Расчет ректификационной колонны. 12

Министерство образования РФ

 

Саратовский Государственный Технический  Университет

 

 

Кафедра: «Промышленная теплотехника»

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА:

 

«Расчет ректификационной колонны»

 

 

 

 

 

 

 

 

 Выполнил: студент гр. ПТЭ-21 У

Татаринов С.С.

 

Проверил: д.т.н., проф.каф.ПТ

Симонов В.Ф.

 

 

 

 

2010.

Выражение состава исходной смеси, дистиллята и кубового остатка  в молярных долях.

Пересчет состава из массовых долей  в мольные производится по формуле:

где - массовая доля низкокипящего компонента смеси;

       и - молекулярные массы низкокипящего и высококипящего компонентов, кг/кмоль.

Температура кипения  воды  t_В.К.=100⁰С ; Температура кипения метилового спирата(метанола) t_Н.К.=64,7⁰С; Следовательно. Для смеси метанол-вода, низкокипящим компонентом  является метанол, высококипящим –вода.

- молекулярные массы воды  и метанола;

Вычисляется мольная  доля низкокипящего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке:

X_F,X_P,X_W при =0,1; =0,85; =0,005;

 

Расчет расходов дистиллята и кубового остатка из уравнений:

 

где: GF, GP, GW – массовые расходы низкокипящего компонента соответственно в исходной смеси, дистиллята и кубового остатка;

        , , – массовая доля низкокипящего компонента соответственно в исходной смеси, дистиллята и кубового остатка;

;

Построение диаграмм «У-Х» и «t-Х-У»;

 

Х	0	0,05	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Y	0	26,8	41,8	57,9	66,5	72,9	77,9	82,5	87,0	91,5	95,8	100
t	100	92,3	87,7	81,7	78,0	75,3	73,1	71,2	69,3	67,6	66,0	64,5

Приложение А:

Масштаб: 0,1 моль –10 мм;

Масштаб: 10⁰С – 10 мм.

 

Определение флегмового числа.

 

Флегмовое число  рассчитывается по формуле:

где: φ – коэффициент  избытка флегмы; при расчетах ректификационных колонн рабочее Флегмовое число  определяется по формуле:

где   - концентрация низкокипящего компонента в паре, равновесном с исходной жидкостью (находится из диаграммы «X-Y» при =0,5 и =0,452;

На диаграмме «X-Y» находим точку «А» с координатами X_P=Y_Р=0,76 и точку «D» с координатами X_W=Y_W=0,0056, на кривой равновесия наносим точку «С» с абсциссой равной X_F=0,06, и ординатой Y*=0,5;

Величина отрезка, отсекаемого  на оси ординат рабочей линией верхней части колонны находится по формуле:

где: R – рабочее Флегмовое число;

Откладываем на оси ординат отрезок, соответствующий b=0,365, получим точку «В». Через точки «А» и «В» проведем прямую «АВ». Находим точку пересечения прямой «АВ» , с перпендикуляром, проведенным через точку с абсциссой X_F=0,452. Получим точку «С». Линия «АС» -- рабочая линия верхней части колонны, линия «СD» -- рабочая линия нижней части колонны;

 

Определение количества теоретических тарелок

Между равновесной и рабочими линиями верхней и нижней частями колонны проводится построение ступенчатой ломаной линии и определяется число теоретических тарелок – ступеней изменения концентрации в верхней и нижней частях колонны.

n_Т.В=30шт. ; n_Т.Н=10шт;

(при построении ступенчатой линии производим увеличение масштаба в пределах концентрации Х от0,9 до 1,0)

Приложение В.

 

 

 

 

Определение действительного  числа тарелок

 

Действительное число тарелок  определяется по формуле:

где n_t – число теоретических тарелок;

η – средний коэффициент полезного  действия тарелок, определяемый по графику  в зависимости от произведения относительной  летучести и вязкости « ».

Значение относительной летучести  и вязкости находится при средней  температуре в колонне.

 

Определение средних  молярных составов жидкости

 

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

 

Уравнение рабочих линий

 

а) в верхней  части колонны:

 

 

 

б) в нижней части колонны:

где

 

Средняя концентрация пара находится  по уравнениям рабочих линий.

 

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Средние температуры находятся  по графику «t-X-Y»

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части  колонны:

в) средняя температура  в колонне:

Относительная летучесть:

где Р_В, Р_м – давление насыщенных паров воды и метанола при 107,4⁰С;

вязкость воды и метанола при 107,4⁰С, μв=0,262мПа; μ_м=0,43мПа;

Вязкость смеси  находится из уравнения:

Произведение  ;

Значение К.П.Д. тарелок :

 

Определение числа действительных тарелок

 

а) в верхней части колонны: n=30/0.54=56шт;

б) в нижней части колонны: n=10/0,54=19;

в) общее число тарелок: n=56+19=75шт;

Питание следует подавать на 19 тарелку (счет тарелок ведется снизу колонны)

Определение диаметра колонны

 

Диаметр колонны определяется по формуле:

где G – количество паров, кг/ч; - плотность паров, кг/м³;

       - плотность жидкости; С – коэффициент, зависящий от типа тарелок, расстояния между тарелками, принимается (с последующей проверкой) расстояние между тарелками Н_т=0,4м;

где   - поверхностное натяжение смеси; воды и метилового спирта соответственно;

 

 

 

 

Внутренние материальные потоки

а) в верхней части колонны:

Расход пара:

массовый:

мольный:

объемный:

где

; - температура дистиллята (взята аз диаграммы «t-X-Y».

расход жидкости:

массовый:

объемный:

а) в нижней части колонны:

Расход пара:

мольный:  расход пара в кмоль/с постоянен по всему  сечению колонны: N=0,247кмоль/с;

массовый:

объемный:

где

; - температура дистиллята (взята  аз диаграммы  «t-X-Y».

 

 

 

расход жидкости:

массовый:

объемный:

Средний объемный расход жидкости в  колонне:

Средний массовый расход пара:

Средняя плотность паров:

Диаметр колонны:

Расчет диаметра колонны  по максимальному количеству газов в верхней части колонны:

По ОСТ 26-01-417-86 выбирается стандартная колпачковая  тарелка с характеристикой:

- Диаметр D=2,44 м;

- относительное  свободное сечение тарелок φ=0,123;

- относительное сечение перелива 10,2;

- периметр слива  1775 мм;

- диаметр колпачка 100мм;

- количество  колпачков 75 шт;

- высота прорези  колпачков 20 мм;

-длина пути  на тарелке 1605 мм;

 

Определение высоты колонны

 

Высота колонны рассчитывается по формуле:

где: Н₁ – высота верхней части колонны до 75 тарелки: Н₁ принимается равной 2,5м;

      – высота верхней тарельчатой части колонны; 0,4м – расстояние между тарелками;

Н₃ – расстояние между верхней и нижней частями колонны;

- высота нижней тарельчатой  части колонны;

Н₅ – высота нижней части колонны, принимается равной 2,5 м;

 

Расчет гидравлического сопротивления тарелки

 

Гидравлическое сопротивление  тарелки рассчитывается по формуле:

где: - сопротивление сухой тарелки, Па;

        - сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения, Па;

       - сопротивление газожидкостного слоя, Па;

Сопротивление сухой тарелки определяется по формуле:

где - коэффициент гидравлического сопротивления тарелки: для колпачковой тарелки принимаем равным 5;

      - скорость в прорезях колпачков, м/с;

ρ – плотность газа, равноая 0,58кг/м³; 

где: w – фактическая скорость паров в колонне;

       

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

где σ=38,3·10^-3 н/м – поверхностное натяжение;

       - эквивалентный диаметр отверстия колпачков:

где: f=0,004·0,02=8·10^-5 м² – площадь отверстий прорези;

       П – периметр  прорези;

Сопротивление газожидкостного слоя:

где к – относительная плотность пены; l – расстояние верхнего края прорези до сливного пирога (принимаем равным пределу открытия прорези 0,02);

где =0,00695м³/с – объемный расход жидкости; П=1,775м – периметр слива; к=0,5;

Сопротивление 75 тарелок:

 

Проверка правильности выбора расстояния между тарелками, выполнимости условия -

 

Расчет скорости движения жидкости в переливном отверстии:

где =0,9; - скорость всплывания пузырьков;

Требуемое сечение перелива:

Фактическое сечение перелива:

Сечение перелива достаточное для  нормальной работы колонны1

 

Расчет межтарельчатого  уноса жидкости

 

Рекомендуемая величина межтарельчатого  уноса:

где L=9,48кг/с – расход жидкости; G=14,82кг/с – расход пара;

η=0,54 – к.п.д. тарелки;

 

Межтарельчатый унос рассчитываем по формуле:

где w=1,79м/с; А= ;

где =0,6 – доля зеркала барботажа;

 

Унос не превышает допустимого  значения, следовательно, расстояние между  тарелками достаточно для нормальной работы.

 

Тепловой баланс ректификационной колонны

 

Содержание низкокипящего компонента (метанола) в мольных долях соответственно в исходной смеси, дистилляте и кубовом  остатке, и их температуры кипения, найденные из диаграммы «t-x-y», :

 

Теплота парообразования при  t_D=101,1⁰С:

а) низкокипящего компонента(метанол):

б) высококипящего компонента (вода):

в) дистиллята:

Удельная теплоемкость воды и метанола при:

Определение удельной теплоемкости исходной смеси, дистиллята и кубового остатка  по формуле:

 

Определение  расхода  тепла, отдаваемого охлаждающей  воде в дефлегматоре

 

где: GD=0,714кг/с; R=1,08; rD=1018кДж/кг;

 

Определение расхода  тепла в кубе колонны с учетом 5% потерь

 

Определение расхода  греющего пара на кипятильник колонны

 

где : =2141кДж/кг – теплота конденсации пара при Р=0,5МПа;

 

Расчет диаметров штуцеров

 

Диаметр штуцера рассчитывается по формуле:

где: V – расход продукта м³/с; w – скорость, м/с;V=G/ρ – расход, кг/с; ρ – плотность , кг/м³;

Расчет диаметра штуцера входной  исходной смеси:

Принимается патрубок штуцера 74х3,5мм

 

Расчет диаметра штуцера входа  флегмы:

Принимается патрубок штуцера 32х1,5 мм;

Расчет диаметра штуцера выхода паров из колонны:

Принимается патрубок для штуцера 40х1,5мм:

 

Расчет тепловых нагрузок дефлегматора, подогревателя исходной смеси

где: GD=0,714кг/с; R=1,08; rD=1018кДж/кг;

 

Тепловая нагрузка подогревателя  исходной смеси

 

Исходная смесь должна нагреться с t’=60⁰С, до температуры t_F=106,4⁰С

Количество тепла, которое должно подаваться в подогреватель:

Определим, возможно, ли использование  тепла кубового остатка для подогрева  исходной смеси до температуры t_F=106,4⁰С. Определение разности температур кубового остатка:

Конечная температура кубовой  жидкости

Полученная разница больше t’=60⁰С, поэтому дополнительный подогрев исходной смеси не нужен;

 

Расчет дефлегматора

 

Тепловая нагрузка дефлегматора

 Определение расхода охлаждающей  воды на аппарата при перепаде  температур по воде 

где =4,18кДж/(кг·К) – теплоемкость воды при средней температуре 31⁰С;

Определение средней разности температур:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение поверхности  теплообмена дефлегматора

 

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи от конденсирующихся паров органических веществ к воде в конденсаторах находится в пределах значений К=300-800Вт/(м²·К);

Принимается среднее значение:

Площадь поверхности теплообмена  находятся по формуле:

По ТУ 26-02-1090-88 выбираем аппарат:

Конденсатор 400 ККГ-1,0-М10-/25Г-4-2-У-га.4 с  характеристикой:

- площадь поверхности теплообмена  42м²;

- длина труб 4м;

- число ходов по трубному  пространству 2;

- диаметр трубок 25х2 мм;

- расположение горизонтальное;

 

Расчет диаметров штуцеров в теплообменнике

 

Диаметр штуцера рассчитывается по формуле:

где: V – расход продукта м³/с; w – скорость, м/с;V=G/ρ – расход, кг/с; ρ – плотность , кг/м³;

Определение диаметров штуцеров входа и выхода воды:

Принимается патрубок штуцера  200х4 мм;

 

Определение диаметра штуцера входа  паров дистиллята::

Принимается патрубок для штуцера  504х7мм;

Определение диаметра штуцера выхода жидкого дистиллята:

Принимается патрубок для штуцера 114х4,5мм;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемых источников

1. Павлов К.Ф и др. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии/ К.Ф.Павлов и др. :учеб. пос. для Вузов. Л.:»Химия», 1976.
2. Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической технологии /А.Н. Плановский, В.М.Рамм. – М.:Химия.1967г
3. Рабинович Г.Г. и др Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: справочник М.Химия 1979.
4. Симонов В.Ф. Промышленные тепломассообменные процессы и установки/ В.Ф.Симонов. –учеб пос СГТУ,1989.