Проектирование тарельчатой ректификационной колонны с ситчатыми тарелками для разделения смеси хлороформ-бензол

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технологический расчет гидравлический сопротивление пар теплота

Материальный баланс.

Обозначим массовый расход дистиллята через G_D кг/ч, кубового остатка G_W кг/ч.

Из уравнений материального баланса:

G_D + G_W = 7 000 кг/ч

G_D * 0,9 + G_W *0,02 = 7000 * 0,45 кг/ч

Из системы уравнений находим: G_D = 3420 кг/ч; G_W = 3580 кг/ч.

Для дальнейших расчётов выразим концентрации.

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:



Относительный мольный расход питания:

F=( x_D - x_W)/( x_P - x_W) = (0,852-0,0133)/(0,351-0,0133) = 2,48

Определяем минимальное число флегмы:

R_min = (x_D - y*_F)/( y*_F - x_F) = (0,852 - 0,443)/(0,443 - 0,351) = 4,445

где y*_F - мольная доля метанола в паре, равновесном с жидкостью питания, определяется по диаграмме y-x, которая представлена в приложении 1.

Рабочее число флегмы:

R = 1,3R_min +0,3 = 6,08

Уравнения рабочих линий в верхней (укрепляющей) части колонны:

y = R / ( R + 1)x + x_D / (R + 1) = 6,08/(6,08+1)x + 0,852 / (6,08 +1) = 0,858х + 0,12

· в нижней (исчерпывающей) части колонны:

y = (R +F) / ( R + 1)x - (F - 1) / (R + 1)*x_W = (6,08 2.48)/(6.08 + 1)x - 0,0133*(2.48 - 1)/(6.08 +1) = 1.2x - 0.0027

Определение скорости пара и диаметра колонны:

Средние концентрации жидкости:

· в верхней (укрепляющей) части колонны:



· в нижней (исчерпывающей) части колонны:

Средние концентрации пара находим по рабочим линиям.

· в верхней части колонны:

· в нижней части колонны:

Средние температуры пара определяем по диаграмме t - x,y:

· в верхней части колонны при температура

· в нижней части колонны при температура

Средние мольные массы и плотности пара:

· в верхней части колонны:

г/моль

· в нижней части колонны:

г/моль



Средняя плотность пара в колонне:

Температура вверх колонны при равна плотность при этой температуре 1380 кг/м³

Температура в нижней части колонны при равна плотность при этой температуре 1400 кг/м³

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

По данным каталога-сптавочника «Колонны и аппараты» принимаем расстояние между тарелками мм. Для ситчатых тарелок находим по графику . Скорость пара в колонне будет равна:

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне:



где г/кмоль - молярная масса дистиллята.

Диаметр колонны:

По каталогу-спарвочнику «Колонны и аппараты» берем мм, толщина стенок 10 мм. Тогда скорость пара будет:

Гидравлический расчет .

Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстий , высота сливной перегородки . Свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади таелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны по уравнению:

· верхняя часть колонны:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:



где - коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок с сечением 7 - 10%; м/с - скорость пара в отверстиях тарелки.

Сопротивление, обусловленное поверхностным натяжением:

где, у = х_{?ср *} у_х + (1 - х?_ср)у_б = 0,601*20*10^-3 +(1-0,601)*22*10^-3 =20,79*10^-3

- поверхностное натяжение смеси при средней температуре

75⁰С; - диаметр отверстий тарелок.

Сопротивление парожидкостного слоя:

Высота парожидкостного слоя:

Величину - высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по формуле:

где, - объемный расход жидкости в верхней части колонны,м³/с; П - периметр сливной перегородки, м; - отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приближенно равное 0,5.

Объемный расход жидкости:

где кг/кмоль - средняя молярная масса жидкости.

Периметр сливной перегородки П находим, решая систему уравнений:

где R =0,9 - радиус тарелки; - приближенное значение площади сегмента.

Решение дает: ; .

Высота парожидкостного слоя:

Сопротивление парожидкостного слоя:

Общее гидравлическое сопротивление в верхней части:



· нижней части колонны:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

где - коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок с сечением 7 - 10%; м/с - скорость пара в отверстиях тарелки.

Сопротивление, обусловленное поверхностным натяжением:

где, у = х??_ср * у_х + (1 - х??_ср)у_б = 0,182 * 19*10^-3 + (1-0,182) * 21* 10^-3 = 20,63 * 10^-3

верхностное натяжение смеси при средней температуре 79⁰С; - диаметр отверстий тарелок.

Сопротивление парожидкостного слоя:

Высота парожидкостного слоя:

Величину - высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по формуле:



где, - объемный расход жидкости в нижней части колонны,м³/с; П - периметр сливной перегородки, м; - отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приближенно равное 0,5.

Объемный расход жидкости:

где кг/кмоль - средняя молярная масса жидкости; кг/кмоль.

Высота парожидкостного слоя:

Сопротивление парожидкостного слоя:

Общее гидравлическое сопротивление в нижней части:

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками м необходимое для нормальной работы условие:



Для тарелок верхней части колонны, у которых гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок нижней части:

Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается.

Проверим равномерность работы тарелок - рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях , достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями:

Следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.

Определение числа ступеней изменения концентрации

Наносим на диаграмму y-x рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число ступеней изменения концентрации . В верхней части колонны и в нижней части колонны (см. приложение 1).

Число тарелок рассчитываем по уравнению:

Для определения среднего КПД тарелок ?? находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов и динамический коэффициент вязкости исходной смеси µ при средней температуре в колонне, равной 76 ^ОС

При этой температуре давление насыщенного пара метанола мм.рт.ст, давление насыщенного пара воды мм.рт.ст, откуда

мм.рт.ст.

Динамический коэффициент вязкости метанола при ^оС равен 0,34 сП, хлороформа и 0,33 сП. Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси .

Тогда:

По графику находим з =0,55. Длина пути жидкости на тарелке:

По графику находим поправку на длину пути м. Средний КПД тарелок по уравнению:

В нашем случае: ; ; кг/кмоль; ; .

Число тарелок:

· в верхней части

· в нижней части



Общее число тарелок , с запасом , из них в верхней части колонны 6, в нижней - 19.

Высота тарельчатой части колонны:

Общее гидравлическое сопротивление тарелки:

? 0,17 кгс/cv³

Тепловой расчет установки

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсторе, находим по уравнению:

и - удельные теплоты конденсации метанола и воды при температуре 67 ^оС.

Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению:

Q_к =1791580 Вт

Здесь тепловые потери приняты в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты; удельные теплоемкости взяты соответственно при , и . Температура кипения исходной смеси определена по диаграмме t-ху.

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

Здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси принята при средней температуре (76,6+18)/2=47^оС.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

удельная теплоемкость исходной смеси C_D принята при средней температуре (67.5+25)/2=46,25 °С.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

где удельная теплоемкость кубового остатка взята при средней температуре (80.6+25)/2=52,8 °С.

Расход греющего пара, имеющего давление и влажность 5%:

· в кубе-испарителе

где Дж/кг - удельная теплота конденсации греющего пара.

· в подогревателе исходной смеси:

Расход охлаждающей воды при нагреве ее до 20^оС:

· в дифлегматоре:

· в водяном холодильнике дистиллята:

· в водяном холодильнике кубового остатка:

Всего: 0,0209 + 0, 00054 +0, 0012 = 0,0226 м³/с.

Размещено на Allbest.ru