23, 32].

8. Расчет ректификационной и теплообменной аппаратуры и их деталей на прочность

При выполнении проекта выполняются некоторые прочностные расчеты (по согласованию с руководителем проекта).

Обычно рассчитывают:

–толщину цилиндрической обечайки корпуса

аппарата;

–толщину крышки и днища аппарата;

–укрепление вырезов в корпусе, крышке и днище;

–расчёт опоры колонны с учётом ветровой

нагрузки.

Указания по этим расчетам имеется в [10, 11].

Ряд ценных указаний и примеры расчетов содержатся также в [14, 15, 23, 24]. Расчеты проводят при

максимальном давлении в аппарате, достигаемом при

гидравлическом испытании колонны, т.е. при её полном заполнении водой.

62

возможность утилизации теплоты уходящих потоков.

Эти вопросы изложены в основной рекомендуемой

литературе [1 – 4].

В задании на проектирование обычно указаны производительность установки, состав исходной смеси, требуемые составы дистиллята и кубового продукта, рабочее давление в колонне, температура исходной смеси на входе в колонну, коэффициент избытка флегмы, параметры греющего пара и

охлаждающего агента, а также конструкция колонны.

Выбор отдельных из указанных параметров может быть предоставлен студенту.

Второй этап работы составляет изучение

физико–химических свойств разделяемой смеси (взаимная растворимость и температуры кипения компонентов, данные по фазовому равновесию, теплоемкость, теплопроводность, вязкость, поверхностное натяжение, коррозирующее действие разделяемой смеси и т.д.). Предпочтительно

использовать в последующих расчетах экспериментальные данные для разделяемой смеси, приведенные для многих химических продуктов в

литературе, [5 – 8, 22]. При их отсутствии отдельные физико–химические параметры могут быть найдены

расчетным путем (см., например, [8, 17, 18, 22]);

некоторые из рекомендуемых уравнений приведены в разделе 2.5 данного пособия.

Выбор конструкционного материала зависит от

агрессивности разделяемой смеси и производится с помощью [6, 10, 14, 25, 32].

2.1. Технологическая схема

На миллиметровой бумаге в произвольном масштабе следует изобразить сначала основную часть технологической схемы (см., например, [1, рис.

7

www.mitht.ru/e-library

ХI–6] или [2, рис. XII–14]) и дополнить её

недостающим оборудованием, нанести направления материальных потоков и их параметры.

Можно за основу взять технологическую схему ректификационной установки непрерывного действия, приведенную в [10, с. 221], изменив её в соответствии с условиями работы проектируемой установки.

При окончательном вычерчивании технологической схемы на листе (формат А1)

необходимо руководствоваться ГОСТами и

нормалями на изображения аппаратов. Частично такие рекомендации имеются в [10], подробнее – в

[34].

При разработке схемы необходимо стремиться к максимальной рекуперации тепла, уносимого дистиллятом и кубовым остатком. Вариант рекуперации тепла кубового продукта для нагрева им исходной смеси до температуры кипения (или близкой к ней) часто является экономически оправданным, так

как температура кубовой жидкости всегда выше температуры кипения исходной смеси. При использовании этого варианта следует проверить:

является ли достаточным количество теплоты,

которое может отдать кубовый продукт, для нагрева исходной смеси до заданной температуры. Такая

проверка и принятие решения возможны лишь после материального и теплового расчета

ректификационной колонны (разделы 3.1– 3.4).

В ряде случаев: при разделении смесей высококипящих компонентов, при высоких давлениях в колонне (p>1 МПа) целесообразно использовать

теплоту конденсации уходящих из колонны паров для получения водяного пара, пригодного либо для непосредственного применения, либо для

8

большинстве случаев для подачи в колонну флегмы

используют центробежные насосы.

В объем курсового проекта входит выбор (по

каталогам, например [29]) насоса для подачи исходной смеси по производительности и напору насоса, а также расчет потребляемой насосом мощности.

Составляющими требуемого напора насоса являются:

геометрическая высота подачи жидкости (из

емкости на тарелку питания в колонне);

разность давлений в колонне (на уровне

тарелки питания) и в емкости для исходной

смеси;

гидравлическое сопротивление трубопровода.

При расчете гидравлического сопротивления трубопровода необходимо учесть местные сопротивления, а также гидравлическое сопротивление теплообменника. Пример расчета

сопротивления теплообменника имеется в [8] в разделе «Основы прикладной гидравлики». Длину трубопровода и количество местных сопротивлений

выбирают в разумных пределах. Например, длину трубопровода берут в 2 – 3 раза больше, чем просто

высота подачи жидкости в колонну (определяется из

чертежа основного аппарата).

7.2. Конденсатоотводчики

Для отвода конденсата греющего пара

теплообменных аппаратов используют конденсатоотводчики, конструкции и принцип действия которых изложен в [30], а также в [2].

В объем курсового проекта входит выбор типа и числа конденсатоотводчиков по методике, изложенной в [30].

61

www.mitht.ru/e-library

до тех пор, пока весь процесс теплопередачи

лимитирует коэффициент теплоотдачи со стороны

жидкости. Например, если в ходе расчета значение k

чуть (на 10÷20%) меньше α2, то последующее увеличение α2 приводит практически к такому же увеличению k. Увеличение числа ходов (выбор теплообменника) в этом случае целесообразно до получения k на уровне 1000 Вт / (м2К). Если в ходе расчета значение α2 в 2 и более раз превышает k, то

увеличивать число ходов нецелесообразно — стадия

теплоотдачи (α2) в этом случае не является лимитирующей.

6.Расчет тепловой изоляции

Вкурсовом проекте должен быть выполнен

расчет тепловой изоляции основного аппарата, а в отдельных случаях – по указанию руководителя проекта – расчет тепловой изоляции одного из теплообменных аппаратов проектируемой установки.

При наличии надежного слоя изоляционного

материала на поверхности аппарата потери тепла в

окружающую среду не превышают 3 – 5% от количества передаваемого тепла. Безопасной для

обслуживающего персонала является температура на наружной поверхности слоя изоляции не более 40°С.

Пример расчета необходимой толщины слоя

изоляции приведен в [10].

7.Расчет и выбор вспомогательного оборудования

7.1. Перекачивающие насосы

Для подачи исходной смеси на тарелку питания, откачки к потребителю продуктов разделения, и в

60

использования его после дополнительного сжатия.

В качестве горячего теплоносителя на

ректификационных установках обычно используют

насыщенный водяной пар при давлениях от 0,1 до 1,6

– 2 МПа, а при недостаточности его температуры – высокотемпературные органические теплоносители (например, даутерм, минеральные масла), в редких случаях – топочные газы.

Наиболее доступным и дешевым хладагентом

является вода. Однако, её температура в средней

полосе в летнее время составляет 20 – 25°С, поэтому при необходимости более низких температур

применяют искусственный холод (рассолы, аммиак,

хладоны).

Применение воздушного охлаждения позволяет существенно снизить расход воды на конденсацию паров и охлаждение потоков. Необходимые рекомендации по расчету и выбору конденсаторов воздушного охлаждения имеются в [12].

В ряде случаев применяют смешанное охлаждение – сначала воздушное (примерно, до 50°С), а затем водяное.

Заслуживает внимания схема установки с частичной конденсацией паров, по которой в

дефлегматоре конденсируется только флегма, а

неконденсированная часть паров (дистиллят) направляется в самостоятельный конденсатор–

холодильник [1, рис. XI–6, вариант 2]. Эта схема

предпочтительна в случаях, когда для разделения смеси требуется небольшое число тарелок.

2.2. Рабочее давление

Если рабочее давление в колонне не задано, при его выборе нужно руководствоваться следующими положениями. Увеличение давления приводит к

9

www.mitht.ru/e-library

повышению температур кипения и конденсации

разделяемой смеси. Это позволяет применять более

дешевые хладагенты или уменьшать поверхность

теплообмена конденсатора. Однако, при этом может возникнуть необходимость применения специальных теплоносителей для нагрева низа колонны. Кроме того, с увеличением давления уменьшается относительная летучесть компонентов смеси и возрастает требуемое число тарелок или флегмовое

число. С другой стороны, повышение давления в

колонне приводит к увеличению её производительности, а при той же

производительности – к уменьшению диаметра

колонны. Таким образом, при выборе рабочего давления в колонне необходимо анализировать довольно сложную зависимость суммарных затрат на разделение от ряда факторов.

Опыт разделения углеводородных смесей и нефтяных фракций позволил выработать следующие

рекомендации. При ректификации нефтяных фракций (и смесей углеводородов от С3 и выше) оптимальным является давление, позволяющее использовать

более дешевые хладагенты (вода и воздух) и теплоносители (как правило, насыщенный водяной

пар). Следовательно, выбранная температура в

дефлегматоре (на 15 – 20°С выше максимально возможной температуры воды или воздуха) будет

определять давление в колонне.

В случае высококипящих исходных смесей разделение производится обычно при давлении, близком к атмосферному, или под вакуумом во

избежание термического разложения продуктов.

2.3. Конструкционный материал

Материал для изготовления колонн и

10

(7.4) и (7.5) в [3] методом простой итерации при

предварительно найденных остальных величинах в

этих формулах.

Для отыскания некоторых из них (толщины стенки труб ст, поперечного трубного сечения fтр (необходимого для расчета критерия Re, далее Nu и2 для некипящей жидкости в конденсаторе), диаметра dн и высоты Н труб) полезно

предварительно оценить поверхность теплопередачи,

задавшись ориентировочным значением коэффициента теплопередачи kор и выбрать

теплообменник.

Рассчитанное по (7.4) и (7.5) значение k не следует сравнивать (сопоставлять) с kор. Важно лишь, чтобы во вновь подобранном теплообменнике условия теплообмена были не хуже, чем было принято при расчете. При расчёте конденсатора это, прежде всего, скорость течения жидкости по трубам

(зависит от fтр и числа ходов) при расчете

коэффициента теплоотдачи от стенки к жидкости – 2,

а также высота труб Н или их диаметр dн– при конденсации пара (расчет комплекса А).

При выборе теплообменника необходимо, прежде всего, оценить скорость течения жидкости в трубах w = V/f, где V – объемный расход жидкости, м3/с; f= fтр/z; z – число ходов в теплообменнике (по

трубному пространству). Обычно считается, что скорость 0,2÷0,3 м/с (при этом значение критерия Re

близко к турбулентному режиму течения) обеспечивает достаточно хорошие условия теплообмена. На самом деле выбор числа ходов в

теплообменнике определяется из следующих соображений. За счет увеличения числа ходов увеличивать скорость w и, соответственно, α2 следует

59

www.mitht.ru/e-library

Соседние файлы в предмете Процессы и аппараты химической технологии