[ Раздел 6.
ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВЫХ
ПРОЕКТОВ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ПРОЦЕССЫ
И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ»
6.1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧА
КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Основная цель курсового проектирования состоит в
систематизации, закреплении, расширении и углублении
практических знаний, приобретенных студентами при изучении курса «Процессы и аппараты химической технологии» и ряда предшествующих общеобразовательных дисциплин, таких, как термодинамика и теплопередача, гидравлика, конструирование и расчет аппаратов и машин, в практическом применении этих знаний при самостоятельном проведении разнообразных расчетов и конструкторской разработке отдельных машин и аппаратов химической технологии. Кроме того, при выполнении курсового проекта студент приобретает навыки в аппаратурно-технологическом оформлении конкретного производственного процесса, в умении целенаправленно работать с учебной, научнотехнической и справочной литературой, каталогами промышленного оборудования, ГОСТами и другими нормативными документами и материалами.
Опыт, приобретенный студентами при работе над курсовым проектом по кафедре ПАХТ, послужит базой для выполнения в дальнейшем курсового и дипломного проектов по дисциплинам специализации.
6.2. ТЕМАТИКА КУРСОВЫХ ПРОЕКТОВ, СРОКИ ВЫПОЛНЕНИЯ
Индивидуальные задания подготавливает кафедра и выдает студентам на первой неделе учебного семестра в соответствии с учебным планом специальности.
Примерный перечень тем курсовых проектов, включающий основные разделы учебного курса ПАХТ, приведен в Приложении 1.
Студентам может быть предложена разработка в курсовом проекте нестандартного оборудования, включающего элементы новизны и научно-технического творчества, например, расчет и конструктивная проработка аппаратов, защищенных патентами и авторскими свидетельствами, разработка новых учебных и научно-исследовательских стендов и установок с проведением всех сопутствующих расчетов в объеме сданного курса ПАХТ.
Допускается выдача задания на бригаду студентов, состоящую из двух, трех или четырех человек (не более), включающего разработку полной технологической схемы конкретного химического производства с проработкой основных и вспомогательных аппаратов отдельных его стадий. Количество студентов в бригаде определяет преподаватель-консультант, с учетом сложности технологической схемы, индивидуальных способностей студентов, возможности совместной работы членов бригады над проектом и т. д. В этом случае объем индивидуальных заданий распределяется между членами бригады равномерно, с представлением чертежей технологической схемы (СТ) и общего вида всех комплектующих эту схему установок (монтажного чертежа) (листы № 1, 4) в одном экземпляре на всю бригаду.
Кафедра проводит консультации по выданным темам проектов.
Сроки выполнения курсового проекта указываются в задании, выданном студенту. Защиту проекта проводят в соответствии с графиком кафедры.
6.3. СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВЫХ ПРОЕКТОВ
Курсовые проекты, независимо от их тематики, состоят из текстовой части (расчетно-пояснительной записки) и графической конструкторско-технологической документации, включающей в себя, как правило, 4 листа формата А1 рабочих чертежей проектируемой установки:Лист № 1 – чертеж технологической схемы проектируемой установки (СТ);
Лист № 2 – чертеж общего вида (ВО) основного аппарата или машины установки с поясняющими надписями, видами, разрезами и узлами;
Лист № 3 – чертеж общего вида (ВО) вспомогательного аппарата установки с поясняющими надписями, видами, разрезами и узлами;
Лист № 4 – чертеж общего вида всей проектируемой установки (монтажно-компоновочный).
6.4. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
Поля на каждом листе текстовой части: слева 30–35 мм, справа – 10 мм, снизу – 20 мм, сверху – 15 мм. Нумерация листов записки – сквозная, цифры проставляют посередине в нижней части листа. Текст записки разбивают на разделы, подразделы, пункты и подпункты, выделяемые подчеркиванием их названия и цифровой разрядной нумерацией, с простановкой точек между цифрами, например:
1. Название раздела.
1.1. Название подраздела.
1.1.1. Название пункта.
1.1.1.1. Название подпункта.
Все заголовки разделов, подразделов, пунктов и подпунктов выносят в содержание с указанием соответствующих им страниц.
Расчетные уравнения и формулы в тексте должны иметь двузначную индексацию, проставляемую в круглых скобках в правой стороне поля листа. Первая цифра указывает номер раздела записки, вторая – порядковый номер формулы в этом разделе, например (3.8). Формулу записывают сначала в символах, затем подставляют численные значения величин, входящих в формулу, в какой-либо системе размерностей, а потом записывают конечный результат. При этом промежуточные вычисления и сокращения не допускаются.
Конечный результат расчета по формулам должен быть обязательно приведен здесь же в размерности единиц СИ.
Значения символов и числовых коэффициентов, входящих в формулу, должны быть расшифрованы в тексте непосредственно за формулой. Каждый символ выписывают с новой строки в той последовательности, в какой они приведены в формуле. Первая строка расшифровки должна начинаться со слова «где», без двоеточия после него. При подстановке в формулы конкретных величин их место должно строго соответствовать месту символа в общем виде этой формулы, например:
Толщину стенки обечайки корпуса аппарата определяем по формуле [3] где S – толщина стенки, м; Р – расчетное давление в аппарате, Па; D – внутренний диаметр аппарата, м; [] – допускаемое напряжение, Н/м2; =0,85 – коэффициент прочности продольного сварного шва; с – суммарная прибавка на коррозию и технологическая, м.
При повторном использовании одной и той же формулы общий вид ее не записывают, а подставляют непосредственно цифровые величины по указанным правилам и приводят конечный результат расчета. При этом в тексте дается ссылка на первый случай применения этой формулы с указанием ее номера и страницы записки, где она приводится, например, Толщину стенки обечайки корпуса теплообменника рассчитываем по формуле (6.4.1) Приводимые в записке значения физических параметров сред и материалов, различных коэффициентов и постоянных величин должны сопровождаться ссылками в квадратных скобках, например, [3] порядковый номер в списке использованной литературы (см. далее). При этом в тексте дают все необходимые пояснения, подтверждающие правомочность принятых значений указанных величин.
Все приводимые в записке методы расчета, основные расчетные зависимости, схемы установок, выбор типа основных аппаратов и вспомогательного оборудования должны иметь ссылки на литературные источники, из которых они заимствованы (учебная и техническая литература, справочники, каталоги, ГОСТы, ОСТы и другие нормативные материалы). Допускают применение нестандартных методов расчета и исполнение отдельных узлов аппаратов, приведенных в научно-технических журналах, авторских свидетельствах, патентах, отчетах по НИР кафедры, а также самостоятельных расчетов и конструкторских решений, если они не противоречат физическому смыслу рассматриваемого процесса.
Результаты приведенных расчетов и другой цифровой материал, содержащийся в тексте записки, рекомендуется сводить в таблицы, размещаемые после первого упоминания о них по тексту. Таблицы должны иметь заголовок и в правой части над ним слово «Таблица» с указанием ее порядкового номера. Например, Результаты технологического расчета ректификационной колонны с ситчатыми тарелками Таблицы, схемы, диаграммы и графики следует размещать в записке как и страницы основного текста. В отдельных случаях допускается горизонтальное расположение их с верхним полем к стороне подшивки страниц записки.
При применении в проекте расчетов, проводимых на ЭВМ, в записке следует помещать алгоритм и распечатку результатов расчета с соответствующими ссылками на источник информации и необходимыми пояснениями в тексте.
Рекомендуется следующий ориентировочный порядок расположения отдельных частей и разделов расчетнопояснительной записки (РПЗ) (в зависимости от изучаемой специальности).
1. Титульный лист проекта (см. Приложение 2).
2. Задание на курсовой проект, подписанное консультантом и студентом.
3. Содержание РПЗ с перечислением всех разделов, подразделов, пунктов и подпунктов, с указанием справа от записи номеров страниц по тексту.
4. Введение, включающее в себя краткий обзор по теме проекта, характеристику исходного сырья, полупродуктов и целевых продуктов, их значение и область применения, а также другие сведения общего характера.
5. Обоснование и описание полной конкретной технологической схемы проектируемой установки с разработкой задания на ее автоматизацию (по листу № 1).
6. Технологические расчеты аппаратов и машин (листы № 2, 3), входящие в состав установки.
взаимосвязанные подразделы, количество которых зависит от характера расчетов, их содержания и тематики проекта. В общем случае, этот раздел содержит следующие подразделы:
• расчет кинетики процесса;
• расчет материальных потоков (как по установке, так и по отдельным аппаратам и машинам);
• тепловые расчеты (балансовые соотношения) по основным аппаратам и машинам. Для одного из проектируемых аппаратов установки, работающего в наиболее жестком тепловом режиме, проводят расчет тепловой изоляции.
В результате проведения технологических расчетов определяют рабочие объемы аппаратов, поверхности теплообмена, все основные конструкционные и технологические размеры аппаратов и машин установки и т.
д. Технологическая часть РПЗ должна всегда содержать полное расчетное обоснование проектируемых, рассчитываемых или подбираемых аппаратов и машин. Эти расчеты рекомендуется заканчивать сводной таблицей основного оборудования (рассчитываемого и принятого в проекте) с указанием технических характеристик и сводкой расходных показателей по сырью, пару, воде, воздуху, электроэнергии, по выходу целевого продукта и др.
Целесообразно привести сводку теплофизических констант по результатам выполнения тепловых и массообменных расчетов.
7. По данным технологических расчетов проводят конструктивную проработку основных аппаратов, машин, входящих в состав проектируемой установки и выносимых на листы № 2, 3 графической части проекта. Этот подраздел должен содержать материалы, отражающие рациональную компоновку внутренних и внешних устройств и узлов аппарата или машины, наличие основных и вспомогательных штуцеров, лазов, люков, приспособлений для установки средств КИП, предохранительных клапанов и мембран и т. д.
Здесь же автор проекта уточняет основные расчетные размеры аппаратов, например, выбирает вид компоновки трубного пучка теплообменного аппарата, количество и длину труб, диаметр корпуса аппарата. При этом аналогами разрабатываемых в проекте аппаратов должны служить технические характеристики и параметры нормализованных конструкций химического оборудования, приведенные в каталогах. В случае отклонения принятых размеров от расчетных необходимо уточнить (проверочный) расчет технологических параметров, таких, как скорости перемещения материальных потоков, коэффициенты тепло- и массопередачи и т. д.
8. Гидравлические расчеты проводят с целью обоснованного выбора нагнетательного стандартного оборудования (насосов, компрессоров, воздуходувок, вентиляторов, вакуум-насосов и др.).
Расчет сводят к определению суммарных сопротивлений в рабочих пространствах проектируемых аппаратов и машин с ориентировочным учетом сопротивлений в подходящих трубопроводах.
9. Подбор вспомогательного оборудования и устройств, а также требуемых для нормальной эксплуатации проектируемой установки трубопроводов и арматуры (емкости, конденсатоотводчики, краны, вентили, задвижки, заслонки, клапаны и т. д.) осуществляют по действующим ГОСТам, РТМ, каталогам и справочникам с учетом физикохимических свойств обрабатываемых сред и результатов технологических расчетов. Целесообразно составить таблицу – сводку основных характеристик вспомогательного оборудования.
10. Энергетические расчеты сводят к определению полезной мощности, потребляемой машиной, аппаратом в эксплутационных условиях с учетом характера конкретного процесса и производительности рассчитываемого и выбираемого оборудования для всей установки (перемешивающие устройства, транспортирующие механизмы, нагнетательное оборудование, редукторы, вариаторы и т. п.).
11. Механические расчеты являются одной из основных частей расчетно-пояснительной записки и включают в себя кинематический, силовой и прочностной расчет. Они должны содержать обоснование размеров отдельных элементов и сборочных единиц разрабатываемых в проекте аппаратов и машин, несущих как статические, так и динамические нагрузки, и обеспечивающих надежность и долговечность всего оборудования, входящего в состав установки, со всеми необходимыми поясняющими схемами и эскизами.
11.1. Кинематический расчет (в случае необходимости его проведения) предшествует прочностному расчету и устанавливает (по выбранной схеме) взаимосвязь между рабочими элементами отдельной машины (аппарата) с источником энергии. Здесь должны быть использованы серийно выпускаемые механизмы: вариаторы, редукторы, подшипники и муфты, которые выбирают по каталогам и справочным материалам, без проведения их прочностного расчета.
11.2. Силовой расчет дает возможность определить и рассчитать величины нагрузок, действующих на отдельные элементы конструкций машин и аппаратов. Этот расчет проводят для всех ответственных элементов конструкции иллюстрируют в тексте записки необходимыми эскизами и схемами с указанием направления и величин действующих сил (например, опорные устройства горизонтальных и вертикальных аппаратов).
11.3. Прочностные расчеты выполняют способами, излагаемыми в курсах теоретической механики, сопротивления материалов, основ конструирования и расчета использованием ГОСТов и других нормативных материалов.
Разрешается, по согласованию с консультантом проекта, выполнять отдельные прочностные расчеты по методикам, заимствованным из научных статей в технических журналах и диссертаций, с обязательной ссылкой на источник информации. Целью этого подраздела является обоснование выбора размеров отдельных типовых элементов конструкций, грамотное назначение конструкционных элементов из условий прочности, коррозионной стойкости, точности изготовления, чистоты поверхности и т. д.
Рекомендуется проводить по одному виду расчета следующих, наиболее нагруженных элементов конструкции основных аппаратов (машин):
а) толщины стенки аппарата, нагруженного внутренним или внешним давлением;
б) толщины крышки (днища) аппарата;
в) толщины трубной решетки теплообменника из условий развальцовки;
г) компенсатора температурных напряжений;
д) перемешивающего устройства и его привода;
е) укрепляющего элемента в стенке аппарата в зоне сквозного отверстия;
ж) опорных элементов конструкции (для горизонтальных и вертикальных аппаратов, «наземных» аппаратов и подвесных);
з) расчет на ветровую нагрузку (для колонных аппаратов);
и) сальниковых и торцевых уплотнений;
к) фланцевого соединения (наиболее нагруженного);
л) других специфических элементов конструкции аппаратов (массообменные тарелки, стенки толстостенных аппаратов и т.
п.).
12. Экологический раздел, в котором приводят методы и виды аппаратуры для предотвращения загрязнения окружающей среды, анализ улавливания и утилизации твердых, жидких и газообразных отходов, промывных и сточных вод.
Каждый раздел, подраздел, пункт и подпункт должен заканчиваться самостоятельными выводами автора проекта, комментирующими результаты проведенных расчетов и принятие тех или иных конкретных значений параметров процесса, коэффициентов, постоянных величин, геометрических размеров, схем нагружения и т.п. Допускают введение отдельного раздела в текст пояснительной записки, содержащего общие выводы по материалам всего проекта.
Программы машинного счета, если они разработаны студентами, и результаты расчетов на ЭВМ могут быть помещены в приложениях после списка литературы.
Расчетно-пояснительная записка должна заканчиваться списком литературы, включающим использование в выполняемом проекте источников информации. Учебная, научно-техническая литература, монографии, справочники и методические пособия содержат фамилию и инициалы автора (авторов), название (без кавычек), место (город) издания, название издательства, год издания и общее число страниц.
Например:
1. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1987. – 496 с.
Ссылка на научную статью в сборниках научных трудов должна содержать фамилию и инициалы автора (авторов), название статьи, название журнала, год выпуска, номер тома (выпуска), номера страниц, на которых напечатана статья (через тире). Например:
2. Баранов Д.А., Кутепов А.М., Лагуткин М.Г.
Гидроциклоны в технологии обработки пенообразующих сред. // Хим. пром. – 1998. – № 8. – С. 491–495.
Сведения о стандартах включают в себя обозначение и полное название. Например:
3. ГОСТ 14249-80. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.
Ссылки в списке литературы желательно располагать в порядке, соответствующем упоминанию в тексте записки.
Объем текстовой части расчетно-пояснительной записки, включая диаграммы, графики, схемы, таблицы должен быть не менее 35–40 страниц рукописного текста.
Пояснительная записка после выполнения всех видов расчета и графической части проекта должна быть сброшюрована в папку «Скоросшиватель» (или другой тип твердого переплета, например, ватман). На обложку наклеивают титульный лист проекта, который должен быть подписан студентом и консультантом. После проверки содержания расчетно-пояснительной записки консультант делает пометку на титульном листе «К защите» с указанием даты готовности проекта.
И ОСНОВНЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ
ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
В графическую часть курсовых проектов включают конструкторские и технологические графические документы (чертежи и схемы, выполненные на 4 листах ватманской бумаги форматом А1 с полями по 5 мм, кроме поля слева – мм), чертежи должны давать полное и ясное представление о принятых инженерных решениях и разработках, приведенных в курсовом проекте.Чертежи и схемы типовых, стандартных элементов и оборудования, выпускаемых серийно и применяемых в проекте без каких-либо существенных изменений, в состав проекта не включают.
В проектах, выполняемых по специальным заданиям кафедры, компоновочно-технологический лист может быть заменен на оригинальную разработку.
Исследовательские курсовые проекты могут содержать листы, включающие графики, схемы и расчетные зависимости, выполненные в туши. В этом случае по усмотрению руководителя проекта объем графической части может превысить 4 листа.
Чертежи графической части курсового проекта выполняют в карандаше или на компьютере в системе Autocad в машиностроительного черчения, изложенными в нормативных документах ЕСКД.
6.6. ПОРЯДОК ЗАЩИТЫ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Не менее чем за месяц до установленных кафедрой сроков сдачи курсовых проектов, руководитель-консультант проекта назначает согласованную со студентом (бригадой) дату защиты. На кафедре составляют сводный график сроков защиты курсовых проектов, назначают дежурных преподавателей, в обязанности которых входят организация комиссий по приему проектов и соблюдение выполнения графика защит. Преподаватель-консультант имеет право присутствовать на защите и дать характеристику-отзыв о работе студента (бригады студентов) над проектом. На индивидуальный доклад отводят не более 10 минут.Содержание доклада должно соответствовать содержанию пояснительной записки проекта. Время проведения защиты не ограничивается.
При защите проекта оценивают качество и содержание доклада, выполнение текстовой и графической частей проекта, глубину знаний в объеме курса и самостоятельную работу студента над проектом.
Защиту проекта, выполненного бригадой студентов, проводят единовременно с докладами каждого из членов бригады в порядке, соответствующем расположению отдельных разработанных ими установок в единой технологической схеме конкретного производства. При этом каждый член бригады обязан знать (и иметь описание в РПЗ) как полную технологическую схему всего производства, так и условия монтажа комплектующих эту схему установок (листы № 1, 4).
В случае неудовлетворительных ответов на вопросы при защите проекта или наличия грубых ошибок в текстовой или графической части студенту (бригаде) предоставляется время на исправление замеченных ошибок.
После защиты все материалы курсового проекта сдают в архив кафедры.
Ориентировочная тематика курсовых проектов 1 Гидромеханически Фильтрующее оборудование:
е процессы (фильтр-прессы камерные, ФПАКМ, барабанные 2 Тепловые Многокорпусные выпарные установки процессы (с естественной и принудительной циркуляцией 3 Массообменные Абсорбционные установки (пленочные, тарельчатые, (диффузионные) насадочные, роторные) процессы Ректификационные установки для разделения Вспомогательные аппараты:
Батарейные циклоны (Г : Т) Гидроциклоны (Ж : Т) Газожидкостные сепараторы (Г(П) : Ж) Отстойники непрерывного действия (Ж : Т, Ж : Ж) Пылевые центробежные сепараторы (Г : Т) Батарейные фильтры (Г : Т) Электрофильтры (Г : Т) Конденсаторы поверхностного типа Конденсаторы смешения Теплообменники различного типа (холодильники, подогреватели, испарители и т.
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ
Факультет Кафедра ПАХТКУРСОВОЙ ПРОЕКТ
ТЕМА ПРОЕКТА. Ректификационная установка непрерывного действия для разделения смеси бензол-толуол производительностью 18000 кг/ч.Проект на _ листах защищен и принят с оценкой Зачетная книжка №_
РАСЧЕТ ТАРЕЛЬЧАТОЙ
РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ
Процесс ректификации в тарельчатой колонне описывается системой нелинейных алгебраических уравнений, включающей в себя потарельчатые и покомпонентные уравнения материальных и тепловых балансов, равновесия и массопередачи. Решение такой системы уравнений при выполнении расчета ректификационной колонны возможно методом последовательных приближений и, вследствие большого объема вычислений, может быть получено только на ЭВМ.Машинные методы расчета многокомпонентных и бинарных смесей являются основными, которые используют в настоящее время на практике.
Для бинарной смеси аналитический метод расчета при введении ряда допущений может быть существенно упрощен и трансформирован в графоаналитический, который значительно уступает в точности машинным, но имеет большое познавательное значение. Этот метод позволяет представить промежуточные результаты расчета на диаграммах и графиках, что помогает глубже понять закономерности процесса ректификации.
Целью настоящих методических указаний является ознакомление студентов с основами процесса ректификации и его аппаратурного оформления применительно к графоаналитическому методу кинетического расчета тарельчатого ректификационного аппарата для разделения бинарной смеси.
Ректификацией называется массообменный процесс разделения жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ, не находящихся в термодинамическом равновесии, путем противоточного взаимодействия пара и жидкости. При взаимодействии пара и жидкости одна группа веществ, составляющих смесь, переходит преимущественно в пар (легколетучие компоненты), а другая – в жидкость (высококипящие компоненты). Таким образом, в процессе ректификации происходит перенос вещества из одной фазы в другую.
Создание парового и жидкостного потоков, контактирующих между собой, осуществляется в ректификационных установках. Одна из возможных схем ректификационных установок непрерывного действия приведена на рис. 7.1.
Исходная смесь в виде жидкости при температуре кипения подается в среднюю часть (питающую секцию) ректификационной колонны 3 и стекает в нижнюю часть, называемую кубом откуда частично отводится в виде готового продукта, называемого кубовым остатком, и частично поступает в испаритель 1. Образовавшиеся в испарителе пары возвращаются в колонну и движутся навстречу жидкостному потоку вверх по колонне. Из верхней части колонны пары поступают в дефлегматор 2, где полностью конденсируются. Образовавшаяся жидкость частично, в виде готового продукта, называемого дистиллятом, отводится из установки, а частично возвращается в ректификационную колонну. Возвращаемая в колонну жидкость называется флегмой. Флегма подается на орошение колонны и стекает вниз, навстречу паровому потоку, в питающей секции смешивается с исходной смесью и сливается в куб колонны.
Место ввода исходной смеси в ректификационную колонну делит колонну на две части: верхнюю (укрепляющую) и нижнюю (исчерпывающую).
Исходную смесь можно подавать в колонну в виде жидкости при температуре кипения или ниже, а также в виде влажного, насыщенного или перегретого пара.
В зависимости от состояния исходной смеси и ее состава, составов получаемых продуктов, способа конденсации паров и числа вводов и выводов продуктов по высоте колонны схема ректификационной установки может существенно изменяться. Так, существуют ректификационные установки, в состав которых входят ректификационные колонны, не имеющие либо укрепляющей, либо исчерпывающей части колонны, позволяющие производить отбор нескольких продуктов по высоте колонны (сложные колонны), а также многоколонные ректификационные установки.
Рис. 7.1. Схема ректификационной установки 1 – испаритель; 2 – дефлегматор; 3 – ректификационная колонна Обычно в состав ректификационных установок включают дополнительное оборудование, предназначенное для хранения исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, перекачки этих продуктов, нагревания или охлаждения.
Ректификационная колонна представляет собой цилиндрический аппарат, внутри которого смонтированы контактные устройства той или иной конструкции. В ректификационные колонны делят на пленочные, насадочные и тарельчатые.
Тарельчатые ректификационные колонны наиболее широко применяют в заводской практике. Они имеют высокую разделительную способность, устойчиво работают при значительных колебаниях нагрузок по жидкости и пару, допускают создание аппаратов большого диаметра.
Смеси, разделяемые ректификацией, состоят из нескольких веществ (многокомпонентные смеси), в простейшем случае из двух (бинарные смеси).
ректификационных колонн многокомпонентных и бинарных смесей базируются на общих физико-химических закономерностях, однако в простейшем случае (бинарные смеси) анализ и расчет существенно упрощаются и могут быть выполнены на основе наглядных графоаналитических методов.
Обычно при анализе и расчете процесса ректификации применяют следующие допущения:
1. Мольные потоки жидкости и пара на участке колонны между вводом и выводами продукта остаются неизменными;
2. Состав жидкости, стекающей в куб колонны, равен составу пара, поднимающегося из куба;
3. Состав пара, поступающего из колонны в дефлегматор, равен составу жидкости, стекающей из дефлегматора в колонну.
Целью проектного расчета ректификационной колонны для разделения бинарной смеси является определение диаметра колонны, числа контактных устройств в укрепляющей и исчерпывающей частях колонны, высоты колонны, гидравлического сопротивления тарелки и колонны в целом при заданных составах исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, расходе исходной смеси и давлении в колонне [1, 2].
Равновесие в системах пар–жидкость [3] Связь между равновесными концентрациями жидкости и пара для правильных (идеальных) растворов устанавливается на основании законов Рауля и Дальтона. Для бинарной смеси, состоящей из компонентов А и В, по закону Рауля:
По закону Дальтона:
где pA и pB – парциальное давление компонентов А и В соответственно в паровой фазе над раствором; PA и PB – давление (упругость) паров чистых компонентов A и В соответственно при температуре смеси; Р – общее давление;
х, у – молярная доля компонента А в жидкой и паровой фазе соответственно. Из уравнений (7.1) и (7.3) получим Если ввести обозначение PA / PB =, где – коэффициент относительной летучести, то В уравнении (7.4) у и х – содержание компонента в паровой и жидкой фазах при равновесии. В дальнейшем изложении Дополнительная литература, рекомендуемая при работе с данным разделом.
концентрацию в паровой фазе, удовлетворяющую уравнению (7.4), будем обозначать через у.
В практике ректификации идеальные растворы встречаются редко. Большинство смесей в значительной степени отклоняются от «идеальности», поэтому данные по равновесию получают экспериментальным путем. Как правило, в справочной литературе данные по равновесию приводят в виде таблиц, в которых указывают попарные значения концентраций жидкости и пара в состоянии равновесия и температуру кипения смеси. На основании этих соответствующие графики:
1. Изобары равновесных составов, называемые кривыми равновесия (рис. 7.2) (уравнение (7.4), которые позволяют определить состав пара у*, равновесный данному составу жидкости х.
2. Изобары температур кипения и конденсации (рис. 7.3), которые позволяют определить температуры кипения жидкости и конденсации пара заданного состава. По этой диаграмме также можно найти равновесные составы пара и жидкости по схеме, указанной на рис. 7.3.
Рис. 7.2. График зависимости равновесных концентраций Рис. 7.3. Изобары температур кипения (1) и конденсации (2) Материальный баланс для всей ректификационной установки может быть представлен двумя уравнениями:
по легколетучему компоненту G f x f = G p x p + Gw xw, (7.6) где Gf – мольный расход исходной смеси, подаваемой на разделение в колонну, (кмоль)/ч; Gw – мольный расход кубового остатка, отбираемого из колонны, (кмоль)/ч;
x f, x p, xw – содержание легколетучего компонента в соответственно в мольных долях (мольных процентах).
По уравнениям (7.5) и (7.6) определяют расход дистиллята и кубового остатка при известном расходе исходной смеси и содержании легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и остатке:
Уравнения (7.5)–(7.8) не изменятся, если вместо молярных расходов использовать массовые расходы, а вместо молярных составов – массовые составы.
Материальный баланс может быть составлен также для укрепляющей и исчерпывающей частей колонны. При составлении этих материальных балансов в силу допущения удобнее пользоваться мольными расходами и мольными составами.
Пересчет массового состава в мольный проводят по формуле где х, Q – мольный и массовый состав смеси соответственно;
MA, MB – молекулярная масса легколетучего и высококипящего компонентов соответственно.
Уравнение рабочей линии для укрепляющей части колонны Выделим участок укрепляющей части колонны, ограниченный двумя произвольными сечениями I-I и I’-I’ (см.
рис. 7.1) и для этого участка составим материальный баланс.
С учетом допущения о постоянстве мольных потоков жидкости и пара по высоте укрепляющей части колонны, уравнение материального баланса по легколетучему компоненту для выделенного участка будет где G – мольный расход пара по высоте колонны, (кмоль)/ч; L – мольный расход жидкости (флегмы) по высоте укрепляющей части колонны, (кмоль)/ч; у, у' – содержание легколетучего компонента в паре в сечениях I-I и I'-I' соответственно, в мольных долях; х, x' – содержание легколетучего компонента в жидкости в сечениях I-I и I'-I' соответственно, в мольных долях.
При составлении уравнения (7.10) в качестве сечения I'-I' удобно выбрать верхнее сечение колонны, для которого в соответствии с исходными допущениями справедливо где уp – содержание легколетучего компонента в паре, выходящем из колонны, в мольных долях.
Если воспользоваться очевидным соотношением (см.
рис. 7.1) то уравнение (7.10) с учетом (7.11) примет вид Если также ввести обозначение то уравнение (7.12) примет вид Уравнение (7.14) называется уравнением рабочей линии укрепляющей части колонны. Это линейное уравнение связывает составы пара (у) и жидкости (x) в любом произвольном сечении укрепляющей части колонны.
Безразмерное отношение R (7.13) называется флегмовым числом, оно имеет определенный физический смысл и показывает, какое количество жидкости необходимо вернуть в колонну для получения единицы дистиллята.
Уравнение рабочей линии для исчерпывающей части колонны Выделим участок исчерпывающей части колонны, ограниченной двумя произвольными сечениями II-II и II'-II' (см. рис. 7.1). Составим материальный баланс для этого участка.
С учетом допущения о постоянстве молярных потоков жидкости и пара по высоте исчерпывающей части колонны, уравнение материального баланса по легколетучему компоненту для выделенного участка можно записать где у, у' – содержание легколетучего компонента в паре в сечениях II-II и II'-II' соответственно, в мольных долях; х, х' – содержание легколетучего компонента в жидкости в сечениях II-II и II'-II' соответственно, в мольных долях.
При составлении уравнения (7.15) в качестве сечения II'-II' удобно выбирать нижнее сечение колонны, для которого в соответствии с исходными допущениями справедливо где yw – содержание легколетучего компонента в паре, поднимающемся из куба колонны, в мольных долях.
Если воспользоваться соотношениями (7.13), (7.16) и ввести обозначение то получим Уравнение (7.18) называется уравнением рабочей линии исчерпывающей части колонны. Это линейное уравнение связывает состав пара (у) и жидкости (х) в любом произвольном сечении исчерпывающей части колонны.
Отношение (7.17) имеет определенный физический смысл.
Оно показывает, какое количество исходной смеси (кмоль) должно быть подано в колонну для получения одного кмоля дистиллята.
Процесс ректификации обычно изображают в диаграмме у-х. Поскольку уравнения (7.14) и (7.18) являются уравнениями прямых линий, их положение при фиксированных составах дистиллята и кубового остатка зависит от флегмового числа.
Из графика (рис. 7.4) следует, что заданное разделение исходной смеси возможно при различных значениях флегмового числа, которое может изменяться от Rmax = (линия 1-3'"-2, совпадающая с диагональю) до Rmin (линия 1Так как при R=Rmin величины y f и xf должны удовлетворять уравнениям рабочих линий, то из уравнения (7.14) определяем где y f – концентрация легколетучего компонента в паре, равновесном с исходной смесью, в мольных долях.
Если на графике (рис. 7.4) продолжить рабочую линию укрепляющей части колонны до пересечения с осью у, то она отсечет на оси у отрезок В, величина которого однозначно связана со значением флегмового числа, так как Минимальному значению флегмового числа Rmin соответствует максимальное значение отрезка Вmax. При R= отрезок В = 0.
Определение оптимального значения флегмового числа Заданное разделение исходной смеси может быть достигнуто при различных значениях флегмового числа, больших Rmin (см. рис. 7.4).
Рис. 7.4. Положение рабочих линий на диаграмме х-у при различных значениях флегмового числа Естественно, что при проектировании ректификационной колонны должно быть выбрано определенное, оптимальное для заданных условий разделения, значение флегмового числа, которое находится из условий минимума приведенных затрат на процесс, являющихся функцией капитальных и эксплуатационных затрат. В данном разделе изложен частный случай оценки оптимального значения флегмового числа из условий минимума капитальных затрат. Если принять, что стоимость ректификационной колонны в первом приближении пропорциональна ее объему, то в основу критерия оптимальности можно положить необходимость получения минимального рабочего объема аппарата. Таким образом, за оптимальное флегмовое число должно быть принято такое значение, при котором рабочий объем аппарата будет минимальным. Объем колонны где fк – площадь поперечного сечения; Нк – рабочая высота колонны.
Рабочая высота колонны по модифицированному уравнению массопередачи где hx – высота колонны, эквивалентная единице переноса;
mx – число единиц переноса.
Число единиц переноса определяется по значениям рабочих и равновесных концентраций и, следовательно, меняется при изменении флегмового числа.
Площадь поперечного сечения колонны где Vп – объемный расход паровой фазы через колонну; w – средняя скорость пара в свободном сечении колонны.
Объемный расход паровой фазы через колонну при прочих равных условиях пропорционален молярному расходу G и, следовательно, Если в уравнении (7.21) произвести подстановку значений Нк и fк, то получим При заданной производительности колонны и условий разделения величины Gp, hx, w остаются неизменными и можно сделать вывод, что Тогда из соотношения (7.26) следует, что минимум рабочего объема аппарата совпадает с минимумом величины (R+l)mx.
Таким образом, задача отыскания оптимального значения флегмового числа сводится к задаче нахождения минимума функции mx ( R + 1) = f ( R ).
Минимум этой функции определяют в следующей последовательности:
1. Находят минимальное значение флегмового числа Rmin по уравнению (7.19).
2. Выбирают ряд значений флегмового числа, больших чем Rmin (7.5, 7.6).
3. Для каждого значения R на графике в координатах у-х строят рабочие линии укрепляющей и исчерпывающей частей колонны (при заранее построенной равновесной зависимости).
4. Для каждого выбранного значения R строят графики зависимости (рис. 7.5) 5. Проведенные вычисления позволяют построить график mx(R + l) = f(R). Значение R, при котором эта функция имеет минимум, будет оптимальным значением флегмового числа Rопт (рис. 7.6).
Аналогичные расчеты можно провести с использованием концентрации легколетучего компонента в паровой фазе (y).
Рис. 7.5. График зависимости Рис. 7.6. График зависимости mx(R+l) от R Построение кинетической кривой и определение числа реальных тарелок [1, 2, 5, 6, 7] Процесс ректификации относится к группе массообменных процессов, кинетические закономерности которых описывают уравнения массопередачи. В дифференциальной форме для элемента межфазной поверхности уравнение массопередачи имеет вид где Ку – коэффициент массопередачи, отнесенный к движущей силе, выраженной концентрациями паровой фазы;
F – поверхность межфазового контакта; у* – концентрация в паровой фазе, равновесная с концентрацией в жидкой фазе х.
Для интегрирования уравнения (7.27) необходимо знать характер поля концентраций в аппарате.
Многие тарельчатые аппараты по характеру поля концентраций могут быть отнесены к аппаратам промежуточного типа по жидкости и полного вытеснения по пару. В настоящей работе рассматривается случай полного перемешивания по жидкости и полного вытеснения по пару.
На рис. 7.7 приведена схема изменения концентраций на тарелке. Пар концентрации yн поступает на тарелку и взаимодействует с жидкостью, находящейся на ней. В процессе движения через слой жидкости пар постепенно изменяет свою концентрацию от ун до ук. Жидкость приходит на тарелку с концентрацией хн. На тарелке она полностью перемешивается и имеет постоянный состав, равный хк. С концентрацией xк жидкость сливается с тарелки.
Из уравнения (7.27), с учетом поля концентраций, существующего на тарелке, получим откуда Если xк – концентрация легколетучего компонента в жидкости на n-й тарелке колонны, то положение точек ук, хк на диаграмме у-х легко определить, используя соотношение (7.28), так как Совокупность всех точек с координатами ук, хк в пределах изменения концентраций от хw до xр дает линию, которая называется кинетической.
последовательности:
1. На диаграмму у-х наносят равновесную и рабочую (при оптимальном флегмовом числе) линии.
2. В пределах хw – xр выбирают ряд значений х (обычно 7- значений).
3. Для каждого выбранного значения х по уравнению (7.29) вычисляют величину у* – yк. Необходимое для этого вычисления значение у* – yн определяют из диаграммы у-х (рис. 7.7), как разность между равновесной и рабочей концентрациями для каждого выбранного значения х.
4. Полученные отрезки откладывают от равновесной линии вниз.
Рис. 7.7. Отображение изменения концентраций на тарелке 5. Полученные в результате проведенного построения точки соединяют плавной линией.
Получившаяся в результате проведенного построения линия является кинетической.
При известной кинетической линии число реальных тарелок, которое обеспечивает заданную степень разделения, определяют путем построения ступенчатой линии между рабочей и кинетической. Ступенчатую линию строят от концентрации xf к xр и от концентрации xf к хw Число ступеней в пределах концентрации xfxр равно числу реальных тарелок в укрепляющей секции колонны, а число ступеней в пределах концентраций xf xw равно числу реальных тарелок в исчерпывающей секции колонны (рис. 7.8).
При практическом использовании уравнения (7.29) необходимо располагать значениями комплекса в который входит величина поверхности межфазового контакта.
Поскольку до настоящего времени не разработаны методы, позволяющие достаточно надежно определить истинную поверхность межфазового контакта, образующуюся на тарелке ректификационной колонны при контакте пара и жидкости, выражение (7.30) модифицируют на основе допущения о пропорциональности поверхности межфазового контакта рабочей площади тарелки F = afт, где а – коэффициент пропорциональности.
Если ввести обозначение Kya = Kyf, то получим где fт – рабочая площадь тарелки, составляющая 85–90 % от площади поперечного сечения тарелки, м2; Kyf – коэффициент массопередачи, отнесенный к рабочей площади тарелки (кмоль)/м2 ч); G – мольный расход пара по высоте колонны, (кмоль)/ч.
Рис. 7.8. Изображение на диаграмме х-у линии равновесия (1), кинетической линии (2), рабочих линий (3, 4) и ступенчатой линии, Коэффициент массопередачи Kyf определяют по закону аддитивности фазовых сопротивлений где yf – коэффициент массоотдачи в паровой фазе, отнесенный к рабочей площади тарелки, (кмоль)/м2ч; xf – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, отнесенный к рабочей площади тарелки, (кмоль)/м2 ч; m – угловой коэффициент линии равновесия.
Угловой коэффициент зависит от концентрации, поэтому комплекс Kyffт/G не остается постоянным по высоте колонны и его необходимо вычислять для каждого выбранного значения Рабочую площадь fт определяют по геометрическим размерам тарелки.
Расчетные уравнения для определения кинетических коэффициентов [1, 2, 4, 5, 6, 7] Коэффициенты массоотдачи yf и xf, необходимые для вычисления значений Kyf, рассчитывают по уравнениям, рекомендуемым в литературе для контактных устройств различного типа.
В качестве расчетных уравнений используют следующие:
а) Эмпирические уравнения в параметрической форме.
Например, для расчета yf для ситчатых и колпачковых тарелок где yf – коэффициент массоотдачи, (кмоль)/м2ч; G – мольный расход пара, (кмоль)/ч; F = w y, y, x – плотности пара и жидкости, кг/м3; w – скорость пара в свободном сечении колонны, м/с.
б) Эмпирические зависимости в критериальной форме для определения yf для ситчатой тарелки где где yf – коэффициент массоотдачи в паровой фазе, отнесенный к рабочей площади тарелки, (кмоль)/м2ч; hст – высота статического слоя жидкости на тарелке, м (допускается принимать равной половине высоты переливного порога тарелки); Dy – коэффициент диффузии в паровой фазе, м2/c; w – скорость пара в свободном сечении колонны, м/с; y – плотность пара, кг/м3; µ y – динамический коэффициент вязкости пара, Пас.
Для определения xf – для ситчатой тарелки Здесь где xf – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, (кмоль)/ м2ч; Mx – средняя молекулярная масса жидкой фазы; Dx – коэффициент диффузии в жидкой фазе, м2/с; w – скорость пара в свободном сечении колонны, м/с (принималось равенство скоростей пара и жидкости); µ x – динамический коэффициент вязкости жидкости, Пас.
в) Уравнения пересчета имеющихся экспериментальных данных для разделяемой смеси. Например, для массоотдачи в жидкой фазе в условиях близости значений характерных коэффициент массоотдачи в жидкой фазе xf находят по уравнению где ' xf – известное из опытов значение коэффициента массоотдачи, (кмоль)/м2ч; D' x – коэффициент диффузии в жидкой фазе для условий опыта, м2/с; Dx – коэффициент диффузии в жидкой фазе для рассчитываемой разделяемой смеси, м2/с.
Значения ' xf для ректификации разбавленной смеси этанола в воде при D' x = 4,57-10-10 м2/с приведены в табл. 7.1.
Здесь к – колпачковые тарелки, с – ситчатые.
Уравнения (7.34) и (7.35) при приближенных расчетах можно использовать и для других типов контактных устройств.
Входящие в уравнения физические константы пара и жидкости зависят от состава, и, следовательно, коэффициенты массоотдачи по высоте колонны будут переменными. Однако принимают, что коэффициенты массоотдачи yf и xf можно считать постоянными и при их вычислении используют расчетные значения физических констант при средней концентрации легколетучего компонента в колонне.
При повышенных требованиях к точности результатов расчета необходимо весь концентрационный интервал xwxр разбить на ряд участков и для каждого из них вычислить коэффициенты массоотдачи при средних для этого участка значениях физических констант.
Конструирование контактного устройства [1, 4, 5, 7, 9] Тарелка ректификационной колонны представляет собой устройство, обеспечивающее контакт жидкости и пара. В современных ректификационных аппаратах используют тарелки различных конструкций, однако наибольшее распространение получили колпачковые (многоколпачковые) и ситчатые тарелки с организованным переливом жидкости. Конструкции их регламентированы в отраслевых и государственных стандартах.
Рассмотрим основные принципы конструирования таких тарелок.
Конструирование контактного устройства должно проводиться параллельно с кинетическим расчетом, так как расчет кинетических коэффициентов связан с конкретным типом контактного устройства.
Важнейшей конструктивной характеристикой ректификационной колонны является расстояние между производительность единицы объема аппарата. С уменьшением расстояния между тарелками увеличивается производительность единицы объема колонны. Поэтому всегда необходимо стремиться к возможно меньшему значению этой величины.
Как правило, расстояние между тарелками определяют не только из условий получения минимального объема колонны, но и из чисто технических соображений (установка люков, возможность работы со вспенивающимися жидкостями, технология изготовления колонны и возможность установки в ней тарелок).
Практические рекомендации по выбору расстояния между тарелками приведены в табл. 7.2.
Как следует из таблицы, расстояние между тарелками выбирают в зависимости от диаметра колонны, который рассчитывают по уравнению где Vп – объемный расход пара по колонне (м3/с), определяют по уравнению где P – давление пара в колонне, Па; t – средняя температура пара в колонне, °С; w – скорость пара в свободном сечении колонны, м/с.
Рабочая скорость пара в ректификационных колоннах, работающих при атмосферном давлении, обычно находится в пределах Это условие используют для предварительного расчета диаметра колонны.
Колпачковая и ситчатая тарелки с переливными устройствами состоят из следующих основных элементов (рис. 7.9).
Рабочая зона (I) – часть тарелки, на которой осуществляется контакт пара и жидкости. У колпачковой тарелки на площади этой зоны располагают колпачки, у ситчатой тарелки – перфорированную пластину.
Приемный карман (II) – область тарелки, на которую поступает жидкость. Приемный карман отделен от рабочей зоны перегородкой IV, обеспечивающей гидрозатвор в переливном устройстве.
Сливной карман (III) – зона, в которую сливают жидкость с тарелки. Сливной карман снабжен переливной перегородкой V, обеспечивающей определенную высоту слоя жидкости на тарелке, сепарационной частью, где происходит отделение пара от жидкости, и переливными трубами (трубой), по которым жидкость сливают на следующую тарелку.
Тарелка, схема которой изображена на рис. 7.9, называется тарелкой с сегментным переливным устройством. У колпачковой и ситчатой тарелок конструкции приемного и сливного карманов одинаковы. Площадь, занимаемая приемным и переливным карманом, составляет 8–15 % от площади поперечного сечения колонны.
Рабочая зона ситчатой тарелки (рис. 7.10а) представляет собой перфорированную пластину. Отверстия диаметром do = l–6 мм (иногда до 10 мм) располагаются по вершинам равностороннего треугольника с шагом (2,5–5)do. Свободное сечение ситчатых тарелок выбирают в пределах 8–15 % от площади сечения колонны. Расстояние между отверстиями на рабочей зоне и перегородками (сливной и приемной) составляет не более 75 мм. Зазор между отверстиями и стенкой колонны (А) принимают конструктивно, исходя из условий крепления тарелки к обечайке.
Рис. 7.9. Схема тарелки с организованным сливом жидкости:
I – рабочая зона; II – приемный карман; III – сливной карман;
IV – приемная перегородка; V – переливная перегородка Рис. 7.10. Варианты устройств ввода паровой фазы Основным элементом колпачковой тарелки является колпачок. Его устройство показано на рис. 7.11. Как и у ситчатой тарелки суммарную площадь прорезей всех колпачков, расположенных на тарелке, принимают равной 8– 15 % от площади поперечного сечения колонны. При конструировании колпачка площадь поперечного сечения патрубка принимают равной сумме площади прорезей колпачка, а площадь кольцевого зазора для прохода пара между патрубком и колпачком равной площади патрубка или несколько больше.
Таким образом, отношение площади паровых патрубков к площади поперечного сечения колонны также составляет 8–15 %.
В зависимости от диаметра колонны (Dк) выбирают диаметр колпачка. Рекомендованные соотношения представлены в табл. 7.3:
Широко распространенной формой прорези является прямоугольная, как наиболее удобная в изготовлении.
Ширину прорезей принимают равной 5–6 мм с шагом 9– мм. Высота прорези берется, в зависимости от размера колпачка, в пределах от 10 до 40 мм.
Расстояние между верхним обрезом парового патрубка и колпачка выбирают из условия примерного равенства площадей: сечения парового патрубка и площади для прохода пара между верхним обрезом парового патрубка и колпачком.
На рабочей площади тарелки колпачки необходимо устанавливать на расстоянии не менее 75 мм от сливной и приемной перегородок, а промежуток между колпачками в свету должен быть в пределах 40–60 мм. Расстояние от стенок колонны до колпачков должно быть не менее 40–60 мм.
В колоннах диаметром более 2500 мм применяют двухпоточные тарелки. Схема этой тарелки изображена на рис. 7.12.
Рис. 7.12. Схема двухпоточной по жидкой фазе тарелки Следует подчеркнуть, что выбранная из условия (7.38) скорость пара является приближенной. Предельно допустимая скорость пара в колонне зависит от конструктивных характеристик контактного устройства.
Для колпачковой тарелки предельную скорость пара определяют по уравнению где dк – диаметр колпачка, м; Н – расстояние между тарелками, м;
x, y – плотности жидкости и пара соответственно, кг/м3.
Для ситчатой тарелки предельную скорость рассчитывают по уравнению В литературе встречаются и другие рекомендации по определению предельной скорости пара, которые также могут быть использованы при расчете ректификационных колонн.
Рабочую скорость пара в колонне принимают на 10–20 % ниже предельной (уравнения 7.39 и 7.40). Вычисленная таким образом рабочая скорость пара обеспечивает работу ситчатой и колпачковой тарелок в равномерном режиме без провала жидкости через отверстия при достаточно хорошей сепарации капель жидкости из парового потока.
Высоту переливного порога на ситчатых и колпачковых тарелках выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить определенный слой жидкости на них, барботируя через который, пар образует поверхность фазового контакта.
Высота слоя жидкости на тарелке должна быть такой, чтобы компенсировать неточность горизонтального положения ситчатой тарелки и горизонтальности верхнего обреза прорезей колпачков: отклонение от горизонтального уровня плоскости ситчатой тарелки и уровня верхнего обреза прорезей колпачка должно быть значительно меньше принимаемого уровня жидкости на тарелке.
С другой стороны, увеличение слоя жидкости вызывает повышение гидравлического сопротивления тарелки. В зависимости от диаметра аппарата высоту переливного порога для ситчатых тарелок принимают в пределах 20–50 мм. При пониженных давлениях высота сливной перегородки может быть уменьшена. Для колпачковых тарелок высоту сливного порога выбирают такой, чтобы обеспечить погружение прорезей. Максимальное погружение прорезей составляет мм. Для вакуумных колпачковых колонн эта глубина уменьшается до 5 мм.
Кроме колпачковых и ситчатых тарелок, в промышленности используют просечные, клапанные и пластинчатые тарелки.
В качестве элементарного устройства ввода паровой фазы в просечных тарелках применяют просечки в виде арок (рис. 7.10б) или лепестков, отогнутых под углом 20–40°.
На рабочей площади тарелки в соседних рядах арочные или лепестковые просечки направлены в противоположные стороны; при значительных нагрузках по жидкой фазе направление просечек в соседних рядах совпадает.
В клапанных тарелках на рабочей площади вместо отверстий или колпачков расположен ряд клапанных устройств ввода пара (рис. 7.10в). В зависимости от расхода паровой фазы клапан смещается в вертикальном направлении.
Рабочая площадь пластинчатой тарелки состоит из ряда пластин (рис. 7.10г), расположенных под углом к горизонтальной поверхности. Паровая фаза проходит между пластинами и барботирует в жидкую фазу.
Ситчатые, колпачковые, просечные, клапанные и пластинчатые тарелки имеют различные значения предельнодопустимых скоростей паровой фазы, гидравлических сопротивлений, коэффициентов массоотдачи, допустимых нагрузок по жидкой фазе и других показателей. Выбор типа контактного устройства должен быть аргументирован технико-экономическими расчетами. Данные о контактных тарельчатых устройствах приведены в [10].
Определение гидравлического сопротивления тарелки Гидравлическое сопротивление ректификационного тарельчатого аппарата и, как его элемента, отдельной тарелки является важным показателем работы, определяющим минимальное расстояние между тарелками и работу переливного устройства. Гидравлическое сопротивление тарелки зависит от ее конструктивных особенностей и типа тарелки.
Независимо от типа тарелки общее гидравлическое сопротивление P можно рассчитывать как сумму трех составляющих где Pсух – сопротивление сухой тарелки, Па; P – сопротивление, вызванное силами поверхностного натяжения, Па; Pст – статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке, Па.
Гидравлическое сопротивление сухой тарелки как колпачковой, так и ситчатой определяют по уравнению где wo – скорость пара в отверстиях ситчатой тарелки или скорость в прорезях колпачка, м/с; – коэффициент сопротивления (для тарелок ситчатых = 1,82; колпачковых = 5, 4–6).
Гидравлическое сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения, находят по уравнению где – поверхностное натяжение, Н/м; dэ – диаметр отверстия для ситчатой тарелки или эквивалентный диаметр прорези колпачка, определяемый по соотношению где fпр – площадь прорези, м ; П – смоченный периметр прорези, м.
Статическое давление слоя жидкости на колпачковой тарелке где hст – высота барботажа на тарелке, м; п – плотность парожидкостного слоя на тарелке, кг/м3, принимают в пределах (0,4–0,6)х; x – плотность жидкости на тарелке, кг/м3.
Высота барботажа на колпачковой тарелке где hпогр – высота погружения прорезей, определяемая как разность отметок верхней кромки сливной перегородки и верхнего обреза прорезей в колпачке, м; hоткр – высота открытия прорезей, м (поскольку колпачковые тарелки работают с полным открытием прорезей, эта величина может быть принята равной высоте прорезей); h – величина превышения уровня жидкости над сливной перегородкой, м;
– градиент уровня жидкости на тарелке, м (эта величина для колонн среднего диаметра незначительна и ею в расчете можно пренебречь).
Величину превышения уровня жидкости над сливной перегородкой находят по уравнению где L – расход жидкости, м3/ч; b – ширина сливной перегородки, м; К – безразмерный коэффициент, учитывающий увеличение скорости и сужение потока жидкости, К = 1.
Для ситчатой тарелки статическое давление слоя жидкости определяют из уравнения где K' – относительная плотность парожидкостного слоя на тарелке (принимают 0,4–0,6); h – величина превышения уровня жидкости на тарелке, м, находят по уравнению (7.47);
hпер – высота переливного порога, м; x – плотность жидкости на тарелке, кг/м3.
После конструирования контактного устройства необходимо проверить принятое межтарельчатое расстояние из условий нормальной работы переливного устройства.
Расстояние между тарелками должно удовлетворять следующему соотношению где hз – высота, обеспечивающая гидравлический затвор, препятствующий проходу пара через переливное устройство тарелки, м; hд – динамический напор, создающий переток жидкости с тарелки на тарелку, м; hк – конструктивная высота, м (см. рис. 7.13).
В практике для проверки принятого расстояния между тарелками используют упрощенное соотношение где Pт – полное гидравлическое сопротивление тарелки, Па; x – плотность жидкости в переливном устройстве, кг/м3.
Полное сопротивление колонны определяют по формуле где n – число тарелок в колонне.
Рис. 7.13. Схема расположения соседних ситчатых тарелок тарельчатой ректификационной колонны 1. Определение производительности колонны но дистилляту и кубовому остатку (разд. 4).
2. Определение мольных концентраций исходной смеси, дистиллята и кубового остатка (разд. 4).
3. Построение равновесной кривой и изобар температур кипения и конденсации (разд. 3).
4. Определение минимального флегмового числа (разд. 4).
5. Определение оптимального флегмового числа (разд. 5).
6. Определение потоков пара и жидкости по колонне (разд. 4, 8).
7. Определение ориентировочного диаметра колонны (разд. 8).
8. Определение основных конструктивных характеристик контактного устройства (разд. 8).
9. Расчет рабочей скорости пара (разд. 8).
10. Определение диаметра колонны (разд. 8).
11. Конструирование контактного устройства (разд. 8).
12. Гидравлический расчет контактного устройства (разд. 9).
13. Проверка принятого расстояния между тарелками (разд. 9).
14. Определение кинетических коэффициентов (разд. 7).
15. Построение кинетической кривой и определение числа тарелок (разд. 6).
16. Определение полного гидравлического сопротивления колонны (разд. 9).
17. Выполнение эскизов тарелки и колонны.
непрерывно действующей ректификационной тарельчатой колонны для разделения смеси метанол-вода Задание:
Рассчитать непрерывно действующую ректификационную колонну с ситчатыми тарелками для разделения 5000 кг/ч смеси, содержащей 40 мас. % метанола и 60 мас. % воды.
Дистиллят должен содержать 98,5 мас. % метанола, а кубовый остаток – 1,5 мас.% метанола. Ректификацию проводят под атмосферным давлением. Исходную смесь и флегму вводят в аппарат при температуре кипения.
Расчет:
1. Определение производительности по дистилляту и кубовому остатку По уравнениям (7.5), (7.6) при аf = 0,400 мас.д., ар = 0, мас.д. и аw = 0,015 мас.д. и Gf = 5000 кг/ч получены значения Gp = 1985 кг/ч, Gw = 3015 кг/ч.
2. Определение мольных концентраций исходной смеси, дистиллята и кубового остатка По уравнению (7.9) при значениях молекулярной массы метанола MA = 32 и воды MВ = 18 и концентрациям аf = 0, мас.д., ар = 0,985 мас.д. и аw = 0,015 мас.д. определены следующие мольные концентрации легколетучего компонента смеси хf = 0,273 мол.д., xр = 0,973 мол.д. и хw = 0,009 мол.д.
3. Построение равновесной кривой и изобары температур кипения и конденсации На основании опытных данных (табл. 7.3) в координатах у-х строим кривую равновесия для смеси метанол–вода при атмосферном давлении и кривые температур кипения и конденсации (см. рис. 7.14 и 7.15).
Рис. 7.14. Изобары температур кипения и конденсации смеси t, °C х, мол t, °C 4. Определение минимального флегмового числа На диаграмме х-у (рис. 7.15) наносим точку 1 с координатами хw = yw = 0,973 и на кривой равновесия точку 3 с абсциссой xf = 0,273.
Из точки 2 (пересечение диагонали квадрата у-х с абсциссой xp = 0,973) проводим через точку 3 прямую до пересечения с осью ординат диаграммы. На оси ординат получаем отрезок, равный Bmax = 0,515.
Рис. 7.15. К определению оптимального флегмового числа флегмовое число (разд. 4, уравнение (7.20)).
5. Определение оптимального флегмового числа Для ряда значений флегмового числа, больших 0,89, находим значения отрезков В (разд. 4) Отрезки В откладываем на диаграмме у-х (рис. 7.15).
Соединяя верхние точки отрезков В на диаграмме с точкой 2, получаем ряд рабочих линий верхней части колонны (например, для К = 1,5 линия 2-3').
Соединяя точки 3 пересечения рабочих линий верхней части колонны с линией xf с точкой 1, получаем ряд рабочих линий нижней части колонны (для R = l,5 линия 1-3').
Для каждого выбранного флегмового числа и значений х в пределах заданных концентраций жидкости от xw = 0,009 до xр = 0,973 по диаграмме находим движущие силы процесса х-х*, как величины отрезков по горизонтали между кривой равновесия и соответствующими линиями рабочих концентраций, и вычисляем величины 1/(х-х*). Полученные результаты записываем в табл. 7.5.
По величинам в табл. 7.5 для каждого значения R методом графического интегрирования находим число единиц переноса Пример графического итегрирования для R = l,5 показан на рис. 7.16.
Рис. 7.16. Графическое интегрирование для флегмового числа R = l, Результаты интегрирования сводим в табл. 7.6.
Наносим на диаграмму mx(R+l)-R (рис. 7.17) полученные данные из табл. 7.6. Находим точку минимума М, которой соответствует оптимальное рабочее флегмовое число Rопт = l,25.
Рис. 7.17. Определение оптимального флегмового числа 6. Определение потоков пара и жидкости в колонне Объемный поток пара в колонне где Gp =1985/31,7 – мольный расход дистиллята, (кмоль)/ч (31,7 – средняя молекулярная масса дистиллята); Rопт. – оптимальное флегмовое число; t – средняя температура пара в колонне, равная 85 °С; Р – давление в колонне, Па.
Мольный расход жидкости в верхней части колонны Мольный расход жидкости в нижней части колонны По данным уравнениям получены значения:
Gp = 62,7 (кмоль)/ч, Vп = l,15 м3 /с, L = 78,5 (кмоль)/ч и L+Gf = 307,8 (кмоль)/ч (при средней молекулярной массе питания 21,8).
7, 8. Определение ориентировочного диаметра колонны и основных конструктивных характеристик контактного устройства Поскольку в дальнейшем расчете предельной скорости пара в колонне используется формула (7.40), в которую не входят конструктивные характеристики контактного устройства, то ориентировочный диаметр колонны и основные конструктивные размеры не определяют.
9. Расчет рабочей скорости пара По уравнению (7.40) для средней плотности жидкости в колонне х = 859 кг/м3 и средней плотности паровой фазы в колонне, рассчитанной как где Мср – средняя молекулярная масса в колонне, равная 24,8;
t = 85°C – средняя температура пара в колонне, получены значения у = 0,906 кг/м3 и wпр = l,54 м/с.
Рабочую скорость пара в свободном сечении колонны принимаем на 15 % ниже предельной 10. Определение диаметра колонны 11. Выбор решетки Контактное устройство – ситчатая тарелка (по заданию).
Согласно рекомендациям (разд. 8) выбираем диаметр отверстий do = 2 мм. Отверстия будем располагать по вершинам равностороннего треугольника с шагом 3,5do = 3, Свободное сечение отверстий ситчатой тарелки принимаем равным 10 % от свободного сечения аппарата.
12. Гидравлический расчет контактного устройства Общее гидравлическое сопротивление тарелки определяем по уравнению (7.41).
При = 1,82, скорости пара в отверстиях тарелки wo = l,31/0,1 = 13,1 м/с, у = 0,906 кг/м3, Рсух = 141 Па.
При = 42,110-3 Н/м [6, 7, 8], do = 0,002 м, Р = 82 Па.
При К' = 0,5, hnep = 0,04 м, х = 859 кг/м3 (без учета величины превышения уровня жидкости над сливом) Рст = 219 Па.
Общее сопротивление тарелки 13. Определение минимального расстояния между тарелками Принимаем расстояние между тарелками (разд. 8) 350 мм > 105 мм.
14. Определение кинетических коэффициентов Коэффициент массоотдачи в паровой фазе рассчитывается по уравнению (7.33).
Мольный расход пара в колонне G = Gp(R+1) = 62,7(1,25+1)=141 (кмоль)/ч.
Рабочая площадь тарелки (принимаем, что площадь поперечного сечения колонны, занимаемая сливным и приемным карманами, составляет 15%) Значение коэффициента массоотдачи в паровой фазе Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе рассчитывается по уравнению (7.35).
Для скорости пара в свободном сечении колонны w = l,31 м/с, ' xf = 3375 (кмоль)/м2ч при значении D'x, для системы этанол–вода, равном 4,5710-9 м2/с.
Коэффициент диффузии в жидкой фазе для системы метанол–вода определяют по формуле [6] при 20 °С где х = 0,82 мПас [6, 7, 8], для среднего состава смеси и средней температуры жидкости (75 °С) в колонне; vA = 37, vB = 14,8 – мольные объемы метанола и воды соответственно, МA = 32, МB = 18 – молекулярные массы метанола и воды соответственно.
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе для системы метанол–вода Общий коэффициент массопередачи Kyf рассчитывается как где тангенс угла наклона касательной к линии равновесия Так как величина m является переменной по высоте колонны, находим ее значения для различных концентраций, используя диаграмму (рис. 7.18).
Предварительно на диаграмму наносим кривую равновесия y* = f ( x) и линии рабочих концентраций 1-3-2 при оптимальном значении флегмового числа R = 1,25.
При этом В пределах от xw до xp выбираем ряд значений x. Для каждого значения x определяем по диаграмме (см. рис. 7.18) величины y*-y и x-x* как расстояния между равновесной и рабочей линией, а затем по этим значениям находим величину Результаты записываем в табл. 7.7.
Подставляя найденные значения xf, yf и m для различных значений x в формулу (7.32), находим значения K yf.
15. Построение кинетической кривой и определение числа тарелок Для построения кинетической кривой используем формулу Значения разности (у* – у) для ряда значений х в пределах от хw до xр даны в табл. 7.7, Kyf – в табл. 7.8.
Мольный расход пара G = 141 (кмоль)/ч, рабочая площадь тарелки fт = 0,67 м2.
На диаграмме (см. рис. 7.18) откладываем отрезки у*-yк от равновесной линии вниз, полученные точки соединяем плавной линией 1'-3'-2'. Построенная кривая является кинетической кривой.
Число реальных тарелок, которое обеспечивает заданную четкость разделения, находим путем построения ступенчатой линии между рабочей и кинетической линиями. Построение ступенчатой линии проводим от концентрации xf до xр и от xf до хw. Число ступеней в пределах концентраций xf -xр равно числу реальных тарелок укрепляющей секции колонны, число ступеней в пределах концентраций xf – хw равно числу реальных тарелок исчерпывающей секции колонны.
В результате построения получаем:
– число реальных тарелок в укрепляющей секции колонны – 11;
– число реальных тарелок в исчерпывающей секции колонны – 11, – общее число тарелок в колонне – п = 22.
16. Определение гидравлического сопротивления колонны 17. Выполнение эскизов тарелки и колонны Рис. 7.18. Построение кинетической кривой и определение числа реальных тарелок
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. – М.: Химия, 1987.2. Тютюнников А.Б., Товажнянский Л.Л., Готлинская А.П.
Основы расчета и конструирования массообменных колонн. –Киев: Выща шк. Головное изд-во, 1989.
3. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. Кн. 1–2 – М.: Наука, 1966.
4. Стабников В.Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов.
–Киев: Технiка, 1970.
5. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. – М.: Химия, 1978.
6. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1987.
7. Перри Дж. Справочник инженера химика. – М.: Химия, 1969.
8. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. – М.:
Химия, 1982.
9. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1991.
10. Рамм В.М. Абсорбция газов. – М.: Химия, 1976.
«