Ректификационная колонна с ситчатыми тарелками

1.1 Материальный баланс

Уравнения материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия:

(1.1)

, (1.2)

где G_F, G_D, G_W - массовые и мольные расходы питания, дистиллята и кубового остатка; x_F, x_D, x_W - содержание легколетучего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке, массовые или мольные доли.

Отсюда находим

кг/ч;

кг/ч.

Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях по формуле:

(1.3)

где ,, - массовая доля в исходной смеси, дистилляте, кубовом остатке; M_мет,- мольные массы метанола равная 32, кг / кмоль; М_в - мольные массы метанола равная 18, кг / кмоль.

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

Относительный мольный расход питания:

(1.4)

1.2 Определение рабочего флегмового числа

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяют рабочим флегмовым числом R.

Минимальное флегмовое число рассчитывается по следующей формуле:

, (1.5)

где - мольная доля НК (метанола) в паре, равновесном с жидкостью питания, которая определяется по диаграмме - x (рис. 2), построенной по данным таблицы (табл.1).

Таблица 1. - Равновесные состав смеси метанол - вода[2]

Определяем минимальное флегмовое число по формуле (1.5):

Рабочее число флегмы рассчитываем по формуле:

(1.6)

Отсюда:

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

, (1.7)

где y - мольная доля легколетучего компонента в паре, входящим снизу на тарелку; x - мольная доля легколетучего компонента в жидкости, стекающей с этой тарелки.

Подставляем известные данные в уравнение (1.7):

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

(1.8)

1.3 Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны

(1.9)

б) в нижней части колонны по уравнению:

(1.10)

Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Средние температуры пара определяем по диаграмме t - x, y построенной по данным таблицы 1.

а) при ,

б) при ,

Средние мольные массы и плотности пара:

а) в верхней части колонны:

(1.11)

(1.12)

б) в нижней части колонны по формуле (1.11) и (1.12):

Средняя плотность пара:

(1.13)

По графику определяем температуру в верху колонны при

x_D = 0,91 - t = 68⁰C,

и температуру в кубе-испарителе при

x_W = 0,05 - t = 95,6⁰C.

Плотность жидкого метилового спирта при 68⁰С с_мет = 748 кг/м³, а воды при 95,6⁰С с_в = 962 кг/м³. [3]

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

(1.14)

Определяем скорость пара в колонне. По данным каталога-справочника “Колонные аппараты” принимаем расстояние между тарелками h = 300 мм. Для ситчатых тарелок по графику находим С = 0,032 [3].

Скорость пара в колонне:

(1.15)

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне

t_cp = (80,6+97)/2 = 88,8⁰С:

, (1.16)

где M_D - мольная масса дистиллята

,

где M_D = х_D*М_мет+ (1-х_D)*М_в = 0,91*32+0,09*18 = 30,74 кг/кмоль.

Определение диаметра колонны:

(1.17)

Подставляем данные:

Выбираем стандартные диаметр D = 400 м. [4] Тогда скорость пара в колонне будет:

(1.18)

1.4 Гидравлический расчет тарелок

Выбираем ситчатую тарелку типа ТС. [4]

Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки:

· диаметр отверстий d = 0,4 мм

· шаг между отверстиями t = 10 мм

· относительное свободное сечение тарелки F_c = 6,5%

· свободное сечение колонны 0,126 м²

· рабочее сечение тарелки 0,054 м²

· сечение перелива 0,004 м²

· относительная площадь перелива 3,81 %

· периметр слива L_c = 0,302 м

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

(1.19)

где ?p_сух - сопротивление сухой тарелки; ?p_у - сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения; ?p_пж - сопротивление парожидкостного слоя на тарелке.

а) Верхняя часть колонны

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки (1.19):

ректификационный колонна смесь тарелка

, (1.20)

где ж = 1,82 - коэффициент сопротивления ситчатых тарелок со свободным сечением 7 -10 %;

щ₀ = щ/F_c = 1,04/0,065 =16

- скорость пара в отверстиях тарелки, м/с.

Отсюда:

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

(1.21)

Где

у = x_мет*у_мет + x_в*у_в = 0,49*17,6*10^-3 + 0,51*62,6*10^-3= 31,93*10^-3

поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 68⁰С, Н/м; у_мет, у_в - поверхностное натяжение ацетона и воды, Н/м; [3]

Тогда:

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

(1.22)

Где

k = с_пж/с_ж

- отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0,5; h_пж - высота парожидкостного слоя на тарелке, м.

Высота парожидкостного слоя:

(1.23)

Величину ?h - высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по формуле:

(1.24)

где V_ж - объемный расход жидкости, м³/с; П - периметр сливной перегородки, м.

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

(1.25)

Где

M_cp = х^\_ср * М_мет+ (1- х^\_ср)*М_в = 0,49*32+0,51*18 = 24,86

- средняя мольная доля масса жидкости, кг/кмоль.

Находим ?h:

Высота парожидкостного слоя на тарелке:

Сопротивление парожидкостного слоя:

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны по формуле (1.19):

б) Нижняя часть колонны

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки по формуле (1.20):

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения по формуле (1.21):

Где

у = x_мет*у_мет + x_в*у_в = 0,05*15,71 *10^-3+0,91*58,3*10^-3 = 56,74 * 10^-3

поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в нижней части колонны 95,6⁰С, Н/м.[3]

Объемный расход жидкости в нижней части колонны:

, (1.26)

Где

M _ср = х^//_ср * М_мет + (1 - х^//_ср) *М_в = 0,05*32 + 0,95*18 = 18,7

М_F = х_F * М_мет + (1 - х_F) *М_в = 0,06*32 + 0,94*18 = 18,84

мольная масса исходной смеси, кг/кмоль.

Тогда:

Рассчитываем ?h по формуле (2.22):

Сопротивление парожидкостного слоя по формуле (1.24):

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны по формуле (1.19):

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h = 0,3 м необходимое для нормальной работы тарелок условие

(1.27)

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

Следовательно, вышеуказанное условие (1.27) соблюдается.

Проверим равномерность работы тарелок - рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях щ_{0 min}, достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями:

(1.28)

Рассчитанная скорость щ₀ = 13 м/с; следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.

1.5 Определение числа тарелок графически и высоты колонны

Наносим на диаграмму у - х рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число ступеней изменения концентрации n_т. В верхней части колонны nґ_т ? 5, в нижней части nґґ_т ? 2, всего 7 ступеней.

Число тарелок рассчитываем по уравнению:

(1.29)

где ? - к.п.д. тарелок.

Для определения среднего к. п. д. тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов

б = P_ац/P_в

и динамический коэффициент вязкости исходной смеси µ при средней температуре в колонне, равной 88,8⁰С.

При этой температуре давление насыщенного пара ацетона P_мет = 1897 мм. рт. ст., воды P_в = 506,1 мм. рт. ст., [5] откуда

б = 1897/506,1=3,75.

Динамический коэффициент вязкости ацетона при 88,8⁰С равен µ_мет = 0,3241 *10^-3 Па*с, воды µ_в = 0,3202*10^-3 Па*с.[3] Отсюда динамический коэффициент исходной смеси:

Па*с (1.30)

(1.31)

Определяем b по формуле:

b = 0,5(D - ) = 0,5(0,4 - ) = 0,07 м. (1.32)

По графику находим ?_т = 0,5. [3]

Длина пути жидкости на тарелке :

(1.33)

? - значение поправки пути [3] не определяем так как l ‹ 0,9 м.

Для сравнения рассчитаем средний к. п. д. тарелки ?₀ по критериальной формуле (1.32), полученной путем статической обработки многочисленных опытных данных для ситчатых тарелок:

(1.34)

В этой формуле безразмерные комплексы:

(1.35)

(1.36)

где щ - скорость пара в колонне, м/с; S_св - относительная площадь свободного сечения тарелки; h_п - высота сливной перегородки, м; с_п и с_ж - плотности пара и жидкости, кг/м³; D_ж - коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси, м²/с;

у =(у^/+у^//)/2=(31,93*10^-3 +56,74*10^-3)/2 =44,33*10^-3

поверхностное натяжение жидкости питания, Н/м.[3]

Коэффициент диффузии рассчитываем по формуле:

(1.37)

В нашем случае: v_мет =40,45- мольный объем ацетона; в = 1,9 - параметр, учитывающей ассоциацию молекул растворителя[3];

M = M_F = 18,84 кг/кмоль

мольная масса исходной смеси; µ_ж = 0,3222*10^-3 Па*с - динамический коэффициент вязкости исходной смеси;[3] .

Коэффициент диффузии:

Безразмерные комплексы:

Средний к. п. д. тарелки по формуле (1.32):

что близко к найденному ?_т = 0,5.

Число тарелок:

(1.38)

· В верхней части колонны

· В нижней части колонны

Общее число тарелок n = 14, с запасом n = 16, из них в верхней части колонны 11 и в нижней 5 тарелок.

Высота тарельчатой части колонны:

(1.39)

Отсюда:

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

кгс/см² (1.40)

1.6 Тепловой расчет установки

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

, (1.41)

где r_D - средняя удельная теплота конденсации, Дж/кг.

Определим среднюю удельную теплоту конденсации по формуле

, (1.42)

где r_мет и r_в - удельные теплоты конденсации ацетона и воды при 68⁰С. [3]

Тогда:

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:

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

, (1.43)

где c_D, c_W, c_F - удельные теплоемкости дистиллята, кубового остатка и исходной смеси соответственно, Дж/(кг*К); t_D, t_W, t_F - температуры кипения дистиллята, кубового остатка и исходной смеси соответственно, ⁰С; Q_пот - тепловые потери, принятые в размере 3% от полезно затрачиваемое теплоты, Вт.

Удельные теплоемкости c_D, c_w, c_F [3] берем соответственно при t_D = 57⁰С, t_W = 93⁰С, t_F = 72⁰С.

Удельные теплоемкости дистиллята, кубового остатка и исходной смеси:

с = c_в * х * с_мет + (1- х) * с_в (1.44)

где с_в,с_мет - удельные теплоемкости воды ,метанола,[3] Дж/(кг*К); х- массовое содержание НК.

Удельная теплоемкость дистиллята:

с_D = 4190*0,95*0,65+0,05*4190 = 2796,82 Дж/(кг*К).

Удельная теплоемкость кубового остатка:

с_W = 4190*0,05*0,70+0,95*4190 = 4127.15 Дж/(кг*К).

Удельная теплоемкость исходной смеси:

c_F = 4190*0,10*0,69+0,90*4190 = 4060.11 Дж/(кг*К).

Тогда:

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

, (1.45)

где тепловые потери приняты в размере 5%, c_F - удельная теплоемкость исходной смеси находим по формуле (1.42) при средней температуре

t_ср = (t_F + t_нач)/2 = (91+21)/2 = 56⁰С, c_F = 4190*0,10*0,54+0,90*4190 =3997.26 Дж/кг*К.

Тогда:

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике-дистиллята, находим по уравнению:

, (1.46)

где c_D - удельная теплоемкость дистиллята находим по формуле (1.44) при средней температуре

t_ср = (t_D + t_нач)/2 = (68+28)/2 = 48⁰С, c_F = 4190*0,95*0,62+0,05*4190 =2677.41 Дж/кг*К.

Отсюда:

.

Расход греющего пара, имеющего давление p = 3 кгс/см² и влажность 5%:

кг/с (1.47)

где r_г.п. = 2141*10³ Дж/кг - удельная теплота конденсации греющего пара. [3]

· в кубе-испарителе

· в подогревателе исходной смеси

Всего:

0,15+0,08 = 0,23 кг/с или 828 кг/ч.

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20⁰С:

м³/с (1.48)

· в дефлегматоре

· в водяном холодильнике дистиллята

Всего 0,0034 м³/с или 12,45 м³/ч.

2. РАСЧЕТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

2.1 Расчет кожухотрубчатого теплообменика подогревателя исходной смеси

Схема изменения температур исходной смеси и теплоносителя

Направляем в трубное пространство смесь метанола и воды, в межтрубное - водяной пар. Задаёмся схемой движения теплоносителей - прямоток.

Определение средней разности температур:

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

Отсюда:

Тепловая нагрузка:

Вт (2.5)

Определение ориентировочной поверхности теплообмена.

Задаёмся ориентировочным коэффициентом теплопередачи:

.

(2.6)

Отсюда:

Определение числа труб на один ход:

(2.7)

Отсюда:

Выбор стандартного теплообменного аппарата[3].

Выбираем по и одноходовой теплообменный аппарат со следующими характеристиками:

· наружный диаметр кожуха D=159 мм;

· общее число труб n=13;

· число труб на один ход n_{1 ход}=13;

· длина труб l=3,0 м;

· поверхность теплообмена F=3,0м².

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе курсового проекта был произведен расчёт тарельчатой ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метанол - вода. Рассчитан теплообменный аппарат для подогрева исходной смеси.

В результате чего была подобрана ректификационная колонна со следующими характеристиками: высота тарельчатой части колонны H=4,5 м, диаметр колонны d= 0,4 м. Подобран кожухотрубчатый теплообменный аппарат: наружный диаметр D= 159 мм, поверхность теплообмена F= 3,0 м².

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для химико - технологических вузов / А. Г. Касаткин. Под ред. М. Н. Ратманского, 8 - е изд., перераб. - М.: Химия, 1971. - 784 с.

2. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. - М-Л: Наука, 1986.

3. Павлов, К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов/ К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков. Под ред. чл. - корр. АН СССР П. Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с., ил.

4. Колонные аппараты. Каталог. - М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1978 г.

5. http://filippov.samgtu.ru/sites/filippov.samgtu.ru/files/metoda_zf_ohr/Prilog%201.htm

Размещено на Allbest.ru