Расчет ректификационной колонны. Курсовая работа: Расчет ректификационной колонны
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
С одержание
Введение
1. Технологическая часть
1.1 Теоретические основы процесса
1.2 Сравнительная характеристика а ппаратов
1.3 Уст ройство основного аппарата
1.4 Технологическая обвязка аппарата по ГОСТ
1.5 Техника безопасност и при обслуживании оборудования
1.6 Физико-технические свойства веществ
2.Расчётная часть
2.1 Материальный расчет
2.2 Тепловой расчет
2.3 Конструктивный расчёт аппарата
2.4 Расчёт и подбор вспомогательного оборудования
Литература
ВВЕДЕНИЕ
Химизация - процесс производства и применения химических продуктов - одна из высших стадий развития общественных производительных сил.
На всех этапах промышленного развития химия и химические методы обработки предметов труда играли революционизирующую роль. За последние 20 - 30 лет в результате крупных достижений химической науки и техники значение и роль химической промышленности в народном хозяйстве еще более возросли. Она оказывает огромное влияние на развитие материально - технической базы общественного производства. Современная химическая промышленность по масштабам производства и технической базы, по технологии и отраслевой структуре, по экономической роли в развитии общества поднялась на качественно- новую ступень.
Роль современной химической промышленности заключается, прежде всего, в том, что она становится все расширяющимся источником получения искусственным путем новых материалов, новых видов сырья, либо дополняющих, либо заменяющих природное сырье. Искусственные и синтетические полимеры становятся все более массовыми конструкционными материалами. В результате химическая промышленность превращается в источник получения материалов, которые образуют материальную субстанцию орудий труда и предметов потребления.
Значительна роль химии в решении главной экономической задачи - повышении материального благосостояния людей. /9, с. 10/
Все сферы жизни и деятельности людей их здоровье, питание, одежда, жилище и быт связаны с химической продукцией. Общее число известных химических соединений используемых для этих целей оценивается близким к 4,5 млн., в том числе около шестидесяти тысяч неорганических соединений.
Важнейшим преимуществом применения химических процессов и материалов является возможность создания материалов с заранее заданными свойствами, обладающих легкостью и прочностью, антикоррозионными и диэлектрическими свойствами, способностью работать в экстремальных условиях.
Без использования химических процессов и материалов невозможно было бы создание таких прогрессивных отраслей народного хозяйства, как атомная энергетика, электроника, космическая техника, ракетостроение, а также развитие принципиально новых технических направлений в авиации, радиотехнике и электронике, в приборо- и машиностроении.
Среди отраслей промышленности, где особенно прогрессирует химизация, следует в первую очередь указать машиностроение, которое является основой технического перевооружения всех отраслей народного хозяйства. Расширение сферы химизации в машиностроении достигается за счет конструирования из химических материалов деталей, машин и механизмов, что ведет к уменьшению габаритов и снижению массы, повышению их надежности и долговечности, увеличению производительности, улучшению качества и эксплуатационных свойств, а также высвобождению дефицитных и дорогостоящих материалов.
Особенно широко используются в машиностроении пластмассы и синтетические смолы, синтетический каучук и резины, химические волокна и изделия из них, краски и лаки.
Применение пластмасс и синтетических смол в электронной технике способствовало микроминиатюризации и миниатюризации ее продукции, что в свою очередь, обеспечило технический прогресс в производстве электронно-вычислительных машин, транзисторов, радио- и телевизионной аппаратуры.
Полимерные материалы в значительной мере определяют технический прогресс в электротехнике. Использование эпоксидных и кремнийорганических смол в качестве изоляционных материалов позволило значительно повысить мощность электродвигателей, в 2-3 раза увеличить срок их службы.
Применение полимеров, особенно армированных пластиков, в транспортном машиностроении (в производстве самолетов, судов автомобилей, вагонов и др.) позволило уменьшить массу деталей, улучшить их прочностные характеристики и антикоррозионные свойства. Благодаря этому растут скорости движения и грузоподъемность транспортных средств, улучшается их комфортабельность.
В судостроении полимерные материалы обеспечивают высокую прочность конструкции, повышают ресурсы работы и безопасность движения, упрощают технологическое обслуживание и ремонт.
Быстрыми темпами внедряются пластмассы в автомобилестроение. На основе полимерных ма териалов производятся электро - термо- и звукоизоляционные элементы, кабельные изделия электропроводов, светотехнические изделия и корпусные детали электробытовых и радиотехнических приборов, изделия абразивной промышленности, фрикционные детали тормозных систем для автомобилей и для железнодорожного транспорта, антикоррозийные и декоративные покрытия. 7, с. 299/
Эластомеры расходуются на производство технических и хирургических изделий из мягкой резины, а также резиновые подошвы, ленточные транспортеры, обувь и шланги всех видов.
Использование химических процессов и материалов способствует решению важнейшей задачи повышения эффективности производства, что достигается благодаря более высокой производительности труда, более низкой материало- , энерго-, и капиталоемкости при применении химических процессов и материалов. Химизация - это огромная экономия материальных, трудовых, энергетических и финансовых ресурсов.
Увеличение масштабов использования химических материалов и методов сопровождается значительной экономией затрат на производство, сокращение удельных капитальных вложений на единицу продукции, систематическому повышению производительности общественного труд а.
1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА
Ректификация получила широкое распространение во многих отраслях промышленности для разделения однородных жидких смесей с различной температурой кипения образующих их жидкостей.
Получение практически чистых компонентов может быть осуществлено ректификацией - разделения однородных смесей не находящихся в термодинамическом равновесии, на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате противоточного взаимодействия паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров. При этом пар при движении постоянно обогащается низкокипящим (легколетучим) компонентом, а жидкость - высококипящим (труднолетучим) компонентом.
Движущая сила процесса ректификации определяется разностью рабочей и равновесной концентраций. Процесс не может протекать бесконечно и наступает состояние фазового равновесия, наступающего, когда скорости перехода компонента из одной фазы (газ (пар) или жидкость) в другую становятся равными.
Фазовое равновесие характеризуется равновесной концентрацией. По величине рабочей и равновесной концентрации всегда можно судить, в каком направлении протекает массообмен. Сместить фазовое равновесие можно изменением таких параметров, как температура, концентрация и давление.
Состав паров в процессе ректификации определяется различной летучестью компонентов при одной и той же температуре. При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят - смесь, обогащенную низкокипящим компонентом (НК), и кубовый остаток - смесь, обогащенную высококипящим компонентом (ВК). /2, с. 246/
Ректификацией может быть достигнута любая заданная степень разделения жидких смесей. Ректификация является сложным процессом дистилляции.
Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке, основным аппаратом которой является ректификационная колонна, внутри которой расположены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движется пар, поступающий из выносного или расположенного внизу под колонной куба - испарителя. На каждой тарелке происходит частичная конденсация пара труднолетучего компонента. Таким образом, пар, выходящий из куба - испарителя и представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мере движения вверх, обогащается легколетучим компонентом и покидает колонну в виде почти чистого пара пар конденсируется легколетучего компонента. Пар конденсируется в дефлегматоре, охлаждаемом водой. Полученный конденсат разделяется на дистиллят (верхний продукт) и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучим компонентом.
Исходную смесь подогревают до температуры кипения в теплообменнике и подают в колонну на тарелку нижней исчерпывающей части колонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту.
Из куба - испарителя отводят нижний продукт или кубовый остаток. /8, с. 353/
Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси.
Повышенное давление применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Атмосферное давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру кипения от 30 до 150 0 С. /2, с. 246/
Ректификацию осуществляют на установках непрерывного и периодического действия. Установка непрерывного действия применяется для крупнотоннажного производства, ее можно полностью автоматизировать, и имеется возможность использования тепла кубовой жидкости для подогрева исходной смеси и тем самым снизить энергозатраты. Установка периодического действия работает при переменном флегмовом числе и переменном составе дистиллята. Такую схему трудно автоматизировать и применяют ее для мелкотоннажных производств и опытных партий.
Экстрактивная ректификация предназначена для разделения смесей компонентов с близкими температурами кипения и очень низкой относительной летучестью ( & < 1,05). В этом случае в исходную смесь вводится третий компонент, предназначенный для резкого увеличения летучести основных компонентов. Вводимый компонент должен быть менее летуч, чем оба исходных компонента разделяемой смеси, и должен хорошо растворять низколетучий компонент разделяемой смеси.
Азеотропная ректификация смеси. А и В, находящейся в термодинамическом равновесии, осуществляется аналогичным способом. К азеотропной смеси, то есть жидкой смеси, находящейся в термодинамическом равновесии с газовой фазой одинакового с ней состава; добавляют третий компонент С, образующий с одним из разделяемых компонентов новую (более летучую, чем исходная) азеотропную смесь. Эта азеотропная смесь выделяется в качестве дистиллята, а другой практически чистый компонент удаляется в виде кубового остатка.
При описании и расчетах процессов, осуществляемых в ректификационных аппаратах при противоточном взаимодействии потоков жидкости и пара принимают следующие допущения:
1. мольные теплоты испарения компонентов одинаковы, то есть при конденсации каждого киломоля пара испаряется такое же количество киломолей жидкости. Отсюда следует важный вывод о том, что количество пара, движущегося в аппарате снизу вверх, выраженное в киломолях, одинаково в любом сечении ректификационной колонны.
2. при конденсации пара в дефлегматоре изменения его состава не происходит, то есть состав пара, выходящего из верхней части колонны, равен составу получаемого дистиллята и флегмы (У р = Х р )
3. при испарении кубовой жидкости в испарителе изменение ее состава также не происходит, то есть состав жидкости, выгружаемой из нижней части колонны, равен составу возвращаемого в колонну пара
4. (y w = x w )
5. теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю. Ректификацией разделяют смеси с различной взаимной растворимостью компонентов. Двойные смеси обычно называют бинарными, а содержащие несколько компонентов - многокомпонентными. Различают следующие типы бинарных смесей.
1) смеси взаимнорастворимых жидкостей, то есть таких жидкостей, которые растворимы друг в друге в любых отношениях. В свою очередь они разделяются на: а) смеси не действующих друг на друга жидкостей (так называемые идеальные смеси, которые подчиняются закону Рауля, согласно которому парциальное давление компонентов пар ах над жидкостью равно давлению пара чистого компонент, умноженному на его мольную долю в жидкости), у которых силы сцепления между молекулами обоих компонентов такие же, как и между молекулами каждого из компонентов; б) смеси с положительными отклонениями от закона Рауля, у которых силы сцепления между молекулами низкокипящего и высококипящего компонентов меньше, чем между молекулами каждого из компонентов (с максимумом на кривой давления); в) смеси с отрицательными отклонениями от закона Рауля, у которых силы сцепления между молекулами НК и ВК больше, чем между молекулами каждого из компонентов (с минимумом на кривой давлений).
2) Смеси из жидкостей, нерастворимых друг в друге.
3) Смеси частично растворимых жидкостей /9, с. 343/
Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны, которые отличаются в основном конструкцией внутреннего устройства (насадки и тарелки), назначение которого - обеспечение взаимодействия жидкости и пара.. /6 , с. 246/
1.2 СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АППАРАТОВ
Для ректификации применяют практически исключительно аппараты колонного типа - насадочные и барботажные ректификационные колонны.
В насадочных ректификационных колоннах для развития поверхности контакта фаз используют насадку - твердые тела, разнообразные по форме и размерам. Они изготовляются из различных материалов (металлов, керамики, пластических масс и др.). Насадочные ректификационные колонны обычно применяют с кольцевой насадкой. Чаще используют керамические кольца Рашига и седлообразные насадки, в неагрессивных средах используют деревянную хордовую насадку (рисунок 1). Насадка из колец Рашига (рисунок 1 а) имеет наиболее широкое применение. Тонкостенные кольца Рашига имеют высоту, равную диаметру, которая изменяется в пределах 15 - 150 мм. Кольца малых размеров засыпают в колонну навалом. Большие кольца (от 50 * 50 мм и выше) укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга. Такой способ заполнения аппарата насадкой называется загрузкой в укладку, а загружаюемую таким способом насадку - регулярной.
В насадочных колоннах в укрепляющей части колонны количествожидкости меньше количестваподнимающихся паров на количество отводимого дистиллята, в исчерпывающей части колонны количество вводимой жидкости больше, чем в укрепляющей на количество вводимой смеси.
Неравномерное распределение жидкости по сечению колонны может привести к недостаточно четкому разделению компонентов, особенно при большом диаметре колонны. Низкое гидравлическое сопротивление насадочных колонн существенно лишь при ректификации в вакууме.
В насадочных колоннах пловерхность контакта фаз является смоченная поверхность насадки, поэтому насадка должна иметь возможно большую поверхность в единице объема. Вместе с тем, для эффективной работы она должна удовлетворять следующим требованиям: 1) хорошо смачи-ваться орошающей жидкостью; 2) оказывать малое гидравлическое сопротивление паровому патоку; 3) создавать возможность для высоких нагрузок аппарата по жидкости и пару; 4) иметь малую плотность; 5) равномерно распределять орошающую жидкость; 6) быть стойкой к агрессивным средам; 7) обладать высокой механической прочностью; 8) иметь невысокую стоимост ь.
а б г в
А) насадка из колец Рашига; б) седла Берля; в) шары; г) хордовая насадка
Рисунок 1 - виды насадок
В насадочных колоннах (рисунок 2) насадка укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа или стока жидкости, которая с помощью распределителя (разбрызгивателя) 4 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерное распределение жидкости по сечению колонны не достигается, поскольку из-за разного гидравлического сопротивления насадки и влияния пристеночных эффектов, она имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2 - 3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределитель жидкости 3.
В зависимости от скорости подаваемого в насадочную колонну газа (расход жидкости при этом постоянен), различают четыре гидродинамических режима ее работы:
I. Пленочный режим характеризуется тем, что практически вся жидкость стекает по поверхности насадки в виде пленки.
II. Подвисание характеризуется увеличением сил трения газа о жидкость на поверхности соприкосновения фаз. В результате спокойное течение пленки нарушается - появляются завихрения, брызги.
III. Эмульгирование характеризуется накоплением жидкости в свободном объеме насадки. Накопление жидкости происходит до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимися по колонне парами не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке при этом наступает обращение (или инверсия) фаз (жидкость становится сплошной фазой, а пар - дисперсной). Гидравлическое сопротивление колонны резко возрастает, наступает “ захлебывание ” колонны .
IV. Унос жидкости паровым потоко м, на практике не используется.
Недостатком насадочных колонн является то, что они малопригодны при работе с загрязненными жидкостями, а в случаях малых количеств орошающей жидкости не достигается полная смачиваемость насадки. Кроме того, в насадочных колоннах затруднен отвод теплоты, выделяющейся при поглощении пара.
1- насадка; 2-опорная решетка; 3- перераспределитель жидкости; 4- разбрызгиватель; 5- гидрозатвор.
Рисунок 2. Схема насадочной колонны
Насадочные ректификационные колонны небольшого диаметра (до 1 м) применяют при ректификации в вакууме и для разделения химически агрессивных веществ. Длительный опыт промышленной эксплуатации насадочных колонн показал целесообразность их использования при диаметрах не более 0,8 м , при дальнейшем увеличении диаметра насадочной колонны ухудшается равномерное распределение флегмы по насадке, образуются каналы, по которым преимущественно устремляется флегма, и эффекти вность колонны резко снижается.
Барботажные ректификационные колонны применяют с колпачковыми, ситчатыми и про-вальными тарелками. Тарелки бывают со сливными устройствами и без них.
К первой группе относятся колпачковые, ситчатые, клапанные и другие, ко второй группе - провальные.
Значительное сопротивление6 барботажных колонн при ректификации обычно несущественно (кроме ректификации в вакууме), так как повышает давление и следовательно, температуру кипения в нижней части колонны и не связано с дополнительным расходом энергии.
Барботажные колонны являются наиболее распространенными ректификационными аппаратами благодаря возможности разделения в них компонентов с любой степенью четкости.
Колонны с ситчатой и провальными тарелками применяют в установках, работающих с постоянной нагрузкой.
Ситчатые тарелки (рисунок 3) представляют собой перфорированные диски с большим числом отверстий диаметром 2 - 8 мм, которые равномерно просверлены по всей поверхности.
Уровень жидкости на тарелке 1 поддерживается переливным устройством 2, высота слоя жидкости составляет 25 - 30мм. Пар проходит через отверстия тарелки и барботирует через слой жидкости (распределяется в слое жидкости в виде мелких струек и пузырьков).
При слишком малой скорости пара его давление не может удержать слой жидкости, соответствующий высоте перелива, и жидкость может просачиваться (или “проваливаться”) через отверстия тарелки на нижерасположенную тарелку, что приводит к существенному снижению движущей силы процесса. Поэтому пар должен двигаться с определенной скоростью и иметь дав ление, достаточно для того, чтобы преодолеть давление слоя жидкости на тарелке и предотвратить стекание жидкости через отверстия тарелки. Однако при слишком больших нагрузках жидкость будет уноситься потоком пара на вышележащие тарелки.
Ситчатые тарелки обладают более узким диапазоном работы по сравнению с колпачковыми и отверстия в тарелках могут легко засоряться, но отличаются простотой устройства, низким гидравлическим сопротивлением, легкостью монтажа, осмотра и ремонта. КПД ситчатых тарелок равен 0,3 - 0,4.
1- тарелки; 2- переливные устройства; 3- гидрозатворы; 4-корпус колонны
Рисунок 3. Устройство ситчатых переточных тарелок
В провальных тарелках (рисунок 4) без сливных устройств пар и жидкость проходят через те же отверстия и щели. При том одновременно с взаимодействием фаз на тарелке происходит сток жидкости на нижерасположенную тарелку - “проваливание” жидкости. Поэтому тарелки такого типа называют провальными.
1 - колонна; 2-тарелки.
Рисунок 4. Устройство провальных тарелок
Гидродинамический режим работы провальных тарелок специфичны тем, что нормальная их работа возможна только после достижения определенной скорости пара.
На рисунке 5 приведены типы тарелок, на которых осуществляются интенсивные процессы взаимодействия газовой (паровой) и жидкой фаз. На тарелке с двумя зонами контакта фаз, газ (пар) дополнительно проходит через пленку жидкости при сливе с тарелки и барботирует через слой жидкости на тарелке.
Слой шаров на тарелке (ситчатой или провальной) помогает образовать плотную сепарирующую пленку жидкости между тарелками, благодаря чему скорость газа (пара) в колонне можно повысить в 3 - 4 раза по сравнению с ситчатыми тарелками.
При ректификации термически нестойких систем (в вакууме) применяют роторные аппараты, обеспечивающие разбрызгивание жидкой фазы. Они имеют низкое гидравлическое сопротивление, но требуют дополнительных затрат энергии на вращение ротора.
А) тарелки с двумя зонами контакта фаз; б) тарелки с подвижной шаровой насадкой
Рисунок 5. типы интенсивных контактных устройств
Интенсификация ректификационных установок осуществляется в основном за счет уменьшения энергетических затрат, а также с помощью организации интенсивных гидродинамических режимов и оптимальных условий массопередачи.
Энергетические затраты (на греющий пар и охлаждающую воду) могут быть уменьшены за счет: 1) хорошей термоизоляции ректификационной колонны; 2)работы при оптимальном (соответствующем минимуму суммарных затрат) флегмовом числе; 3) использования вторичных тепловых потоков (теплоты, уходящей из колонны с потоками дистиллята, кубового остатка, конденсата) на производственные нужды; 4) использования острого пара (в тех случаях, когда это допустимо) на нагрев куба и т.п.; 5) применения принципа термокомпрессии (теплового насоса);6) использования двух (или более) колонн при различных давлениях, например, для ректификации азеотропных смесей.
Кроме того, при проектировании ректификационных установок необходимо учитывать технологические особенности проведения процесса. При несогласованности механических, тепловых и технологических расчетов, проект может оказаться непригодным. /8, с. 363/
1.3 УСТРОЙСТВО ОСНОВНОГО АППАРАТА
Барботажная колонна с колпачковыми тарелками.
Сливные устройства - это специальные приспособления для перетока жидкости - сливные трубы, карманы. Их нижние концы погружены в жидкость н а нижерасположенных тарелках для создания гидрозатвора, предотвращающего прохождение пара через сливное устройство.
Жидкость подается сверху вниз, движется вдоль тарелки от одного сливного устройства к другому. Пар проходит снизу через прорези колпачков и затем попадает в слой жидкости на тарелке, высота которого регулируется высотой сливного порога.
а) две соседние тарелки; б) капсульный колпачок; в) формы капсульных клопачков; 1- тарелки; 2- газовые (паровые) патрубки; 3- круглые колпачки; 4- переточные перегородки (или трубы) с порогами; 5- гидравлические затворы; 6- корпус колонны
Рисунок 6. устройство колпачковой тарелки
При этом пар распределяется в жидкости в виде пузырьков и стрй, образуя слой пены, в котором происходит процесс ректификации. Эта пена нестабильна, и при выходе ее к сливному устройству жидкость осветляется.
В колоннах с колпачковыми тарелками (рисунок 6) находятся тарелки 1 с патрубками 2, закрытые сверху колпачками 3 (число колпачков на тарелке определяется ее конструкцией). Нижние края колпачков снабжены зубцами или прорезями в виде узких вертикальных щелей. Жидкость перетекает с тарелки на тарелку через переливные трубы 4. уровень жидкости на тарелке соответствует высоте, на которую верхние концы переливных труб выступают над тарелкой. Чтобы жидкость перетекала только по переливным трубам, а не через патрубки 2, верхние концы патрубков должны быть выше уровня жидкости. Нижние края колпачков погружены в жидкость так, чтобы уровень жидкости был выше верха прорезей.
Газ проходит по патрубкам 2 в пространство под колпачками и, выходя через отверстия между зубцами или через прорези в колпачках, барботирует через слой жидкости.
Чтобы газ не попадал в переливные трубы и не препятствовал таким образом нормальному перетоку жидкости с тарелки на тарелку, нижние концы переливных труб опущены ниже уровня жидкости. Благодаря этому создается гидрозатвор, предотвращающий прохождение газа через переливные трубы.
1 - тарелка; 2- патрубок; 3- колпачок; 4- переливная труба
Рисунок 7. Схема колонны с колпачковыми тарелками
По конструкции различают круглые колпачки и прямоугольные колпачки. Круглые колпачки имеют диаметр 80…100 мм, при работе с загрязненными жидкостями - до 200…300 мм. Ширина прямоугольных (т уннельных) колпачков 70…150 мм.
Недостатками колпачковых тарелок являются трудность сборки и монтажа, сложность изготовления, высокое гидравлическое сопротивление, необходимость установки режима расхода газовой фазы.
КПД колпачковой тарелки высокое 0,5 - 0,6. колпачковые тарелки более универсальны и используются при любом давлении как при устойчивых, так и при неустойчивых режимах работы. Нагрузка на сегментный перелив не должна превышть 40 м 3 / (м*ч).
1.4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОБВЯЗКА АППАРАТА ПО ГОСТ
1 - теплообменник; 2 - ректификационная колонна; 3 - дефлегматор;
4 - распределительный стакан; 5 - испаритель; 6 - сборник кубового остатка; 7 - центробежный насос
Рисунок 8. Ректификационная установка
1.5 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ АППАРАТА
1.5.1 Ректификационные колонны перед пуском должны быть осмотрены, проверена исправность и готовность к работе всех связанных с ними аппаратов и трубопроводов, исправность контрольно-измерительных приборов, регуляторов температуры и давления в колонне, измерителей уровня жидкости в нижней части колонны приемниках ректификата, ректификационных емкостях и емкостях остатка.
1.5.2 Пуск ректификационной установки в работу должен производиться строго в установленной последовательности, которая должна быть указана в технологической инструкции.
1.5.3 При работе ректификационной колонны необходимо непрерывно контролировать параметры процесса и исправность аппарата.
1.5.4 Для улавливания жидкости, которая может быть выброшена вместе с парами и газами через предохранительный клапан наружу на линии за предохранительном клапаном следует иметь сепаратор. Уровень жидкости в сепараторе не должен превышать установленного предела.
1.5.5 В зимнее время на открытых установках не реже одного раза в смену необходимо проверять состояние колонны, продуктопроводов, водяных линий, дренажных отростков на паропроводах и аппарата, спускных линий и т.п.
В этот период следует обеспечить непрерывное движение жидкости в коммуникациях для предотвращения их разрыва. Спускные и дренажные линии, а также наиболее опасные участки для подачи воды, щелочи, других замерзающих жидкостей должны быть утеплены.
1.5.6 Необходимо следить за тем, чтобы поврежденные участки теплоизоляции ректификационных колонн и их опор своевременно исправлялись. Теплоизоляция должна быть чистой, исправленной и выполнена так, чтобы при утечках не могли образовываться скрытые потоки жидкости по корпусу.
1.5.7 Чистку внутренней поверхности колонны следует вести осторожно неискрящими инструментами.
1.5.8 Отложения, снимаемые со стенок при очистке необходимо складывать в металлическую посуду и удалять из помещения или с установки.
1.5.9 При обнаружении утечки в ректификационных колоннах необходимо подать водяной пар или азот к местам пропуска для предотвращения возможного воспламенения или образования смесей взрывоопасных концентраций.
При возникновении аварии или пожара после снижения внутреннего давления в аппарате необходимо подать внутрь его водяной пар или азот.
1.5.10 В цехах или на открытых установках необходимо проверять наличие первичных средств пожаротушения и исправность имеющихся стационарных или полустационарных систем пожаротушения.
1.5.11 Колонные аппараты большой высоты (40м и более) должны быть обеспечены стационарными системами водяного или воздушно-пенного охлаждения и тушения, состояние и наличие которых должно систематически проверяться. /4; с. 25 - 27 /
1.6 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ ТРИХЛОРЭТАН С 2 Н 3 Сl 3
133,41
Температура кипения, t КИП , О С 1 13,9
Температура плавления, t ПЛ , О С -36,5
Плотность при 20 О С , с , кг/м 3 1440
1,113
Вязкость, µ , Па с 1,2 10 3
Поверхностное натяхение, у , Н/м 33 , 57 10 -3
Трихлорэтан - б есцветная летучая жидкость со сладковатым запахом, технический продукт летучая жидкость от бесцветного до желтоватого цвета.
Х орошо растворяется в спирте, эфире, углеводородах нефти; мало ратворим в воде. Вступает в реакции галогенирования, гидрохлорирования, дегидрохлорирования, хлоргидринирования . . /3; с. 58-59 /
1,2-ДИХЛОРЭТАН (этиленхлорид, хлористый этилен, сим-дихлорэтан)
С 4 H 4 Cl 2
Молекулярная масса, М, кмоль/кг 63,5
Температура кипения, t КИП , О С 83,47
Температура плавления, t ПЛ , О С 95,36
Плотность при, с , кг/м 3 1253
Удельная теплоемкость, с, Дж/кг К 1372
Вязкость, µ , Па с 0,417 1
Поверхностное натяхение, у , Н/м 22,5 10 -3
1,2-дихлорэтан - бесцветная летучая жидкость со сладковатым запахом. Технический продукт - бесцветная летучая жидкость. При влажности не менее 0,1% является гигроскопичной жидкостью. Легковоспламеняющаяся и токсичная жидкость. Хорошо растворяется в спирте, эфире, нефтяных углеводородах, плохо растворяется в воде. Вступает в реакции галогенирования, дегидрохлорирования, гидролиза, амманолиза, цианирования, этерефикации, алкилирования.
2 РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ
Исходные данные:
Производительность ректификационной колонны для разделения смеси трихлорэтан-дихлорэтан, кг/ч 8600
С одержание низкокипящего компонента:в сырье, % масс. 29
в кубовом остатке, % масс. 1
в дистилляте, % масс. 70
2.1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС
2.1.1 Перевод производительности в кг/с
2.1.2 Материальный баланс колонны рассчитываем согласно/2, с.114/ по формуле:
где F - количество исходной смеси, кг/с
Р - количество дистиллята, кг/с
W - количество кубовой жидкости, кг/с
2.1.3 Материальный баланс низкокипящего компонента :
F x F = P x P + W x W (2.2)
где x F , x P , x W - содержание низкокипящего компонента
в сырье, дистилляте, кубовом остатке, % масс.
Составим систему уравнений для нахождения количества исходной смеси и кубового остатка:
W = 3,51 кг/с
F = 5,91 кг/с
2.1.4 Выразим концентрации питания, дистиллята, кубового остатка в мольных долях:
2.1.5 Определим относительный расход питания колонны:
2.1.6 Расчет равновесног о состава жидкости и пара смеси
1,2-дихлорэтан-винилхлорид согласно :
|
t , 0 С |
|||
2.1.7 Найдем минимальное флегмовое число согласно /1;с.250/ по формуле:
(2.8)
2.1.8 Найдем рабочее флегмовое число согласно /1;с.250/ по формуле:
R раб = ( 1, 5…2,5) R min (2.9)
R раб = 2,5 2,64 = 6 ,6
2.1.9 Отрезок B , отсекаемый на оси OY рабочей линии, рассчитываем согласно / 1 , с. 254 / по формуле:
2.2 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС
2.2.1 Тепловой баланс ректификационной колонны рассчитывается по формуле:
Q F + Q Ф + Q под = Q G + Q W + Q пот (2.11)
где Q F - теплота, подводимая с исходной смесью;
Q Ф - теплота, подводимая с флегмой;
Q под - теплота, подводимая с греющим паром;
Q G - теплота, отводимая с парами дистиллята;
Q W - теплота, отводимая с кубовым остатком;
Q пот - потери теплоты в окружающую среду;
2.2.2 Для выполнения тепловых расчетов определим температуры кипения исходной смеси, дистиллята и кубового остатка по диаграмме t-x,y:
t F = 74,9 o C
t P = 72,4 o C
t W = 80,65 o C
2.2.3 Определим теплоемкости дистиллята (флегмы) , кубового остатка и исходной смеси согласно /1, с.21/ по формулам:
с P = с НК х Р + с ВК (1- х Р ) (2.12)
с W = с НК х W + с ВК (1- х W ) (2.13)
с F = с НК х F + с ВК (1- х F ) (2.14)
с = 1379 0,78 + 1113 0,014 = 1091,20 Дж/кг К
с W = 1 379 0,38 + 1113 0,38 = 946,96 Дж/кг К
с F = 1379 0,014 + 1113 0,78 = 887,45 Дж/кг К
2.2.4 Определим теплоту парообразования дистиллята ( флегмы ) согласно /1; с.261/ по формуле:
r Р = r НК х Р + r ВК (1- х Р ) (2.15)
r Р = 323400 0, 78 + 276100 (1-0,78) = 312994 Дж/кг
2.2.5 Определим энтальпию пара, выходящего из колонны согласно /1; с. 261/ по формуле :
I = r Ф + c Ф t Ф = r Р + с P t P (2.16)
I = 312994 + 1091,20 72,4 = 391996,88 Дж/кг
2.2.6 Определим теплоту, подводимую с исходной смесью согласно /1; с.260/ по формуле:
Q F = F с F t F (2.17)
Q F = 5,91 946,96 74,79 = 419180,37 Вт
2.2.7 Определим теплоту, подводимую с флегмой согласно /1; с.260/по формуле :
Q Ф = Ф c Ф t Ф ( 2 .18)
где Ф - количество флегмы;
Ф = Р R раб (2.19)
Ф = 2,4 6,6 = 15,84 кг/с
Q Ф = 2,4 1091,20 72,4 = 189606,91 Вт
2.2.8 Определим теплоту, отводимую с кубовым остатком согласно /1; с.260/ по формуле:
Q W = W с W t W (2.20)
Q W = 3,51 946,96 80,65 = 251220,68 Вт
2.2.9 Определим теплоту, отводимую с парами дистиллята из колонны согласно /1; с.260/ по формуле :
Q G = G I (2.21)
где G - количество пара, поднимающегося вверх по колонне;
G = P + Ф (2.22)
G = 2,4 + 15,84 = 18,24 кг/с
Q G = 18,24 391996,88 = 7150023,09 Вт
2.2.10 Определим расход подводимого тепла по формуле:
Q под = Q G + Q W + Q пот - Q F - Q Ф
где Q пот = 0,02 Q под
Q под = Q G + Q W + 0,02 Q под - Q F - Q Ф
Q под - 0,02 Q под = Q G + Q W - Q F - Q Ф
0,98 Q под = Q G + Q W - Q F - Q Ф
2.2.11 Определим количество потерь теплоты в окружающую среду:
Q пот = 0,02 Q под (2.23)
Q пот = 0,02 6931078,05 = 138621,56 Вт
2.2.12 Составим таблицу
Таблица 1 . Тепловой баланс ректификации
|
Приход, Вт |
Расход, Вт |
|||
|
419180,37 |
||||
|
Q под |
Q пот |
|||
2.3 КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ
2.3.1 Определим средние концентрации жидкости согласно /1; с.258/по формулам:
в верхней части колонны:
в нижней части колонны:
2.3.2 Опре делим средние концентрации пара согласно /1; с. 258/по формулам :
в верхней части колонны:
в нижней части колонны:
2.3.3 Определим средние температуры пара
в верней части колонны t в.ср = 73,65 о С
в нижней части колонны t н.ср = 77,78 о С
2.3.4 Определим средние мольные массы пара согласно /1; с. 258/по формулам :
в верней части колонны:
M в . ср = y В . ср М НК + (1- y в . ср ) М ВК (2.28)
M в.ср = 0,97 99 + (1-0,99 ) 133,5 = 100,035 кг/кмоль
в нижней части колонны:
M н . ср = y н . ср М НК + (1- y н . ср ) М ВК (2.29)
M н.ср = 0,38 99 + (1-0,387 ) 133,5 = 120,15 кг/кмоль
2.3.5 Определим плотность пара согласно по формулам:
в верхней части колонны
в нижней части колонны:
2.3.6 Определим среднюю плотность пара в колонне по формуле:
2.3.7 Определим среднюю плотность жидкости в колонне:
2.3.8 Определим скорость пара в колонне согласно по формуле:
2.3.9 Определим объемный расход, проходящего через колонну пара при средней температуре согласно по формуле:
2.3.10 Определим диаметр колонны согласно по формуле :
2.3.11 Определим число тарелок согласно /1; с.223/ по формуле:
где n т - число теоретических тарелок (по диаграмме у-х);
? = (0,3….0,9)
2.3.12 Определим рабочую высоту колонны согласно /1; с.223/ по формуле:
Н раб = n h (2.38)
где h = (0,2…0,8)
Н раб = 33 0,3 = 9,9 м
2.3.13 Определим общую высоту колонны согласно /1; с.223/по формуле :
Н общ = Н раб + Н крыш + Н дни (2.39)
Н общ = 9,9 + 1,5 + 1,5 = 12,9 м
2.3.14 Определим диаметры штуцеров колонны по формуле:
d F УСЛ = 2 00 мм
d Ф УСЛ = 2 00 мм
= 3,811 5) = 0,45 м
d G УСЛ = 45 0 мм
d W УСЛ = 2 00 мм
На основе рассчитанных данных, выбираем ректификационную колонну с колпачковыми тарелками согласно:
Диаметр, мм
Число тарелок, шт.3 3
Характеристика колпачковой тарелки по ОСТ 26-808-73 :
Тип тарелки ТСК-Р
Свободное сечение, м 2
Длина линии барботажа, м
Периметр слива, м
Площадь слива, м 2
Площадь паровых патрубков, м 2
Относительная площадь для прохода паров, %
Число колпачков
Диаметр колпачка, мм
Высота колпачка, мм
Масса колпачка, кг
2.4 РАСЧЕТ И ПОДБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Исходные данные:
Расчёт куба испарителя колонны разделения смеси дихлорэтан - трихлорэтан
производительностью по дистилляту , кг /ч 8600
Количество подводимого тепла, Вт 6931078,05
Температура горячего теплоносителя, о С 110
Начальная температура холодного теплоносителя, о С 20
Конечная температура холодного теплоносителя, о С 8 4
t б = 90 о С t м = 26 о С
2.4.1 Рассчитываем средний температурный напор:
т.к , то рассчитываем средний температурный напор согласно/1; с.67/ по следующей формуле:
2.4.2 Определим поверхность теплообмена согласно /1; с.64 /по формуле :
где k - коэффициент теплопередачи, Вт/м 2 К
k ор = 120…300 Вт/м 2 К
На основе рассчитанных данных подбираем куб испаритель согласно по ГОСТ 14-248-79:
Диаметр кожуха, мм 6 00
Диаметр труб, мм 25 х 2
Число ходов 6
Длина труб, м 2
Поверхность теплообмена, м 2 31
Площадь сечения одного хода по трубам, м 2 0,0 11
Общее число труб, шт. 196
Список используемой литературы
1. Иоффе И.Л., Проектирование процессов и аппаратов химической технологии . М.: Химия, 1991 , 352 с.
2. Баранов Д.А., Кутепов А.М. Процессы и аппараты. М.: Издательский центр «Академия» , 2004, 304 с.
3. Ошин Л.А., Промышленные хлорорганические продукты. Справочник. М .: Химия. 1978 .
4., Правила пожарной безопасности при эксплуатации предприятий химической промышленности, М.: МинХимПром, 1981
5 . Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З., процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1968.
6. Савинский Э. С., Химизация народного хозяйства и пропорции развития химической промышленности, М., 1972
7. Дытнерский Ю.А., Процессы и аппараты химической технологии. 2-е изд., перераб. и дополн.- М.: Химия, 1991.
Подобные документы
Расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси ацетон-вода. Материальный баланс колонны. Скорость пара и диаметр колонны. Гидравлический расчет тарелок, определение их числа и высоты колонны. Тепловой расчет установки.
курсовая работа , добавлен 02.05.2011
Технологическая схема ректификационной установки для разделения смеси вода – уксусная кислота. Физико-химические характеристики продукта. Определение скорости пара и диаметра колонны. Технологический расчет аппарата. Физические свойства уксусной кислоты.
курсовая работа , добавлен 17.02.2015
Понятие и технологическая схема процесса ректификации, назначение ректификационных колонн. Расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения смеси бензол-толуол с определением основных геометрических размеров колонного аппарата.
курсовая работа , добавлен 17.01.2011
Рабочее флегмовое число, материальный баланс дихлорэтан-толуола. Расчет массовых расходов. Скорость пара, диаметр колонны. Кинетическая линия, коэффициент масоотдачи, высота сепарационного пространства. Выбор диаметров трубопроводов, расчет емкостей.
курсовая работа , добавлен 05.05.2014
Процесс ректификации. Технологическая схема ректификационной установки для разделения смеси диоксан–толуол. Расчет параметров дополнительных аппаратов для тарельчатой колонны. Выбор конструкционных материалов, расчет теплового и материального баланса.
курсовая работа , добавлен 30.11.2010
Конструкции ректификационных колонн, предназначенных для разделения жидких смесей различной температуры кипения. Выбор конструкционных материалов и расчет на прочность узлов и деталей ректификационной колонны. Демонтаж, монтаж и ремонт оборудования.
курсовая работа , добавлен 01.04.2011
Технологическая схема тарельчатой ситчатой ректификационной колонны. Свойства рабочих сред. Материальный баланс, определение рабочего флегмового числа. Расчет гидравлического сопротивления насадки. Тепловой расчет установки, холодильника дистиллята.
курсовая работа , добавлен 25.09.2014
Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси "вода - уксусная кислота". Технологическая схема и ее описание. Подбор конструкционного материала. Подробный расчет ректификационной колонны и холодильника дистиллята.
Министерство по науке и образованию РФ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Тихоокеанский государственный университет
Кафедра химической технологии материалов
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту по дисциплине:
Химическая технология топлива и углеродных материалов
РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ
Хабаровск - 2013
РЕФЕРАТ
Курсовой проект на тему: Расчет ректификационной колонны содержит 4 рисунка, 5 таблиц, 3 чертежа формата А1, 6 приложений, 7 литературных источников.
ректификация, материальный баланс, флегмовое число, дефлегматор, число тарелок, диаграмма фазового равновесия, гидравлический расчет, брызгоунос
Объектом исследований является ректификационная колонна непрерывного действия с клапанными тарелками для разделения смеси этиловый спирт - вода. Цель работы - провести технологические и конструкторские расчеты для определения основных параметров ректификационной колонны; выполнить чертежи ректификационной колонны и клапанной тарелки, содержащие виды и разрезы, поясняющие устройство спроектированной конструкции.
ВВЕДЕНИЕ Расчет ректификационной колонны 1 Составление материального баланса 3 Построение диаграммы фазового равновесия 5 Определение расхода пара и флегмы 6 Тепловой баланс колонны 7 Гидравлический расчет 1.7.1 Определение линейной скорости паров 1.7.2 Расчет верхней части колонны 7.3 Расчет нижней части колонны 1.7.4 Расчет скорости пара 7.6 Определение реального числа тарелок 1.7.7 Определение высоты колонны 1.8 Определение диаметров штуцеров 9 Определение толщины тепловой изоляции ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПРИЛОЖЕНИЕ А(основное) ПРИЛОЖЕНИЕ Б (основное) ПРИЛОЖЕНИЕ В (основное) ПРИЛОЖЕНИЕ Г (основное) ПРИЛОЖЕНИЕ Д (основное) ПРИЛОЖЕНИЕ Е (основное) ВВЕДЕНИЕ
В ряде химических, нефтяных, пищевых и других отра-слях производства в результате различных технологических процессов получают смеси жидкостей, которые необходимо раз-делить на составные части. Для разделения смесей жидкостей и газовых смесей в промышленности применяют способ простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, молекулярной перегонки и ректификации. Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в другой. Ректификацией называется процесс разделения жидкой смеси на компоненты, при этом происходит массообмен, т.е. переход вещества из жидкой фазы в паровую и наоборот. Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, состо-ящую из нижней части, в которой происходит удаление легко-летучего компонента, из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, в которой происходит удаление легко-летучего компонента, его насыщение, дефлегматор (обычно представляет собой кожухотрубчатый теплообменник). В ряде случаев в дефлегматоре происходит конденсация всех паров, вышедших из колонны. В концевом холодильнике дистиллят охлаждается до заданной температуры. Иногда в дефлегматоре конденсируется лишь часть паров для получения флегмы, а полная конденсация и охлаждение происходит в холодильнике.
РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ
Производительность колонны G = 12000 кг/ч; низкокипящий компонент (НКК) - этиловый спирт; высококипя-щий компонент (ВКК) - вода; концентрация НКК (в массовых долях) в сырье = 0,20, в дистилляте = 0,90, в кубовом остатке = 0,05; тип тарелки - клапанная.
1 Составление материального баланса колонны
Массовые расходы дистиллята G и кубового остатка G определяются соответственно по формулам:
G = 12000 = 2117,6 кг/ч, G = 12000 = 9882,4 кг/ч.
Проверка: 2117,6 + 9882,4.
После определения массового расхода дистиллята G и кубовой жидкости G находится массовый расход каждого компонента в дистилляте G и кубовом продукте G, мольный расход компонентов в продуктах разделения смеси N и N, а также мольный состав получаемых дистиллята и остатка. Массовые расходы этанола и воды в сырье, дистилляте и кубовом продукте определяются соответственно по формулам:
G = 12000 0,20 = 2400 кг/ч; G = 2117,6 0,90 = 1905,84 кг/ч; G = 9882,4 0,05 = 494,16 кг/ч; G = 12000 0,80 = 9600 кг/ч; G = 2117,6 0,10 = 211,76 кг/ч; G = 9882,4 0,95 = 9388,24 кг/ч.
Проверка:
211,76 + 9388,24
Мольные расходы этанола и воды в сырье, дистилляте и кубовом продукте рассчитываются по формулам:
N = = 52,2 кмоль/ч, N = = 41,5 кмоль/ч, N = = 10,7 кмоль/ч, N = = 533,3 кмоль/ч, N = = 11,9 кмоль/ч, N = = 521,6 кмоль/ч.
Проверка:
2 = 41,5 + 10,7, 3 = 11,9 + 521,6.
Мольные доли этанола и воды в сырье, дистилляте и кубовой жидкости определяются по формулам:
х = = 0,980.
Проверка:
089 + 0,911 = 1,0; 777 + 0,223 = 1,0; 020 + 0,980 = 1,0.
Материальный баланс колонны приведен в приложении А.
2 Определение давления в колонне
В данном курсовом проекте в верхнем продукте содержится 77,7% (мольных долей) этанола, поэтому температура кипения такой смеси будет незначительно отличаться от температуры кипения чистого этанола, которая при атмосферном давлении составляет 78,3оС. В этом случае в дефлегматоре для конденсации паров, поступающих с верха колонны, можно использовать воду. При этом нет необходимости значительно повышать давление в колонне по сравнению с атмосферным. В то же время температура кипения смеси в кубе колонны не может значительно отличатся от температуры кипения воды, так как содержание воды в кубовом продукте составляет 98% (мольных долей). Такая температура не вызовет затруднений при выборе теплоносителя для использования его в кипятильнике колонны. Поскольку при давлении в колонне, близком к атмосферному, обеспечиваются приемлемые значения температур верха и куба колонны, целесообразно принять давление на верху колонны несколько больше атмосферного для преодоления гидравлических сопротивлений в шлемовой трубе и дефлегматоре. Принимаем давление верха колонны = 115 кПа; число реальных тарелок в верхней части колонны n=10, в нижней части колонны -m=3; гидравлическое сопротивление тарелок в верхней части = 350 Па, в нижней части = 540 Па. Тогда давление в зоне питания и нижней части колонны в соответствии с формулами составит:
115 + 10∙0,350 = 118,5 кПа; 118,5 + 3∙0,540 = 120,1 кПа.
3 Построение диаграммы фазового равновесия в координатах у-х и t-x,y
Данные о равновесных составах паровой и жидкой фаз и температура кипения смесей представлены в приложении Б /1/, где х и у - содержание этанола в жидкой и паровой фазах соответственно, выраженное в мольных процентах. По данным приложения Б строятся диаграммы фазового равновесия в координатах у-х и t-x,у (приложение В). Давление в верху и в низу колонны отличаются от давления в зоне питания незначительно, поэтому по изобарным температурным кривым кипения и конденсации с достаточной точностью можно определить температуры в зоне питания t, на верху t и в кубе t колонны (приложение В рисунок В.1). Так как сырье поступает в колонну при температуре кипения (е=0), для нахождения температуры t достаточно из точки с абсциссой х = 0,089, соответствующей мольной доле этанола в сырье, восстановить перпендикуляр до пересечения с изобарной температурной кривой кипения. Температура в зоне питания составляет t = 87,0С. Аналогично определяется температура в кубе колонны t = 98,0С. Для определения температуры паров на верху колонны t из точки с абсциссой х, соответствующей мольной доле этанола в дистилляте, восстанавливается перпендикуляр до пересечения с изобарной температурной кривой конденсации. Температура на верху колонны составляет t = 78,3С.
4 Определение числа теоретических тарелок
Для бинарных смесей минимальное флегмовое число определяется по формуле:
где yF - мольная концентрация НКК в паре, равновесном с жидкостью питания; yD - мольная концентрация НКК в дистилляте, если в дефлегматоре конденсируется весь пар, У = X; х - мольная концентрация НКК в сырье.
Определение величины yF показано в приложении В на рисунке В.2 (у = 0,409). Подставляя численные значения в формулу (14), получим:
R = = 1,28.
В простейших случаях значение флегмового числа определяется из соотношения где β - коэффициент избытка флегмы.
Ориентировочно оптимальное флегмовое число можно определить как минимум функции ƒ(R) (приложение Г рисунок Г.1).
Функция ƒ(R) определяется соотношением
ƒ(R) = n(R+1),(16)
где n- число теоретических тарелок в колонне. Расчет оптимального флегмового числа показан в таблице 1.
Таблица 1 Расчет оптимального флегмового числа Rnn(R+1)1,251,62359,81,531,961853,31,952,501552,42,102,691347,92,202,821349,62,302,941351,22,403,071352,92,703,461253,5 На рисунке Г.1 приложения Г видно, что минимуму функции ƒ(R) соответствует точка А, абсцисса которой и определяет значение оптимального флегмового числа R= 2,69. В случае ректификации бинарных смесей для расчета числа теоретических тарелок n широко используется графический метод Мак-Кэба и Тиле. По этому методу на диаграмму фазового равновесия в координатах у - х, приведенную в приложении В на рисунке В.2, наносятся рабочие линии верхней АД и нижней СД частей колонны. Между линией равновесия и рабочими линиями колонны вписываются теоретические ступени изменения концентрации. Число вписанных ступеней концентрации и равно теоретическому числу тарелок n. Рабочая линия верхней части колонны АД наносится на диаграмму у-х в соответствии с формулой:
ун = х,(18)
где ƒ = - относительный (на 1 кмоль дистиллята) мольный расход сырья; х - мольная концентрация низкокипящего компонента в кубовой жидкости. На рисунке Д.1 приложения Д показано определение числа теоретических тарелок для оптимального флегмового числа. Подставляя численные значения в формулу (17), получим:
ув = = 0,729х+0,222.
Подставляя численные значения в формулу (18), получим:
ун = = 3,324х-0,009; ƒ = = 9,576.
Число теоретических тарелок в верхней части колонны n= 10 (не считая ступень, огибающую точку Д). В нижней части колонны с учетом того, что роль одной тарелки выполняет кипятильник, число теоретических тарелок m= 3.
5 Определение расходов пара и флегмы в колонне
Жидкий поток, вносимый в колонну сырьём, определяется по формуле (e = 0):
G(1-e)=12000кг/ч. (19)
Массовый расход пара в верхней части колонны определяется по формуле:
G = G(R+1) = 2117,6 (2,69 + 1) = 7813,94 кг/ч.(20)
Так как все сырье поступает в жидкой фазе, то: G=0, G=G=G= 7813,94 кг/ч.(21)
Массовый расход флегмы, поступающей в зону питания:
g = RG = 2,69∙2117,6 = 5696,34 кг/ч.(22)
Массовый расход флегмы, поступающей в нижнюю часть колонны:
g = g0 + gn = 12000 + 5696,34 = 17696,34 кг/ч.(23)
Массовая концентрация НКК во флегме, поступающей на последнюю тарелку нижней части колонны (счет тарелок в нижней части колонны идет снизу вверх), определяется по формуле:
где - концентрация этанола в жидком потоке сырья по условию. Ориентировочно можно принять, что:
≈ 1,05·0,20 ≈ 0,21, 0,203.
Массовая концентрация НКК в паровом потоке, поднимающемся с последней тарелки нижней части колонны в зону питания:
0,396.(25)
Массовая концентрация НКК в паровом потоке, покидающем зону питания:
0,396.(26)
Проверка: 210 > 0,203 > 0,200 396 = 0,396
6 Тепловой баланс колонны
Принимаем температуру холодного испаряющегося орошения t=400С. Теплофизические свойства этанола и воды представлены в приложении Е. Тепловой поток, отводимый водой в дефлегматоре, рассчитывается по формуле:
при этом средние значения удельной теплоты испарения rD и удельной теплоемкости сD находятся по правилу аддитивности:
r= = 965,46 кДж/кг; (28) с = = 3,31 кДж/(кг∙К); (29) Q = = 2370,73 кВт.
Энтальпия сырья i, дистиллята i, кубовой жидкости i определяются по правилу аддитивности при соответству-ющей температуре:
i = (= 349,22 кДж/кг; (30) = (= 259,35 кДж/кг; (31) = (= 415,06 кДж/кг. (32)
С учетом тепловых потерь, принятых равными 4% от полезно используемого расхода теплоты, тепловой поток в кипятильнике рассчитывается по формуле:
Q = =2598,54 кВт.
В качестве теплоносителя в кипятильнике колонны принимаем насыщенный водяной пар с абсолютным давлением 0,294 МПа (3 атм) и степенью сухости =95%. Такой пар имеет температуру 132,9С, энтальпию I=2730 кДж/кг; энтальпия конденсата I=558,9 кДж/кг /2/. Расход водяного пара G в кипятильнике колонны рассчитывается по формуле:
Gт = ,(35)
где I, I- начальная и конечная энтальпия теплоносителя в кипятильнике соответственно.
Gт = = 1,26 кг/с.
Принимаем, что вода в дефлегматоре нагревается от t=25С до t=38C. Тогда расход воды в дефлегматоре рассчитывается по формуле:
iх.н., i х.к.- соответственно начальные и конечные энтальпии хладагента в дефлегматоре.
G = = 43,6 кг/с 0,0436 м/с 156,96 м/ч.
Массовый расход холодного испаряющегося орошения рассчитывается по формуле:
где I - энтальпия пара, поступающего в дефлегматор при температуре t; i - энтальпия флегмы при температуре tХ.
4835,61 кг/ч.
Энтальпия паров I и флегмы i определяется по правилу аддитивности:
I = = 1254,47 кДж/кг; (37) = = 117,16 кДж/кг. (38)
Массовый расход горячего орошения, стекающего с 1-ой тарелки верхней части колонны:
4835,61+ = 5397,48 кг/ч
Проверка:
Гидравлический расчет ректификации колонны включает: 1.выбор типа и конструкции контактного устройства (тарелки или насадки);
2.определение скорости пара и диаметра колонны;
.определение основных размеров контактных и переливных устройств;
.расчет гидравлического сопротивления контактных устройств;
.проверку работоспособности контактных устройств;
.определение эффективности контактных устройств, включающее расчет числа реальных тарелок и общей высоты колонны.
7.1 Определение линейной скорости паров Средние мольная В и массовая концентрации НКК в флегме в верхней части колонны:
Средние мольная и массовая концентрации НКК в флегме нижней части колонны:
0,125.
Средние мольные концентрации низкокипящего компонента в паре находятся по уравнениям рабочих линий колонны (17)-(18): для верхней части колонны:
у = = 0,550;
для нижней части колонны:
у = = 0,300.
Средние температуры пара в концентрационной tВ и отгонной tН частях колонны определяются для средних концентраций пара уВ и уН по изобарным температурным кривым кипения и конденсации смеси этанол - вода (приложение В рисунок В.1):
t= 82,3 0С; tН = 91,2 0С. Средние молярные массы пара в верхней М и нижней М частях колонны:
М = = 33,4 кг/кмоль; М = = 26,4 кг/кмоль.
Средние давления в верхней и нижней частях колонны:
116,8 кПа; 119,3 кПа..
Средние плотности пара в верхней и нижней частях колонны:
1,32 кг/м; 1,04 кг/м.
Средние плотности флегмы в верхней и нижней частях колонны:
Откуда = 821,3 кг/м; Откуда = 931,8 кг/м.
Средние объемные расходы пара в верхней Vв и нижней Vн частях колонны:
Vв = = 1,64 м/с; V = = 2,09 м/с.
Максимально допустимая линейная скорость пара в верхней и нижней частях колонны определяются по уравнению (40). Принимаем расстояние между клапанными тарелками h = 0,4 м /3/. Значение коэффициента С, входящего в уравнение, определяем по графику /2/.
где ρ, ρ - плотности жидкости и пара.
0,058 = 1,45 м/с; 0,058 = 1,74 м/с.
Диаметр колонны в верхней D и нижней D частях рассчитывается по формуле:
где V - объемный расход паровой фазы в колонне.
D = = 1,30 м.
Поскольку диаметры обеих частей колонны близки, принимаем диаметр колонны D одинаковым, для всего аппарата. В соответствии с нормальным рядом диаметров колонн (ГОСТ 9617-76) принимаем D = 1,4 м. Фактическая скорость пара в верхней и нижней частях колонны в соответствии с уравнением (39) составит:
1,36 м/с.
По ОСТ 26-666 - 72 принимаем следующие размеры клапанной тарелки: ширина щели b = 6 мм, шаг щелей t = 24 мм, высота тарелки s = 4 мм; свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) - 14 % от общей площади тарелки; материал - углеродистая сталь.
7.2 Расчет верхней части колонны Скорость пара в отверстиях тарелок: 7,57 м/с.
Коэффициент сопротивления неорошаемых клапанных таре-лок = 1,75 /4/. Тогда гидравлическое сопротивление сухой тарелки рассчитывается по формуле:
1,75 = 66 Па.(43)
Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:
6,2 Па.(44)
Периметр сливной перегородки П = 1,13 м [ОСТ 26-01-108-85]. Принимаем отношение плотности парожидкостного слоя (пены) на тарелке к плотности жидкости = 0,5. Средний объемный расход флегмы в верхней части колонны:
V = = = 0,0019 м/ч. (45)
Высота слоя над сливной перегородкой:
0,016 м. (46)
Высота парожидкостного слоя на тарелке:
h = h+h = 0,04+0,016 = 0,056 м. (47)
Сопротивление парожидкостного слоя:
293,3 Па.(48)
Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:
82+6,2+293,3 = 381,5 Па. (49) Расчет нижней части колонны проводится аналогично расчету верхней части колонны:
0,0052 м/с; 0,04+0,03 = 0,07 м; 415,9 Па.
Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:
104,2+22,0+415,9 = 542,1 Па.
Проверим, соблюдается ли при h=0,4 м необходимое условие для нормальной работы тарелок по формуле:
для тарелок верхней части колонны:
4 = 0,09 м;
для тарелок нижней части колонны:
4 = 0,11 м.
Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается, и расстояние между тарелками h = 0,4 м обеспечивает нормальную работу переливных устройств.
1.7.4 Расчет скорости пара Рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях, достаточную для того, чтобы решетчатая тарелка работала всеми отверстиями, по формуле:
для верхней части колонны:
0,67 = 7,36 м/с;
для нижней части колонны:
0,67 = 9,56 м/с.
Фактические скорости в отверстиях тарелок отв и отв больше минимальных и, следовательно, все отверстия тарелок будут работать равномерно.
1.7.5 Расчет величины брызгоуноса Рассчитываем величину брызгоуноса еу отдельно для верхней и нижней частей колонны.
Для верхней части колонны: Средняя вязкость паров определяется по формуле:
Здесь MHKK,HKK - соответственно относительная молекулярная масса и вязкость паров этилового спирта; Мвкк,вкк - соответственно относительная молекулярная масса и вязкость паров воды. Величина межтарельчатого уноса жидкости еу определяется по формуле:
еу = ,(53)
где A, - коэффициенты; для h0,4 м А = 0,159, = 0,95. = 0,9; h- глубина барботажа, для решетчатых тарелок h h=0,04 м; Скорость пара в колонне; Эффективная рабочая площадь тарелки, для отношения П/D = 1,13/1,4 = 0,81 = 0,63. Величина S определяется из уравнения:
где,- соответственно поверхностное натяжение и плотность жидкости; Соответственно вязкость и плотность пара.
е = = 0,0074 кг жидкости/на кг пара.
Аналогично для нижней части колонны найдена величина брызгоуноса еу = 0,0021 кг жидкости/кг пара. ректификационный колонна конструкторский тепловой
1.7.6 Определение реального числа тарелок Коэффициент относительной летучести для средней температуры в верхней части колонны составляет:
Вязкость флегмы:
lg = lg0,42+lg0,35, Находим по графику /2/ = 0,52. Аналогично находится коэффициент полезного действия в нижней части колонны = 0,55. Число реальных тарелок в верхней n и нижней m частях колонны рассчитываются по формуле:
n = 20, m = 6.
7.7 Определение высоты колонны Число реальных тарелок и расстояние между ними h определяет высоту тарельчатой части колонны h и h:
h + h = (n - 2)h(56) Высота зоны питания h3n и расстояние от крышки до первой тарелки концентрационной части hB определяются конструктивно: hв=1-2 м,
h3n ≈ 2h ≈ 2∙0,4 = 0,8
Расстояние от днища до первой тарелки отгонной части hH рассчитывается исходя из условия запаса для 15-20-минутной работы насоса, откачивающего кубовую жидкость, в случае прекращения поступления сырья в колонну: hH ≈ 2-2,5м.
Высота опоры колонны hо рассчитывается в зависимости от диаметра колонны:
hо = (1-2)D = 2∙1,4 = 2,8 м. (57)
Рассчитанные значения гидравлического сопротивления тарелок = 381,5 Па и = 542,1 Па незначительно отличаются от принятых в начале расчета (соответственно 350 и 540 Па), поэтому никакие корректировки в расчет колонны вносить не следует. Высота колонны в определяется по формуле:
H = h+h+h+h+h+h(58) 8 Определение диаметров штуцеров
Плотности жидких продуктов холодного орошения х, сырья и кубового остатка рассчитываются в зависимости от температуры и состава:
Откуда= 786 кг/м; Откуда = 908 кг/м; Откуда = 955 кг/м.
Плотности паров, поступающих из кипятильника колонны, и паров, уходящих с верха колонны, рассчитываются при соответствующих температурах и давлениях:
0,703 кг/м; 1,610 кг/м.
Диаметр штуцера dш зависит от допустимой скорости потока ωдоп и определяется как диаметр колонны из уравнения объемного расхода по формуле:
где Vn - объемный расход потока в трубопроводе. Диаметр штуцера А для выхода паров из колонны в дефлегматор:
d = = 0,31 м.
Принимаем по ГОСТ 12821-80: dA =350 мм Диаметр штуцера В для входа холодного орошения:
d = = 0,041 м.
Принимаем по ГОСТ 12821-80: dB =50 мм. Диаметр штуцера С для ввода сырья:
d = = 0,054 м.
Принимаем по ГОСТ 12821-80: dc = 65 мм. Диаметр штуцера К для вывода, кубовой жидкости в кипятильник колонны:
d = = 0,11 м.
Принимаем по ГОСТ 12821-80: dK = 125 мм. Диаметр штуцера Е для ввода паров из кипятильника колонны:
d = = 0,47 м
Принимаем по ГОСТ 12821-80: dE = 500 мм.
9 Определение толщины тепловой изоляции колонны
Толщина изоляции δ должна быть такой, чтобы температура на внешней поверхности изоляции t при температуре окружающей среды t= 25С не превышала в помещениях 48С, а на открытом воздухе 60 °С. Допускаемый тепловой поток с наружной поверхности изоляции qnoт зависит от температуры на внутренней поверхности изоляции t. Выбираем в качестве теплоизоляционного материала стеклянную вату, для которой коэффициент теплопроводности =0,05 Вт/(). Принимаем температуру на внутренней поверхности изоляции равной tcm1 = 99°С, на наружной поверхности изоляции tcm2 = минус 9°С для зимних условий. Температуру окружающей среды для зимних условий принимаем tcp = минус 20°С, для летних условий t"cp = 18°С. Считаем, что тепловые потери зимой составляют qnoт = 115 Вт/м2. Так как диаметр колонны является достаточно большим (D = 1,4 м), для расчета толщины изоляции можно воспользоваться формулой (60) для плоской стенки, предполагая, что DBН/DH > 0,5:
qnoт = ,(60)
где λ - коэффициент теплопроводности материала изоляции; α - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции к окружающей среде; D D - наружный и внутренний диаметры изоляции. Коэффициент α рассчитывается по формуле:
α = 9,74+0,07(t-tcp).(61)
Зимние условия Из правой части уравнения (60) рассчитывается толщина изоляции:
9,74+0,07[-9-(-20)] = 10,51 Вт/().
Расчетное значение тепловых потерь qnoт.р находится по правой части соотношения (60):
q = 10,4[-9-(-20)]= 115,61 Вт/м.
Так как qnom qnom.p, никаких корректировок в значения ранее принятых температур вносить не надо. Проверим условие применимости уравнения (60), приняв толщину стенки колонны = 10 мм:
Принимаем толщину тепловой изоляции равной:=0,047 м Найдем температуру наружной поверхности изоляции cт2 для летних условий. Для этого преобразуем соотношение (60), подставив в него значение а из уравнения (61):
9,74(t- t)+0,07(t- t); 9,74(t-18)+0,07(t-18)
Находим t = 25°С. Такая температура: является допу-стимой. Летние условия Тепловые потери летом составляют величину:
78,7 Вт/м.
10 Определение площади поверхности теплопередачи кипятильника и дефлегматора
Кипятильник.Принимаем коэффициент теплопередачи от греющего пара к кипящей жидкости Кк =1200 Вт/() /2/. Расчетная площадь поверхности теплопередачи кипятильника F определяется по формуле: где Q - тепловая мощность (расход теплоты) аппарата; К - коэффициент теплопередачи в аппарате; ∆t - средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя в аппарате. Принимаем в качестве кипятильника кожухотрубчатый испаритель с паровым пространством, имеющий площадь поверхности теплообмена F = 100 м. Запас площади теплообмена кипятильника:
= ∙100 = 28%(63)
Дефлегматор.Расчетная площадь поверхности теплообмена в дефлегматоре Fдp складывается из площади поверхности, необходимой для конденсации паров, и площади поверхности, необходимой для охлаждения конденсата и определяется по формуле:
Принимаем коэффициент теплопередачи в зоне конденсации паров = 800 Вт/(), а в зоне охлаждения конденсата
560 Вт/() /2/.
Тепловой поток в зоне конденсации паров
2315,9 кВт. 302,8 кВт.
Проверка:
2315,9+302,8 = 2618,7 кВт.
Температуру в конце зоны конденсации паров можно найти по формуле:
25,4С.
Средняя разность температур в зоне конденсации паров и в зоне охлаждения конденсата:
30,1С.
Расчетная, площадь поверхности теплопередачи дефле-гматора:
F = = 96,8 м.
Принимаем в качестве дефлегматора одноходовой кожухотрубчатый теплообменник с площадью поверхности теплообмена: F=100 м. Запас площади теплообмена составляет:
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Процесс ректификации широко используется в переработке материалов общей химии и нефтехимии особенно. В обозримом будущем он сохранит свою актуальность, но следует отметить его высокую энергоемкость, что, видимо, рано или поздно скажется на области его применения. Показателем энергоемкости может служить тот факт, что нефтехимия на собственные нужды расходует от 8 до 12 % перерабатываемого сырья. В этой связи целесообразно привести результаты производственного опыта проектирования систем ректифика-ционного разделения смесей, которые позволят уменьшить эне-ргетические затраты процесса. При разделении смеси по температурам кипения компонентов в первую очередь отделяют самый низкокипящий компонент. Во вторую очередь отделяется компонент, находящийся в избытке по сравнению с другими компонентами. При разделении смеси необходимо соблюдать условие, когда в кубе и в верху колонны были бы примерно эквимолярные количества компонентов. Трудные разделения проводятся с минимальными количествами в конце схемы разделения. Вывод корродирующих компонентов должен быть осуще-ствлен как можно раньше. Существенным фактором уменьшения энергетических затрат процессом ректификации является вакуум (вернее, раз-режение), который способен смещать, уменьшать температуру кипения компонента, увеличивая при той же температуре его испарение. Лёгкость разделения компонентов при ректификации определяется величиной коэффициента относительной летучести. Для близкокипящих компонентов давления их насыщенных паров сближаются, что приводит к уменьшению коэффициента летучести. При коэффициенте летучести менее 1,05 разделение таких смесей обычной ректификацией становится затруднительным, так как при этом требуется большое число теоретических тарелок и большое флегмовое число. Если компоненты образуют азеотропную смесь, т.е. смесь, кипящую при определённой температуре и имеющую коэффициент относительной летучести, равный 1,0, то применение обычной ректификации не позволяет разделить смесь на индивидуальные компоненты. Для разделения близкокипящих компонентов и компонентов, образующих азеотропную смесь, применяют ректификацию в присутствии разделяющего компонента. Ректификация в присутствии разделяющего компонента в зависимости от летучести будет называться азеотропной или экстрактивной ректификацииией. Этот вид ректификации может применяться наряду с обычной ректификацией для уменьшения энергетических затрат процесса.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Коган В.Б., Фридман В.М., Кофаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. - М.: Наука, 1966.-900с. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов/под ред. П.Г. Романкова - 9-е изд., 1981.-560 с. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. - М. 1978.-227 с. Методические указания к расчету гидравлического сопротивления ректификационных аппаратов А.М. Черемисова. Н.В. Финаева, В.Н. Фролов 1983.-32 с. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию под ред. Ю.И. Дытнерского - 1983. - 273 с. Альперт Л.З. Основы проектирования химических установок. 1982.-303 с. Козлита А.Н., Устинов В.А. Ректификация/ методическое пособие / Комсомольск-на-Амуре. 2005.-68 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ А (основное)
Материальный баланс ректификационной колонны
Таблица А.1 Материальный баланс колонны КомпонентМолярная масса М, кг/кмольСырьеДистиллятКубовый остатокМассовый расход GiF, кг/чМассовая доляМольный расход NiF кмоль/чМольная доля XiFМассовый расход GiD, кг/чМассовая доля Мольный расход NiD кмоль/чМольная доля XiDМассовый расход Giw кг/чМассовая доляМольный расход Niw кмоль/чМольная доля XiwЭтанол4624000,2052,20,0891905,840,9041,50,777494,160,0510,70,05Вода1896000,80533,30,911211,760,1011,90,2239388,240,95521,60,95Сумма120001,0585,51,02117,61,053,41,09882,41,0532,31,0
ПРИЛОЖЕНИЕ Б (основное)
Таблица Б.1 Равновесные составы жидкости и пара при давлении =101 кПа t,Схуt,Сху1000,000,084,017,250,599,30,283,283,420,653,096,91,1811,383,021,052,796,01,3715,782,325,555,296,01,4413,582,028,456,795,61,7615,681,432,158,694,82,2218,681,532,458,693,82,4621,281,234,559,193,53,0223,180,940,561,492,93,3124,880,543,062,690,55,1931,880,244,963,390,55,3031,480,050,666,189,46,2533,979,554,567,388,46,7337,078,866,373,388,67,1536,278,573,577,687,28,7140,678,480,481,585,412,646,878,391,790,684,514,348,778,3100,0100,0
ПРИЛОЖЕНИЕ В (основное)
Диаграммы фазового равновесия в координатах у-х и t-х,у при давлении =101 кПа
Рисунок В.1 - Изобарные температурные кривые кипения и конденсации смеси этиловый спирт - вода
Рисунок В.2 - Диаграмма фазового равновесия бинарной смеси этанол - вода в координатах у-х
ПРИЛОЖЕНИЕ Г (основное)
Определение оптимального флегмового числа
Рисунок Г.1 - Определение оптимального флегмового числа.
ПРИЛОЖЕНИЕ Д (основное)
Определение числа теоретических тарелок в колонне
Рисунок Д.1 - Определение числа теоретических тарелок в колонне
ПРИЛОЖЕНИЕ Е (основное)
Теплофизические свойства воды и этилового спирта
Таблица Е.1 Теплофизические свойства воды СвойствоВодаТемпература,4078,482,387,091,299,0Удельная теплоемкость С, кДж/(кг*К)4,184,194,194,194,194,23Давление насыщеного пара Р, мм.рт.ст.389,6550,3Удельная теплота парообразования r, кДж/кг2312,7Плотность жидкости , кг/м992972,9970,4967,1964,2958,7Поверхностное натяжение , мН/м69,6562,8962,1761,3160,5359,08Вязкость пара , мПас0,0110,0120,0120,0130,0130,013Вязкость жидкости , мПас0,660,350,32
Таблица Е.2 Теплофизические свойства этилового спирта СвойствоЭтиловый спиртТемпература,4078,482,387,091,299,0Удельная теплоемкость С, кДж/(кг*К)2,793,213,273,313,373,48Давление насыщеного пара Р, мм.рт.ст.7001000Удельная теплота парообразования r, кДЖ/кг849,1Плотность жидкости , кг/м772736,5732,8728,4724,4717,0Поверхностное натяжение , мН/м20,617,09Вязкость пара , мПас0,00820,00900,00950,01000,01050,0112Вязкость жидкости , мПас0,830,420,37
Пропорциональное объёму ректификационной колонны (N – число ступеней изменения концентрации или теоретических тарелок...
Введение
Ректификация - это тепло и массообменный процесс, применяемый для разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения.
Процесс осуществляется при контактировании потоков пара и жидкости, которые имеют разные составы и температуры: пар имеет более высокую температуру, чем вступающая с ним в контакт жидкость .
Физическая сущность процесса ректификации заключается в двустороннем массо- и теплообмене между неравновесными потоками пара и жидкости при высокой турбулизации поверхности контактирующих фаз. В результате массообмена пар обогащается низкокипящими, а жидкость - высококипящими компонентами. При определённом числе контактов можно получить пары, состоящие в основном из низкокипящих, а жидкость - из высококипящих компонентов .
При достаточно большом времени контакта пар и жидкость могут достичь состояния равновесия.
В реальных условиях равновесие уходящих из контактной зоны потоков пара и жидкости может не достигаться.
Процесс ректификации может осуществляться по периодической и непрерывной схемам.
При периодической ректификации смесь разделяют на отдельные компоненты (или фракции, кипящие в определенном интервале температур) путём последовательного их отбора при изменяющихся во времени рабочих параметрах процесса.
Ректификация по непрерывной схеме позволяет одновременно получать два и более продуктов при стационарных условиях процесса .
Процесс ректификации осуществляют в аппаратах - ректификационных колоннах. Для создания потока паров в нижнюю часть колонны подводят тепло, а поток жидкости (орошения, флегмы) создают путём отвода тепла из верхней части колонны, конденсируя соответствующее количество паров.
Часть колонны, служащая для выделения низкокипящих компонентов, называется концентрационной, или укрепляющей, другая часть, в которой выделяются высококипящие компоненты, называется исчерпывающей, или отгонной. Между этими основными частями колонны находится место ввода сырья (тарелка питания, секция питания, эвапорационное пространство) .
В нефтеперерабатывающей промышленности в основном применяют ректификационные колонны непрерывного действия.
Различают простые и сложные колонны.
Простые колонны обеспечивают разделение исходной смеси (сырья) на два продукта: ректификат (дистиллят) - продукт, обогащенный низкокипящими компонентами, кубовый остаток - продукт, обогащенный высококипящими компонентами.
Для разделения многокомпонентных и непрерывных смесей требуется система колонн, каждая из которых разделяет поступающую смесь на соответствующие компоненты.
Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара (флегмовое число), число контактных ступеней. При соответствующем выборе этих параметров обеспечивается разделение исходной смеси на компоненты, удовлетворяющие определённым требованиям .
1. Технологическая схема процесса ректификации
Технологическая схема процесса ректификации приведена на рисунке 1.1.
Ректификационная колонна; 2- подогреватель; 3 - кипятильник; 4 - дефлегматор; 5 - холодильник; 6 - тарелка
Рисунок 1.1 - Технологическая схема процесса ректификации
Для непрерывного проведения ректификации необходимо, чтобы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с несколько большей концентрацией высококипящего компонента, чем в жидкой смеси. Поэтому исходную смесь подают в то место ректификационной колонны 1, которое соответствует этому условию. Место ввода исходной смеси, нагретой до температуры кипения в подогревателе 2, называют тарелкой питания. Поток пара, поднимающегося по ректификационной колонне, поддерживается испарением части кубовой жидкости в кипятильнике 3, а поток жидкости, текущей по колонне сверху вниз, - возвратом части флегмы, образующейся при конденсации выходящих из колонны паров в дефлегматоре 4.
Конструкция тарельчатой ректификационной колонны и массообменных тарелок
В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого - обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Таким образом, более подробно рассмотрим виды и конструкции тарелок .
Колпачковые желобчатые тарелки. Тарелки. этого типа применяются в колоннах диаметром от 1000 мм и более при расстояниях между тарелками 450 мм и более. Рабочая часть тарелки, укомплектована съемными желобами и колпачками. Для перетока жидкости служат переливные устройства (одно- или двухпоточные). Основные размеры тарелок регламентированы отраслевой нормалью Н 439 - 58. Вплоть до настоящего времени тарелки этого типа находятся в эксплуатации в колоннах различного технологического назначения. Единственным их практическим преимуществом является относительно небольшое число желобов и колпачков, которые требуется устанавливать при монтажных и ремонтных работах. В остальном все показатели этих тарелок низки, поэтому тарелки желобчатого типа повсеместно заменяют более современными .
Колпачковые тарелки с капсульными колпачками. Тарелки этого типа могут быть установлены в колоннах диаметром 400 мм и более, расстояние между тарелками от 200 мм и более. Тарелки могут иметь неразборную и разборную конструкции. Тарелки неразборной конструкции уплотнены в корпусе колонны периферийным сальником с набивкой из асбестового шнура.
По сравнению с желобчатыми колпачковые капсульные тарелки имеют примерно на 20% большую производительность, высокую эффективность, широкий рабочий диапазон (более 4) и меньшую металлоемкость (60 - 90 кг/м2 против 110 - 130 кг/м2) .
Хотя по производительности тарелки этого типа уступают тарелкам других современных типов и сравнительно трудоемки в изготовлении и монтаже, они находят применение благодаря универсальности областей практического использования и неприхотливости в эксплуатации .
Тарелки колпачковые из S-образных элементов. Диаметр колпачковых тарелок равен 1000 - 8000 мм. Расстояние между тарелками составляет 450 мм и более. Полотно тарелки набрано из элементов S-образного профиля, при сборке которых образуются каналы для прохода пара. Жидкость движется единым потоком и частично направляется паром в сторону слива, вследствие чего уменьшается градиент уровня жидкости на тарелке. Благодаря жесткости S-образных элементов, металлоемкость тарелок этого типа относительно невелика (55 - 90 кг/м2). По эффективности они находятся на одном уровне с колпачковой капсульной тарелкой, но производительность их на 20 - 30% выше .
Клапанные прямоточные тарелки. Применяются в колоннах диаметром 1000 мм и более при расстоянии между тарелками не менее 450 мм. По сравнению с S-образными тарелками они позволяют повысить производительность колонн примерно на 20 - 25%. Диапазон, рабочих нагрузок более 4. В области саморегулируемой работы клапанов тарелки обладают относительно небольшим сопротивлением. Металлоемкость составляет 55 - 80 кг/м2 .
Жалюзийно-клапанные тарелки. Тарелки применяются в колоннах диаметром 1000 мм и более при расстоянии между тарелками, составляющем не менее 450 мм. Рабочие характеристики практически аналогичны характеристикам клапанных прямоточных тарелок .
Сетчатые тарелки с отбойными элементами из просечного листа. Полотно тарелки и наклонные отбойники изготовлены из просечно-вытяжного листа. Свободное сечение полотна тарелки следует выбирать исходя из отсутствия провала жидкости; свободное сечение отбойников должно быть достаточно большим (не менее 30%), чтобы обеспечить пропуск текущей по тарелке жидкости. Контакт фаз происходит в прямотоке и частично в перекрестном токе на отбойниках. Благодаря относительно низкому сопротивлению эти тарелки применяются в вакуумных колоннах. Металлоемкость составляет 50 - 60 кг/м".
Решетчатые тарелки провального типа. Стандартные решетчатые тарелки применяются в колоннах диаметром 400 мм и более при расстоянии между тарелками не менее 200 мм.
Тарелки этого типа не имеют специальных переливных устройств для жидкости, поэтому конструкция их предельно проста. Производительность тарелок провального типа примерно в 1,8 - 2 раза больше, чем колпачковых, металлоемкость не превышает 40 - 50 кг/м2. По сравнению с колпачковыми эти тарелки имеют меньшую эффективность и более узкий рабочий диапазон, который в среднем равен 2. Обычно рекомендуется выбирать свободное сечение тарелок равным 15 - 20%. При меньшем свободном сечении несколько увеличивается эффективность работы тарелок, однако, соответственно снижается их производительность.
Сетчатые тарелки. Предназначены для колонн диаметром от 400 до 3600 мм при расстоянии между тарелками 200 мм и более.
По сравнению с колпачковыми производительность этих тарелок на 30 50% выше, а рабочий диапазон уже и обычно не более 2,5. Металлоемкость составляет 65 - 50 кг/м2. Тарелки весьма чувствительны к точности горизонтальной установки и не рекомендуются для работы на загрязненных средах, т. к. при этом возможна забивка отверстий .
жидкость пар равновесный тарелка
3. Равновесные составы жидкости и пара
Исходные данные: содержание низкокипящего компонента в сырье хF = 0,3;
расход сырья GF = 1000 кмоль/ч.
Ректификационная колонна предназначена для разделения смеси ацетон - этиловый спирт.
Равновесные составы жидкости и пара и температура кипения приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 - Равновесные составы жидкости и пара и температура кипения
х05102030405060708090100у015,526,241,752,460,567,473,980,286,592,9100t78,375,4736965,963,661,860,459,1585756,1
Материальный баланс процесса ректификации
Составляем уравнения материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия
где GF, GD, GW - мольные расходы сырья, дистиллята и кубового остатка;
xF, xD, xW - содержание низкокипящего компонента в сырье, дистилляте и кубовом остатке, мольные доли.
Подставив соответствующие параметры, получим
Решая совместно уравнения (4.2) и (4.3), определяем мольные расходы дистиллята и кубового остатка:
5. Флегмовое число
Так как кривая равновесия не имеет точек перегиба, минимальное флегмовое число определяем по формуле
Подставив соответствующие значения, получим
Определяем рабочее число флегмы
Уравнения рабочих линий и кривая равновесия пар-жидкость
Определяем относительный мольный расход сырья
Составляем уравнение рабочей линии верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны
Составляем уравнение рабочей линии нижней (исчерпывающей) части ректификационной колонны
Строим кривую равновесия пар-жидкость в координатах у*-х (рисунок 6.1).
Рисунок 6.1 - Кривая равновесия пар-жидкость
Молекулярная масса смеси, расходы флегмы и пара
Определяем расход флегмы
Определяем мольный расход пара, одинакового по высоте колонны
Определяем молекулярные массы смеси в верхней и нижней частях колонны
где МА, МЭС - молекулярные массы ацетона и этилового спирта соответственно, МА = 58,08 кг/кмоль, МЭС = 46,07 кг/кмоль
Подставив значения, получим
Определяем массовый расход пара для верхней и нижней частей колонны
По таблице 3.1 интерполированием определяем температуру верха и низа колонны, получим
Определяем плотность пара в верхней и нижней частях колонны
Определяем объёмный расход пара для верхней и нижней частей колонны
Определение числа тарелок
После построения рабочих линий для нижней и верхней частей колонны (пункт 6), строим с верхней точки теоретические тарелки (рисунок 6.1).
Находим на графике необходимое число ступеней изменения концентрации.
Получаем в верхней части колонны 16 ступеней, в нижней - 4, всего 20.
Определяем коэффициенты динамической вязкости ацетона и этилового спирта при соответствующих температурах верха и низа колонны по номограмме V :
Определяем коэффициенты динамической вязкости жидкости в верхней и нижней частях колонны по формуле Аррениуса
Определяем коэффициент летучести
где Т2, Т1 - температуры кипения этилового спирта и ацетона соответственно,
Т2 = 351,46 К;
Подставив значения, получим
Определяем коэффициент полезного действия тарелок верха и низа колонны
Определяем средний коэффициент полезного действия тарелки
Определяем число практических тарелок в верхней и нижней частях колонны
где nТ - теоретическое число тарелок.
Подставив значения, получим
Диаметр колонны
Определяем плотности ацетона и этилового спирта при температурах верха и низа колонны по таблице V :
Определяем плотность жидкости верха и низа колонны
Определяем допустимую рабочую скорость пара в верхней и нижней частях колонны
где С - коэффициент зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками h, рабочего давления в колонне, по рисунку 7.2 , для колпачковых тарелок при h = 400 мм С = 0,044.
Определяем диаметры верхней и нижней частей колонны
По стандартному ряду диаметров колонн принимаем dВ = 3600 мм, dН = 3600 мм. Диаметр колонны принимаем одинаковым по всей высоте колонны и равным наибольшему из полученных значений d = 3600 мм.
Определяем высоту тарельчатой колонны
где n - число тарелок в колонне, n = 37.
h - расстояние между тарелками, h = 400.
Исходя из полученного диаметра колонны, выбираем тарелки с параметрами, приведёнными в таблице 9.1 .
Таблица 9.1 - Параметры тарелки
ПараметрЗначениеДиаметр колонны, мм3600Общая длина слива, мм2900Рабочая площадь тарелки, %61,6Свободное сечение тарелки, %13,1Число колпачков, мм194Диаметр колпачка, мм150Шаг колпачков, мм190Вес тарелки, кг1000
Вычерчиваем схему колонны с основными размерами (рисунок 9.1).
Рисунок 9.1 - Схема колонны с основными размерами
Заключение
Тарельчатые колпачковые колонны наиболее часто применяют в ректификационных установках.
При проведении расчёта ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси (ацетон - этиловый спирт) в качестве тарелок были выбраны колпачковые тарелки с круглыми колпачками.
Расчет мольных расходов ввёлся исходя из уравнений материальных балансов (см. уравнения (3.1) и (3,2)), которые справедливы для ректификационной колонны, обогреваемой глухим паром.
При определении числа теоретических тарелок был использован графический метод. Число теоретических тарелок оказалось равным двадцати (шестнадцать для укрепляющей части колонны и четыре для исчерпывающей части).
Число практических тарелок оказалось равным 37 (тридцать для укрепляющей части колонны и семь для исчерпывающей части).
При таком количестве тарелок расстояние между верхней и нижней тарелками оказалось равным Нт = 14,4 м.
Диаметр колонны принят равным диаметру верхней части колонны, который оказался наибольшим из двух рассчитанных d = 3,6 м.
Библиография
1 Г.Г. Робинович, П.М. Рябых, П.А. Хохряков Расчёты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: 3 - е издание, переработанное и дополненное - М.: Химия, 1979. - 568 с.
И.А. Александров Ректификационные и абсорбционные аппараты. - М.: Химия, 1971 - 296 с.
Ю.Н. Дытнерский Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов, издание 2 - е, часть 2. - М.: Химия, 1995. - 368 с.
К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1976. -552 с.
С.А. Зонис, Г.А. Симонов Справочник химика, том 1. - Л.: Госхимиздат, 1963. - 1072 с.
Заказ работы
Нужна авторская работа?
Наши специалисты помогут написать работу с обязательной проверкой на уникальность в системе «Антиплагиат»
Отправь заявку
с требованиями прямо сейчас, чтобы узнать стоимость и возможность написания.
Задание на проектирование
Вариант №28
Перечень инженерных расчетов: расчет ректификационной колонны; подробный тепловой расчет дефлегматора; ориентировочный расчет теплообменников.
Перечень работ выполняемых на ЭВМ: расчет дефлегматора.
Состав и объем графической части: технологическая схема; общий вид дефлегматора.
Основные
данные: расход исходной смеси 6.5 кг/с;
концентрации (мольные доли)
,
;
продукты разделения охладить до 25ْС.
Введение
Для получения продуктов сложного состава, разделения изотопов, выделения индивидуальных веществ широкое применение в промышленности получила ректификация. Этот процесс основан на различной летучести составляющих смесь компонентов, т.е. на различных температурах кипения компонентов при одинаковом давлении. Ректификация заключается в многократном частичном испарении жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах, состоящих из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара - куба и дефлегматора..
По конструкции ректификационные колонны подразделяются на насадочные, тарельчатые и роторные. Основным типом колонных аппаратов большой производительности считаются ректификационные колонны с барботажными тарелками, а при необходимости самого малого перепада давления на одну теоретическую ступень разделения или при работе в коррозионной среде – колонны с насадкой.
По способу проведения ректификацию разделяют на периодическую и непрерывную.
При непрерывной - разделяемая смесь непрерывно подается в среднюю часть колонны, дистиллят отбирается из дефлегматора, а обедненный легколетучим компонентом остаток отводится из куба колонны, флегма поступает на орошение в верхнюю часть колонны.
При периодической ректификации в нижнюю часть (куб) колонны, снабженной нагревательным устройством, загружают исходную смесь; образующийся пар поднимается верх и конденсируется в дефлегматоре (холодильнике), часть конденсата (флегмы) возвращается на орошение в верхнюю часть колонны, а оставшаяся жидкость отбирается.
Насадочные колонны получили широкое распространение в химической промышленности благодаря простоте их устройства, дешевизне изготовления и малому гидравлическому сопротивлению при пленочном режиме работы. В насадочных массообменных аппаратах жидкость тонкой пленкой покрывает насадку и стекает по ней, при этом поверхность контакта с газообразной фазой определяется поверхностью насадки, свойствами жидкости и гидродинамическим режимом.
Недостатком работы насадочной колонны является неравномерность распределения пара и жидкости по поперечному сечению, что приводит к - неодинаковой эффективности различных ее частей и низкой эффективности работы всей колонны в целом. Значительное увеличение эффективности аппарата достигается применением насадки, частично погруженной в жидкость: газ при этом в виде пузырьков барботируется через слой жидкости.
В отдельных случаях применяют подвижные насадки, которые приводят в колебательное движение восходящим потоком газа, при этом допускаются высокие скорости движения фаз, а поверхность межфазного контакта превышает поверхность насадочных элементов. Эффективность тепло- и массообмена в значительной мере зависит от равномерности распределения жидкости в объеме насадки. Эта задача решается применением специальных оросителей, распределяющих жидкость по верхнему сечению насадки, и использованием материалов (металлических сеток, армированной стеклоткани), обеспечивающих растекание жидкости по поверхности насадки под действием капиллярных сил.
Насадки загружают в аппараты навалом на опорные решетки (нерегулярные насадки), укладывают в определенном порядке или монтируют в жесткую структуру (регулярные насадки). Изготавливают насадки из дерева, металла, стекла, керамики, пластмасс. Элементы нерегулярных насадок выполняют в виде колец, спиралей, роликов, шаров, седел и т.д. Наиболее распространены кольца Рашига, размеры которых обычно составляют 50 мм. Для повышения смачиваемости насадки и пропускной способности аппарата стенки колец иногда снабжают продольными или поперечными канавками или прорезями.
Для отвода жидкости из насадочной колонны применяют две схемы: в первой схеме (обычные насадочные колонны) жидкость стекает по насадке и отводится из нижней части колонны; во второй схеме (эмульгационные колонны) жидкость отводится через переливную трубу.
В данном курсовом проекте производится расчет обычной ректификационной насадочной колонны для разделения бинарной смеси – «ацетон – четыреххлористый углерод» при атмосферном давлении, с насыпной насадкой из стальных колец Рашига.
1 Описание технологической схемы
Исходная смесь подаётся в теплообменник центробежным насосом из ёмкости, где она подогревается до температуры кипения. Затем нагретая смесь поступает на разделение в середину ректификационной колонны на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси.
Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, 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), получаемой в дефлегматоре путём конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике и направляется в промежуточную ёмкость.
Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость -продукт, обогащённый труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике и направляется в ёмкость.
Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащённый труднолетучим компонентом).
Инженерные расчеты
2.1. Технологические расчеты
Для технологических расчетов установки необходимо знать свойства веществ при определённых температурах. Основными диаграммами для определения этих свойств являются диаграммы: состав пара – состав жидкости, и зависимость температуры кипения от состава. В приложение 1 приведены диаграммы указанных свойств бинарной системы ацетон- четыреххлористый углерод.
2.1.1 Равновесные данные.
x - мольная доля легколетучего компонента в жидкой фазе;
y - мольная доля легколетучего компонента в паровой фазе;
t – температура,ْС.
2.1.2 Материальный баланс.
Зная производительность колонны по дистилляту и необходимые концентрации, определим недостающие данные, т. е. производительность по кубовому остатку и питание исходной смеси (G W и G D), на основании уравнений материального баланса.
где
- массовая доля легколетучего компонента
в исходной смеси, дистилляте и кубовом
остатке соответственно.
массовый
расход исходной смеси, дистилляте и
кубовом остатке соответственно.
гдеM F
-молекулярная
масса:
кг/кмоль
кг/кмоль,
где M 1 – молекулярная масса легколетучего компонента;M 2 – молекулярная масса второго компонента;
x F , x D , x W - мольная доля легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно.
Где 1-ацетон, 2-четыреххлористый углерод.
кмоль/с
Находим массовую долю по формуле:
Решив систему материального баланса, получим:
кг/с
кг/с
кмоль/с
кмоль/с
Нагрузка ректификационной колонны по пару и жидкости определяется рабочим флегмовым числом. Для его расчета используют приближенные вычисления по формуле:
где R min – минимальное флегмовое число.
При этом:
где
- мольные доли легколетучего компонента
в жидкости, а
-
концентрация легколетучего компонента
в паре, находящаяся в равновесии с
жидкостью (питанием исходной смеси).
По диаграмме «Равновесное состояние
жидкости и пара» (приложение1) находим
при соответствующем значении
,
таким образом
Также для расчета флегмового числа используем графический метод:
рассчитав число теоретических ступеней контакта (теоретических тарелок)
R=1.5,y=32,n=15.2,n(R+1) =15.2(1.5+1) =38
R=2,y=26.67,n=11.4,n(R+1) =11.4(2+1) =34.2
R=2.5,y=22.86,n=9, n(R+1) =9(2.5+1) =31.5
R=3, y =20, n=8, n(R+1) =8(3+1) =32
R=4, y=16, n=7.33, n(R+1) =7.33(4+1) =36.65
R=5,y=13.33,n=6.43,n(R+1) =6.43(5+1) =38.58
В данном курсовом проекте используем
,
найденное графическим методом (приложение
3).
2.1.3 Расчет расходов пара и жидкости в верхней и нижней части колонны.
Найдем уравнение рабочих линий:
а) для верхней (укрепляющей) части колонны:
б) для нижней (исчерпывающей) части колонны:
где F– относительный мольный расход питания.
Определяем температуры для нижней и верхней части колонны для жидкости и пара из диаграммы «Зависимость температуры от равновесных составов пара и жидкости» (приложение1):
ْْC,
ْC,
ْْْC,
ْC.
Определяем объемный расход пара:
Расход пара в нижней и верхней части колонны определяется по формуле:
,
где p 0 =760 мм рт. ст. – атмосферное давление,
T 0 =273 K- абсолютная температура.
Молярную массу паровой смеси в нижней и верхней части колоны находим по формуле:
Кг/кмоль
Кг/кмоль
Массовые расходы паров в нижней и верхней части колоны находим по формуле:
Определим плотности пара в верхней и нижней части колонны по формуле:
Определим вязкость пара в верхней и нижней части колонны для ацетона (1) и четыреххлористого углерода (2):
,
где табличные данные:
Па.
с,
Па.
с,
С 1 =651,С 2 =384- константы уравнения.
а) для нижней части колонны:
Па. с Па. с
б) для верхней части колонны:
Определим вязкость смеси пара в нижней и верхней части колонны по формуле:
Па. с
Па. с
Определим плотности жидкости по формуле:
,
где
плотности
ацетона, четыреххлористого углерода
соответственно.
а) для нижней части колонны:
кг/м 3
б) для верхней части колонны:
кг/м 3
Определим вязкость смеси жидкости для нижней и верхней части колонны по формуле:
где
вязкости
ацетона, четыреххлористого углерода
соответственно.
мПа. смПа. с
мПа. смПа. с
Па. с
Па. с
Поверхностное натяжение смеси жидкостей в верхней и нижней части колонны определим по формуле:
,
где
поверхностное
натяжение ацетона, четыреххлористого
углерода соответственно.
Н/м
Н/м
Находим мольные и массовые расходы жидкости в нижней и верхней части колонны:
кг/с
кг/с
2.1.4 Расчет теплового баланса установки
Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением:
где
D
–количество теплоты, передаваемой от
пара к воде;
Q
пот
– тепловые потери (5%);
-теплоёмкости соответствующие дистилляту,
кубовому остатку и исходной смеси;
- температуры соответствующие дистилляту,
кубовому остатку и исходной смеси(находим
из диаграммы «Зависимость температуры
от равновесных составов пара и жидкости»
приложение 1):
,
,
.
Найдем удельную теплоту конденсации паров дистиллята по аддитивной формуле:
где
- теплоты испарения ацетона и
четыреххлористого углерода при
температуре дистиллята
,
.
,
где исходные данные: A 1 =72.18;t 1кр =235.1;A 2 =25.64;t 2кр =283.4
;
.
Определим тепловую нагрузку дефлегматора по формуле:
Определим теплоёмкости смеси:
Для ацетона(1): c 0 =2.11кДж/(кгК); с 1 =0.0028 кДж/(кгК);
Для четыреххлористого углерода (2): c 0 =0.85кДж/(кгК); с 1 =0.00037 кДж/(кгК);
2.2 Гидравлический расчет насадочной колонны аппарата.
Выбор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давление, рабочую скорость можно принять на 20% ниже скорости захлёбывания:
где
- скорость захлебывания пара,м/с
;
– удельная поверхность насадки,м
2
/м
3
;V св – свободный
объём насадки,м
3
/м
3
;
μ ж – динамический коэффициент
вязкости жидкости,мПа∙с
;
и
- массовые расходы жидкой и паровой
фаз,кг/с
;
и
- плотность пара и жидкости соответственно,кг/м
3
.
Выбираем в качестве насадки - стальные кольца Рашига:
Кольца Рашига 25 мм:
Тогда рабочая скорость в верхней и нижней части колонны равна:
По рабочей скорости определяем диаметр колонны:
,
где
объемный
расход пара при рабочих условиях в
колонне,м
3
/с
.
;
;
Выбираем стандартный аппарат с диаметром 2.2 м, с кольцами Рашига диаметром 25мм и уточняем рабочую скорость по формуле:
Плотность орошения для верхней и нижней части колонны определяют по формуле:
,
где U– плотность орошения, м 3 /(м 2. с);
-
объемный расход жидкости, м 3 /с;
S– площадь поперечного сечения колонны, м 2 .
,
где D– диаметр колонны, м.
так как плотность орошения меньше допустимых значений, то необходимо выбрать кольца Рашига с меньшим диаметром.
Введение
Ректификация – массообменный процесс разделения однородной смеси летучих компонентов, осуществляемый путем противоточного многократного взаимодействия паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров.
Разделение жидкой смеси основано на различной летучести веществ. При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят – смесь, обогащенную низкокипящим компонентом (НК), и кубовый остаток – смесь, обогащенную высококипящим компонентом (ВК).
Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке, основным аппаратом которой является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам стекает жидкость, подаваемая в виде флегмы в верхнюю часть аппарата.
Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенное давление применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Атмосферное давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру кипения от 30 до 150ْ С.
Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны.
Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).
1. Расчет ректификационной колонны
1.1 Материальный баланс процесса
Составляем материальный баланс для определения количеств и состава веществ, участвующих в процессах ректификации.
Материальный баланс колонны, обогреваемой паром:
где G F -производительность установки по исходной смеси, G Д –производительность установки по дистилляту, G W - производительность установки по кубовому остатку.
Материальный баланс для НК:
, (1.2)
где х F , x Д, х W - массовая доля легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте, кубовом остатке соответственно. Преобразуем выражение (1.2)
3,06·28=(3,06-G W)86+ G W ·0,5,
3,06·28=3,06·86- G W ·86+ G W ·0,5,
85,68=263,16- G W ·85,5,
,
G W =2,08 кг/с.
Из уравнения (1.1) определяем расход дистиллята, кг/с.
G Д =G F -- G W ,
G Д =3,06-2,08=0,98 кг/с.
Для дальнейших расчётов выразим концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка в мольных долях.
Исходная смесь:
. (1.3)
Дистиллят:
. (1.4)
Кубовый остаток:
, (1.5)
где М в, М э - молярная масса воды и этилового спирта соответственно. М в =18, М э =46.
,
,
.
1.2 Определение минимального флегмового числа
Для определения минимального флегмового числа строим кривую равновесия, предварительно выполнив расчет равновесного состава жидкости и пара смеси этанол-вода.
Таблица 1- Равновесный состав жидкости и пара смеси этиловый спирт-вода
| t, ْC | х, мол | у, мол |
| t=100 | 0 | 0 |
| t=90,5 | 0,05 | 0,332 |
| t=86,5 | 0,1 | 0,442 |
| t=83,2 | 0,2 | 0,531 |
| t=81,7 | 0,3 | 0,576 |
| t=80,8 | 0,4 | 0,614 |
| t=80 | 0,5 | 0,654 |
| t=79,4 | 0,6 | 0,699 |
| t=79 | 0,7 | 0,753 |
| t=78,6 | 0,8 | 0,818 |
| t=78,4 | 0,9 | 0,898 |
| t=78,4 | 1,0 | 1,0 |
Проводим прямую CВ, для этого на диагонали наносим точку С с абсциссой х Д =0,71, а на кривой равновесия точку В с абсциссой х F =0,132 (см. прил.) Измерив отрезок в мах, отсекаемый прямой СВ на оси ординат находим R min по формуле.
