Расчет ректификационной колонны с клапанными тарелками

Титульник.docx

Факультет УиАКафедра ПАХТ
по дисциплине: Технологические процессы и производства
тема: Расчет ректификационной колонны с клапанными тарелками

Технологическая схема.cdw

Колонна ректификационная
Вентиль регулирующий
Наименование среды в трубопроводе
Паро-жидкостная эмульсия
Технологическая схема

Содержание.doc

Описание технологической схемы .
Определение скорости пара и диаметра колонны
Гидравлический расчет тарелок
Определение числа тарелок и высоты колонны ..
Тепловой расчет колонны .
Список использованной литературы .

Расчетная часть.docx

Для разделения смеси жидкости обычно прибегают к перегонке основанной на разной температуре кипения компонентов смеси. При испарении компонент с более низкой температурой кипения (НК) переходит в пары а компонент с более высокой температурой кипения (ВК) остается в жидком состоянии. Для достижения наиболее полного разделения компонентов применяют ректификацию. Ректификация заключается в противоточном взаимодействии паров образующихся при перегонке с жидкостью получающейся при конденсации паров.
В ректификационном аппарате снизу вверх движутся пары а сверху подается жидкость представляющая собой почти чистый НК. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ВК а из жидкости испаряется преимущественно НК. Таким образом стекающая жидкость обогащается ВК а поднимающиеся пары обогащаются НК в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый НК. Эти пары поступают в конденсатор называемый дефлегматором и конденсируются. Часть конденсата возвращаемая на орошение аппарата называется флегмой другая часть отводится в качестве дистиллята.
Как и для всех массобменных процессов эффективность ректификации зависит от поверхности контакта фаз. Для увеличения поверхности массобмена используют различные контактные устройства насадочного или барботажного типа. Наиболее распространенными ректификационными установками являются барботажные колонны с различными типами тарелок: колпачковыми ситчатыми провальными и т.п. Наиболее универсальны колонны с колпачковыми тарелками но при разделении незагрязненных жидкостей в установках с постоянной нагрузкой хорошо зарекомендовали себя аппараты с ситчатыми тарелками отличающимися простотой конструкции и легкостью в обслуживании.
Описание технологической схемы
Исходная смесь из расходной емкости Е1 центробежным насосом подается в подогреватель П где нагревается до температуры кипения и поступает на питающую тарелку ректификационной колонны КР. Стекая по тарелкам жидкость попадает в куб из которого поступает в кипятильник К. Из кипятильника пары жидкости поступают в нижнюю часть колонны и двигаются навстречу исходной смеси барботируя через нее и обогащаясь низкокипящим компонентом. Выходя из колонны пары попадают в дефлегматор Д и конденсируются. Дистиллят поступает разделитель Е2 где разделяется на два потока: одна часть в качестве флегмы возвращается в колонну и стекает по тарелкам вниз обогащаясь при этом высококипящим компонентом а другая часть поступает в холодильник Х1 охлаждается и попадает в приемную емкость Е4. По мере работы часть жидкости из куба отводится в холодильник Х2 и поступает в приемную емкость Е3 в качестве кубового остатка.
Выбор конструкционного материала
Этиловый спирт и ацетон не являются коррозионно-активными веществами рабочая температура в колонне не выше 100 С поэтому в качестве конструкционного материала для основных деталей аппарата выбираем сталь Ст 3 ГОСТ 380 – 94 [2c.59]: которая используется для изготовления деталей химической аппаратуры при работе с неагрессивными средами при температурах от 10 до 200 С.
Расчет клапанной ректификационной колонны
Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия с клапанными тарелками для разделения 18 тч смеси ацетон – этиловый спмртконцентрация низкокипящего компонента в исходной смеси 20% в дистилляте 92% в кубовом остатке 5%. Проценты массовые.
Расчет материального баланса
Уравнение материального баланса ректификационной колонны.
Где GF GD GW – массовый расход питания дистиллята и кубового остатка;
- содержание легколетучего (низкокипящего) компонента в питании дистилляте и кубовом остатке массовые доли.
Находим GD= 4759 кгч GW=13241 кгч
Пересчет состава фаз
Где МА МВ - мольные массы компонентов кгмоль;
х – мольные доли низкокипящего компонента
Молярная масса ацетона М (СН3СОСН3)=5808 кгмоль
Молярная масса этилового спирта М(С2Н5ОН)=4607 кгмоль
3. Расчет относительного мольного расхода питания
4. Расчет минимального числа флегмы
По данным таблицы 1 строим график (рис. 1)
Таблица 1. Равновесные составы жидкости и пара для бинарной системы
ацетон-этиловый спирт
Рис.1. Изобара равновесных концентраций для смеси ацетон-этиловый
спирт при атмосферном давлении
Минимальное число флегмы определяется по уровнению :
Где =042 – мольная доля ацетона в паре равновесном с жидкостью
питания определяем по диаграмме - х.
5 Расчет рабочего числа флегмы по уровнению :
6 Уравнения рабочих линий :
а) верхней (укрепляющей) части колонны
б) нижней (исчерпывающей) части колонны
Определение скорости пара и диаметра колонны.
Среднии концентрации жидкости :
а) в верхней части колонны
б) в нижней части колонны
Средние концентрации пара :
Находим средние температуры пара и по диаграмме «температура – состав состав» (t – которую строим по равновесным данным (рис. 2):
Рис 2. Изобара температур кипения и конденсации для смеси ацетон-
этиловый спирт при атмосферном давлении.
Средние мольные массы и плотности пара:
Где М – мольная масса газа кгмоль;
Средняя плотность пара в колонне:
Из справочника находим:
а) плотность ацетона
б) плотность этилового спирта
Температура в верху колонны при равняется 63 0С а в кубе – испарителе при равняется 74 0С
Средняя плотность жидкости в колонне:
Определяем скорость пара в колонне по уровнению :
Где С – коэффициент зависящий от конструкции тарелок расстояние
между тарелками рабочего давления в колонне нагрузки колонны по жидкости.
Принимаем h=400 мм С=00815
Объемный расход V проходящего через колонну пара при средней температуре
Где - мольная масса дистиллята равная :
Вычислим диаметр колонны :
Из каталога “Колонные аппараты” выбираем ближайший диаметр колонны. D = 1600мм. тогда скорость пара в колонне будет :
Гидравлический расчет тарелок
1.1. Расчет сопротивления сухой тарелки
где0- скорость газа в клапане или в отверстиях тарелок мс
Pг - плотность газа кгм3
- коэффициент сопротивления ( для клапанных тарелок =363 )
1.2. Расчет сопротивления вызываемого силами поверхностного
где - поверхностное натяжение Нм
d – диаметр отверстия м
P=422300410-3=223 Па
1.3 Расчет сопротивления парожидкостного слоя на тарелке
гдеq – ускорение свободного падения мс2
k – относительная плотность газожидкостного слоя (пены)
[ при расчетах принимают приближенно k=05]
Высота парожидкостного слоя :
Величина h определяется :
h=(Vж185Пk)23[1 с. 354]
гдеVж - объемный расход жидкости м3с
П – периметр слива (П=147 м)
Объемный расход жидкости в верхней части колонны
Vж=GDRMсрMDρж=7043483134527436005697405=0008 м2с
Мср=05525808+04484607=5274 кгмоль
h=(Vж185Пk)23=(000818514705)23=0033 м
Высота парожидкостного слоя на тарелке :
hпж=hп+h=006+0033=0093 м
Сопротивление парожидкостного слоя :
Pпж=13hпжРпжqk=130093053703981=2196 Па
Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны :
=Pсух+Р+Рпж=633+223+2196=228 Па
2. Гидравлический расчет в нижней части колонны
2.1.Расчет сопротивления сухой тарелки
2.2. Расчет сопротивления вызываемого силами поверхностного
2.3. Расчет сопротивления парожидкостного слоя на тарелке
Объемный расход жидкости в нижней части колонны
Высота слоя над сливной перегородкой :
Сопротивление парожидкостного слоя:
Pпж=130101740598105=477 Па
Высота парожидкостного слоя
hпж=hп+h=006+0041=0101 м
Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:
P"=633+223+477=486 Па
Проверим соблюдается ли при расстоянии между тарелками h = 04 м необходимое для нормальной работы тарелок условие
Для тарелок нижней части у которых гидравлическое сопротивление больше чем у тарелок верхней части:
- Условие соблюдается.
Проверим равномерность работы тарелок – рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях w0.min достаточную для того чтобы клапанная тарелка тарелка работала всеми отверстиями:
Определение числа тарелок и высоты колонны.
4. Расчет числа тарелок
Расчет требуемого числа тарелок n ведут графическим путем используя кинетические закономерности – уравнения массопередачи и расчетные зависимости для коэффициентов массоотдачи (или чисел единиц переноса) в паровой и жидкой фазах на тарелке.
При приближенных расчетах применяют теоретически менее обоснованный но более простой метод определения числа тарелок с помощью так называемого среднего к.п.д. тарелок (к.п.д. колонны)
где nт -число теоретических тарелок – ступеней изменения
концентрации которое находят графическим построением между
равновесной и рабочей линиями на у – х диаграмме.
Значение определяют по опытным данным большей частью они находяться в пределах 03÷08
Примем =038[1 с. 322]
а) в верхней части колонны
а) в верхней части колонны n=28
б) в нижней части колонны n"=12
Общее число тарелок n=40
2. Высота тарельчатой части колонны
HТ=(n-1)h [1 с. 357]
Рис.3. Изобара равновесных концентраций.
Тепловой расчет колонны
1. Расчет расхода теплоты отдаваемой охлаждающей воде в
дефлегматоре – конденсаторе .
находим по уровнению :
где R – число флегмы ;
- удельная теплота конденсации паров в девлегматоре Джкг
где- удельные теплоты конденсации ацетона и этилового спирта
2. Расчет расхода теплоты получаемой в кубе – испарителе от
находим по уравнению :
Где - средние удельные теплоемкости (Джкг·К)
- соответствующие теплоты
Здесь тепловые потери приняты в размере 3% от полезного затрачиваемой теплоты ; удельные теплоемкости взяты соответственно при (температура кипения исходной смеси)
3. Расчет расхода теплоты в паровом подогревателе исходной смеси
Здесь тепловые потери приняты в размере 5% ; удельная теплоемкость исходной смеси СF взяты при средней температуре
СF=0280545+1-0280684190=2691 ДжкгК
4. Расчет расхода теплоты отдаваемой охлаждающей воде в водяном
холодильнике дистиллята
где удельная теплоемкость дистиллята взята при
средней температуре 57+252=41 °С
5. Расчет расхода теплоты отдаваемой охлождающей воде в водяном
холодильнике кубового остатка
где удельная теплоемкость кубового остатка
взята при средней температуре 76+252=505 °С
6. Расчет расхода греющего пара имеющего Рабс=кгссм2 и влажность
а) в кубе- испарителе
где rг.п.=2141103 Джкг - удельная теплота концентрации греющего
б) в подогревателе исходной смеси
Всего : 154+035=189кгс или 68 тч.
7. Расчет расхода охлаждающей воды при нагреве ее на 20°С
б) в водяном холодильнике дистиллята
в) в водяном холодильнике кубового остатка
Всего : 00358+000115+000657=004352 м3с или 1567 м3ч
Список использованной литературы
Павлов К.Ф. Романков П.Г. Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. - Л : Химия1987 576 с.
Разработка конструкции химического аппарата и его графической модели. Методические указания. - Иваново 2004.
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию Под ред. Ю.И.Дытнерского. - М.:Химия 1983. 272 с.
Расчет и проектирование массообменных аппаратов. Учебное пособие. Лебедев В.Я. и др. - Иваново 1994.