Подробный расчёт ректификационной колонны
Материальный баланс колонны и определение рабочего флегмового числа. Скорость пара и диаметр колонны. Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержание барботажного слоя. Число тарелок и их гидравлический расчёт, определение диаметров штуцеров.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.12.2012 |
| Размер файла | 674,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
1. Подробный расчет ректификационной колонны
1.1 Материальный баланс колонны и определение рабочего флегмового числа
Для расчетов материального баланса выразим составы исходной смеси, дистиллята и кубового остатка в массовых долях.
(1.1)
где - массовая доля ацетона в смеси;
молярная масса низкокипящего компонента (НК) - ацетона, кг/кмоль;
молярная доля НК, кмоль НК/кмоль смеси;
молярная масса высококипящего компонента (ВК) - воды, кг/кмоль.
Массовая доля ацетона в исходной смеси:
где 58,08 кг/кмоль;
кмоль НК/кмоль смеси, молярная доля НК в питающей смеси (из задания);
18 кг/кмоль.
Массовую долю ацетона в дистилляте рассчитываем аналогично:
кг НК/кг смеси
где кмоль НК/кмоль смеси - молярная доля НК в дистилляте (из задания).
Массовая доля ацетона в кубовом остатке:
кг НК/кг смеси
где кмоль НК/кмоль смеси - молярная доля НК в кубовом остатке (из задания).
Производительность колонны по дистилляту GD и кубовому остатку GW определим из уравнений материального баланса колонны:
GD+GW=GF, (1.2)
, (1.3)
где GF, GD, GW - массовые расходы исходной смеси, дистиллята и кубового остатка соответственно, кг/ч;
- массовые доли легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно кг НК/кг смеси.
Из уравнения материального баланса (1.2) по потокам получим:
GD + GW = 8700
по ацетону:
GD • 0,998 + Gw • 0,016 = 8700 • 0,462
Решая систему этих уравнений находим: GD = 3951,32 кг/ч, GW = 4748,68 кг/ч
Выразим массовые расходы в кг/с:
Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяют рабочим флегмовым числом R, его оптимальное значение Rопт можно найти путем технико-экономических расчетов. Для определения Rопт используем приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения):
, (1.4)
где Rmin - минимальное флегмовое число.
Минимальное флегмовое число рассчитывается по следующей формуле:
(1.5)
где - мольная доля НК в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, кмоль НК/кмоль смеси.
Строим диаграмму х - y, представленную на рисунке 1.1. Поскольку кривая равновесия имеет несколько перегибов, то для нахождения Rmin воспользуемся значением уFmax вместо yF*. Данные по равновесному составу жидкости и пара бинарной смеси ацетон-вода при атмосферном давлении приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 Равновесные составы жидкости и пара для смеси ацетон-вода
|
Температура t, °C |
Содержание компонентов, мол.% |
||
|
в жидкости |
в паровой фазе |
||
|
100 77,9 69,6 64,5 62,6 61,6 60,7 59,8 59 58,2 57,5 56,9 |
0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 |
0 60,3 72 80,3 82,7 84,2 85,5 86,9 88,2 90,4 94,3 100 |
Рисунок 1.1 - x-y диаграмма бинарной смеси ацетон-вода
yFmax= 0,58 кмоль НК/кмоль смеси.
Один из возможных приближенных методов расчета флегмового числа заключается в нахождении оптимального флегмового числа, которому соответствует минимальное произведение N/(R+1), пропорциональное объему ректификационной колонны, где (N - число ступеней изменения концентраций или теоретических тарелок, определяющее высоту колонны, а R+1 - расход паров и сечение колонны).
Определим флегмовое число по этой рекомендации. Сначала рассчитаем минимальное флегмовое число:
Задавшись значениями коэффициентов избытка флегмы в, определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме состав пара у, и состав жидкости х [Приложение А] находим N. Для определения количества тарелок необходимо построить рабочую линию, соответствующую флегмовому числу. Чтобы построить рабочую линию необходимо рассчитать значение В. Рассчитывается длина этого отрезка по следующей формуле:
(1.6)
Например зададимся коэффициентом избытка флегмы в = 1,5 тогда из формулы 4.4:
R = 1,12•1,25 = 1,4
Диаграммы x-y к определению оптимального флегмового числа приведены в Приложении А. Результаты расчетов рабочего флегмового числа приведены в таблице 1.2.
Таблица 4.2 - Определение оптимального флегмового числа
|
в |
1,25 |
1,5 |
1,75 |
2 |
2,25 |
2,5 |
2,75 |
|
|
R |
1,40 |
1,68 |
1,96 |
2,24 |
2,52 |
2,80 |
3,08 |
|
|
B |
0,4146 |
0,3713 |
0,3361 |
0,3071 |
0,2827 |
0,2618 |
0,2439 |
|
|
N |
22 |
17,5 |
13 |
12,8 |
12,8 |
11,9 |
11,5 |
|
|
N · (R+1) |
52,80 |
46,90 |
38,48 |
41,47 |
45,06 |
45,22 |
46,92 |
Строим график зависимости N · (R+1) = f(R) представленный на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 - График зависимости N · (R+1) = f(R)
Из данного графика находим оптимальное флегмовое число Rопт = 1,96. Оно соответствует минимуму функции.
В расчетах будем использовать флегмовое число равное 1,96.
Относительный мольный расход питания находим по уравнению:
(1.7)
Уравнение рабочих линий:
для верхней (укрепляющей) части колонны определяем по уравнению 7.6 [2]:
для нижний (исчерпывающей) части колонны определяем по уравнению 1.7 [2]:
1.2 Скорость пара и диаметр колонны
Средняя концентрация жидкости вверху колонны:
(1.8)
Средняя концентрация жидкости внизу колонны:
Средние температуры жидкости определяем по диаграмме t - x,y, представленной на рисунке 1.3.
Из диаграммы видно, что tхВ=590С, tхН=690С.
Рисунок 1.3 - t-x-y диаграмма бинарной смеси ацетон-вода
Определим средние концентрации пара, которые находим по уравнениям рабочих линий для верхней части колонны и для нижней части колонны.
Средние температуры паров определим по диаграмме t-x,y [рисунок 1.3] по средним составам фаз . Из диаграммы видно, что tуВ=68,30С, tуН=93,80С.
Определим среднюю мольную массу пара в верхней части колонны:
Определим среднюю мольную массу пара в нижней части колонны:
Среднюю плотность пара в верхней части колонны, кг/м, определим при средней температуре:
где - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны;
- средние температуры паров в верхней и нижней частях колонны.
Средняя плотность пара в колонне:
Средние мольные массы жидкости:
В верхней части колонны определим по формуле:
В нижней части колонны определим по формуле:
Мольная масса исходной смеси:
Мольная масса дистиллята:
Мольная масса кубового остатка:
Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней части колонны по формулам:
Массовый поток пара ,кг/с, определяем по уравнению:
Средние массовые потоки пара определяем по уравнению в верхней в нижней частях колонны:
Допустимую скорость газа рассчитаем по уравнению:
где: - средняя плотность жидкости, кг/м;
- средняя плотность газа, кг/м;
С - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между ними, рабочего давления в колонне и нагрузки колонны по жидкости.
Примем h = 500 мм, тогда C = 0,075 по [2] рисунок 1.2.
Плотность ацетона:
кг/м- по данным, приведенным в справочнике [2] таблицы IV при 0C.
Плотность воды:
по данным, приведенным в справочнике [2] таблицы IV при 0C.
Среднюю концентрацию жидкости в массовых долях вверху колонны рассчитаем по формуле:
где кмоль ацетона/кмоль смеси - средний мольный состав жидкости в верхней части колонны;
- мольные массы ацетона и воды соответственно.
Среднюю плотность жидкости вверху колонны определим по уравнению:
Плотность ацетона:
кг/м- по данным, приведенным в справочнике [2] таблицы IV при 0C.
Плотность воды:
по данным, приведенным в справочнике [2] таблицы IV при 0C.
Среднюю концентрацию жидкости в массовых долях внизу колонны рассчитаем по формуле:
где кмоль ацетона/кмоль смеси - средний мольный состав жидкости в нижней части колонны.
Среднюю плотность жидкости внизу колонны определим по уравнению:
Определяем допустимую скорость пара в верхней и нижней частях колонны по уравнению (1.25):
Так как средние массовые потоки пара в колоне значительно отличаются, то рассчитаем отдельно диметры колонны для верхней и нижней части, и возьмём больший.
Диаметр колонны:
где - средние массовые потоки пара, скорость и плотность пара соответственно для верха и низа колонны.
Выберем стандартный диаметр колонны d=1,2 м по [4] с. 197. При этом рабочая скорость пара:
где - больший из рассчитанных диаметров, м.
Для колонны диаметром 1200 мм выбираем ситчатую тарелку (ТС-Р) со следующими конструктивными размерами, приведенными в справочнике [4] Приложение 5.2:
Таблица 1.3 - Параметры тарелки
|
Свободное сечение колонны, м2 |
1,13 |
|
|
Рабочее сечение тарелки |
1,01 |
|
|
Диаметр отверстия |
5 |
|
|
Шаг между отверстиями |
10 |
|
|
Относительное свободное сечение тарелки |
11,1 |
|
|
Сечение перелива, м2 |
0,06 |
|
|
Относительная площадь перелива |
5,3 |
|
|
Периметр слива |
0,722 |
|
|
Масса, кг |
62 |
Скорость пара в рабочем сечении тарелки:
1.3 Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержание барботажного слоя
Высота светлого слоя жидкости , м, для ситчатых тарелок определяется по [4] уравнение (6.39):
(1.33)
где удельный расход жидкости на 1м ширины сливной перегородки, м2/с;
-высота сливной перегородки, м;
- динамический коэффициент вязкости жидкости, мПас;
поверхностное натяжение жидкости, мН/м;
поверхностное натяжение воды, мН/м;
показатель степени.
(1.34)
Определим удельный расход жидкости на 1м ширины сливной перегородки, м2/с:
(1.35)
где массовый расход жидкости для верхней части колонны, кг/с;
плотность жидкости для верхней и нижней части колонны, кг/м;
ширина сливной перегородки, м.
Для верхней части колонны:
Динамический коэффициент вязкости жидкости для верхней части колонны определяем при по справочнику [2] Приложение, рисунок V. Полученные значения и подставляем в уравнение (6.11) [4] и находим вязкость жидких смесей, мПас:
(1.36)
где средняя концентрация жидкости в верхней части колонны, кмоль/кмоль.
Динамический коэффициент вязкости ацетона и воды соответственно равны:
Поверхностное натяжение для верхней части колонны и определяем при по справочнику [2] Приложение, таблица XXIV:
Поверхностное натяжение жидких смесей, Н/м, определим по формуле:
(1.37)
Высота светлого слоя для верхней части колонны по формуле (1.33):
Для нижней части колонны:
Динамический коэффициент вязкости жидкости для нижней части колонны определяем при по справочнику [2]. Полученные значения и подставляем в уравнение (6.11) [4] и находим вязкость жидких смесей,мПа с:
(1.38)
где средняя концентрация жидкости в нижней части колонны, кмоль/кмоль.
Динамический коэффициент вязкости ацетона и воды соответственно равны:
Поверхностное натяжение для нижней части колонны и определяем при по справочнику [2] Приложение, таблица XXIV:
Поверхностное натяжение жидких смесей Н/м, определим по формуле (4.37):
Высота светлого слоя для нижней части колонны по формуле (1.33):
Паросодержание барботажного слоя находим по формуле:
(1.39)
Где (1.40)
где ускорение свободного падения, м/с;
=9,81 м/с.
Для верхней части колонны:
Для нижней части колонны:
Плотность орошения верхней и нижней частей колонны по формуле:
(1.41)
Для верхней части колонны:
Для нижней части колонны:
1.4 Определение числа тарелок и высоты колонны
На диаграмму у - х наносятся рабочие линии верхней и нижней части колонны, и путём построения прямоугольных ступеней между равновесной кривой и рабочими линиями находится число ступеней изменения концентрации.
В верхней части колонны , а в нижней части , всего 13 ступеней.
Число необходимых действительных тарелок рассчитывается по [2] уравнению (7.19):
(1.42)
где число теоретических тарелок - ступеней изменения концентрации, которое находят графическим построением между равновесной и рабочими линиями на у - х диаграмме(рисунок); - среднее значение К.П.Д. тарелки по справочнику [2] рисунок 7.4.
Для определения среднего К.П.Д. тарелок находится коэффициент относительной летучести компонентов:
(1.43)
где давление насыщенного пара низкокипящего компонента (ацетон), Па, при средней температуре жидкости вверху и внизу колонны.
давление насыщенного пара высококипящего компонента (вода), при средней температуре жидкости вверху и внизу колонны.
Давления насыщенных паров ацетона и воды, определяем по [2] рисунок XIV:
Коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов вверху колонны:
Коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов внизу колонны:
Также определим динамический коэффициент вязкости исходной смеси ,при средней температуре в верхней и нижней части колонны:
(определено в 1.3).
Находим произведение
Для верхней части колонны:
Для нижней части колонны:
Определим к.п.д. тарелок по справочнику [2] рисунок 7.4:
Для верхней части колонны
Для нижней части колонны
Определим число тарелок по формуле (1.42):
В верхней части колонны:
В нижней части колонны:
Принимаем общее число тарелок
Определим высоту тарельчатой части колонны:
(4.44)
Общая высота колонны равна:
(1.45)
Недостающие значения определим по справочнику [6], и составим сводную таблицу 1.4:
Таблица 1.4 - Параметры колонны
|
Высота крышки |
750 |
|
|
Высота сепарационной части |
1600 |
|
|
Высота тарельчатой части |
19000 |
|
|
Высота куба |
2800 |
|
|
Высота цилиндрической опоры |
2000 |
Согласно таблице 1.4 определим общую высоту колонны по формуле (1.45):
1.5 Гидравлический расчёт тарелок колонны
колонна пар штуцер тарелка
Рассчитываем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны по [4] уравнение(5.56):
(1.46)
где - гидравлическое сопротивление сухой тарелки, Па;
гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке, Па;
- гидравлическое сопротивление, обусловленное поверхностным натяжением, Па.
Гидравлическое сопротивление сухой ситчатой тарелки по [4] уравнение (5.57):
(1.47)
где коэффициент сопротивления одной сухой тарелки;
-скорость пара в рабочем сечении тарелки, м/с;
- средняя плотность пара в колонне, кг/м3;
- свободное сечение тарелки, м2.
по [4];
(определено в 1.2).
Средняя плотность пара определена в 1.3:
Для верхней части колонны:
Для нижней части колонны:
Рассчитаем сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:
(1.48)
где поверхностное натяжение жидкости, Н/м;
- диаметр отверстий тарелки, м;
Поверхностное натяжение жидкости определено в 1.3:
Для верхней части колонны:
Для нижней части колонны:
Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке определяется по формуле:
(1.49)
где - отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости; приближённо принимаем равным 0,5;
высота парожидкостного слоя, м.
Высота парожидкостного слоя определяется по следующей формуле:
(1.50)
Значение м, высота слоя над сливной перегородкой, рассчитывается по формуле:
(1.51)
где объёмный расход жидкости, м3 /с;
периметр сливной перегородки, м.
Объемный расход жидкости в верхней(нижней) части колонны:
(1.52)
где средняя мольная масса жидкости, кг/кмоль.
средняя мольная масса дистиллята, кг/кмоль.
Средние молярные массы определены в 1.2:
Следовательно объемный расход жидкости в верхней части колонны:
Находим для верхней части колонны по формуле (1.51):
Высоту парожидкостного слоя на тарелке определим по формуле (4.50):
Сопротивление парожидкостного слоя определим по формуле (1.49):
Определим сопротивление парожидкостного слоя в нижней части колонны. Для начала рассчитаем объемный расход жидкости по следующей формуле:
(1.53)
где мольная масса исходной смеси.
Находим для нижней части колонны по формуле (1.51):
Высоту парожидкостного слоя на тарелке определим по формуле (4.50):
Сопротивление парожидкостного слоя определим по формуле (1.49):
Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны определим по формуле (1.46):
Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны определим по формуле (1.46):
Соблюдается ли при расстоянии между тарелками h=500 мм необходимое для нормальной работы тарелок условие отсутствия пробоя переточного устройства восходящим потоком пара? Проверка производится для нижней части колонны, для которой гидравлическое сопротивление тарелок больше.
(1.54)
Следовательно, указанное выше условие соблюдается - поток пара не выбрасывает столб жидкости в переливном устройстве.
Общее гидравлическое сопротивление тарелок:
(1.55)
1.6 Расчет диаметров штуцеров
Диаметр штуцеров определяем по формуле:
(1.56)
Диаметр штуцера для подачи исходной смеси определяем по формуле (1.56).
=1,5 м/с, т.к. жидкость подается под напором; сF = 953,35 кг / м3, плотность исходной смеси при 64,4єС.
м.
По ОСТ 26-1404-76 [6 ] принимаем диаметр штуцера 57 мм, условный проход Dу= 50мм.
Диаметр штуцера для отвода кубового остатка:
=1,5 м/с; сw=957 кг/м3, плотность кубового остатка при 99,98єС.
м.
По ОСТ 26-1404-76 [ 6] принимаем диаметр штуцера 45 мм, условный проход Dу=40 мм.
Диаметр штуцера для циркуляции кубового остатка принимаем с условным проходом Dу=200 мм.
Диаметр штуцера для подвода паров кубового остатка выходящих из кипятильника.
Имеем: щ = 40 м/сек; с = 0,59 кг/м3.
По ОСТ 26-1404-76 [6] принимаем диаметр штуцера 273 мм, условный проход Dу=250 мм.
Диаметр штуцера для отвода паров дистиллята определяем по формуле
(1.57)
щ = 15 м/сек; с=2,14 кг/м3, плотность пара при 56,95єС.
м.
По ОСТ 26-1404-76 [ 6] принимаем диаметр штуцера 426 мм, условный проход Dу=400 мм.
Диаметр штуцера для подвода флегмы определим по формуле:
(1.58)
=1,5 м/с, т.к. жидкость отводится под напором; с=756 кг/м3, плотность флегмы при 56,95 єС.
По ОСТ 26-1404-76 [6] принимаем диаметр штуцера 57 мм, условный проход Dу=50 мм.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Определение материального баланса колонны и рабочего флегмового числа. Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержание барботажного слоя. Коэффициенты массопередачи, диффузии и вязкости паров. Конструктивный и гидравлический расчет колонны.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 09.03.2015Расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси ацетон-вода. Материальный баланс колонны. Скорость пара и диаметр колонны. Гидравлический расчет тарелок, определение их числа и высоты колонны. Тепловой расчет установки.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 02.05.2011Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число. Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны. Объемные расходы пара и жидкости. Гидравлический расчет ректификационной колонны. Тепловой расчет установки и штуцеров.
курсовая работа [520,4 K], добавлен 04.05.2015Технологическая схема ректификационной установки и ее описание. Выбор конструкционного материала аппарата. Материальный баланс. Определение рабочего флегмового числа. Средние массовые расходы по жидкости и пару. Гидравлический и конструктивный расчет.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 06.02.2016Материальный баланс процесса ректификации. Расчет флегмового числа, скорость пара и диаметр колонны. Тепловой расчет ректификационной колонны. Расчет оборудования: кипятильник, дефлегматор, холодильники, подогреватель. Расчет диаметра трубопроводов.
курсовая работа [161,5 K], добавлен 02.07.2011Ректификационная колонна непрерывного действия с ситчатыми тарелками, расчет материального баланса. Дистиллят, кубовый остаток и мольный расход питания. Гидравлический расчет тарелок. Число тарелок и высота колонны. Длина пути жидкости на тарелке.
контрольная работа [89,9 K], добавлен 15.03.2009Схема ректификационной стабилизационной колонны. Материальный и тепловой баланс в расчете на 500000 т сырья. Определение давлений, температур и числа тарелок в ней. Расчет флегмового и парового чисел. Определение основных размеров колонны стабилизации.
курсовая работа [290,3 K], добавлен 08.06.2013Расчет и проектирование колонны ректификации для разделения смеси этанол-вода, поступающей в количестве 10 тонн в час. Материальный баланс. Определение скорости пара и диаметра колонны. Расчёт высоты насадки и расчёт ее гидравлического сопротивления.
курсовая работа [56,3 K], добавлен 17.01.2011Материальный баланс ректификационной колонны непрерывного действия для разделения ацетона и воды, рабочее флегмовое число. Коэффициенты диффузии в жидкости для верхней и нижней частей колонны. Анализ коэффициента массопередачи и расчет высоты колонны.
курсовая работа [107,7 K], добавлен 20.07.2015Определение скорости пара и диаметра колонны, числа тарелок и высоты колонны. Гидравлический расчет тарелок. Тепловой расчет колонны. Выбор конструкции теплообменника. Определение коэффициента теплоотдачи для воды. Расчет холодильника для дистиллята.
курсовая работа [253,0 K], добавлен 07.01.2016
