Федеральное агентство по образованию (Рособразование)

Архангельский государственный технический университет

Кафедра лесохимических производств

(наименование кафедры)

Кузнецова Александра Николаевна

(фамилия, имя, отчество студента)

Факультет

ХТ

курс

3

группа

4

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине

Гидравлика и теплотехника

На тему

Проект ректификационной установки для разделения

(наименование темы)

смеси вода – уксусная кислота производительностью 1200 кг/ч смеси

Руководитель проекта

(должность)

(подпись)

(и.,о., фамилия)

Проект допущен к защите

(подпись руководителя)

(дата)

Решением комиссии от «

»

2010 г.

признать, что проект

выполнен и защищён с оценкой

Члены комиссии

А.А.Мариев

(должность)

(подпись)

(и.,о., фамилия)

Архангельск

2010

ЛИСТ ЗАМЕЧАНИЙ

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………5

1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ……………………………………..8

2 РАСЧЕТ ОСНОВНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ……………9

2.1 Материальный баланс установки…………………………………………………...9

2.2 Пересчет массовых долей в мольные……………………………………………..10

2.3 Определение оптимального флегмового числа…………………………………..11

2.4 Определение числа теоретических ступеней (ЧТС)……………………………..12

2.5 Тепловой баланс установки………………………………………………………..13

2.6 Определение диаметра РК…………………………………………………………18

2.7 Определение высоты РК…………………………………………………………...23

2.8 Проверка принятого гидравлического сопротивления…………………………..23

3 РАСЧЕТ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ (ПОДОГРЕВАТЕЛЯ)……26

3.1 Определение тепловой нагрузки и расход горячего теплоносителя……………26

3.2 Определение среднего перепада температур……………………………………..27

3.3 Ориентировочный расчет теплообменника………………………………………28

3.4 Уточненный расчет теплообменника……………………………………………..29

3.5 Требуемая поверхность теплообмена……………………………………………..34

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………35

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………………..36

ВВЕДЕНИЕ

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, а следовательно, от количества орошающей жидкости (флегмы) и устройства ректификационной колонны.

Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров – диаметра и высоты.

В промышленности применяют колпачковые, ситчатые (рисунок 1), насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого — обеспечение взаимодействия жидкости 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.

Рисунок 1 – Схема ситчатой ректификационной колонны

Ситчатые колонны применяют главным образом при ректификации спирта и жидкого воздуха. Допустимые нагрузки по жидкости и пару для них относительно невелики, и регулирование режима их работы затруднительно. Массо- и теплообмен между паром и жидкостью в основном происходят на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточны для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и создания сопротивления ее отеканию через отверстия. Ситчатые тарелки необходимо устанавливать строго горизонтально для обеспечения прохождения пара через все отверстия тарелки, а также во избежание стекания жидкости через них. Обычно диаметр отверстий ситчатой тарелки принимают в пределах 0,8—3,0 мм.

Все ректификационные установки, независимо от типа и конструкции колонн, классифицируют на установки периодического и непрерывного действия.

Колонны непрерывного действия состоят из нижней (исчерпывающей) части, в которой происходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, назначение которой—обогащение поднимающихся паров легколетучего компонента. Схема установки непрерывной ректификации отличается от периодической тем, что питание колонны начальной смесью определенного состава происходит непрерывно с постоянной скоростью; готовый продукт постоянного качества также непрерывно отводится.

Размеры и конструкции перегонного куба, дефлегматора и концевого холодильника зависят от производительности установки, физических свойств перегоняемой смеси и режима процесса (периодический или непрерывный).

Ректификационные установки снабжают также приборами для регулирования и контроля режима работы и нередко аппаратами для утилизации тепла

1 Описание технологической схемы

Технологическая схема является технологической схемой непрерывной ректификационной установки (Приложение 1). Данная схема применяется в крупнотоннажных производствах.

Исходная смесь поступает сначала в емкость E₁, далее при помощи насосов H₁ и Н₂ она поступает в подогреватель П. Смесь, нагретая до температуры кипения направляется в ректификационную колонну КР. В колоне смесь поступает на тарелку питания, стекает в куб, где частично испаряется в кипятильнике К. Образующийся пар, обогащенный высококипящим компонентом, поднимается вверх. На каждой тарелке пар контактирует со стекающей жидкостью, при этом частично конденсируется, обогащаясь низкокипящим компонентом.

Пар, выходящий из колонны, поступает в дефлегматор Д, где полностью конденсируется. Конденсат с помощью разделителя Р разделяется на дистиллят (верхний продукт) и флегму. Верхний продукт поступает в холодильник. Флегма возвращается обратно в колонну на верхнюю тарелку для создания потока жидкости в укрепляющей части колонны.

Достоинства данной схемы:

- постоянство параметров ( G, t, C) во времени;

- простота автоматизации процесса;

- высокая производительность;

- меньший расход теплоты.

Недостатки схемы заключается в сложности схемы и высокой стоимости.

2 РАСЧЕТ ОСНОВНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

2.1 Материальный баланс установки

Схема материальных потоков ректификационной установки (рисунок 2).

Рисунок 2 – Схема материальных потоков ректификационной установки

Расход дистиллята находим из уравнения материального баланса.

Уравнение общего материального баланса установки в массовых величинах без учета потерь:

, (1)

, (2)

где – массовый расход исходного раствора, кг/с;

– массовый расход верхнего продукта (дистиллята), кг/с;

– общее количество нижнего продукта (кубового остатка), кг/с;

– массовая концентрация исходного раствора, %;

– массовая концентрация верхнего продукта (дистиллята), %;

– массовая концентрация нижнего продукта (кубового остатка), %.

Секундный расход исходной смеси:

(кг/с)

Расход верхнего продукта:

(3)

(кг/с)

Расход нижнего продукта:

(4)

(кг/с)

2.2 Пересчет массовых долей в мольные

Формула для пересчета массовых долей в мольные:

, (5)

где – концентрация в молярных долях, % мол;

– концентрация в массовых долях, %;

– молярная масса низкокипящего компонента, кг/кмоль;

– молярная масса высококипящего компонента, кг/кмоль.

Низкокипящий компонент – вода, кг/кмоль; высококипящий компонент – уксусная кислота, кг/кмоль.

мол;

мол;

мол.

2.3 Определение оптимального флегмового числа

Строим кривую равновесия х-у системы вода – уксусная кислота (рисунок 3) по справочным данным в таблице 1.

Рисунок 3 – Кривая равновесия

Таблица 1 – Равновесные составы жидкости и пара для бинарной смеси [1, c.46]

х	y	t, ^0C
мол. %
0	0	118,1
5	9,2	115,4
10	16,7	113,8
20	30,3	110,1
30	42,5	107,5
40	53,0	105,8
50	62,6	104,4
60	71,6	103,3
70	79,5	102,1
80	86,4	101,3
90	93,0	100,6
100	100,0	100,0

Определяем минимальное флегмовое число:

, (6)

где – концентрация пара , равновесная с концентрацией исходной смеси, %.

%.

.

Рабочее флегмовое число:

Принимаем =1,7