Содержание
1. Задание напроектирование
2. Теоретическая часть
3. Схема ректификационнойколонны
4. Расчетректификационной колонны
4.1 Материальный баланс.Уравнения рабочих линий
4.2 Определение скоростипара и диаметра колонны
4.3 Гидравлический расчеттарелок
4.4 Определение числатарелок и высоты колонны
4.5 Тепловой расчетустановки
Вывод
Список использованныхисточников
1. Задание на проектирование
Рассчитать и спроектировать колонну ректификации (тарельчатую) дляразделения смеси уксусной кислоты – вода поступающей в количестве 10 тонн вчас. Состав исходной смеси 10% (масс.) уксусной кислоты и 90% (масс.) воды. Требуемое содержание уксусной кислотыв дистилляте 0,5% (масс.), а в кубовом остатке 70% (масс.). Ректификация производится податмосферном давлении. Греющийпар имеет давление Ризб=3 атм.
Техническаяхарактеристика
1. Аппарат предназначендля разделения смеси уксусная кислота – вода концентрацией 10% (масс).
2. Греющий пар имеетдавление Р=3атм.
3. Температура среды вкубе до 105°С.
4. Среда в аппарате нетоксичная.
5. Тип тарелок — ситчатые.
6. Число тарелок — 33.
Технические требования
1. При изготовлении,испытания и поставки аппарата должны выполняться требования:
А) ГОСТ 12.2.003-74«Оборудование производственное. Общие требования безопасности»
Б) ГОСТ 26-291-79«Сосуды и аппараты стальные сварные. Технические требования»
2. Материал тарелок иличастей колонны, соприкасающимися с разделяемыми жидкостями или их парами, изстали Х18НЮТ ГОСТ 5949-75, остальные элементы колонны из стали ВСт Зсп. ГОСТ380-71.
3. Аппарат испытать напрочность и плотность гидравлически:
А) в горизонтальномположении — давлением 0,2 Мпа;
Б) в вертикальномположении — наливом.
4. Сварные соединениядолжны соответствовать требованиям ОН 26-01-71-68 «Сварка в химическоммашиностроении.» Сварку В Ст Зсп. Произвести электродом марки АНО-5-4,5-2по ГОСТ 9467-75.
5. Сварные швы в объеме100% контролировать рентгенопросвечиванием.
6. Прокладки из паронитаПОН-1 ГОСТ 481-71.
7. Неуказанный вылетштуцеров 150мм.
8. Размеры для справок.
2. Теоретическая часть
Ректификация представляетсобой процесс многократного частичного испарения жидкости конденсации паров.Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющихразличную температуру, и проводятся обычно в колонных аппаратах. При каждомконтакте и жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент, которымобогащаются пары из паров конденсируется преимущественно высококипящийкомпонент, переходящий в жидкости. Такой двусторонний обмен компонентами,повторяемый многократно, позволяет получить, в конечном счете, пары,представляющие собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пары послеконденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (ректификат) и флегму –жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися нарами.Пар получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегосяпочти чистым высококипящим компонентом.
Ректификация известна сначала XIX века как один из важнейших технологически процессов главным образомспиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию все ширеприменяют в самых различных областях химической технологии, где выделениекомпонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производства органическогосинтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокойчистоты).
Процесс ректификации осуществляетсяпутем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами,движущимися относительно друг друга.
При взаимодействии фазмежду ними происходит массо- и теплообмен обусловлены стремлением системы ксостоянию равновесия. В результате каждого контакта компонент перераспределяютсямежду фазами: пар несколько обогащается низкокипящим компонентом, жидкость — высококипящим. Многократное контактирование приводит к практически полном разделениюисходной смеси.
Устройстворектификационных аппаратов.
/>
Рис. 1 Ректификационнаяколонна непрерывного действия.
1 – колонна; 2 –кипятильник; 3 – дефлегматор
Таким образом, отсутствиеравновесия (и соответственно наличие разности температур фаз при движении фаз сопределенной относительной скоростью и многократном их контактированиии являютсянеобходимыми условиями проведения ректификации.
Процессы ректификацииосуществляются периодически или непрерывно при различны давлениях: приатмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ),а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразнымипри нормальных температурах).
Для проведения процессовректификации применяют аппараты разнообразных конструкций основные типы которыхне отличаются от соответствующих типов абсорберов.
В ректификационныхустановках используют главным образом аппараты двух типов:
насадочные и тарельчатыеректификационные колонны. Кроме того, для ректификации.
вакуумом применяютпленочные и роторные колонны различных конструкций
Насадочные, барботажные,а также некоторые пленочные колонны по конструкции внутренних устройств(тарелок, насадочных тел и т. д.) аналогичны абсорбционным колоннам. Однако вотличие от абсорберов ректификационные колонны снабжен теплообменнымиустройствами — кипятильником (кубом) и дефлегматором (рис. 1). Кроме того, дляуменьшения потерь тепла в окружающую среду ректификационные аппараты покрываюттепловой изоляцией.
/>
Рис- 2. Вариантыустановки дефлегматоров
а — на колонне: б — нижеверха колонны;
1 -дефлегматоры; 2 — колонны: 3 — насос.
Кипятильник или куб,предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, иподвода пара в ее нижнюю часть (под насадки или нижнюю тарелку). Кипятильникиимеют поверхность нагрева в виде змеевика или представляют собойкожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобныдля ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонныс тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.
Дефлегматор,предназначенный для конденсация паров и подачи орошения (флегмы) колонну,представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которогообычно конденсируются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода).
/>
Рис. 3. Сетчатая колонна.
а — схема устройстваколонны; б – схема устройства тарелки; 1 — корпус; 2 — тарелка; 3 — переливнаятруба; 4 — стакан.
В случае частичнойконденсации паров дефлегматоре его располагают непосредственно над, колонной,чтобы обеспечить большую компактность установки, либо вне колонны (рис 2). Приэтом конденсат (флегму) из нижней части дефлегматор подают непосредственночерез гидравлический затвор на верх колонны, так как в данном случае отпадав необходимостьв делителе флегмы.
В случае полной конденсациипаров в дефлегматоре его устанавливают выше колонны, непосредственно на колоннеили ниже верха колонны для того, чтобы уменьшить общую высоту установки. Впоследнем случае флегму из дефлегматора 1 подают в колонну 2 насосом. Такоеразмещение дефлегматора часто применяют при установке ректификационных колоннвне зданий, что более экономично в условиях умеренного климата.
Барботажные(тарельчатые) колонны. (Рис 3). Эти аппараты в процессах ректификации наиболее широкораспространены. Они применимы для больших производительностей, широкого диапазонаизменения нагрузок по пару и жидкости могут обеспечить весьма четкое разделениесмесей Недостаток барботажных аппаратов – относительное высокое гидравлическоесопротивление — в условия ректификации не имеет существенного значения. Приректификации повышение гидравлического сопротивления приводит лишь к некотором увеличениюдавления и соответственно повышению температуры кипения жидкости кипятильникеколонны. Однако тот же недостаток сохраняет свое значение для процессовректификации под вакуумом.
В таких колоннахиспользуют различные виды тарелок: ситчатые, колпачковые, провальные, клапанные,пластинчатые и др.
Ситчатые тарелки.(Рис. 3). Колонна сситчатыми тарелками представляет собой вертикальный цилиндрический корпус сгоризонтальными тарелками, в которых равномерно по всей поверхности просверленозначительное число отверстий диаметром 1-5 мм. Газ проходи сквозь отверстиятарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков. Ситчатыетарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонт. Гидравлическоесопротивление этих тарелок невелико. Ситчатые тарелки устойчиво работают довольношироком интервале скоростей газа, причем в определенном нагрузок по газу ижидкость эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатыетарелки чувствительны загрязнителям и осадкам, которые забивают отверстиятарелок.
Колпачковые тарелки.
Менее чувствительны кзагрязнениям, чем ситчатые, и отличаются более высоким интервалом устойчивойработы колонны с колпачковыми тарелками. Газ на тарелку поступает по патрубкам,разбиваясь затем прорезями колпачка на большое число отдельных струй. Далее газпроходит через слой жидкости, перетекающей по тарелки от одного сливногоустройства к другому.
/>
Рис. 4. Схема работыколпачковой тарелки
При движении через слойзначительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости ввиде пузырьков. Интенсивность образования пены непосредственно на колонне илиниже верха колонны для того, чтобы уменьшить общую высоту установки. Впоследнем случае флегму из дефлегматора 1 подают в колонну 2 насосом. Такоеразмещение дефлегматора часто применяют при установке ректификационных колоннвне зданий, что более экономично в условиях умеренного климата.
Барботажные (тарельчатые)колонны. (Рис 3). Эти аппараты в процессах ректификации наиболее широкораспространены. Они применимы для больших производительностей, широкого диапазонаизменения нагрузок по пару и жидкости и могут обеспечить весьма четкоеразделение смесей. Недостаток барботажных аппаратов – относительно – высокое гидравлическоесопротивление — в условия, ректификации не имеет существенного значения. Приректификации повышение гидравлического сопротивления приводит лишь к некоторому,повышению температуры кипения жидкости в кипятильнике колонны. Однако тот женедостаток сохраняет свое значение для процессов ректификации под вакуумом.
В таких колоннахиспользуют различные виды тарелок: ситчатые, колпачковые, провальные,клапанные, пластинчатые и др.
Ситчатые тарелки. (Рис.3).Колонна сситчатыми тарелками представляет собой вертикальный цилиндрический корпус сгоризонтальными тарелками, в которых равномерно по всей поверхности просверленозначительное число отверстий диаметром 1-5 мм. Газ проходи сквозь отверстиятарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков ситчатыетарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонта. Гидравлическоесопротивление этих тарелок невелико. Ситчатые тарелки устойчиво работают в довольношироком интервале скоростей газа, причем в определенном нагрузок по газу ижидкости эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатыетарелки чувствительны к загрязнителям и осадкам, которые забивают отверстиятарелок.
Колпачковые тарелки. Менее чувствительны к загрязнениям,чем ситчатые, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны сколпачковыми тарелками. Газ на тарелку поступает по патрубкам, разбиваясь затемпрорезями колпачка на большое число отдельных струй. Далее газ проходит черезслой жидкости, перетекающей по тарелке от одного сливного устройства к другому.При движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяетсяв жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены и брызг наколпачковых тарелках зависит от скорости движения газа и глубины погружения колпачкав жидкость. Колпачковые тарелки изготовляют с радиальным или диаметральнымпереливами жидкости. Колпачковые тарелки устойчиво работают при значительныхизменениях нагрузок по газу и жидкости. К их недостаткам следует отнести сложностьустройства и высокую стоимость, низки предельные нагрузки ею газу, относительновысоко гидравлическое сопротивление, трудность очистки.
Клапанные тарелки. (рис.5). Принцип действияклапанных тарелок состоят в том, что свободно лежащий что свободно лежащий надотверстием в тарелке круглый клапан с изменением расхода газа своим весом автоматическирегулирует величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки дляпрохода газа и тем самым поддерживает постоянной скорость газа при егоистечении в барботажный слой.
/>
Рас. 5. Клапанныетарелки.
а, б — с круглымиколпачками; в, с пластинчатым клапаном; г — балластная; 1 — клапан; 2 — кронштейн-ограничитель; 3 — балласт.
При этом с увеличениемскорости газа в колонне гидравлическое сопротивление клапанной тарелки увеличиваетсянезначительно. Высота подъема клапана ограничивается высотой кронштейнаограничителя и обычно не превышает 8 мм.
Достоинства клапанныхтарелок: сравнительно высокая пропускная способность по газу и гидродинамическаяустойчивость, постоянная высокая эффективность в широком интервале нагрузок погазу.
Насадочные колонны. В этих колоннах используютсянасадки различных типов, но в промышленности наиболее распространены колонны снасадкой из колец Рашига. Меньшее гидравлическое сопротивление насадочныхколонн по сравнению с барботажными особенно важно при ректификации под вакуумом.Даже при значительном вакууме в верхней части колонны вследствие большогогидравлического сопротивления ее разрежение в кипятильнике может оказатьсянедостаточным для требуемого снижения температуры кипения исходной смеси.
Для уменьшениягидравлического сопротивления вакуумных колонн в них применяю насадки свозможно большим свободным объемом.
В самой ректификационнойколонне не требуется отводить тепло. Поэтому трудность отвода тепла изнасадочных колонн является скорее достоинством, чем недостатком насадочныхколонн в условиях процесса ректификации.
Однако и при ректификацииследует считаться с тем, что равномерное распределение жидкости по насадке вколоннах большого диаметра затруднено. В связи с этим диаметр промышленныхнасадочных ректификационных колонн обычно не превышает 0,8-1 м.
Пленочные аппараты. Эти аппараты применяется для ректификациипод вакуумом смесей обладающих малой термической стойкостью при нагревании(например, различные мономеры полимеры, а также другие продукты органическогосинтеза).
В ректификационныхаппаратах пленочного типа достигается низкое гидравлического сопротивление.Кроме того, задержка жидкости в единице объема работающего аппарата мала. Кчислу пленочных ректификационных аппаратов относятся колонны с регулярнойнасадкой в виде пакетов вертикальных трубок диаметром 6-20 мм (многотрубчатыеколонны), а также пакетов плоскопараллельной или сотовой насадки с каналамиразличной формы, изготовленной и перфорированных металлических листов илиметаллической сетки.
Недостатки роторныхколонн: ограниченность их высоты и диаметра (из-за сложности изготовления итребований, предъявляемых к прочности и жесткости ротора), а также высоки эксплуатационныерасходы.
3. Схема ректификационнойустановки
/>
Принципиальная схемаректификационной установки
Описание ректификационнойустановки
Принципиальная схемаректификационной установки представлена на рис. Исходная смесь из промежуточнойемкости 9 центробежным насосом 10 подается в теплообменник 5, где подогреваетсядо температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационнуюколонну / на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смесиХF.
Стекая вниз по колонне,жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипениикубовой жидкости в кипятильнике 2. Начальный состав пара примерно равен составукубового остатка Xw, т.е. обедненлегколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащаетсялегколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонныорошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) составХР, которая получается в дефлегматоре 3 путем конденсации пара, выходящего изколонны. Затем жидкость направляется в делитель флегмы 4. Часть конденсатавыводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения дистиллята,который охлаждается в теплообменнике 6, и направляется в сборник дистиллята 11при помощи насоса 10.
Из кубовой части колоннынасосом 10 непрерывно выводится кубовая жидкость — продукт, обогащенный труднолетучимкомпонентом, который охлаждается в холодильнике остатка 7 и направляется вемкость 8. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывныйнеравномерный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовой остаток, обогащенный труднолетучимкомпонентом.
4. Расчетректификационной колонны
4.1 Расчет материальногобаланса
Уравнения материального баланса ректификационной колоннынепрерывного действия, учитывающее количество поступающих и уходящих потоков,имеет следующий вид:
GF = GD +GW (1)
где GF – количество поступающей на разделение смеси, кг/с;
GD – массовый расход дистиллята, кг/с;
GW – массовый расход кубового остатка,кг/с;
GF∙ХF = GD∙ХD +GW∙ХW (2)
где ХD – концентрация низкокипящегокомпонента в дистилляте, массовые доли;
ХW – концентрация низкокипящегокомпонента в кубовом остатке, массовые доли;
ХF – концентрация низкокипящегокомпонента в исходной смеси, массовые доли.
Для того, чтобы найтимассовый расход дистиллята ХD имассовый расход кубового остатка ХW подставим исходные данные в уравнение (1) и вуравнение (2). Затем решим эти уравнения совместно.
GD +GW = 10000
GD∙ 0,995 + GW ∙ 0,3 = 10000 ∙ 0,9
GD ∙ 0,995 + (1000-GD)∙ 0,3 = 9000
0,695 ∙ GD= 9000 − 3000
0,695 ∙ GW= 6000
GD =8633 кг/ч
GD = 10000 − 8633 = 1367 кг/ч
Массовый расходдистиллята: GD = 8633 кг/ч
Массовый расход кубовогоостатка: GW =1367 кг/ч
Для дальнейших расчетоввыразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях.
Содержание низкокипящегокомпонента в питании вычисляют по формуле:
/> (3)
где ХF – концентрация низкокипящегокомпонента в питании, мольные доли;
Мв – мольнаямасса низкокипящего компонента, кг/моль;
Мукс – мольнаямасса высококипящего компонента, кг/моль;
Мукс = 60 кг/кмоль;
Мв = 18 кг/кмоль;
Содержание низкокипящегокомпонента в дистилляте вычисляют по формуле:
/> (4)
где ХD — концентрация низкокипящего компонентав дистилляте, мольные доли
Содержание низкокипящегокомпонента в кубовом остатке вычисляют по формуле:
/> (5)
/>
где ХW — концентрация низкокипящегокомпонента в кубовом остатке, мольные доли.
Подставим в формулу(3), вформулу (4) и в формулу (5) исходные данные и найдем содержание уксуснойкислоты в смеси (питании), в дистилляте и в кубовом остатке.
ХF = />
ХD = />
ХW = />
Относительный мольныйрасход питания определяется по уравнению:
/> (6)
/>
Для проведения дальнейшихрасчетов нам необходимо построить кривую равновесия в координатах /> для системы этиловыйспирт-вода при атмосферном давлении.
Здесь /> — мольные доли воды вжидкости и в равновесном с ним паре.
РБ и РТ – давлениенасыщенного пара воды и уксусной кислоты соответственно П- общее давление
/>/> />
Все необходимые данныедля построения кривой равновесия приведены в таблице 1.
Таблица 1. Равновесные составы жидкости и парадля системы Уксусная кислота — водаt, °C x y 118,1 115,4 0,05 0,092 113,8 0,1 0,167 110,1 0,2 0,302 107,5 0,3 0,425 105,8 0,4 0,53 104,4 0,5 0,626 103,2 0,6 0,716 102,1 0,7 0,795 101,3 0,8 0,864 100,6 0,9 0,93 100 1 1
По данным таблицы 1построим кривую равновесия
/> />
Рис.2. Кривая равновесияв координатах /> для системы уксуснаякислота – вода.
Минимальное число флегмы />определяется по уравнению:
/> (7)
где уF* — концентрация низкокипящегокомпонента в паре, равновесном с жидкостью питания.
Определим содержание уксуснаякислота в паре, равновесном с жидкостью питания уF*, по кривой равновесия, представленной на рис.2.
УF*=0.977
Подставим в уравнение (7)все необходимые данные и найдем минимальное число флегмы Rmin
/>
Рабочее число флегмы R определяется по уравнению:
/>(8)
Подставим числовоезначение минимального числа флегмы Rmin в уравнение (8) и определим рабочее число флегмы R.
/>
Коэффициент избыткафлегмы равен:
/>
Уравнения рабочих линий
А) в верхней (укрепляющей)части колонны
/>/> />
где R – флегмовое число
/>
/>
Б) в нижней(исчерпывающей) части колонны
/>Xw
где R – флегмовое число
F – относительный мольный расход питания
/>
/>
Далее нам необходимоопределить средний массовый расход по жидкости для верхней и нижней частиколонны.
Определяем посоотношению:
/>/>
/>/> +/>
Где Md и Mf-мольные массы дистилята и исходнойсмеси;
Mверх и Mн- средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частиколоны.
Мольные массы в верхней инижних частях колоны соответственно равны:
/>
Где Xсрн и Xсрв – средний мольный состав жидкости в нижней и верхнейчастях колонны.
/>
/>
Тогда:
Mcpв=/> кг/кмоль
Mcpн=/> кг/кмоль
Мольная масса исходнойсмеси:
MF=/> кг/кмоль
Мольная масса дистиллята:
MD=/> кг/кмоль
Подставив, получим:
/>/> кг/ч
/>/> +/> кг/ч
Средние массовые потокипара в верхней Gв и Gн частях колонны соответственноравны:
/>/>
/>/>
Здесь M’в и M’н – средние мольные массыпаров в верхней и нижней частях колонны:
M’верх = Мв yсрв + Мукс (1-yсрв)
M’н= Мвyсрн + Мукс(1-yсрн)
yсрн и yсрв – средний мольный состав пара в нижней и верхней частяхколонны.
/>
/>
Значение yD, yF и yW получаем из уравнений рабочей линии.Тогда:
M’cpв=/> кг/кмоль
M’cpн=/> кг/кмоль
Отсюда:
/> кг/ч
/> кг/ч
тарельчатыйколонна ректификация дефлегматор
4.2 Определение скоростипара и диаметра колонны
По данным таблицы 1строимдиаграмму t-x,y.
/>
Рисунок 2 Диаграмма t-x,y для определениясостава равновесия пара в зависимости от температуры
По диаграмме,представленной на рисунке 2, определяем средние температуры:
А) ycpв = 0.9397 tcp = 100.1 oC
Б) ycpн = 0.7346 tcp = 102.3 oC
Зная средние мольные,определяем массы и плотности пара:
M’cpв=/> кг/кмоль
M’cpн=/> кг/кмоль
/>
/>
M’в и M’н средние мольные массыпара в верхней и нижней части колонны соответственно;
ρув и ρунплотности пара в в верхней и нижней части колонны соответственно.
Температура в верхнейчасти колонны при Хсрв =0.9831 равна 100.01°С, а в нижней при Xсрн = 0.77795 равна 101.5°С. Отсюда t ср = 100.9755°С. Эти данные определены по диаграмме t-х, у, представленной на рисунке 2.
Плотность воды при t = 100 °С ρв=958 кг/м3, а уксусной кислоты при ρукс=958 кг/м3.
Принимаем среднююплотность жидкости в колонне: />
Определяем скорость парав колонне по уравнению:
/>
/>
/>
Диаметр ректификационнойколонны рассчитываем по формуле:
/>
/> м
/> м
Берем диаметр колонны D = 3600 мм.
Тогда скорость пара вколонне будет равна:
/>
/>
/>м/с
4.3 Гидравлический расчеттарелок
Выбираем тарелку типа ТС- Р [приложение 2, стр. 118].
Принимаем следующиеразмеры ситчатой тарелки:
Диаметр отверстий do = 4 мм
Высота сливнойперегородки hП = 40 мм
Свободное сечение тарелки(суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки.
Площадь, занимаемая двумясегментными переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки.
Периметр слива П = 3.1 м.
Рассчитаем гидравлическоесопротивление тарелки в верхней части и в нижней части колонны по уравнению:
/>/>
где Δpсух — сопротивление сухой тарелки;
Δpб — сопротивление, вызываемое силами поверхностногонатяжения;
Δpгж — сопротивление газожидкостного слояна тарелке.
А) в верхней(укрепляющей) части колонны:
Гидравлическоесопротивление сухой тарелки:
/>
где /> - коэффициентсопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 7-10%;
/> скорость пара в отверстиях тарелки.
/>
Сопротивление,обусловленное силами поверхностного натяжения:
/>
где /> - поверхностное натяжениежидкости при средней температуре в верхней части колонны 100 °С; d0= 0-004 м — диаметр отверстий тарелки.
/>
Сопротивлениепарожидкостного слоя на тарелке:
/>
где />отношение плотности парожидкостногослоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0.5.
hпж — высота парожидкостного слоя (пены)вычисляется по формуле:
/>
где Δh высота слоя над сливной перегородкойрассчитывается по формуле:
/>
где />объемный расход жидкости, />
П — периметр сливнойперегородки.
Объемный расход жидкостив верхней части колонны:
/>
где Мсрсредняя мольная масса жидкости, кг/кмоль;
МD мольная масса дистиллята, кг/кмоль.
/>
Ширину переливного пороганаходим, решая систему уравнений:
/>
/>
где R=1.8 м радиус тарелки; П=3.1 м — периметр сливной перегородки.
Найдем ширину переливногопорога b:
/>
/>
НаходимΔh:
/>
Высота парожидкостногослоя на тарелке: />
Сопротивлениепарожидкостного слоя на тарелке:
/>
Общее гидравлическоесопротивление тарелки в верхней части колонны:
/>
Б) в нижней(исчерпывающей) части колонны:
Гидравлическоесопротивление сухой тарелки:
/>
Сопротивление,обусловленное силами поверхностного натяжения:
/>
где />поверхностное натяжениежидкости при />=100°С.
Объемный расход жидкостив нижней части колонны, рассчитывается по формуле:
/>
где МF мольная масса жидкости питания,кг/кмоль
Мср средняямольная масса жидкости, кг/кмоль
/>
Высота слоя над сливнойперегородкой:
/>
Высота парожидкостногослоя на тарелке:
/>
Сопротивлениепарожидкостного слоя на тарелке:
/>
Общее гидравлическоесопротивление тарелки в нижней части колонны:
/>
Проверим, соблюдается липри расстоянии между тарелками h = 0.5м необходимое условие для нормальной работы тарелок:
/>>/>
Для тарелок нижней части,у которых общее гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок верхнейчасти:
/>
Следовательно,вышеуказанное условие соблюдается.
Проверим равномерностьработы тарелок — рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях />, достаточную для того,чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями:
/>
Рассчитанная скорость/>меньше рассчитанной ранеескорости />, следовательно, тарелкабудет работать всеми отверстиями.
4.4 Определение числатарелок и высоты колонны
Число тарелокрассчитывается по уравнению:
/>
где η =среднийК.П.Д. тарелок
Для определения среднегоК.П.Д. тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемыхкомпонентов:
/>
и коэффициентдинамической вязкости исходной смеси ц при средней температуре в колонне,равной
/> °С
При этой температуредавление насыщенного пара воды Рв = 867.88 мм.рт.ст., уксусной кислоты Рук =474.15 мм.рт.ст, откуда
/>
Динамический коэффициентвязкости воды при 101°С равен 0.2838 мПа*с, уксусной кислоты 0.4916 мПа*с.Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси
/>V, стр556].
Тогда />
По графику [Рис. 7.4,стр. 323] находим значение />.Длинапути жидкости на тарелке:
/>
По графику [рис. 7.5,стр. 324] находим значение поправки на длину пути Δ=0.2375 Средний К.П.Д.тарелок находим по уравнению:
/>
Число тарелок определяеманалитическим методом, используя табличный процессор Excel. Система уравнений позволяющая определить числотарелок, а также составы пара и жидкости, покидающих каждую из тарелок, включаетв себя уравнение равновесия
/>
где α коэффициентотносительной летучести разделяемых компонентов:
уравнения рабочих линий
для верхней части колонны/>
для нижней части колонны />
выражение длякоэффициента обогащения />.
Расчет состоит впоследовательном определении в сечении колонны между тарелками составов пара ижидкости (yi, xi).
Нижние индексы у составовпара и жидкости отвечают номеру сечения. Номер тарелки совпадает с номеромрасположенного под нею сечения.
Примем, что коэффициентлетучести постоянен, коэффициент обогащения постоянен, куб-испаритель необладает разделяющим действием, выходящий из него пар имеет тот же состав, чтои кубовый остаток.
Блок схема расчета
/>
Результат расчетаXf i yi xi y*i 0,9677 1 0,5882 0,5882 0,723291 нижняя часть Xd 2 0,658447 0,6571455 0,77815 нижняя часть 0,9985 3 0,720693 0,7182373 0,823472 нижняя часть Xw 4 0,774138 0,7706922 0,86015 нижняя часть 0,5882 5 0,818864 0,8145899 0,889381 нижняя часть R 6 0,855533 0,8505789 0,912413 нижняя часть 3,29 7 0,885111 0,8796086 0,930413 нижняя часть F 8 0,908668 0,902729 0,944393 нижняя часть 1,081 9 0,927245 0,9209621 0,955204 нижняя часть α 10 0,941784 0,9352313 0,963536 нижняя часть 1,83 11 0,953095 0,946333 0,969942 нижняя часть μ 12 0,961855 0,9549312 0,974858 нижняя часть 0,52 13 0,968617 0,9615674 0,978626 нижняя часть yf 14 0,973822 0,9666756 0,98151 нижняя часть 0,974879 15 0,97782 0,9705997 0,983717 верхняя часть 16 0,980886 0,9755328 0,98648 верхняя часть 17 0,983795 0,9793255 0,988595 верхняя часть 18 0,986291 0,9825804 0,990405 верхняя часть 19 0,988431 0,98537 0,991952 верхняя часть 20 0,990262 0,9877577 0,993273 верхняя часть 21 0,991828 0,9897994 0,9944 верхняя часть 22 0,993165 0,9915437 0,995361 верхняя часть 23 0,994307 0,9930327 0,996181 верхняя часть 24 0,995281 0,9943031 0,996879 верхняя часть 25 0,996112 0,9953863 0,997474 верхняя часть 26 0,99682 0,9963094 0,99798 верхняя часть 27 0,997423 0,9970959 0,998411 верхняя часть 28 0,997937 0,9977656 0,998778 верхняя часть 29 0,998374 0,9983359 0,99909 верхняя часть 30 0,998746 0,9988212 0,999356 верхняя часть расчет закончен
Число тарелок:
А) в верхней частиколонны: />
Б) в нижней частиколонны: />
Общее число тарелок n = 29, с запасом n = 33, из них в верхней части колонны18, в нижней — 15.
Высота тарельчатой частиколонны:
/>
/>
Общее гидравлическоесопротивление тарелок:
/>
/>
4.5 Тепловой расчетустановки
Расход теплоты,отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению:
/>
Здесь
/>
где /> и /> - удельные теплотыконденсации воды и уксусной кислоты при 100°С [табл. ХLY, стр. 541].
/>
/>
/>
/>
Расход теплоты,получаемой в кубе-испарителе от греющего пара находим по уравнению:
/>
Здесь тепловые потери />приняты в размере 3% отполезно затрачиваемой теплоты; удельные теплоемкости взяты соответственно при[Рис. XI., стр. 562]
/> /> /> /> ккал/(кг*К)
/> /> /> /> ккал/(кг*К)
/> /> /> /> ккал/(кг*К)
/>/>
Расход теплоты в паровомподогревателе исходной смеси:
/>
Здесь тепловые потериприняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси
/>
Взята при среднейтемпературе
/>
/>
/>
Расход теплоты,отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:
/>
где удельная теплоемкостьдистиллята взята при средней температуре (100+25)/2=62.50С.
/>
Расход теплоты,отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:
/>
где удельная теплоемкостькубового остатка
/>
взята при средней температуре(105+25)/2=650С.
/>
Расход греющего пара,имеющего давление рабс= 3 атм = 3 кгс/см и влажность 5 % :
А) в кубе-испарителе:
/>
где /> - удельная теплотаконденсации греющего пара.
/>
Б) в подогревателеисходной смеси:
/>
/>
Всего 12.0211кг/с или43.276 т/ч
Расход охлаждающей водыпри нагреве ее до 20°С:
А) в дефлегматоре
/>
Б) в водяном холодильникедистиллята:
/>
В) в водяном холодильникекубового остатка:
/>
Всего: />
Вывод
Ректификация это процесс,который осуществляется в противоточных колонных аппаратах с контактнымиэлементами в виде тарелок. Процесс ректификации обладает рядом особенностей.
Различное соотношениенагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней части колонны.
Совместное протеканиепроцессов массо и теплопереноса.
Всё это осложняет расчеттарельчатых ректификационных колонн. Большое разнообразие тарельчатыхконтактных устройств затрудняет выбор колонны. В данном случае мы выбираемколонну с тарелками типа ТС-Р, потому что она соответствует общим требованиямтаким как: высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость.
Диаметр и высота колонныопределяются нагрузками по пару и жидкости и физическими свойствамивзаимодействующих фаз.
Список литературы
1. Дытнерский Ю.И. " Основныепроцессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование"
2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., НосковА.А. «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химическойтехнологии»
3. Дытнерский Ю.И." Процессы иаппараты химической технологии"