Проектный расчёт оптимальной ректификационной колонны с колпачковыми, ситчатыми и клапанными тарелками для разделения бинарной смеси

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Казанский государственный технологический университет»

Методические указания

ПРОЕКТНЫЙ РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНОЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ С КОЛПАЧКОВЫМИ, СИТЧАТЫМИ И КЛАПАННЫМИ ТАРЕЛКАМИ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ

Казань

КГТУ

2008

Составители: проф. Г.С.Дьяконов

доц. А.Ш.Бикбулатов

доц. А.И.Разинов

ассист. Е.И.Кульментьева

ст. 2231-11 Э.Р.Осипов

ст. 2241-12 А.С.Егоров

Проектный расчёт оптимальной ректификационной колонны с колпачковыми, ситчатыми и клапанными тарелками для разделения бинарной смеси: методические указания / сост. Г.С.Дьяконов [и др.]. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2008.-19 с.

Изложена методика потарелочного расчёта ректификационной колонны с колпачковыми, ситчатыми и клапанными тарелками для разделения бинарных жидких смесей с использованием ЭВМ. Предусмотрено выполнение расчета, как отдельной ректификационной колонны, так и многовариантность вычислений размеров колонн с различными значениями флегмовых чисел и других параметров оптимизации. На основе полученных результатов можно выбрать оптимальный вариант аппарата.

Предназначены для студентов всех специальностей, изучающих дисциплину «Процессы и аппараты химической технологии», могут быть использованы для курсового и дипломного проектирования, при выполнении расчётов на практических занятиях, а также для самостоятельной работы.

Подготовлены на кафедре процессов и аппаратов химической технологии.

Печатаются по решению методической комиссии по циклу общепрофессиональных дисциплин.

Рецензенты: проф., д-р. техн. наук Анаников С.В.

канд. техн. наук Кузьмин В.В.

Ректификационная установка состоит из следующих аппаратов: ректификационной колонны, подогревателя исходной смеси, дефлегматора, кипятильника, делителей получаемых продуктов на части [1-6].

Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, в которой осуществляется разделение жидкой смеси на компоненты. Разделение происходит за счёт тепло- и массообмена между движущимися противотоками неравновесными фазами: поднимающимся паром и стекающей жидкости. При каждом контакте фаз тепло- и массообмен происходит при частичном испарении жидкости и удалении из неё преимущественно низкокипящего компонента (НК) и конденсации паров при переходе в жидкую фазу преимущественно высококипящего компонента (ВК). Расчёт ректификационной колонны основан на концепции реальной ступени разделения с учётом скорости массопередачи для конкретной модели структуры взаимодействующих потоков пара и жидкости [3,4]. Поскольку в процессе разделения смеси ректификационная колонна, кипятильник и дефлегматор связаны общими потоками жидкости и пара, то математическая модель включает в себя также уравнения, описывающие процессы в дефлегматоре и кипятильнике.

Для описания структуры потока жидкости на тарелках используется ячеечная модель. Гидродинамика парового потока описывается моделью идеального вытеснения.

Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарных жидких смесей включает в себя следующие этапы:

определение диаметра аппарата;

проверка работоспособности тарелок;

расчет эффективности работы тарелок и определения действительного числа тарелок;

вычисление гидравлического сопротивления тарелок;

расчет оптимальной ректификационной колонны.

Несмотря на общность методик расчета ректификационных колонн с различными тарелками, каждый из расчетов имеет свою особенность, касающуюся в большей мере выбора различных рекомендуемых надежных формул для расчета тех или иных величин. Это касается как методик определения общего числа единиц переноса, так и методик применения различных формул для расчета скорости пара в колонне, вычисления высоты пены на тарелке, относительно уноса и доли байпасирования жидкости. В большей мере эти отличия имеют место при расчете колонн с колпачковыми тарелками.

Расчет диаметра аппарата производится по уравнению расхода:

.

ректификационный установка бинарный смесь

Объемный расход паровой фазы Vc бывает обычно задан или вычисляется из уравнения материального баланса. Вычисление фиктивной скорости пара WMAX, отнесенной к сечению аппарата S0, производится по рекомендуемым формулам для различных видов тарелок из необходимости получения оптимального её значения для колонн с переливными устройствами.

Проверка работоспособности тарелок производится по величине межтарельчатого уноса жидкости и по пропускной способности переливного устройства.

Расчет реального числа тарелок выполняется методом потарельчатого расчета по всей колонне с использованием в расчете коэффициента эффективности тарелки EMvi. Здесь базовым уравнением является зависимость, позволяющая рассчитывать состав пара покидающего i-ю тарелку [3,5,7].

где N - число тарелок в колонне; f - номер питательной тарелки; Yi-1 - концентрация пара, поступающего на i-ю тарелку; Y*i - состав пара, равновесный с жидкостью, покидающей i-ю тарелку.

Коэффициент эффективности тарелки EMvi вычисляется с учетом доли байпасирующей жидкости иi; степени продольного перемешивания, определяемой через число секций полного перемешивания S; относительного уноса жидкости ei [3,6].

Состав жидкости на каждой i-тарелке определяется по уравнениям рабочих линий для исчерпывающей или укрепляющей частей колонны.

Для описания работы дефлегматора используется модель полного конденсатора, в основе которой лежит равенство составов пара, уходящего из колонны, и флегмы, поступающей в нее на орошение.

Для описания работы кипятильника используется модель парциального испарителя.

Данная методика расчета может быть использована для определения разделительной способности ректификационной колонны, а также для расчета основных размеров и проведения расчета оптимальной колонны.

По запросу ЭВМ пользователь вводит следующие значения

1. Расход питания F,(кмоль/ч).

2. Состав питания XF, дистиллята XP, кубовой жидкости XW, (моль. доли).

3. Мольные массы HK и BK, M1, M2, (кг/кмоль).

4.Физические свойства жидкой и паровой фаз из [9,10] при средней температуре, определяемой как: , где tНК, tВК (С) соответственно температуры кипения HK и BK;

· плотности жидкой фазы НК и ВК , , (кг/м3);

· коэффициенты динамической вязкости жидкости НК и ВК , , (Пас);

· коэффициенты динамической вязкости пара НК и ВК, , (Пас);

коэффициенты поверхностного натяжения НК и ВК , , (Н/м), а также температуры кипения НК, ВК; температуры кипения исходной смеси tF, (С); кубового остатка tw, (С); температура дистиллята tD, (С); CpD, CpW, CpF - удельные теплоемкости дистиллята, кубового остатка и исходной смеси (Дж/кг К) (при tD, tW, tF соответственно); удельная теплота конденсации НК rср, (Дж/кг); коэффициенты диффузии при T=20 С в жидкой и паровой фазах DЖt=20 C, DПt=20 C, (м2/c).

5. Расстояние между тарелками hт, (м); длина пути жидкости на тарелке, (м); периметр слива П, (м);

высота прорезей колпачка hпр, (м) (колпачковая тарелка).

Fc- относительное свободное сечение тарелки (для клапанных и ситчатых тарелок [6, 11]);

SТ - рабочее сечение тарелки, (м2);

hnер- высота переливной перегородки (для ситчатых и клапанных тарелок), (м);

6. Сведения по равновесию из таблиц [8] x(мол.доли)-y*(мол.доли)-t(C), которые после ввода в программу расчёта ЭВМ аппроксимирует в виде степенного многочлена. В данных указаниях более точно аппроксимированы кривая линия равновесия в среде жидкость-пар. Для этого используются данные по относительной летучести компонента, определяемой как отношение упругости чистого пара легколетучего компонента к упругости пара чистого труднолетучего компонента.

В процессе расчёта ректификационной колонны определяются диаметр аппарата D и его высота H.

Определение реального числа тарелок выполняется методом счёта ''от тарелки к тарелке'' по концентрации паровой фазы в направлении от кипятильника к дефлегматору в следующей последовательности. Определяется коэффициент эффективности тарелки и составы паров, покидающих рассмотренную тарелку. Вычисляется состав жидкости на выше расположенных тарелках для исчерпывающей или укрепляющей части ректификационной колонны по уравнениям рабочих линий, соответственно. Расчёт состава пара на тарелках производится до тех пор, пока не выполнится условие

,

где XP - состав дистиллята.

Расчёт ректификационной колонны может быть выполнен при задании различных значений флегмовых чисел, определяемых как (где коэффициент избытка флегмы, который может приниматься в пределах от 1 до 3 и больше). Варьирование флегмового числа осуществляется путем изменения . Кроме того, в качестве параметров оптимизации могут использоваться межтарельчатое расстояние hт, высота перелива hпер и др.

При вычислении размеров аппарата по вышеизложенной методике, необходимо произвести гидравлический расчёт тарелки. На основе совместных расчётов исключить из дальнейшего рассмотрения те варианты, которые не обеспечивают допустимый брызгоунос, устойчивый режим работы сливного устройства, минимальное расстояние между тарелками.

После выполнения этой части расчётов получают множество вариантов аппаратов, из которых может быть выбран оптимальный. В качестве критерия оптимальности используются приведенные затраты.

Описание программы расчета тарельчатой ректификационной колонны

Блок 1. Ввод исходных данных.

Блок 2. Определение расхода кубовой жидкости W, дистиллята Р:

, .

Блок 3. Вычисление действительного флегмового числа, определение расходов флегмы и пара:

, , ,

.

Блок 4. Принять состав жидкости на первой тарелке равным Xw.

Блок 5. Вычисление физических свойств жидкой и паровой смесей на тарелках [9,10]:

,

,

,

,

,

,

,

Блок 6. Расчет максимальной допустимой скорости пара выполняется по наиболее надежной формуле [4]:

Коэффициент CMAX рассчитывается по зависимости:

Коэффициенты k1, k2 равны:

- для колпачковых тарелок k1= 1,0; k2 = 4;

- для ситчатых тарелок k1= 1,4; k2 = 4;

- для клапанных тарелок k1 = 1,15; k2 = 4; константа C1 в расчете аппроксимируется функцией в зависимости от расстояния между тарелками на основе графика (рис.III-3 [4]).

,

где , [м3/ч] - объемный расход жидкости, Vci, [м3/ч] - объемный расход парового потока; , где L=Ф при xi>xf или L=Ф+F, если xi<xf.

Вычисление диаметра колонны проводится по уравнению расхода

, .

Блок 7. Высота пены на тарелке находится по формуле:

.

Коэффициенты, входящие в уравнение, имеют следующие значения [12]:

Тип тарелки	k1105	k2	k3102	k4	n1
Ситчатая	6,2	0,42	8,5	2,7	1,61
Клапанная	5,5	0,17	5,9	2,2	1,38
Колпачковая	23,0	0,23	4,4	4,6	1,16

Высота подпора жидкости над сливной перегородкой вычисляется по уравнению:

.

.

Высота светлого слоя жидкости на тарелке находится по формуле:

,

где - удельный расход жидкости на 1 м ширины переливной перегородки, м2/c; , - поверхностное натяжение жидкости и воды; WТi - скорость пара, отнесенная к рабочему сечению тарелки, м/с; ; - паросодержание барботажного слоя; - Критерий Фруда.

Блок 8. Коэффициенты массоотдачи и , в жидкой и паровой фазах, отнесенные к единице рабочей площади ситчатой и клапанной тарелки, вычисляются соответственно:

,

,где Ui - плотность орошения, (м/с):

Блок 9. Коэффициенты массопередачи рассчитываются как:

,

где mi - тангенс угла наклона касательной к линии равновесия.

Блок 10. Общее число единиц переноса для колпачковой тарелки определяется через числа единиц переноса в паровой nПi и жидкой nжi фазах [7]

,

где лi - фактор разделения.

,

,

,

среднее время пребывания жидкости на тарелке: , Запас жидкости на тарелке:

Вычисление для ситчатой и клапанной тарелок ввиду отсутствия надежных формул для вычисления чисел единиц в паровой и жидкой фазах производится через коэффициент массопередачи

,

где - средняя мольная масса паров [кг/кмоль].

Блок 11. Вычисление эффективности тарелок по Мерфри.

Коэффициент эффективности вычисляется по следующим формулам.

;

;

;

;

где зi - КПД или локальная эффективность по пару.

Относительный унос жидкости рассчитывается по зависимости [11]:

.

Доля байпасирующей жидкости определяется как [4]:

.

Число секций полного перемешивания для колпачковой тарелки определяется как:

;

;

Для клапанных и ситчатых:

.

Блок 12. Определение концентрации пара, покидающего рассматриваемую тарелку:

.

Блок 13. Вычисление составов жидкости на тарелках:

, ,

, .

Блок 14. Проверка условия достижения заданной концентраций дистиллята: .

Блок 15. Расчет следующего варианта.

Блок 16. Конец вычислений.

Применение персонального компьютера позволяет реализовать более точный метод расчета ректификационной колонны с использованием математического описания процесса, отражающего концепцию реальной ступени разделения. В свою очередь, это позволяет уменьшить “коэффициенты запаса” за счет точного определения высоты аппарата и тем самым снизить расход материала и энергии. При этом появляется возможность получения более полной информации об изменении параметров процесса в аппарате, проведения анализа этих данных.

Расчет оптимальной ректификационной колонны. Определение оптимальной колонны выполняется после проведения технологического расчета ректификационной колонны, на основе которого получают различное множество вариантов колонн с конкретными величинами: D - диаметр аппарата, N - число тарелок, hT - расстояние между тарелками, R - флегмовое число, G - расход греющего пара [7].

Задача выбора оптимального варианта строится на расчете приведенных затрат каждого варианта и выборе в качестве оптимального того варианта, у которого приведенные затраты (П) являются минимальными. В работе критерий оптимальности КО - приведенные затраты оцениваются (по упрощенной методике) по величине суммы эксплуатационных Э и капитальных К затрат, отнесенных к одному году нормативного срока окупаемости ТН.

Величина приведенных затрат зависит от стоимости ректификационной колонны ЦК, дефлегматора ЦД, кипятильника Цкип, а также зависит от стоимости теплоносителей, охлаждающей воды в дефлегматоре Цв, греющего пара в кипятильнике Цп и рассчитывается по формуле:

.

Таким образом, в величину приведенных затрат включены только те затраты, которые изменяются при переходе от одного варианта расчета ректификационной колонны к другому. Отчисления на ремонт, стоимость КИП, арматуры определяются в долях от капитальных затрат и учитываются вводом коэффициента 1,5 в величину приведенных затрат.

Стоимость ректификационной колонны складывается из стоимости цилиндрической части, крышки, днища, тарелок. Стоимость колонны определяется как произведение массы колонны на цену за единицу массы. Табличные данные на оптовые цены колонных аппаратов [2,4] аппроксимированы функцией, которая заложена в программу.

Масса колонны определяется по формуле:

,

где с - плотность металла.

Масса цилиндрической части рассчитывается по формуле:

,

где д - толщина стенки колонны.

Масса крышки и днища вычисляются по выражению:

,

где L - высота крышки.

Масса тарелок определяется как:

.

Для определения стоимости дефлегматора и кипятильника в программе предусмотрено выполнение упрощенных технологических расчетов этих аппаратов. Из теплового баланса ректификационной колонны определяются расходы тепла:

1) в кипятильнике:

,

где GD, GW, GF - массовые расходы дистиллята, кубового остатка и исходной смеси соответственно; MD, MW, MF - мольная масса дистиллята, кубового остатка и исходной смеси; Qдеф - количество тепла, отнимаемое водой в дефлегматоре; QПОТ - тепловые потери;

2) в дефлегматоре:

,

Эти данные должны быть подготовлены для ввода в программу расчета в диалоговом режиме. Кроме этих данных следует также задать значения средней движущей силы теплообменника и разность температур изменения теплоносителя воды (в программе эти величины заданы равными 40єС), коэффициент теплопередачи (задан равным 450 Вт/м2К).

Поверхность теплообменника вычисляется из основного уравнения теплопередачи:

.

Расход воды для конденсации паров, покидающих колонну, определяется по зависимости:

.

Расход греющего пара, поступающего в кипятильник, рассчитывается как:

.

Расчет стоимости теплообменника в программе выполняется на основе функции, полученной путем обработки таблиц основных цен на теплообменники методом наименьших квадратов, в зависимости от стоимости 1 т массы аппарата и оптимальной массы труб в общей массе аппарата. При этом принято, что диаметр трубы равен 0,025 м при толщине стенки 0,002м, а L (длина трубы) равна 3 м.

В программе расчета приведенных затрат предусмотрено также вычисление затрат, связанных с использованием охлаждающей воды в дефлегматоре, затрат на применение греющего пара в кипятильнике. По окончании вычисления приведенных затрат для всех вариантов приводится их сравнение, и в качестве оптимального варианта выбирается тот аппарат, который имеет минимальную величину П.

Библиографический список

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

2. Коган, В.Б. Теоретические основы типовых процессов химической технологии / В.Б. Коган.- М.: Химия, 1977. - 402 с.

3. Кафаров, В.В. Основы массопередачи / В.В. Кафаров.- М.: Высшая школа, 1979. - 439 с.

4. Стабников, В.Н. Ректификационные аппараты / В.Н. Стабников.- М.: Машиностроение, 1965. - 356 с.

5. Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов / Ю.И. Дытнерский. - М.: Химия, 2002. - 400 с., 368 с.

6. Дытнерский, Ю.И. Пособие по курсовому проектированию по курсу ПАХТ / Ю.И. Дытнерский.-М.: Химия, 2000. - 180 с.

7. Маминов, О.В. Расчет ректификационной колонны для разделения бинарной смеси: методические указания / О.В. Маминов [и др.].- Казань, 2000. - 12 с.

8. Коган, В.Б. Равновесие между жидкостью и паром / В.Б. Коган [и др.].-Л.: Машиностроение, 1981, - 231 с.

9. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам паров и жидкостей / Н.Б. Варгафтик.- М.: Физматгиз, 1963. - 350 с.

10. Павлов, К.Ф.Примеры и задачи по курсу ПАХТ / К.Ф. Павлов [и др.].- Л.: Химия, 1981. - 560 с.

11. Колонные аппараты: Каталог-справочник. М.: Химнефтемаш, 1965.

12. Соколов, В.Н. Машины и аппараты химических процессов / В.Н. Соколов.- Л.: Машиностроение, 1982. - 384 с.

Размещено на Allbest.ru