Расчет ректификационной колонны

Размещено на http://www.allbest.ru/

10

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет ректификационной колонны

Содержание

материальный баланс ректификационный колонна

Введение

1. Материальный баланс и уравнения рабочих линий

2. Объемные расходы пара и жидкости

3. Скорость пара и диаметр тарельчатых ректификационных колонн

4. Высота тарельчатых ректификационных колонн

5. Тепловой расчет ректификационной колонны

6. Гидравлический расчет тарельчатых ректификационных колонн

7. Расчет штуцеров и соединительных трубопроводов

8. Специальный вопрос

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Ректификация - разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси. Это массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции.

Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости.

Сущность процесса ректификации рассмотрена на примере разделения двухкомпонентной смеси по заданию на курсовую работу, где требуется рассчитать ректификационную установку для разделения смеси «этиловый спирт-вода».

Ректификационная установка даёт наиболее полное разделение смесей жидкостей, целиком или частично растворимых друг в друге. Процесс заключается в многократном взаимодействии паров с жидкостью - флегмой, полученной при частичной конденсации паров. В ректификационном аппарате снизу вверх движутся пары, а сверху подается жидкость, представляющая собой почти чистый НКК. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ВКК, а из жидкости испаряется преимущественно НКК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается ВКК, а поднимающиеся пары обогащаются НКК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый НКК. Эти пары поступают в конденсатор, называемый дефлегматором, и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть отводится в качестве дистиллята.

Как и во всех массообменных процессах эффективность ректификации зависит от поверхности контакта фаз. Для увеличения поверхности массообмена используют различные контактные устройства насадочного или барботажного типа. Наиболее распространенными ректификационными установками являются барботажные колонны с различными типами тарелок: колпачковыми, ситчатыми, провальными и т.п. Наиболее универсальны колонны с колпачковыми тарелками, но при разделении незагрязненных жидкостей в установках с постоянной нагрузкой, хорошо зарекомендовали себя аппараты с ситчатыми тарелками, отличающимися простотой конструкции и легкостью в обслуживании.

1. Материальный баланс и уравнения рабочих линий

Материальный баланс и уравнения рабочих линий находятся при расчете тарельчатых и насадочных ректификационных колонн в следующей последовательности:

Определяем количество исходной смеси и остатки при совместном решении уравнений материального баланса колонны по всему веществу и по низкокипящему компоненту

11,2=P+W

11,2*33=P*90+W*2

Из системы уравнений находим P=3,95 и W=7,25

Вычисляем мольные концентрации низкокипящего компонента в дистилляте, исходной смеси и кубовом остатке по уравнению

Строим линию равновесия на диаграмме y -- x по опытным данным, а на диаграмме t - x,y - кривую конденсации паров и кипения жидкости

По диаграмме y -- x по данному значению x_F определяем равновесный состав пара НК в паровой фазе _, проведя перпендикуляр из точки x_F до пересечения с линией равновесия.

=0,475

Минимальное флегмовое число, характеризующееся отношением Ф/Р определяем по формуле

Действительное флегмовое число

R_Д = 1,3 R_min + 0,3 = 7,1

Строим рабочие линии для укрепляющей и исчерпывающей части ректификационной колонны, предварительно рассчитав величину отрезка ОД, отсекаемого рабочей линией укрепляющей части колонны на оси ординат диаграммы y - x,

Откладываем отрезок ОД на оси ординат, соединяем точку, находящуюся на конце отрезка ОД (точку Д), с точкой А, являющейся пересечением перпендикуляра, проведенного из точки x_р, с диагональю диаграммы y -- x, (см. приложение 4).

Из точки, соответствующей составу x_F, проводим нормаль до пересечения с полученной прямой АД (точка В). Из точки, соответствующей составу x_W, проводим нормаль до пересечения с диагональю в точке С. Соединяем точки В и С. АВ и ВС - рабочие линии укрепляющей и исчерпывающей части колонны. Если кривая равновесия имеет впадину, то в таком случае из точки А проводим касательную к впадине и по величине отрезка ОД, отсекаемого на оси ординат

Определяем относительный мольный расход питания F' и остатка W'^' на 1 кмоль дистиллята

Находим уравнения рабочих линий для верхней и нижней части колонны, которые характеризуют соотношение концентрации паровой и жидкой фаз

2. Объемные расходы пара и жидкости

Расчет объемных расходов пара и жидкости проводится для тарельчатых и насадочных колонн в следующей последовательности:

Средний молярный состав жидкости для верхней и нижней части колонны

Средние концентрации пара для верхней и нижней части колонны определяем из уравнений рабочих линий

По диаграмме t - х,у - находим средние температуры пара для верхней и нижней части колонны и при и .

=113,85

=106

Средние мольные массы и плотность пара для верхней и нижней части колонны

кг/кмоль

Объемный расход пара в верхней части колонны



м/с

и в нижней ее части

м/с

Молярный состав жидкости для верхней и нижней части колонны

Определяем средние температуры жидкости по диаграмме t-х,у для верхней и нижней части колонны

для и для

=114,15 =105,4

Средняя плотность жидкости в верхней и нижней части колонны



Объемный расход жидкости для верхней и нижней части колонны

Мольная масса остатка, дистиллята

М_W = x_W М_А+М_В(1-x_W)

М_W = 0,025*46+60(1-0,025) = 59,65

М_Р = x_Р М_А+М_В(1-x_Р)

М_Р = 0,92*46+60(1-0,92) = 47,12

Мольная масса исходной смеси

М_F = x_F М_А+М_В(1-x_F)

М_F = 0,39*46+60(1-0,39) = 54,54

3. Скорость пара и диаметр тарельчатых ректификационных колонн

Допустимую оптимальную скорость пара в тарельчатой колонне рассчитывают отдельно для верхней и нижней части колонны по формуле:

где С - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок и расстояния между тарелками, рабочего давления и нагрузки по жидкости. Его определяют по графику

С = 0,045

м/с

м/с

Расстояние между тарелками h выбирают на основании опытных данных.

В ректификационных колоннах с круглыми колпачками расстояние между тарелками равно 250, 300, 400, 450 мм

Диаметр колонны рассчитывается для верхней и нижней части



м

м

== 2,4 м исходя из этого диаметра рассчитываем скорости

м/с

м/с

4. Высота тарельчатых ректификационных колонн

Высоту тарельчатых ректификационных колонн определяют для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) части колонны

Н_в=(h+д_Т)

Н_н=(h+д_Т)

где и - число действительных тарелок в верхней и нижней части колоны;

h - расстояние между тарелками;

д_Т - толщина тарелки, д_Т = 0,01 м.

Число теоретических тарелок (ступеней изменения концентраций) находят графически по диаграмме y -- x следующим образом:

- строят на диаграмме линию равновесия, рабочие линии укрепляющей и исчерпывающей части колонны (приложение 4);

- путем построения ступеней между рабочей и равновесной линией определяют число теоретических тарелок (теоретических ступеней изменения концентрации) для верхней и нижней части колонны. Ступени изменения концентраций строят путем проведения горизонтальных и вертикальных отрезков между рабочей линией и линией равновесия, начиная с точки пересечения нормали из x_р с диагональю прямоугольника.

Число действительных тарелок можно рассчитывать двумя методами:

а) через КПД тарелки;

б) путем построения кинетической кривой.

Число действительных тарелок, определяемое через КПД тарелки.

КПД тарелки изменяется в пределах з = 0,3… 0,8. При выборе значения КПД тарелки можно пользоваться обобщенным опытным графиком зависимости КПД от произведения относительной летучести б на вязкость м, где м рассчитывается в [мПа?с] при средней температуре пара в колонне -

где Р_А, Р_В - давление насыщенного пара компонентов при средней температуре в колонне, мм рт.ст.

Динамический коэффициент вязкости исходной смеси м_см находят по уравнению

=0,4355 H*сек/м

По графику зависимости КПД от находим что з = 0,55

Теперь можем определить число действительных тарелок

в нижней части

в верхней части

Н = 37(0,4+0,01) + 24(0,4+0,01)=25м

5. Тепловой расчет ректификационной колонны

Тепловой расчет ректификационной колонны представляет собой определение расхода тепла, греющего пара и охлаждающей воды в ректификационной установке.

Тепловой расчет для тарельчатых и насадочных колонн производиться в следующей последовательности:

Расход тепла в установке:

а) тепло, отдаваемое охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:

Дж

где r_A, r_B - удельная теплота испарения (конденсации) соответственно веществ А и В, Дж/кг

б) тепло , полученное в кубе испарителя от греющего пара

Q_k=Q_Д+Pc_pt_p+ Wc_wt_w-Fc_Ft_F+ Q_пот,

Q_пот= 3…5% Q_k

Удельные теплоемкости с_р, с_F, с_w определяют соответственно при средних температурах дистиллята t_{p cp}, cмеси t_{F cp}, остатка t_{w cp} по формуле:

Температуру кипения t_p, t_F, t_w определяют по диаграмме t-x,у

кВт

в) тепло, получаемое в паровом подогревателе исходной смеси

Q_F=1,05·Fс_F(t_F-t_нач)

где t_нач - начальная температура исходной смеси;

t_F. - средняя температура при которой определяется с_F

Вт

г) тепло, отдаваемое в водяном холодильнике дистиллята

Q_p=Pc_p(t_p-t_кон)

где t_кон - конечная температура дистиллята;

t_p- средняя температура при которой определяется с_p

Вт

д) тепло, отдаваемое в водяном холодильнике кубового остатка

Q_w=Wc_w(t_w-t_кон)

где t_кон - конечная температура кубового остатка.

t_W.ср - средняя температура при которой определяется с_W

Вт

Расход греющего пара:

а) в кубе испарителя

, r_гп= f(P)

где r_гn - удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

х - влажность пара; х = 0,05

кг/с

б) в подогревателе исходной смеси

Расход охлаждающей воды (при нагревании ее до 20⁰С)

а) в дефлегматоре

t_в = t_kx - t_мх 11⁰С

б) в водяном холодильнике дистиллята



в) в водяном холодильнике кубового остатка

6. Гидравлический расчет тарельчатых ректификационных колонн

При проведении гидравлического расчета определяется величина гидравлического сопротивления колонны, которая влияет на техноло-гический режим работы аппарата.

Величина гидравлического сопротивления аппарата необходима для выбора оптимальных скоростей фазовых потоков, обеспечивающих массообмен.

По гидравлическому сопротивлению колонны подбирают вентиля-тор, компрессор или насос для подачи газов и жидкостей, обеспечи-вающих скорость движения фаз.

Гидравлическое сопротивление тарельчатых колонн зависит от конструкции тарелки, но независимо от типа тарелки оно складывается из следующих величин:

где- гидравлическое сопротивление тарелки, Па;

- сопротивление сухой тарелки, Па;

- сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения, Па;

Р_ст- статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке.

Сопротивление сухой тарелки

где щ_о - скорость пара в прорезях колпачка или отверстия тарелки, м/с. Скорость пара при полном открытии прорезей рекомендуется принимать равной 0,4…0,5 м/с

- коэффициент сопротивления

Сопротивление сил поверхностного натяжения

где - поверхностное натяжение, Н/м;

d_э - эквивалентный диаметр отверстия, м

где f - площадь свободного сечения прорези;

П - периметр прорези.

Сопротивление столба жидкости:

на колпачковой тарелке

где К - относительная плотность пены (при расчетах принимают к = 0,5)

_ж - плотность жидкости, кг/м³;

l - расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога, м;

е - высота прорези, м

h - высота уровня жидкости над сливным порогом, м;

h_пор - высота сливного порога, h_пор 40 мм.

Величину h определяют по формуле истечения через водослив с учетом плотности пены

где V_ж - объемный расход жидкости, м³/с;

- отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0,5;

П - периметр слива.

Гидравлическое сопротивление тарелок находят для верхней и нижней части колонн.

Общее гидравлическое сопротивление для верхней и нижней части колонны

Р_к= Р_тверхn_в+Р_тнизn_н

где n_в, n_н - число тарелок в верху и в низу колонны.

7. Расчет штуцеров и соединительных трубопроводов

Диаметры штуцеров и соединительных трубопроводов определяются из уравнения расхода

,

где V - объемный расход в данном трубопроводе, м³/с.

Ниже приведены допускаемые значения средних скоростей потоков щ_ср, м/с в трубопроводах

жидкости в напорных трубопроводах 0,5-2,5

насыщенные пары при абсолютном давлении 10-15

м

м

м

м

м

м

8. Специальный вопрос

- предложить и обосновать мероприятия по уменьшению высоты колонны;

1)Для уменьшения общей высоты колонн большого диаметра вместо сегментных тарелок или тарелок типа диск - кольцо применяют полочные тарелки.

Таким образом, при заданной общей высоте колонны уменьшение расстояния между тарелками, с одной стороны, увеличивает среднее значение коэффициента массопередачи, а с другой, - уменьшает полезный объем колонны

2)Уменьшение высоты аппарата достигается путем установки колонны высокого давления рядом с колонной низкого давления. При этом используются два конденсатора-испарителя: один устанавливается над колонной высокого давления, а другой - под колонной низкого давления. Часть жидкого кислорода, стекающего с нижней тарелки колонны низкого давления, подается в конденсатор колонны высокого давления с помощью жидкостного насоса.

Заключение

пар трубопровод ректификационный колонна

В данной работе графо-аналитическим способом мы провели расчет ректификационной колонны для разделения бинарной смеси уксусной-муравьиной кислот. Рассчитали основные показатели работы и размеры ректификационной колонны

Список используемой литературы

1. Лобанов И.А., Клюев А.М., Чучина В.В. Процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование. 2005г

2. Печенегов Ю.Я., Кузьмина Р.И. Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Теплообменные аппараты и ректификационные установки. 2010г

3.Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу

процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1987.

4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973.

5. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии 1995г

Размещено на Allbest.ru