Содержание

Данные для  задания………………………………………………………………3

1. Материальный  баланс…………………………………………………………5

     1.1 Массовый расход………………………………………………………5

     1.2 Мольный расход……………………………………………………….6

     1.3 Мольные доли компонентов в смеси………………………………...6

2. Определение  числа теоретических тарелок…………………………………8

3. Определения температур верха и низа колонны……………………………10

4. Тепловой баланс колонны……………………………………………………11

5.Гидравлический  расчет……………………………………………………….13

     5.1Определение  диаметра колонны……………………………………..13

     5.2 Расчет гидравлического сопротивления  тарелки………………...…14

     5.3Давление в внизу, вверху и в зоне питания колонны ……………...16

6. Определение  высоты колонны……………………………………………….17

7. Выбор опоры  колонны………………………………………………………..18

8. Определение  диаметров штуцеров…………………………………………..18

9 Определение толщины тепловой изоляции колонны ……………………...21.

10. Определение площади поверхности теплопередачи кипятильника дефлегматора …………………………………………………………………...22

Список использованных источников…………………………………………...24 

 

Данные  для задания

Вариант №2.

новРис.1 Зависимость температуры компонента от концентрации

 
Рис.2 диаграмма фазового равновесия

Необходимо  рассчитать:

1. Материальный  баланс колонны;

2. рабочие параметры  процесса – температуру и давление в колонне;

3. число теоретических  и реальных тарелок в колонне;

4. гидравлическое  сопротивление тарелки и колонны;

5. геометрические  размеры аппарата и отдельных  элементов конструкции  (диаметр  и высоту колонны, расстояние между  тарелками, диаметр     штуцеров и т.д.);

6. Тепловой  баланс колонны.

 

1. Материальный  баланс колонны

1. Массовый  расход

   Массовый  расход получаемых дистиллята и кубового остатка определяется из уравнения материального баланса колонны по  низкокипящему компоненту:

     После определения массового расхода  дистиллята и кубовой жидкости находится массовый расход каждого компонента в дистилляте и кубовом продукте , мольный расход компонентов в продуктах разделения смеси и , а также мольный состав получаемых дистиллята   и остатка . Для составления материального баланса используются следующие соотношения:

G_нк.кF= кг/ч;

G_нк.кD= кг/ч;

G_нк.к = кг/ч;

G_вк.кF = кг/ч;

G_вк.кD = кг/ч;

G_вк.к = кг/ч.

Проверка:   

G_iF = G_iD + G_i

,

4590. =533,8 + 56,2

5610=45,8+5564,2 
 
 
 
 

2. Мольный расход

     Мольные расходы этилового спирта и воды в сырье, дистилляте и кубовом  продукте рассчитываются по формулам:

N_нк.кF =

= 58,77кмоль/ч;

N_нк.кD =

= 58,05кмоль/ч;

N_нк.к

= = 0,72кмоль/ч;  
 

N_вк.кF =

= 61кмоль/ч;

N_вк.кD =

= 0,5кмоль/ч;

N_вк.к

= = 60,5кмоль/ч. 

               Проверка:

N_iF = N_iD + N_i

,

58,77 =58,05 + 0,72

61 = 0,5 +60,05 
 

3. Мольные доли компонентов в смеси

      Мольные доли этилового спирта и воды в  сырье, дистилляте и кубовой жидкости определяются по формулам:

x_нк.кF =

  = 0,491x_вк.кF = = 0,509;

x_нк.кD =

= 0,991;x_вк.кD = = 0,009;

x_нк.к

= = 0,012;x_вк.к = = 0,988. 

           Проверка: 

= = = 1,0,

0,491+ 0,509 = 1,0,

0,991 + 0,0,009 = 1,0,

0,012 + 0,988 = 1,0.

      Материальный  баланс колонны представлен в  табл.1.

 

 

 

Материальный  баланс колонны. 

      Таблица 1.

 

 

 

3. Определение числа теоретических  тарелок

Минимальное флегмовое число  рассчитывается по уравнению: 

.

      Концентрация  низкокипящего компонента в паре определяется по рис.2, исходя из .

      Для определения оптимального флегмового числа  находится минимум функции . Для этого принимается несколько значений коэффициента избытка флегмы , для каждого значения вычисляется флегмовое число ; на диаграмму y-x наносятся рабочие линии верхней и нижней частей колонны и графически определяется число теоретических тарелок в колонне .

Расчет  оптимального флегмового числа показан  в табл. 2.3.

     По  данным табл. 2.3 находится значение оптимального флегмового числа 

     Число теоретических тарелок в верхней  части колонны  (не считать ступень, огибающую точку Д). В нижней части колонны с учетом того, что роль одной тарелки выполняет кипятильник, число теоретических тарелок

 

4. Определения температур верха  и низа колонны

   Средние мольные и массовые концентрации низкокипящего компонента в флегме верхнй и нижней частях колонны:

.

      Средние мольные концентрации НКК в паре:

-для верхней   части колонны:

-для нижней  части колонны:

      Средние температуры пара в концентрационной части и отгонной части колонны  определяются из средних концентраций пара у_В и у_Н[2]:

t_В=86°С при у_В=0,823; t_Н=103°С при у_Н=0,332.

 

4. Тепловой баланс колонны

      Принимаем температуру холодного испаряющегося  орошения  .

Тепловой  поток, отводимый водой в дефлегматоре, рассчитывается по уравнению (45); при  этом средние значения удельной теплоты  испарения   и удельной теплоемкости   находятся по правилу аддитивности:

кДж/кг;

 кДж/(кг*К);

 кВт.

  С учетом тепловых потерь, принятых равными 5 % от полезно используемого расхода  теплоты, тепловой поток в кипятильнике составит (уравнения (43), (47 

                  

               кДж/кг;

               кДж/кг;

               кДж/кг.

               ;

КВт

В качестве теплоносителя  в кипятильнике колонны принимаем  насыщенный водяной пар с абсолютным давлением 0,294 МПа (3 атм) и степенью сухости Такой пар имеет температуру 132,9 0С, энтальпию I=2730 КДж/кг; энтальпия конденсатаI=558.9 КДж/кг [7, с. 533]. Расход водяного пара   в кипятильнике колонны согласно уравнению (48) составит:

                кг/с 
 

  Принимаем, что вода в дефлегматоре нагревается  от до . Тогда расход воды в дефлегматоре (уравнение (49))

                кг/с

      Массовый  расход холодного испаряющегося  орошения gx рассчитывается из уравнения (46):

               g_x= кг/ч

где энтальпия  паров ItD и флегмы itx определяется по правилу аддитивности:

 кДж/кг;

 кДж/кг.

Массовый расход горячего орошения  , стекающего с 1-й  тарелки верхней части колонны:

кг/ч

Проверка:      ; ;

                                 9524,93≈9456,857

.Проверка сошлась 
 
 
 
 
 
 
 

5. Гидравлический  расчет

1. Определение диаметра колонны

 

Плотности пара и жидкости: =3,188кг/м³, =795,881кг/м³.для верха

Расчитывается объемная нагрузка, м³/с:

-по пару

;

Определяется  допустимая скорость паров в колонне  в верхней части колонны, м³/с:

Плотности пара и жидкости: =3,625кг/м³, =787,043кг/м³.для верха

Расчитывается объемная нагрузка, м³/с:

-по пару

                    

Определяется  допустимая скорость паров в колонне  в нижнейй части колонны, м³/с:

                  

  Поскольку диаметры обеих частей близки, принимаем  диаметр колонны D=1м 
 
 

Рассчитывается  действительная скоростьпара в верхней части в колонне, м/с:

_{Рассчитывается  действительная скорость пара в внижней части в колонне, м/с:}

Принимается тарелка  ТС , D=1м, s=2мм, b=4мм, t=12мм(шаг щелей), относительное свободное сечение тарелки – 0,15м²/м².растояние между тарелками принимаем h=0,2 м(из пособия Дыртневского)

Масса тарелки  М=38кг(не более), тарелка изготовлена из углеродистой стали.

2. Расчет  гидравлического сопротивления  тарелки

а)Гидравлическое сопротивление решетчатой тарелки  в верхней части колонны определяется:

∆P_в=∆P_сух+∆Р_п.ж.+∆Р_σ

Скорость пара в отверстиях тарелок

               м/с

Тогда гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

                Па

Сопротивление, обусловленно силами поверхностного натяжения

               Па

 Средний объемный расход жидкости в верхней части  колонны

                 м³/с

 Высота слоя над сливной перегородкой

                 м 

               

               

Высота парожидкого  слоя на тарелки

∆h_п.ж.=h_п+∆h=0.08+0.011=0.091 м

Сопротивление парожидкого слоя:

∆P_п.ж.=1,3*h_п.ж.*795,881*0,5*9,81=463,239 Па

Общее гидравлическое сопртивление в верхней части  колонны

∆Р=463,239+10,45+55,434=529,123 Па

б) Гидравлическое сопротивление решетчатой тарелки в нижней части колонны определяется:

∆P_н=∆P_сух+∆Р_п.ж.+∆Р_σ

Скорость пара в отверстиях тарелок

             м/с

Тогда гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

Па

Сопротивление, обусловленно силами поверхностного натяжения

Па

Средний объемный расход жидкости в верхней части  колонны

 м³/с

Высота слоя над сливной перегородкой

 м

Высота парожидкого  слоя на тарелки

∆h_п.ж.=h_п+∆h=0.08+0.018=0.098 м

Сопротивление парожидкого слоя:

∆P_п.ж.=1,3*h_п.ж.*787,043 *0,5*9,81=493,931 Па

Общее гидравлическое сопртивление в верхней части  колонны

∆Р=493,931+55,434+9,55=528,915 Па 

Проверим соблюдается  ли необходимое условие при нормальной работе тарелок:

               

               

для тарелок  верхней части:0,122˂0,2 – условие  выполняется

для тарелок  нижней части: 0,13˂0,2 – условие выполняется

Рассчитаем минимальную  скорость пара в отверстиях достаточную  для того, чтобы решетчатая тарелка  работала всеми отверстиями:

Для верхней  части колонны 

               м/с

Для нижней части  колонны

м/с

Фактические скорости в отверстиях тарелок больше минимальных, следовательно все отверстия  тарелок будут работать равномерно.

5.3. Давление в внизу, вверху и в зоне питания колонны:

Расчетное значение сравнивается с допустимым . Значение определяется по формуле:

Где - число действительных тарелок

                                        

                                        

Условие < выполняется.

6. Определение высоты колонны

   Число реальных тарелок и расстояние между  ними H_C определяет высоту тарельчатой части колонны и :

     Высота  зоны питания  и расстояние от крышки до первой тарелки концентрационной части определяются конструктивно:

Расстояние  от днища до первой тарелки отгонной части  рассчитывается исходя из условия запаса для 15 – 20 - минутной работы насоса, откачивающего кубовую жидкость, в случае прекращения поступления сырья в колонну: 

.

Высота  опоры колонны  рассчитывается в зависимости от диаметра колонны:

.

Общая высота колонны  определяется из уравнения: 

. 
 
 
 
 
 
 
 

7.Выбор опоры колонны

По пособию  [4] выбираем тип опоры: цилиндрическая с кольцевым опорным поясом. Обозначение: Опора 3-1000-63-32-1000 ОСТ 26-467-78.

 

8.Определение диаметров штуцеров

Диаметр штуцера  зависит от допустимой скорости потока и определяется как диаметр колонны из уравнения объемного расхода:

 

,      

где - объемный расход потока в трубопроводе.

Допустимая  скорость потока зависит от фазового состояния и может определяться в соответствии с табл. 2.

 

Допустимая  скорость потока в трубопроводах.

      Таблица 2.

Плотности жидких продуктов холодного орошения , сырья и кубового остатка рассчитываются в зависимости от температуры и состава:

 откуда 

 откуда 

 откуда 

Плотности паров, поступающих из кипятильника колонны  , и паров, уходящих с верха колонны , рассчитываются при соответствующих температурах и давлениях: 

Диаметр штуцера  А для выхода паров из колонны  в дефлегматор:

 м.

Принимаем по ГОСТ 12821-80: мм. [5, с. 218]

Диаметр штуцера  В для входа флегмы:

 м.

Принимаем по ГОСТ 12821-80: мм.

Диаметр штуцера С для ввода сырья:

 м. 

Принимаем по ГОСТ 12821-80: мм. 
 
 

Диаметр штуцера  К для вывода кубовой жидкости в кипятильник колонны:

 м.

Принимаем по ГОСТ 12821-80: мм.

Штуцер Е для  ввода паров из кипятильника колонны: 

 м. 

Принимаем по ГОСТ 12821-80: мм. 

 

9.Определение толщины тепловой изоляции колонны

Выбираем  в качестве теплоизоляционного материала  стеклянную вату, для колторойкооэфициент  теплопроводностиλ.из=0.05 Вт/(м*К). Принимаем  температуру на внутренней поверхности  изоляции равной tст1=97 , на наружней поверхности  изоляции tст2=-10.4 для зимних условий. Температуру для зимних условий  принимаем tср=-20, для летних условий tср=18. Считаем, что тепловые потери составляют qпот.=100 Вт/м2

коэффициент теплоотдачи

Расчетное значение тепловых потерь 

Проверим условия:

0,8883˃0,5

Принемаем:  
 
 
 
 
 
 
 
 

10.Определение площади поверхности теплопередачи кипятильника дефлегматора