Методические указания по выполнению курсового проекта по дисциплине "Процессы и аппараты"
методическая разработка на тему

Министерство образования и науки Архангельской области

Государственное автономное образовательное учреждение

среднего профессионального образования Архангельской области

«Новодвинский индустриальный техникум»

(ГАОУ СПО Архангельской области

«Новодвинский индустриальный техникум»)

Методические указания

по выполнению курсового проекта

по дисциплине: Процессы и аппараты

Тема: Проект ректификационной установки непрерывного действия

Новодвинск 2013

Методические указания предназначены для выполнения курсового проекта по дисциплине «Процессы и аппараты» для обучающихся по специальности 250405 Технология комплексной переработки древесины, согласно рабочему учебному плану и рабочей учебной программе по дисциплине

Разработчик:   Н.С.Тарасова – преподаватель

РАССМОТРЕНЫ И РЕКОМЕНДОВАНЫ К УТВЕРЖДЕНИЮ

на заседании методической комиссии………………

(Протокол № __ от ____ __________ 20         г.) 

Председатель комиссии ______________________/Кузнецова Л.А./

1 НАЗНАЧЕНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Курсовой проект по дисциплине «Процессы и аппараты» является заключительной частью освоения дисциплины. Цель курсового проектирования – выполнение расчета типового технологического оборудования, а также приобретение навыков по работе с нормативно - технической и справочной документацией, необходимых в предстоящей производственной практике.

В ходе курсового проектирования обучающийся знакомится с научно-технической и справочной литературой, действующими стандартами на технологическую аппаратуру, вычерчивает технологическую схему установки и общий вид основного аппарата.

Выполнение курсового проекта осуществляется под руководством преподавателя-руководителя.

Полностью завершённый и оформленный проект сдаётся преподавателю-руководителю проекта для проверки.

В назначенное время обучающийся защищает проект.

2 ОРГАНИЗАЦИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Задания на курсовое проектирование разрабатываются преподавателем дисциплины «Процессы и аппараты» и выдаются обучающимся на специальных бланках (лист-задание). В заданиях формулируются:

1 Тема курсового проекта;

2  Исходные данные, которые требуются для расчета; все недостающие параметры принимаются и технически обосновываются обучающимися;

3  Сроки курсового проектирования.

При выдаче тем курсового проекта учитываются пожелания обучающихся и их проявленные способности.

Получив задание для курсового проекта, обучающийся изучает рекомендуемую литературу, затем составляет принципиальную технологическую схему установки (предварительный эскиз), на которую наносит исходные данные: расходы, температуру, концентрации газовой  и жидкой фаз. Согласовав схему с руководителем проекта, обучающийся приступает к самостоятельной работе: выполняет технологические расчёты, материальные и тепловые балансы, определяет размеры аппаратов установки.

Закончив основные расчеты и выбрав по каталогу аппараты, обучающийся должен окончательно оформить пояснительную записку, затем приступить к графической части проекта.

3 СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Курсовой проект состоит из пояснительной записки и графической части. Он оформляется согласно Стандарту предприятия «Структура и правила оформления пояснительной записки и графической материала технологических курсовых проектов, работ и письменных экзаменационных работ» и требований Единой системы конструкторской документации (ЕСКД).

Пояснительная записка должна содержать:

- титульный лист (выдается преподавателем);

- лист - задание на курсовое проектирование (выдается преподавателем);

СОДЕРЖАНИЕ (с указанием страниц)

ВВЕДЕНИЕ

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

  1.1 Теоретические основы процесса

  1.2 Описание технологической схемы

  1.3 Устройство, принцип действия основных аппаратов

  1.4 Устройство, принцип действия аппарата по заданию.

2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

  2.1  

  2.2  

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

В разделе «Введение» необходимо провести оценку современного состояния решаемой проблемы, основание и исходные данные для разработки темы, сведения о планируемом научно-техническом уровне разработки. Во введении должна быть показана актуальность темы.

Источником для написания этого раздела могут являться журнал «Целлюлоза. Бумага. Картон», реферативная и экспресс – информация по целлюлозно-бумажной промышленности.

Объем этого раздела 1-2 страницы.

Технологическая часть проекта включает в себя теоретические основы проектируемого процесса, описание технологической схемы, обзор аппаратов для проведения данного процесса, описание основного аппарата, расчет которого будет производиться.

В подразделе «Теоретические основы процесса» необходимо кратко описать сущность и назначение процесса, статику и кинетику процесса, движущую силу и пути её увеличения, факторы, влияющие на процесс и пути его интенсификации.

В подразделе «Описание технологической схемы» необходимо произвести полное описание технологического процесса с указанием позиций (номеров аппаратов), технологических параметров процесса в системе СИ.

В подразделе «Устройство, принцип действия основных аппаратов» обучающийся в первую очередь должен описать все виды оборудования, применяемого для проведения проектируемого процесса. Далее приводится основной аппарат и его описание с указанием позиций сборочных единиц, деталей, стандартных изделий. Кратко описывается принцип работы аппарата. Приводятся данные по обоснованию выбора материала, из которого будет изготавливаться аппарат, входящий в технологическую схему установки.

Расчетная часть содержит технологический расчет аппаратов, который выполняется с целью определения основных размеров (диаметра, высоты, площади поверхности теплопередачи и т.д.). Заданием проекта может быть предусмотрен расчет материального и теплового балансов. Задачей материального баланса является определение расхода материальных потоков, необходимых концентраций, теплового баланса – определение расхода нагревающих и охлаждающих агентов. После определения основных размеров аппарата, он выбирается по нормативным документов – ГОСТу, ОСТу, и т.д. Далее рассчитываются или выбираются остальные элементы аппаратов (перемешивающие устройства, штуцеры, крышки и т.д.). При необходимости в этом разделе выполняется расчёт тепловой изоляции. Необходимые для выполнения расчётов физико-химические свойства перерабатываемых веществ (плотность, теплоёмкость, вязкость и др.) находят по справочникам или рассчитывают по формулам. В этом же разделе выполняется расчёт остальных аппаратов установки (насосов, барометрических конденсаторов) и выбор их по каталогам и ГОСТам. Расчёт гидравлического сопротивления аппаратов и трубопроводов осуществляется для расчёта и выбора машины, перемещающих жидкости и газы (насосов, вентиляторов, компрессоров). Емкостное оборудование для хранения сырья и продукции рассчитывается и подбирается по нормативам, каталогам или ГОСТам с учетом конкретных условий их работы.

Рекомендуется все расчёты по проекту выполнить в черновике. Черновик проекта, грамотный, чёткий и разборчивый имеет большое значение для качественной консультации по проекту. Черновик вести в тетради (блокноте), оставляя место для заметок и указаний руководителя проекта. Необходимо добросовестно и внимательно отнестись к вычислениям, помня о том, что допущенные математические ошибки приводят к серьёзным последствиям, ибо ответ предыдущего расчёта является, как правило, исходным данным для последующего. Только после проверки черновика руководителем, можно оформлять курсовой проект в пояснительную записку.

Все расчёты выполняются в единицах СИ. При этом для удобства расчётов используются производные единицы длины (мм) и поверхностного напряжения (Н/мм2). Точность расчётов зависит от определяемой величины и, как правило, не превышает одного, двух знаков после запятой.

В «Заключении» должно содержаться: краткие выводы по результатам выполненного проекта.

В конце пояснительной записки приводится список использованных источников, который должен содержать все используемые при написании курсового проекта источники. Список составляется в алфавитном порядке по фамилии автора. В том случае, когда для получения информации обучающийся использует интернет-ресурсы, необходимо указать адреса сайтов в списке использованных источников.

Нумерация страниц пояснительной записки начинается с титульного листа и продолжается до последнего листа текста; нумерация страниц проставляется в верхней части страницы по центру арабскими цифрами и начинается с листа СОДЕРЖАНИЕ. Листы иллюстраций и приложений нумеруются в общем порядке.

4 СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

В графической части курсового проекта на одном листе формата А1, разграниченном на два формата А2,  исходя из действующих нормативов и стандартов, вычерчивается технологическая схема выпарной установки и общий вид выпарного аппарата. Число выпарных аппаратов на схеме и направление потоков должны соответствовать указанному в задании. На технологической схеме указываются нумерация всех входящих аппаратов, включая дополнительное оборудование (насосы, барометрический конденсатор, сборники и т.д.), а также должны быть пронумерованы все потоки жидкостей и паров. К технологической схеме прилагается спецификация оборудования, которая может быть вычерчена как на основном формате (рядом со схемой), так и на отдельном листе формата А4.

Общий вид выпарного аппарата выполняется в масштабе, который необходимо указать в штампе. Основные размеры выпарного аппарата должны быть вынесены в мм. Тип выпарного аппарата должен соответствовать заданию.

Допускается выполнение графической части на компьютере при помощи специальных программ. В случае выполнения графической части на компьютере, необходимо записать материалы на диск CD-R, CD-RW и приложить к пояснительной записке.

Тема: Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения G, кг/ч бинарной смеси спирт – вода.

Исходные данные: концентрация спирта в исходной смеси – хf, %;

 в дистилляте – хp, %;

 в кубовом остатке - хw, %;

давление в паровом пространстве дефлегматора – Рд, МПа;

исходная смесь перед подачей в колонну подогревается до температуры кипения водяным паром давлением – Рв.п., МПа

Описание технологической схемы непрерывно-действующей ректификационной установки:

Исходная смесь из промежуточной емкости  центробежным насосом  подается в теплообменник, где подогревается до температуры кипения насыщенным водяным паров. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну  на тарелку питания (верхнюю тарелку исчерпывающей части колонны), где смешивается с флегмой из укрепляющей части колонны.

Стекая вниз по колонне жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике. В результате этого из жидкости удаляется легколетучий компонент. Пар, обогащенный легколетучим компонентом, поднимается вверх по колонне и поступает в дефлегматор. Из дефлегматора сконденсировавшийся пар поступает в распределительный стакан, где конденсат разделяется на два потока: один (флегма) возвращается на орошение колонны, второй (дистиллят) поступает в холодильник дистиллята  и далее в промежуточную емкость.

Из кубовой части колонны непрерывно отводится кубовый остаток – продукт, обогащенный тяжелолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике  и направляется в емкость.

Подогреватель исходной смеси и кипятильник обогреваются насыщенным водяным паром, образовавшийся конденсат возвращается на ТЭС.

Методика расчета ректификационной установки

1 Материальный баланс установки

А) общий материальный баланс

                                                         mf = mp + mw

где     mf – расход исходной смеси, кг/с

          mp – расход дистиллята, кг/с

          mц – расход кубового остатка, кг/с

Б) частный материальный баланс по легкокипящему компоненту

mf *xf = mp *xp + mw*xw

mf *xf = (mf - mw)* xp + mw*xw

отсюда         mw = mf *[(xp – xf) / (xp - xw)]

                     mp = mf - mw

2 Определение оптимального рабочего флегмового числа

Для расчетов необходимо пересчитать массовые доли компонента в мольные, используя формулу:

   х = (х /Ма) /[ (х /Ма) +(1-х /Мб) , кмоль/кмоль (* 100 = мольные %)

где  Ма, Мб – молярные массы соответственно легколетучего (спирта) и тяжелолетучего компонента (воды)

По справочным данным по равновесию бинарных смесей строим кривую равновесия.

На миллиметровой бумаге необходимо построить линию равновесия и рабочую линию ректификации.

Определяем минимальное флегмовое число Rmin

                          Rmin = (Xp – Yf*) / (Yf* - Xf)

Оптимальное рабочее флегмовое число определяем по формуле:

                          R = Rmin * β,

где       β - коэффициент избытка флегмы, принимаем 1,6-1,8

3 Определяем число теоретических ступеней

Для этого необходимо построить рабочую линию колонны. Т.к. колонна состоит из двух частей: исчерпывающей и укрепляющей, то линию будем строить по четырем точкам.

Уравнение линии процесса в укрепляющей части колонны

                                     Y = R*x / (R+1) + xp / (R+1)

т.А    х = хр                           у = хр

т.В    х = 0                            у = хр / R+1

Соединив эти две точки, получаем рабочую линию укрепляющей части колонны

Уравнение линии процесса в исчерпывающей части колонны

                    Y = [(R+F)/(R+1)]*x – [W/(R+1)]*xw

F, W – относительные расходы исходной смеси и кубового остатка, т.е. отнесенные на 1 моль дистиллята

т.С      х = xf              до пересечения с линией АВ

т.Д      х = xw             у = xw

Соединив эти две точки, получаем рабочую линию исчерпывающей части колонны

АСД – рабочая линия колонны

Подсчитываем число теоретических ступеней отдельно в каждой части колонны

ЧТСукр, ЧТСисч, ΣЧТС = ЧТСукр + ЧТСисч

4 Тепловой баланс

Для выполнения тепловых расчетов определяем температуры кипения и теплоемкости исходной смеси, дистиллята и кубового остатка. Для этого необходимо на миллиметровой бумаге построить график температурной зависимости Т = f (Х).

На оси абсцисс наносим состав кубового остатка (xw), исходной смеси (xf) и дистиллята (xp). Из полученных точек проводим вертикальные прямые до пересечения с кривой температур кипения, получаем точки соответственно А, В, С. Из этих точек проводим горизонтальные прямые до пересечения с осью ординат, получаем температуры кипения (Тw, Тp, Тf).

По полученным температурам кипения для исходной смеси, дистиллята и кубового остатка по задачнику Павлова стр. 562 (номограмма для определения теплоемкостей жидкостей) находим теплоемкости ЛЛК (Са) и ТЛК (Сб). Теплоемкость смеси при каждой температуре находим по формуле:

                              Ссм = Са*х +Сб*(1-х)

Таким образом, итоговым результатом должны стать значения Ссмf, Ссмp, Ссмw

Составляем уравнение теплового баланса

ПРИХОД ТЕПЛОТЫ

А) с исходной смесью в колонну

                                 Qf=mf* Ссмf *Tf

Б) с флегмой

                                 QR=mR* СсмR *TR

     mR=R*mp ,              СсмR = Ссмp ,                 TR = Тp

В) с греющим паром

                                      Qг.п.= D*Iг.п.

Принимаем греющий пар давлением 3 кг/с*см2 для всех расчетов с температурой Tг.п. = 132,9 ºС, Iг.п. = 2730 кДж/кг, rг.п. = 2171 кДж/кг

РАСХОД ТЕПЛОТЫ

А) с паром из колонны

                                         Qп′=m′п*I′п

где     I′п – энтальпия пара в верхней части колонны

           I′п = rп + Cр*tр,    rп – теплота парообразования, рассчитывается:

                                       rп = rа*х + rб*(1-х)

Данные по теплотам парообразования можно взять в зад. Павлова.

               m′п = mp + mR

Б) с кубовым остатком

                                        Qw=mw* Ссмw *Tw

В) с конденсатом греющего пара

                                         Qконд =D* Св *Tг.п.

Г) Тепловые потери (составляют 5% от тепла, отдаваемого греющим паром).

Потери обозначаются Qпот и учитываются  тепловом балансе

Из уравнения общего теплового баланса находим расход греющего пара D.

5 Определение диаметра ректификационной колонны

Необходимо определить расход и плотность пара в верхнем и нижнем сечениях колонны:

              Vс = mс /ρс,     где  Vс – объемный расход пара, м3/с

                                              mс – массовый расход пара, кг/с

                                              ρп – плотность пара, кг/м3

              ρп = М*Р*Т0/22,4*Р0*Т,

где              М – молярная масса смеси, кг/кмоль

                    Р, Т – рабочие давление и температура, кг*с/ см2, К

                    Р0, Т0 – давление и температура при нормальных условиях

                    Р0 = 1 кг*с/см2 = 101,3 кПа

                    Т0 = 273 К

Верхнее сечение:

m′п = mp*(R+1),   M′ = Ma*x + Mб*(1-х),  Р′ = Ратм = 1 кг*с/см2

Нижнее сечение:

Массовый расход пара находим из теплового баланса кипятильника:

                               D*rг.п. = m′′п * r′′п

r′′п  находим методом интрополяции для каждого компонента смеси при температуре кубового остатка (Тw).

Р′′=Р′ + ΔР,      где ΔР  - сопротивление со стороны тарелки (насадки)

ΔР = ЧТС*ΔРт,

где ΔРт – сопротивление одной тарелки (насадки), принимаем 100 Па

Скорость пара (ω) в верхнем и нижнем свободных сечениях колонны определяется для каждой колонны индивидуально (формулы в справочниках) или принимается по соответствующим таблицам приблизительно.

Таким образом, определим диаметр ректификационной колонны в верхнем и нижнем сечениях колонны по формуле:

                               D = √Vc / 0,785*ω

По ГОСТам (ПРИЛОЖЕНИЕ 1, 2)  выбираем колонну большего диаметра. Выписываем диаметр (принятый) колонны, высоту сепарационной и кубовой части колонны, а также выписываем технические характеристики тарелок ректификационной колонны.

6 Определение высоты ректификационной колонны

Нкол = Нсеп + Нкуб + Нтар + ΔНдоп,   м

Нтар – высота тарелок в колонне,

Нтар = (nд -1)* hт,

где  nд – действительное число тарелок, nд = ЧТС+10

       hт – расстояние между тарелками, для всех тарельчатых колонн оно принимается от 0,4 до 0,5 м

ΔНдоп – дополнительная высота на установку монтажных люков, принимается от 0,7 до 0,9 м

Для насадочных колонн высота ректификационной колонны определяется

Нкол = Нсеп + Нкуб + 0,5*(nсл -1) + Ннас

где  nсл – число слоев насадки в колонне, nсл = Ннас / hсл

                                                                   hсл – высота слоя насадки, hсл = 3….5Dкол

        0,5 – расстояние между слоями насадки, в котором устанавливают опорные решетки и перераспределительные тарелки, м

         Ннас – общая высота насадки,  м

Общую высоту насадки в колонне можно рассчитать через высоту насадки, эквивалентную одной теоретической ступени (тарелке):

                                       Ннас = ЧТС* hэкв

где               ЧТС – число теоретических ступеней,

                     hэкв – высота, эквивалентная теоретической ступени, рассчитывается по критериальному уравнению, приводимому в справочной литературе.

7 Расчет насоса для подачи исходной смеси

Прежде чем приступить к расчету зададимся некоторыми данными:

Н – высота подъема исходной смеси в колонну (определяется по чертежу ректификационной колонны в масштабе)

η - коэффициент полезного действия, примем равным 0,75

Определяем диаметр трубопровода по формуле:

                                       D = √V/0.785*υ  , м

где                  V – объемный расход исходной смеси, м3/с;

                       υ – скорость движения исходной смеси, м/с   принимаем 0,5 – 2 м/с

                                        V = G / ρ

где                 ρ - плотность исходной смеси при температуре Тf

Принимаем трубу с условным диаметром

Ориентировочно определяем мощность насоса

N=V* ρ *g *H / 1000 *η   , кВт

По подсчитанным данным по каталогу (ПРИЛОЖЕНИЕ 3) подбираем необходимый насос

ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЗАЩИТЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

1 Что такое ректификация, её применение

2 Сущность ректификации

3 Преимущества непрерывной ректификации

4 Уравнение материального баланса ректификации

5 Какая часть ректификационной колонны называется укрепляющей и почему

6 Какая часть ректификационной колонны называется исчерпывающей и почему

7 Что такое флегмовое число

8 Как построить рабочую линию процесса ректификации

9 Какие типы ректификационных колонн применяют на производствах

10 Устройство ситчатой тарелки, её достоинства

11 Устройство колпачковой тарелки, её достоинства

12 Устройство клапанной тарелки, её достоинства

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 Баранов Д.А., Кутепов А.М. Процессы и аппараты. – М.: Академия, 2005;

2. Болдырев Ю.Н., Зорин А.А., Попов В.В. Примеры и задачи по курсу Процессов и аппаратов. – М.: Лесная промышленность, 1973;

3. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии – Л.:Химия, 1991

4. Кузовлев В.А. Техническая термодинамика и основы теплопередачи. – М.: Высшая школа, 1975;

5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу Процессов и аппаратов химической технологии. Изд-е 9. – Л.: Химия, 1969;

6. Прибытков И.А. Теоретические основы теплотехники. – М.: Академия, 2004;

7. Селянина Л.И., Третьяков С.И., Филиппов Б.С., Мариев А.А., Соколов О.М., Богданович Н.И. Процессы и аппараты лесохимических и гидролизных производств.- СПб.: Издательство СПб университета, 1994.

8. Плановский А.Н., Рамм В.М., Коган С.З. Процессы и аппараты химической промышленности. – М.:Химия, 1968;

9. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1973;

10. Журнал Целлюлоза. Бумага. Картон

11. Интернет-ресурсы: Единое окно доступа к образовательным ресурсам. Каталог учебных продуктов. http://window.edy.ru/ window

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Колонна ректификационная тарельчатая

Таблица штуцеров

Техническая характеристика РК

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Колонна ректификационная насадочная

Таблица штуцеров

Техническая характеристика РК

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Технические характеристики центробежных насосов