Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Машины и аппараты химических производств»

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению расчетно-графической работы

по дисциплине

«Процессы и аппараты химической технологии»

2012

Настоящие методические указания к курсовому проекту по курсу " Процессы и аппараты химической технологии " рекомендуются для студентов, обучающихся по специальности МЗ, МА, МК.

В методических указаниях приводится алгоритм расчета колонны для ректификации идеальных бинарных смесей, а также рассматривается расчет высоты колонны, штуцеров, конденсатора-холодильника и кипятильника.

Составители: Хафизов Ф. Ш., д. т. н.

Фасхутдинов Р. Р., вед. инж.

Ибрагимова Р.Р., к.т.н.

Рецензент Фасхутдинов Р.А., доцент, к.т.н.

(с) Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2012

Содержание

	стр
Введение	2
1 Исходные данные для проектирования	4
2 Последовательность расчета 2.1 Материальный баланс ректификационной колонны	5 5
2.2. Построение кривых изобар пара и жидкости	7
2.3. Построение X-Y диаграммы ( кривой равновесия фаз )	8
2.4. Расчет однократного испарения ( ОИ )	8
2.5. Определение минимального парового числа	9
2.6. Расчет числа теоретических тарелок графическим методом	10
2.7. Расчет числа реальных тарелок	11
2.8 Расчет колонны на ЭВМ	11
2.9 Расчет высоты колонны	12
2.10 Расчет диаметра ректификационной колонны	12
2.11 Расчет штуцера шлемовой колонны	13
2.12 Расчет конденсатора-холодильника	14
2.13 Расчет кипятильника	15
3 Пример решения	16
4 Перечень вариантов	24
Рекомендации по оформлению выводов по работе	28
Список использованной литературы	28

2

ВВЕДЕНИЕ

НАЗНАЧЕНИЕ РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ И ЕГО СОДЕРЖАНИЕ

Расчет аппарата выполняется с целью обоснования его размеров, выбора оптимального режима работы, определения расходов (топливо, водяной пар, вода, электроэнергия, реагенты, катализаторы и пр.), выбора конструкции аппарата в целом и его отдельных узлов, а также их материального оформления.

Основными являются следующие три типа расчетов, выполняемых для процессов и аппаратов: технологический, гидравлический и механи­ческий.

Технологический расчет. При его проведении обосновываются рабочие параметры процесса (давление, температура и т.п.), определяются материальные и энергетические потоки и уточняются расходные нормы.

Гидравлический расчет. При его проведении определяются размеры рабочих сечений аппарата и перепады давления, обеспечивающие работу при полученных в технологическом расчете материальных и энергетических потоках рабочих сред.

Механический расчет. При его проведении обосновываются выбор материалов, конструкции элементов аппарата, толщины стенок и т.п., обеспечивающие безопасную, надежную и длительную эксплуатацию аппарата.

Расчет процессов и аппаратов является одним из основных факторов, обеспечивающих выбор экономически целесообразных и технически оправданных условий работы оборудования.

При использовании стандартизованной аппаратуры проводится проверочный расчет, задачей которого является обоснование производительности аппарата и режима его работы на основе имеющихся размеров, а также выявление возможности использования данного стандартного аппарата при заданных рабочих условиях.

3

Приняты три стадии проектирования:

проектное задание;

технический проект;

рабочие чертежи.

В проектном задании решаются основные принципиальные вопросы, определяются выбор технологической схемы процесса, набор основного оборудования. Расчеты выполняются по укрупненным показателям, позволяющим выбрать тип оборудования, его габариты, массу, энергетические и материальные затраты. Более подробные расчеты на этой стадии проектирования выполняются для оборудования нового типа.

В техническом проекте расчеты выполняются достаточно подробно, так чтобы на их основе можно было выполнить рабочие чертежи.

В рабочих чертежах разрабатывают подробную техническую документацию (чертежи, расчеты, макеты и т.п.), которая дает возможность изготовить необходимую технологическую оснастку, детали, узлы и аппарат в целом; эта документация позволяет осуществить конкретное материальное исполнение инженерных решений..

Для расчета аппаратов необходимо задать производительность по сырью, полуфабрикатам или целевым продуктам, возможную продолжительность работы для аппарата непрерывного действия,

продолжительность цикла работы и отдельных стадий для аппаратов периодического действия, выходы и качество получаемых продуктов или показатели, позволяющие определить их расчетом. В отдельных случаях задают рабочие параметры процесса (температуру, давление, время контакта и т.п.), проверяя их приемлемость при последующих расчетах. В задании должны быть указаны как нормальные условия работы аппарата, так и возможные отклонения от них (максимальные и минимальные), особые условия и требования к ведению процесса, сведения о коррозионных и токсических свойствах перерабатываемых продуктов.

4

1 Исходные данные для проектирования

В начале работы необходимо провести литературный обзор научно-технической литературы и предоставить литературный обзор по следующим темам.

1.Классификация ректификационных колонн

2.Классификация массообменных процессов

3.Классификация контактных устройств колонны

Расчет основных показателей работы и размеров ректификационной колонны производится по следующим исходным данным:

• производительность колонны по сырью Fмac, т/ч:

• давление в колонне П, ата:

• компонентный состав бинарной смеси:

• массовая доля низкокипящего компонента (НКК ) в сырье X_f:

• мольная доля НКК в дистилляте Y_d:

• мольная доля НКК в остатке X_w:

• мольная доля отгона е:

• коэффициент избытка подвода тепла n .

Помимо вышеперечисленных исходных данных необходимо знать свойства компонентов исходной смеси.

В таблице 1 приведены температуры кипения, молекулярные массы и плотности углеводородов.

Зависимость между температурой и давлением насыщенных паров компонента представляется в виде формулы Антуана:

(1)

В таблице 2 приведены коэффициенты А, В, С для индивидуальных углеводородов

• 5

Таблица 1-Физические свойства углеводородов

Углеводород	Температура кипения, оС	Молекулярная масса	Относительная плотность
Бензол	80,0	78	0,879
Толуол	110,6	92	0,867
Гексан	68,3	86 .	0,659
Гептан	98,4	100	0,684
Циклогексан	80,8	84	0,779
Метилциклогексан	100,9	98	0,769

Таблица 2 –Коэффициенты формулы Антуана

Углеводород	а	в	с
Бензол	4,03129	1214,64	221,20
Толуол	4,0727	1345,09	219,52
Гексан	3,99695	1171,53	224,37
Гептан	4,01946	1266,87	216,76
Циклогексан	3,96417	1203,53	222,86
Метилциклогексан	3,94608	1272,86	221,63

2 Последовательность расчета

2.1 Материальный баланс ректификационной колонны

Необходимо произвести перерасчет массовой доли сырья в мольную долю по формуле:

(1)

6

Для составления материального баланса необходимо определить молекулярные массы сырья, дистиллята и остатка по следующим формулам соответственно:

Mf = Мнкк * Х′f + Мвкк * (1 – Х′f ), (2)

Md = Мнкк * Y′d + Мвкк * ( 1 – Y′d )

Mw = Мнкк* X′w + Мвкк * (1 – X′w )

Исходя из производительности колонны по сырью . Fмac определяем количество смеси, поступающее в колонну, кмоль/ч:

F =Fмac / M (3)

Относительный выход дистиллята определяется следующим образом:

D /F = (X′f-X′w) / (Y′d-X′w). (4)

Отсюда выход дистиллята равен:

D = F * ( D / F ), кмоль/ч, (5)

Dмac=D * Md, кг/час (6)

Выход остатка равен:

W = F - D, кмоль/ч, (7)

W=W * M, кг/ (8)

Количество компонентов в сырье (Fi), дистилляте (Di) и остатке (Wi)

F₁=F*X’f F₂=F-F₁ (9)

D₁=D*Y’d D₂=D-D₁ (10)

W₁=W*X’w W₂=W-W₁ (10а)

Для определения количества компонентов в кг/ч в сырье, дистилляте и остатке значения кмоль/ч умножаются на соответствующие молекулярные массы компонентов.

Далее результаты расчетов материального баланса необходимо свести в таблицу в форме, представленной в табл.3.

7

Таблица 3- Материальный баланс колонны

Компонент	Сырье			Дистиллят			Остаток
	кг/час	кмоль/ч	кг/час		кмоль/ч	кг/час		кмоль/ч
НКК
ВКК
Сумма

2.2 Построение кривых изобар пара и жидкости

Для построения кривых изобар на первом этапе необходимо определить крайние точки кривых, т. е. температуры кипения HKK и ВКК при заданном давлении в колонне П. Представим формулу Антуана в следующем виде:

(11)

Полученный интервал температур кипения разбивается на пять примерно равных интервалов, и при данных температурах рассчитываются давления насыщенных паров компонентов P₁ и Р₂ (12)

Далее определяются мольные доли НКК в жидкой фазе и равновесной паровой фазе

и (13)

Построение кривым изобар производится в следующих координатах: по оси абсцисс откладываются мольные составы фаз по НКК (от 0 до 1), а по оси ординат - температуры в интервале температур кипения НКК и ВКК. Точки составов фаз при соответствующих температурах соединяются плавными кривыми.

8