Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Задание на проектирование

2. Введение

3. Схема ректификационной установки

4. Расчет материального баланса

5. Расчет скорости пара и диаметра колонны

6. Расчет высоты насадки

7. Расчет гидравлического сопротивления насадки

6. Расчет тарельчатой ректификационной колонны

7. Расчет высоты ректификационной колонны и определение числа тарелок

8. Расчет гидравлического сопротивления тарелок колонны

Список использованных источников

1. Задание на проектирование

Рассчитать и спроектировать ректификационную колонну непрерывного действия. На ректификацию поступает смесь метанол-вода в количестве 60 м?/ч, содержащая метанола 36% (масс). Содержание метанола в дистилляте 98% (масс), в кубовом остатке 2% (масс). Давление в аппарате атмосферное. Нагрев осуществляется паром. PИЗБ=1,5АТМ.

2. Введение

Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа летучих компонентов, является перегонка. Посредством перегонки разделяют смеси, все компоненты которых летучи, т.е. обладают определенным, хотя и разным давлением пара. Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их фугитивности (летучести). Существует два принципиально отличных вида перегонки: простая перегонка (дистилляция) и ректификация.

Ректификация - процесс разделения гомогенных смесей летучих жидкостей путем двустороннего массообмена и теплообмена между неравновесными жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися относительно друг друга. Разделение осуществляется в колонных аппаратах при многократном или непрерывном контакте фаз. При каждом контакте их жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент, которым обогащаются пары, а из паровой фазы конденсируется преимущественно высококипящий компонент, переходящий в жидкость. Обмен компонентами между фазами позволяет получить в конечном счете пары, представляющие собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пары, выходящие из верхней части колонны, после их конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят, ректификат (верхний продукт) и флегму - жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися по колонне парами. Снизу колонны удаляется жидкость, представляющая собой почти чистый высококипящий компонент, - остаток (нижний продукт). Часть остатка испаряют в нижней части колонны для получения восходящего потока пара.

3. Схема ректификационной установки

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис.1. Исходная смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси XF.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка Xw, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью(флегмой) состав XP, которая получается в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7, и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравномерный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовой остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

V=60 м?/час= 60/3600 м?/с= 0,017м?/с

где rмет и?rв - плотность метанола и воды соответственно при t=20?C

4. Расчет материального баланса

Уравнения материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия, учитывающее количество поступающих и уходящих потоков, имеет следующий вид:

F = P + W (1)

где F - количество поступающей на разделение смеси, кг/с;

P - массовый расход дистиллята, кг/с;

W - массовый расход кубового остатка, кг/с;

Уравнение материального баланса с учетом содержания легколетучего (низкокипящего) компонента в исходной смеси (питании), дистилляте и кубовом остатке имеет вид:

(2)

где - концентрация низкокипящего компонента в дистилляте, массовые доли;

- концентрация низкокипящего компонента в кубовом остатке, массовые доли;

- концентрация низкокипящего компонента в исходной смеси, массовые доли.

Для того, чтобы найти массовый расход дистиллята P и массовый расход кубового остатка W подставим исходные данные в уравнение (1) и в уравнение (2). Затем решим эти уравнения совместно.

Массовый расход дистиллята: P=5.56 кг/с

Массовый расход кубового остатка: W=10.14 кг/с

Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях.

Содержание низкокипящего компонента в питании вычисляют по формуле:

где - концентрация низкокипящего компонента в питании, мольные доли;

- мольная масса низкокипящего компонента, ;

- мольная масса высококипящего компонента, .

Содержание низкокипящего компонента в дистилляте вычисляют по формуле:



где - концентрация низкокипящего компонента в дистилляте, мольные доли.

Содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке вычисляют по формуле:

где - концентрация низкокипящего компонента в кубовом остатке, мольные доли.

Подставим в формулу (3), в формулу (4) и в формулу (5) исходные данные и найдем содержание метанола в исходной смеси (питании), в дистилляте и в кубовом остатке.

Мольная масса метанола:

Мольная масса воды:

Для проведения дальнейших расчетов нам необходимо построить кривую равновесия в координатах для системы метиловый спирт-вода при атмосферном давлении. Здесь - мольные доли метилового спирта в жидкости и в равновесном с ним паре.

Все необходимые данные для построения кривой равновесия приведены в таблице 1.

Таблица 1. Равновесные составы жидкости и пара для системы метиловый спирт-вода

Температура, С	Концентрация метилового спирта, мольные доли
	в жидкости	в паре
100	0	0
96,4	0,02	0,134
93,5	0,04	0,23
91,2	0,06	0,304
87,7	0,1	0,418
81,7	0,2	0,579
78	0,3	0,665
75,3	0,4	0,729
73,1	0,5	0,779
71,2	0,6	0,825
69,3	0,7	0,87
67,2	0,8	0,915
66	0,9	0,958
64,5	1	1

Теперь по данным таблицы 1 построим кривую равновесия в координатах

для системы метиловый спирт - вода при атмосферном давлении. Кривая равновесия представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Кривая равновесия в координатах для системы метиловый спирт - вода при атмосферном давлении.

Минимальное число флегмы определяется по уравнению:

(7)

где - концентрация низкокипящего компонента в паре, равновесном с жидкостью питания.

Сначала определим содержание метилового спирта в паре, равновесном с жидкостью питания , по кривой равновесия, представленной на рисунке 2. Затем подставим в уравнение (7) все необходимые данные и найдем минимальное число флегмы .

Рабочее число флегмы R определяется по уравнению:

(8)

Подставим числовое значение минимального числа флегмы в уравнение (8) и определим рабочее число флегмы R.

Коэффициент избытка флегмы равен:

b=R/Rmin=1.46/0.89=1.64

Далее нам необходимо определить средний массовый расход по жидкости для верхней и нижней части колонны определяем по соотношению:

Где Mp и MF-мольные массы дистилята и исходной смеси;

Mв и Mн- средние мольные массы жидкости в верхней и нижней части колоны. гидравлический ректификационный колонна

Мольную массу дистилята можно принять равной мольной массе легколетучего компонента, т.е. Mp=Mм=32 кг/кмоль

Мольные массы в верхней и нижних частях колоны соответственно равны:

Где Mм и Мв - мольные массы метанола и воды соответственно;

Xсрн и Xсрв - средний мольный состав жидкости в нижней и верхней частях колонны.

Тогда:

Мольная масса исходной смеси:

Подставив, получим:

Средние массовые потоки пара в верхней Gв и Gн частях колонны соответственно равны:

Здесь MB и MH - средние мольные массы паров вверхней и нижней частях колонны:

Где:

Подставим необходимые данные:

Значение YP,YF и YW берём по рабочей линии рис1.

Тогда:

Подставив, мы получим:

5. Расчет скорости пара и диаметра колонны

Предельную фиктивную скорость пара ?п, при которой происходит захлёбывание насадочной колонны, определяют по формуле:

где rx, ry - средняя плотность жидкости и пара, кг/м?.

mx - вязкость жидкости, мПа *с

По справочным данным определяем, что средние температуры равны:

Tв=74?C Tн=91?С

Тогда:

Подставим необходимые данные:

Где?rм и rв при 74?С, rм и rв при 91?С - плотность жидких метанола и воды при 74?С и 91?С.

Вязкость жидкой смеси mx находим по уравнениям:

mxв=0.33 мПа*с --mxн=0.31мПа*с

Предельная скорость паров в верхней части колонны равна:

?пв=3.58 м/с

Предельная скорость паров в нижней части колонны равна:

Примем рабочую скорость ? на 30% ниже предельной:

Диаметр ректификационной колонны определяем из уравнения расхода:

Тогда диаметр верхней и нижней части колонны равен соответственно:

Выберем стандартный диаметр обечайки d=2.6 м , одинаковый для обеих частей колонны. При этом действителные рабочие скорости паров в колонне будут равны:

6. Расчёт высоты насадки

Высоту насадки H рассчитывают по модифицированному уравнению массопередачи:

Где noy- общее число единиц переноса по паровой фазе;

hoy- общая высота единиц переноса, м

Общее число единиц переноса вычисляют по уравнению:

Этот интеграл определим методом графического интегрирования:

Где S- площадь ограниченная кривой , ординатами yw и yp и осью абсцисс

Mx и My масштабы осей координат.

Диаграмма для графического изображения функции 1/(y-y)=f(y) приведены в таблице 2.

Таблица2. Данные для определения числа переноса:

y	y*-y	1/(y*-y)
0,01	0,07	14,28
0,11	0,15	6,67
0,21	0,19	5,26
0,31	0,18	5,56
0,41	0,15	6,67
0,51	0,09	11,1
0,58	0,04	25
0,61	0,04	25
0,71	0,06	16,67
0,81	0,04	25
0,91	0,03	33,3
0,96	0,02	50

На основании этих данных строим график:

Рисунок 2. Графическое определение общего числа единиц переноса

По рис 2. Находим общее число единиц переноса в верхней noyв и нижней noy частях колонны:

Общую высоту единиц переноса hoy находят по уравнению аддитивности:

Где hx и hy - частные высоты единиц переноса в жидкой и паровой фазах;

m- коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колонны.

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Здесь:



Высота единицы переноса в жидкой фазе равна:

Где z- высота слоя насадки одной секции (z=3м),

Prx=mx/rxdx- критерий Прандтля для жидкости,

С и Ф- коэффициенты определяющие по справочнику.

Высота единицы переноса в паровой фазе hy:

Где y - коэффициент определяемый по справочнику;

Pry= my/rydy- критерий Прандтля для пара;

LS=L/0.785d?- массовая плотность орошения

d-диаметр колонны, м



Для расчета hx и hy необходимо определить вязкость паров и коэффициенты диффузии в жидкой dx и паровой dy фазах.

Вязкость паров для верхней части колонны:

где mм и mв - вязкость паров метанола и воды при средней температуре верхней части колонны, МПа*с

yв - средняя концентрация паров

Аналогичным расчетом для нижней части колонны находим:

mун=0,011 МПа*с

Вязкость паров близки, поэтому можно принять среднюю вязкость паров в колонне mу=0,0105 МПа*с.

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре t (в ?C) равен

[1+в(t-20)]

Коэффициент диффузии в жидкости при 20?C можно вычислить по формуле

где нм и нв- мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения , см?/моль.

Мx - вязкость жидкости при 20?C.

Тогда коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20?C равен

Температурный коэффициент в определяется по формуле

Здесь мx и сx принимают при температуре 20?C

Тогда

Отсюда

Аналогично для нижней части колонны находим

?xв =21.6•10

Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению

Где T- средняя температура в соответствующей части колонны

P- абсолютное давление в колонне, Па

Тогда в верхней части колонны ?yв равен

Аналогичным расчетом найдено значение в нижней части колонны:

= 29,16 • 10 м/ с

Таким образом, для верхней части колонны:

ц = 0,09 с = 0,88 ш = 205 при = 63%

h = 0,258•0,09•0,88= 0,1 м

h = = 4,28 м

Для нижней части колонны:

ц=0,09 с = 0,88 ш = 205 при = 62,5 %

h = 0,258•0,1•0,88 = 0,10 м

h =

По уравнению hоу находим общую высоту единицы переноса

hоув =

hоун =

Высота насадки в верхней и нижней части колонны равна соответственно:

Общая высота насадки в колонне равна

Общее число секций в колонне (13 секций в верхней части и 5- в нижней)

Общую высоту колонны определяем

7.Расчет гидравлического сопротивления насадки.

Гидравлическое сопротивление сухой неорошаемой насадки ?Pс рассчитывают по уравнению

Для дальнейших расчетов нам нужно вычислить гидравлическое сопротивление насадки ?P

л - коэффициент сопротивления сухой насадки, зависит от режима газа в насадке

Критерий Рейнольдса для газа в верхней и в нижней части колонны соответственно равен

Reув=

Reув=

Reун=

Reун=

Коэффициент сопротивления беспорядочно насыпанных кольцевых насадок можно рассчитывать по формуле:

л = 16/Reу

Получаем:

Гидравлическое сопротивление сухой насадки верхней и нижней частях колонны равно:

Плотность орошения в верхней и нижней части колонны определяют по формуле:

Uв = Lв/схв·0.785·d?

Uн = Lн/схн·0.785·d?

Подставив, получим:

Uв =

Uн =

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в верхней и нижней части колонны:

Общее гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в колонне:

8.Расчет тарельчатой ректификационной колонны

Расчет скорости пара и диаметра колонны.

Для расчета скорости пара в колоннах с сетчатыми тарелками рекомендуют уравнение:

Допустимая скорость в верхней и нижней части колонны соответственно равна:

Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнения расхода:

d=

Подставим:

dв =

dн =

Выберем стандартный диаметр обечайки для обеих частей колонны, d=3.4м.

По каталогу для колонны диаметром 3400мм выбираем ситчатую однопоточную тарелку ТС-Р со следующими конструктивными размерами:

Диаметр отверстий в тарелке dо = 8мм

Шаг между отверстиями t = 15мм

Свободное сечение тарелки Fc = 16.3%

Высота переливного порога hn = 30мм

Ширина переливного порога в = 1905мм

Рабочее сечение тарелки ST =8.308м?

При d = 3.4м действительная рабочая скорость пара будет равна:

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

щT = щ ·0.785·dІ/ST

Подставим:

Примем среднюю скорость пара в рабочем сечении тарелки:

Расчет высоты ректификационной колонны и определение числа тарелок.

Наносим на диаграмму у - х рабочие линии верхней и нижней части колонны.

В соответствии с уравнениями:

Yв =(R/R+1)·x + xр/R+1

Yн =(R+F/R+1)·x + (FЬ1/R+1)·Xw

Общее число ступеней изменения концентрации nT

Из них в верхней части колонны nTв=9 и в нижней части - nTн =4.

Число тарелок рассчитываем по уравнению:

n = nT /з

Для определения з найдем коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов

и динамический коэффициент вязкости исходной смеси при средней температуре в колонне, равной 82?C.

Pм и Pв- давление насыщенного пара метанола и воды при t=82?C

Откуда:

мм = 0.29мПа·c

мв = 0.34мПа·c

Динамический коэффициент вязкости смеси принимаем

мсм = 0.315мПа·c

Тогда:

По справочным данным находим, что при

Определим длину пути жидкости LТ как расстояние между переливными устройствами:

LТ=

По справочным данным находим поправку на длину пути ? = 0.24

Среднее К.П.Д. тарелок согласно уравнению:

зL = з·(1+?)

Подставим:

зL =0.43·(1+0.24)=0.53

Число тарелок определяем по формуле:

n= nт/зL

Для верхней части колонны:

nв= nТ/зL

nв=9/0.53=17

Для нижней части колонны:

nн= nТ/зL

nн=4/0.53=7

Общее число тарелок n=24, с запасом n=28, из них в верхней части колонны 19 и в нижней части 9 тарелок.

Высота колонны:

Hк =(n-1)·h + Zв + Zн

Где h- расстояние между тарелками ,

Zв и Zн - расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны, между днищем и нижней тарелкой ,м.

Высота тарельчатой части колонны:

HТ=(n-1)·h

HТ=(28-1)·0.3=8.1м

9. Гидравлический расчет сопротивления тарелок колонны

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны ДСк определяют по формуле:

ДСк = ДСв · nв + ДСн · nн

Где ДСв и ДСн- гидравлическое сопротивление одной тарелки соответственно в верхней и нижней части колонны ,Па

Гидравлическое сопротивление сухойситчатой тарелки рассчитываем по уравнению:

ДСс =о·(щІ/2·Fc)·су

Где о- коэффициент сопротивления (для ситчатых тарелок о=1.85)

Гидравлическое сопротивление гозо - жидкостного слоя на тарелках определяется:

ДСв = g·схв·hов

ДСн =g·схн·hон

Где hов и hон-высота светлого слоя жидкости в верхней и нижней части колонны соответственно.

Hо=0.787·q·hпер·щТ[1-0.31exp·(-0.11Мх)]·(ух/ув)

Где q=L/сх·в

В-ширина переливного устройство ,м

hпер= высота переливной перегородки

ух и ув- поверхностное натяжение жидкости и воды соответственно , при средней температуре в колонне.

m=0.05-4.6·hпер= 0.05-4.6·0.03=-0.088

Для верхней части колонны:

Hов=

Подставим значения в уравнения:

Гидравлическое сопротивление обусловлено силами поверхностного натяжения:

ДСу=4·у/dэ

Полное сопротивление тарелки равно:

ДСn = ДСc +ДС + ДСу

Подставим:

ДСnв = 74.9+161.8+14.08=250.78 Па

ДСnн = 81.5+254.7+14.08=350.28 Па

Полное гидравлическое сопротивление тарельчатой ректификационной колонны равно: ДСк = 250.78·19+350.28·9=7917.34Па

10. Результаты расчета

1. Насадочная ректификационная колонна ( насадка кольца Рашига)

Диаметр колонны d=2.6 м

Высота колонны Hк=66.4 м

Высота насадки H= 55.61м

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки ДС=40781 Па

2.Тарельчатая ректификационная колонна( сетчатая тарелка ТС-Р)

Диаметр колонны d=3.4м

Высота колонны Hк=11.1 м

Высота тарельчатой части Hт=8.1м

Гидравлическое сопротивление колонны ДСк=7917.34Па

Число тарелок n= 28шт

11. Выводы

Ректификация - массообменный процесс, который осуществляется в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами в виде насадок или тарелок. Процесс ректификации обладает рядом особенностей: различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней части и в верхней части колонны, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса. Все это осложняет расчет колонных аппаратов.

Большое разнообразие тарельчатых и насадочных контактных устройств затрудняет выбор оптимальной ректификационной колонны. В данном случае мы выбираем тарельчатую ректификационную колонну. Потому что она соответствует общим требованиям (такими как высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимостью ) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способностью тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии и тому подобное. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Диаметр и высота тарельчатой ректификационной колонны определяются нагрузками по пару и жидкости, типом тарелки, физическими свойствами взаимодействующих фаз.

Список использованных источников

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973, 750 с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1976, 552 с.

3. Справочник химика. - М. -Л.: Госхимиздат, 1963, Т.1, 1071 с.

4. Колонные аппараты: Каталог. - М.: ЦИНТИ химнефтемаш, 1978, 31 с.

5. Багатуров С.А. Основы теории и расчета перегонки и ректификации. - М.: Химия, 1974, 439 с.

6. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. - М.: Химия, 1978, 280 с.

7. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование. - М.: Химия, 1974, 270 с.

Размещено на Allbest.ru