Министерство Высшего и среднего специальногообразования Российской Федерации
Нижегородский Государственный Технический Университет
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКАк курсовой работе по дисциплине
“ПРОЦЕССЫИ АППАРАТЫ” Тема: РАСЧЁТИ ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ НАСАДОЧНОГО ТИПА
Задание №8
Руководитель
Епифанова В. С.Студент
Декабрьский В.В.
НижнийНовгород
2008 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Задание
1. Материальный баланс
2. Определение скорости пара и диаметраколонны
3. Расчёт высоты насадки
4. Расчёт гидравлического сопротивлениянасадки
Задание:
Рассчитать испроектировать колонну ректификации для разделения смеси этанол-вода,поступающей в количестве 10 тонн в час. Состав исходной смеси 40 % массовыхэтанола и 60 % массовых воды, кубовый остаток содержит 1 % массовых этанола, дистиллят- 94 %. Ректификацияпроизводится при атмосферном давлении. Нагрев производится водяным паром р = 3атм. Тип колонны- насадочная.
I. Материальныйбаланс
Обозначим массовый расходдистиллята через GPкг/ч,кубового остатка через GWкг/ч.
Из уравненийматериального баланса ректификационной колонны непрерывного действия
F = P + W; F xF = P xP + W xW, находим
P + W= 10000 кг/ч
Pх0,94 + W* 0,01 = 10000х 0,4
W = 5806,44 кг/ч
P= 4193,56
Для дальнейших расчётоввыразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях.
Питание:
ХF = _ хF/ Мэ____ = 40/46,07 = 0,868 =0,148
хF+100 — хF 40 + 90 0,868 +5
Mэ Mв 46,07 18
Дистиллят:
xP = xP/ Мэ = 94/46,07 = 2,04 = 0,86
хP+100 – хP 94 + 90 2,04+0,333
Mэ Мв 46,07 18
Кубовый остаток:
xW = хW/Мэ = 1/46,07 = 0,022 =0,004
хW + 100 – хW 1 + 99 0,022+5,5
Мэ Мв 46,07 18
Относительный мольныйрасход питания:
F = xP — xW = 0,86 – 0,004 = 0,856 =5,944
xF — xW 0,148 – 0,004 0,144
Откуда находим
W = />
P = F – W =5.944-4.921 = 1.023
Определяем минимальноечисло флегмы по уравнению:
Rмин = xP— y*F=0,86 — 0,33 =2,912
y*F — xF 0,33 — 0,148
где y*F = 0,33 – мольную долю бензола в паре, равновесном сжидкостью питания, определяем по диаграмме y* — x. (рис.1)
Определяем число флегмыпо уравнению:
R= 1,3 Rмин + 0,3 = 1,3 х 2,912 + 0,3 =4,086
Уравнение рабочих линий:
а) верхней (укрепляющейчасти колонны)
y = />
y = 0.803x + 0.169
б) нижней (исчерпывающей)части колонны:
y = />
y = 1,972x – 0,004
II. Расчёт скорости пара и диаметраколонны
Средние концентрации жидкости:
а) в верхней части колонны
x' ср = ( xF+ xD) / 2 = (0,148 + 0,86) / 2 = 0,504
б) в нижней части колонны
x’’ср = (xF + xW ) / 2 = (0,148+0,004) / 2 = 0,076
Средние концентрации пара находим поуравнению рабочих линий:
а) в верхней части колонны
y’ср = 0,803 x’ср + 0,169 = 0,803 x 0,504 + 0,169 = 0,574
б) в нижней части колонны
y’’ср = 1,972 x’’ср — 0,004 = 1,972 х0,076 – 0,004 = 0,146
Средние температуры пара определяемпо диаграмме t – x,y
а) при y’ср = 0,574 t’ ср = 88 oС
б) при y’’ср = 0,146 t’’ср = 97 oС
Средние мольные массы и плотностипара:
а) М’ср = y’срх Мэ+ (1- y’ср ) Мв =0,574 х 46,07 + 0,426 х 18 = 32,55 кг/кмоль
’ср = M’срхTо= 32,55 х 273 = 1,1 кг/м3
22,4 х T’ср 22,4 х 361
б) М’’ср = y’’срх Мэ+ (1- y’’ср ) Мв =0,146 х 46,07 + 0,854 х 18 = 22,1 кг/кмоль
’’ср = М’’срхTо = 22,1 х 273 = 0,73кг/м3
22,4 х T’’ср 22,4 х370
Средняя плотность пара вколонне:
п(’ср+’’ср ) / 2 = (1,1 + 0,73)/ 2 = 0,915 кг/м3
Средние мольные массы жидкости:
а) М’ср = x’срх Мэ+ (1- x’ср ) Мв =0,504 х 46,07 + 0,496 х 18 = 32,15 кг/кмоль
б) М’’ср = x’’срх Мэ+ (1- x’’ср ) Мв =0,076 х 46,07 + 0,924 х 18 = 20,13 кг/кмоль
Температура в верху колонны при yP = 0,86 равняется 83 oС, а в кубе-испарителе при хW = 0,004 она равна 99 oС
Плотность жидкого этанола при 83oС э = 732 кг/м3, а воды в = 959 кг/м3 при 99 oС .
Принимаем среднюю плотность жидкостив колонне
ж= (732 + 959) / 2 = 845,5 кг/м3 .
Средние массовые расходы (нагрузки)по жидкости:
/>
/>
MP = 46.07*0.86+18(1-0.86) = 42.14
MF = 46.07*0.148+18(1-0.148) = 22.15
Средние массовые потоки пара:
/> кг/с
/> кг/с
Выбор рабочей скорости паров обусловлен многими факторамии обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждогоконкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих впленочном режиме при атмосферном давлении, рабочую скорость можно принимать на 20— 30 % нижескорости захлебывания.
Предельнуюфиктивную скорость пара wп, при которойпроисходит захлебывание насадочных колонн, определяем по уравнению:
/>
Вязкость жидких смесей mх находим по уравнению:
lg mх=xcplg mэ+(1- xcp)lg mв
Тогда
lg mхВ=0,504lg 0,435+(1- 0,504)lg 0,357
lg mхН=0,076lg 0,326+(1- 0,076)lg 0,284
mхВ = 0,396 мПа*с
mхН = 0,287 мПа*с
Предельная скоростьпаров:
/>
отсюда wПВ = 1,9 м/с
/>
отсюда wПН = 1,57 м/с
Примемрабочую скорость wна 30 % ниже предельной:
wВ = 1,9*0,7= 1,33 м/с
wН = 1,57*0,7 = 1,1 м/с
Диаметрректификационной колонны определяют из уравнениярасхода:
d= />
Тогда диаметр верхней и нижней части колонны соответственноравен:
dВ= />= 1,87 м
dН= />= 3,48 м
Выберем стандартныйдиаметр обечайки d= 3,5 м, одинаковый для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне будут равны:
wВ =1,33(1,87/3,5)2 = 0,38 м/с
wН = 1,1(3,48/3,5)2 = 1,087м/с
III. Расчёт высоты насадки
Высотунасадки Н рассчитывают по модифицированному уравнению массопередачи:
Н = noyhoy
noy- общее число единиц переноса поправой фазе
hoy — общая высота единицы переноса
noy = />
Этотинтеграл определяют обычно методом графического интегрирования:
/> = SMxMy
где S-площадь,ограниченная кривой, yw и yp, и осьюабсцисс.
noyН = />= 4,6 noyВ= />= 5,4 noy = />= 10
Общуювысоту единиц переноса hoy находим поуравнению аддитивности:
hoy = hy + /> hx
где hx и hy –частныепроизводные единиц переноса соответственно в жидкой и паровой фазах; m – среднийкоэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей частиколонны.
Отношениенагрузок по пару и жидкости G/L равно:
Дляверхней части колонны
G/L =(R+1)/R = 5,086/4,086 =1,245
Длянижней части колонны
G/L =(R+1)/(R+f) = 5,086/16,176= 0,314
Здесьf = F MЭ/P MF =5,944*46,07/1,023*22,15 = 12,09
Высота единицы переноса вжидкой фазе равна:
hx = 0,258 Ф с Pr/> Z/>
где с и Ф – коэффициентыопределяемые по графику; Prx = /> – критерийПрандля для жидкости; Z –высота слоя насадки одной секции, которая из условия прочности опорной решёткии нижних слоёв насадки не должна превышать 3 м.
Высота единицы переноса впаровой фазе равна:
hy = />
где /> - коэффициент определяемыйпо графику; Ls = L / 0.785d2 –массовая плотность орошения, кг/(м2с); d – диаметр колонны;
/>в мПа х с)
/>
/>
Для расчёта hx и hy необходимо определить вязкость икоэффициенты диффузии в жидкой Dx и паровой Dyфазах. Вязкость паров для верхней части колонны:
/>
где /> и /> - вязкости паров воды иэтанола при средней температуре верхней части колонны; yВ =(yP + yF)/2 – средняя концентрация паров.Подставив получим:
yВ =(0,86 + 0,33)/2 = 0,595
/>= 0,368 мПа с
Аналогичным расчётом длянижней части колонны находим
/>=0,24 мПа с
Вязкости паров дляверхней и для нижней частей колонны близки, поэтому можно принять среднюювязкость паров в колонне/> = 0,304мПа с
Коэффициент диффузии вжидкости при средней температуре tравен:
Dx = Dx20 (1+b(t-20))
Коэффициенты диффузии вжидкости Dx20 при 20оС можно вычислитьпо приближённой формуле:
Dx20 =/>
Тогда коэффициентыдиффузии в жидкости для верхней части колонны при 20оС
DxВ20 = /> = 9,3*10-9 м2/с
Температурный коэффициент
b = />= 0,2/>=0,017
Отсюда
DxВ = 9,3*10-9 (1+0,017(88-20)) = 20,05*10-9м2/с
Аналогично находим длянижней части колонны
DxН = 9,3*10-9 (1+0,017(97-20)) = 21,47 м2/с
Коэффициент диффузии впаровой фазе
Dy = />
Где Т- средняятемпература в соответствующей части колонны; Р- абсолютное давление в колонне.
Тогда
DyВ = /> = 9,86*10-7м2/с
DyH = 10,1*10-7 м2/с
Таким образом, дляверхней части колонны:
hxВ = 0,258 * 0,068 * 0,92(0,396*10-3/852*20,05*10-9)0,530,15= 0,09 м
hyВ = />= 2,26 м
Для нижней части колонны
hx = 0,09 м
hy = 2,01
Общая высота единицыпереноса
h0 yB= hy + /> hx = 2,26 + /> 0,09 = 2,7 м
h0 yH= hy + /> hx =2,01 + /> 0,09= 2,12 м
Высота насадки:
НВ = 5,4*2,7 =14,6
НН = 4,6*2,12= 9,8
Общая высота насадки:
Н = 14,6+9,8 = 24,4 м
С учётом того, что высотаслоя насадки в одной секции Zравна 3м, общее число секций в колонне составляет 13 ( 8 секций в верхней частии 5 — в нижней).
Общую высотуректификационной колонны определим по уравнению
HK = Zn +(n-1) hP + ZB + ZH = 3*13+12*0,5+1,4+2,5 = 48,9 м
IV. Расчёт гидравлическогосопротивления насадки
Гидравлическоесопротивление насадки
/>
Гидравлическоесопротивление сухой неорошаемой насадки
/>
где l — коэффициент сопротивления сухойнасадки, зависящий от режима движения газа в насадке.
Критерий Рейнольдса длягаза в верхней и нижней частях колонны
ReyB = />5310
ReyH = />10080
Следовательно, режимдвижения турбулентный.
Для турбулентного режимакоэффициент сопротивления сухой насадки в виде беспорядочно засыпанных колецРашинга
l = 16/Rey0.2
lB = 16/53100.2 = 2,88
lH= 16/100800.2 = 2,53
Находим гидравлическоесопротивление сухой насадки
/> = />= 1509Па
/> = />= 483Па
Плотность орошения
UB = /> = 0,00039 м3/(м2с)
UН = /> = 0,00091м3/(м2с)
Гидравлическоесопротивление орошаемой насадки:
DРВ = 10169*0,000391509 = 1756,3 Па
DРВ = 10169*0,00091483 = 668,3 Па
DР = DРВ + DРН = 1756,3+668,3 = 2424,6 Па
Гидравлическоесопротивление насадки составляет основную долю общего сопротивленияректификационной колонны. Общее же сопротивление колонны складывается изсопротивлений орошаемой насадки, опорных решёток, соединительных паропроводовот кипятильника к колонне и от колонны к дефлегматору. Общее гидравлическое сопротивление ректификационной колонныобусловливает давление и, следовательно, температуру кипения жидкости в испарителе. При ректификации под вакуумомгидравлическое сопротивление можетсущественно отразиться также наотносительной летучести компонентовсмеси, т. е. изменить положение линии равновесия.
Приведенный расчет выполненбез учета влияния на основные размерыректификационной колонны ряда явлений (таких как неравномерность распределения жидкости при орошении, обратное перемешивание,тепловые эффекты и др.), что иногда можетвнести в расчет существенные ошибки. Оценить влияние каждого из нихможно, пользуясь рекомендациями, приведенными в литературе [8, 11, 12] в гл. III.