Расчет ректификационной колонны. 15

.

Содержание

 

 

Введение

1 Расчет тарельчатой  ректификационной колонны

1.1 Материальный баланс

1.2 Построение диаграмм Х-У и t-Х-У

1.3 Расчет флегмового числа

1.4 Средние концентраций низкокипящего компонента в жидкости и

паре

1.5 Определение числа действительных тарелок и высоты колонны

2 Гидравлический расчет колонны

3 Тепловой расчет  колонны

4 Расчет вспомогательного оборудования

4.1 Расчет дефлегматора

4.2 Расчет холодильника для дистиллята  

4.3 Расчет холодильника для кубового остатка

4.4 Расчет кипятильника

   4.5 Расчет подогревателя

Заключение

Список использованных источников

 

 

Введение

 

Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа летучих компонентов, является перегонка (дистилляция и ректификация).

В широком смысле перегонка  представляет собой процесс, включающий частичное испарение разделяемой  смеси и последующую конденсацию  образующихся паров, осуществляемые однократно и многократно. В результате конденсации  получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

Ректификация – процесс  гомогенных смесей летучих жидкостей  путем двухстороннего массообмена  и теплообмена между неравновесными жидкой и паровой фазами, имеющую  различные температуру и движущимися относительно друг друга. Разделение осуществляется обычно в колонных аппаратах при многократном или непрерывном контакте фаз.

В зависимости от способа  организации контакта фаз колонные аппараты подразделяются на тарельчатые, насадочные и пленочные, а в зависимости от рабочего давления - на работающие под давлением, атмосферные и вакуумные.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Расчет ректификационной колонны

 

1.1 Материальный баланс

 

Для расчета необходимо концентрации исходной смеси , дистиллята и кубового остатка выразить в массовых долях по формуле

 

          (1)

 

Где - мольная доля низкокипящего компонента в жидкости;

            - молекулярная масса низкокипящего компонента, кг/кмоль;

           - молекулярная масса высококипящего компонента, кг/кмоль.

Мольная масса этилового  спирта М_а=46 кг/моль, мольная масса воды М_в=18 кг/моль (с. 541 [5]). По заданию = 0,27, = 0,96, = 0,05.

Подставляя значения в формулу (1), получим

 

 

 

 

 

 

 

Средние массовые концентрации низкокипящего компонента в верхней части колонны

 

                                       (2)

 

в нижней части колонны

                                       (3)

 

    Массовый расход  исходной смеси G_f, кг/с, определим по заданию

 

 

G_f=1.25 кг/с

 

   Массовый расход кубового  остатка  , кг/с, находиться по формуле

 

 кг/с                                        (4)

 

  Относительный мольный расход  питания определим по формуле

 

                                                                                  (5)

 

где    x_d – содержание низкокипящего компонента в дистилляте,

                x_d=0.96 (по заданию);

         x_w – содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке,

                x_w=0.05 (по заданию);

         x_f - содержание низкокипящего компонента в исходной смеси ,

                x_f=0.27 (по заданию);

 

Подставляя эти значения в формулу (5), получим

 

 

 

1.2 Построение диаграмм Х-У и t-Х-У

 

Равновесные данные бинарной смеси при заданном давлении в ректификационной колонне взятые из [3] приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Равновесные  составы жидкости и пара смеси метиловый спирт – вода при давлении 760 мм.рт.ст.

 

t,˚C	% (мол.) метилового спирта
	в жидкости	в паре
100	0	0
96,4	2	13,4
93,5	4	23,0
91,2	6	30,4
87,7	10	41,8
81,7	20	57,9
78	30	66,5
75,3	40	72,9
73,1	50	77,9

 

 

Продолжение таблицы 1

 

71,2	60	82,5
69,3	70	87,0
67,5	80	91,5
66	90	95,8
64,5	100	100

 

По полученным данным о равновесии между жидкостью и паром строим изобары температур кипения и конденсации смеси на диаграмме и линию равновесия на диаграмме .

 

 

1.3 Расчет флегмового числа

 

Минимальное флегмовое число можно рассчитать по формуле

 

                (6)

где - мольная доля низкокипящего компонента в паре, равновесном с

   исходной смесью, определяется по диаграмме .

Для нашего случая = 0,77.

Подставляя значения в формулу (6) получим

 

 

Эту величину и принимаем  в дальнейших расчетах за оптимальное  рабочее число флегмы. Число ступеней изменения концентраций (число теоретических тарелок) при этом равно 7.

 

R=1.3*0.97+0.3=1.26

 

   Уравнение рабочих  линий

а) верхней (укрепляющей) части колонны

 

 

б) нижней (исчерпывающей) части колонны

 

 

1.4 Определение скорости пара и диаметр колонны

 

 

Средние мольные концентрации жидкости

а) в верхней части  колонны

 

 

б) в нижней части колонны

 

 

Средние концентрации пара находим  по уравнениям рабочих линий 

 

а) в верхней части колонны

 

 

б) в нижней части колонны

 

 

Средние температуры  пара определим по диаграмме t – x,y (рисунок 3)

 

а) при 

 

б) при 

 

Средние мольные массы  и плотности пара

 

а) в верхней части колонны

 

 

где  М_м.с – мольная масса метилового спирта, М_м.с =32 кг/кмоль;

 

M_воды – мольная масса воды, М_воды=18 кг/кмоль

 

 

 

 

 

б) в нижней части колонны

 

 

 

Средняя плотность газа в колонне

 

   

 

Температура вверху колонны  при x_d=0.96 равняется 78,3^оС, а в кубе-испарителе при x_w=0.05 она равна 90.5 ^оС (рисунок 3).

Плотность жидкого метилового спирта при 78,4 ^оС ρ_м.с=756 кг/м³, а воды при 90,5 ^оС ρ_воды=965 кг/м³ (с. 512[5]).

 

Средняя плотность жидкости по высоте колонны  , кг/м³, определяется по уравнению

 

  

 

Определим скорость пара в колонне по формуле

 

                                                                                                (7)

 

 

где  С – коэффициент, найдем по рисунку (с. 323 [5]) в зависимости  от расстояния между тарелками h, которое принимаем h=450мм. Для колпачковых тарелок С=0,05.

Подставляем значения в формулу (7), получим

 

   

Объемный расход проходящего  через колонну пара при средней  температуре в колонне  определим по формуле

 

                             (8)

 

Где - объемный расход проходящего через колонну пара при средней

               температуре, м/с³, находится по формуле  (  )

      G_d – производительность колонны, G_d=0.55 кг/с

      p – атмосферное давление (по заданию); р_о=1,033 атм.

      Т_ср=273+70,4=343,4 К

 

     - мольная масса дистиллята, кг/кмоль, находится по формуле

 

     

Подставляя значения в формулу (8), получим

 

 м/с³

 

Диаметр колонны  , м, определяется по формуле

 

                                                                                  (9)

Подставляя значения в формулу (9) получим

 

 м

 

По приложению А3 принимаем стандартный диаметр колонны

= 1000 мм.

Действительная скорость пара , м/с, определяется по формуле

 

     (10)

 

Подставляя значения в формулу (10) получим

 

 м/с

 

 

1.5 Определение числа действительных тарелок и высоты колонны

 

Для определения числа  тарелок необходимо построить линии  рабочих концентраций для верхней и нижней частей колоны.

Для этого из x_d=0,96 восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с диагональю (точки А). На оси ординат откладываем величину отрезка, равную

 

 

Получаем точку К. Соединяем  точку А и К. Из x_f=0.27 проводим вертикальную линию до пересечения с линией АК, получим точку Д, из x_w=0.05 проводим вертикаль до пересечения с диагональю (точка М).

Линия АД – есть линия  рабочих концентраций для верхней  части колонны, линия ДМ – для  нижней части колонны.

       Для определения  числа тарелок проводим из  точки А горизонтально до пересечения с линией равновесия, и из полученной точки опускаем перпендикуляр на линию рабочих концентраций и так продолжаем до x_w.

Таким образом теоретическое  число тарелок в верхней части  колонны  , в нижней части , всего 11 ступеней.

Число действительных тарелок  рассчитываем по формуле

 

                                                      (11)

 

         Где η – средний КПД тарелок. Для его нахождения определим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов по формуле

 

                                                  (12)

 

         И динамический коэффициент вязкости  исходной смеси μ при средней  температуре в колонне, равной 70.4^оС. При этой температуре давление насыщенного пара метилового спирта Р_м.с=900 мм рт. ст.,воды

Р_воды=200 мм рт.ст. (с. 565 [5]).

         Подставляя  эти значения в формулу (12), получим

 

Динамический коэффициент  вязкости метилового спирта при 70.4 ^оС равен 0,12мПа*с, воды 0,03 мПа*с (с. 565 [5]). Динамический коэффициент вязкости исходной смеси определим по формуле

 

                                 (13)

 

Подставляем значения в формулу(13), получим

 

Тогда произведение

На рисунке 7.4 (с. 323 [5]) находим

Подставляя значения в формулу (11), получим

 

Высота тарельчатой  части колонны

 

где h – расстояние между тарелками ,450 мм.

Подставляя эти значения в формулу ( ), получим

 

 

 

2 Гидравлический расчет тарелок

 

В соответствии с рассчитанным выше диаметром колонны подбираем  стандартную колонну и тарелки. Принимаем к установке колонный аппарат диаметром 1000 мм; колонна компонуется из однопоточных неразборных нормализованных тарелок типа ТСК-I с капсульными стальными колпачками.

Нагрузку по жидкости на единицу длины сливной перегородки (борта) определяем по наиболее загруженной, нижней части колонны по формуле

 

 

Объемный расход жидкости в нижней части колонны определим  по формуле

                                                      (14)

 

где  ρ_ж.н – плотность жидкости в нижней части колонны. Она определяется по формуле

 

 

 

тогда 

Подставляя значения в формулу (14), получим

 

 

Нагрузку по жидкости на единицу длины сливной перегородки определим по формуле

 

где L – периметр слива, L=0.665 м [с. 215,1]

Фактическая нагрузка не превышает  допустимую (65 м³(м*ч)) и это должно обеспечить равномерное распределение пара по сечению тарелки.

Проверяем, будет ли обеспечено полное открытие прорезей , необходимое для  равномерного режима работы тарелок.

Скорость, необходимую для полного  открытия прорезей, определим по формуле 

 

                                                                      (16)

 

где  ξ –коэффициент сопротивления тарелки, принимаем

             ξ=5;

       h_пр – высота прорези, принимаем h_пр =0.02 м;

       ρ_п – средняя плотность пара в нижней части колонны,

             ρ_п =0,9 кг/м³

       ρ_ж – средняя плотность жидкости в нижней части колонны

             ρ_ж=860,5 кг/м³

 

Подставляя эти значения в формулу(16), получим

 

Площадь сечения всех прорезей определим по формуле

                                                     (17)

где n_кол – количество колпачков на тарелке, принимаем

                n_кол=34;

      n_пр – число прорезей в колпачке, принимаем n_пр=36;

S_пр – площадь прорези, принимаем S_пр=0,00008 м²

Подставляя эти значения в формулу(17), получим

 

 

Отношение площади сечения  прорезей к площади поперечного  сечения колонны определим по формуле

 

                                                      (18)

где F_k – площадь поперечного сечения колонны, определим по формуле

 

 

Подставляя значения в формулу (18), получим

 

 

Фактическая скорость пара в прорезях определим по формуле

 

                                                       (19)

 

где ω – скорость пара в колонне, ω=2,3м/с

 

Подставляя  значения в формулу (19), получим

 

 

Полностью  открытие прорезей будет обеспечено, так как

 

 

Гидравлическое сопротивление колонны определим по формуле

 

                                      (19а)

где n – число тарелок, n=13;

∆p_T - гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки, определим по формуле

 

                         (19б)

где ∆р_сух.н – сопротивление сухой тарелки нижней части колонны, определим по формуле

 

 

где ∆р_σ.н – сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, определим по формуле

где σ – поверхностное напряжение жидкости при средней температуре в нижней части колонны  71.3^oC определим по формуле

 

                            (20)

где σ_э.с – поверхностное натяжение метилового спирта при температуре 71.3^oC, σ_м.с=18,2*10^-3Н/м;

σ_воды – поверхностное натяжение воды при температуре 71.3^oC, σ_воды=63,6*10^-3Н/м (с. 525[5]);

 

- средняя концентрация жидкости  в нижней части колонны,  =0,73

Подставляя эти значения в формулу (20), получим

 

 

d₀ – эквивалентный диаметр отверстий тарелки определим по  формуле

 

                                              (21)

где П – периметр прорези, определим по формуле 

                                        (22)

где h_пр,b -  высота и ширина прорези, h_пр=0,02 м, b=0.004 м.

Подставляя эти значения в формулу (22), получим:

Подставляя значения в формулу ( 21), получим

Подставляя значения в формулу, получим

∆р_ст – сопротивление столба жидкости на колпачковой тарелке, определим по формуле

                               (23)

 

 

где g – ускорение свободного падения, g=9.8м/с²;

      k – относительная плотность пены, принимаем k=0.5;

      ρ_ж -  плотность жидкости, ρ_ж= 860,5 кг/м³;

      l – расстояние от верхнего края прорези до сливного порога, принимаем l=0.02м;

      ∆h -  высота уровня жидкости над сливным порогом, определим по формуле

 

 

где К – коэффициент, учитывающий увеличение скорости и  сужение потока жидкости в результате сжатия его стенками при подходе  к сливной перегородке, принимается  в пределах 1,01-1,05, принимаем К=1,025;

 

Подставляя значения в формулу (23), получим

Подставляя значения в формулу (19б), получим

 

Подставляя значения в формулу (19а), получим

 

Проверим, соблюдается  ли при расстоянии между тарелками h=0.45м необходимое для нормальной работы тарелок условие

В нашем случае

0,45>0,22

следовательно, вышеуказанное  условие соблюдается.

 

3 Тепловой расчет колонны

 

Расход теплоты, получаемый кипящей жидкостью от конденсирующего пара в кубе-испарителе колонны , Вт, определяется по формуле

 

,     (24)

 

где

-расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от             конденсирующихся в дефлегматоре паров, Вт;

       - тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт;

     , , - теплоемкость исходной смеси, дистиллята, кубовой

                                   жидкости , соответственно, Дж/кг К;

      , , - температура исходной смеси, дистиллятора, кубовой

                                жидкости, соответственно, t ⁰C.

 

Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле

 

    (25)

 

где С_м.с,С_воды – теплоёмкости метилового спирта и воды, определенные при t_f=79^oC(c.562  [5]);

           

                    (26)

где С_м.с,С_воды – теплоёмкости метилового спирта и воды, определенные при t_w=92.1^oC(c.562  [5]);

            

                     (27)

где С_м.с,С_воды – теплоёмкости метилового спирта и воды, определенные при t_d=66.8^oC(c.562  [5]);

 

Подставляя соответствующие  значения в формулу(25;26;27), получим

 

Расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, Q_d определим по формуле

где r_d – удельная теплота конденсации дистиллята, определим по формуле

где r_м.с,r_воды – удельные теплоты конденсации метилового спирта и воды, соответственно, при t_d=66.8^oC, r_м.с=1111 кДж/кг, r_в=2360 кДж/кг (c.541 [5]);

 

Тепловые потери колонны в окружающую среду, Q_потерь, определим по формуле

                        

                           (28)

где t_cт.н – температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем t_cт.н=40^oC;

       t_воз – температура воздуха в помещении, принимаем  t_воз=20 ^oC;

       α  – суммарный коэффициент теплоотдачи  конвекцией и излучением, определим  по формуле 

 

F_н – наружная поверхность изоляции колонны, определим по формуле

Подставляя значения в формулу (28 ), получим

 

Подставляя значения в формулу (24), получим

 

Расход греющего пара в кубе колонны определим по формуле

где r_гр.п. – удельная теплота парообразования при р=1 атм.,

                r_гр.п.=2264 кДж/кг (с. 549 [5]);

х – степень сухости, принимаем х=0,95;

 

Расход тепла в подогревателе  исходной смеси

 

где С_f – теплоемкость смеси определенная при температуре

(с. 562 [5]).

Расход греющего пара в подогревателе равен

 

 

Общий расход греющего пара равен

 

 

Расход воды в дефлекторе при нагревании ее на 20^оС определим по формуле

 

 

 

         Расход воды в дефлекторе при  нагревании ее на 20^оС определим по формуле

 

где С_d – теплоемкость дистиллята при средней температуре в холодильнике равной 

 

 

 

Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании ее на 20^оС определим по формуле

 

 

где С_w – теплоемкость кубового остатка при средней температуре

 

Общий расход воды в ректификационной установке

 

 

 

4 Расчет вспомогательного оборудования

 

4.1 Расчет дефлегматора 

 

В дефлекторе конденсируется метиловый спирт с небольшим  количеством воды. Температура конденсации  паров дистиллята t_d=78.5^oC.

Температура воды на входе  принимаем 16^оС, на выходе 36^оС.

        Температурная схема процесса:

66,8                  66,8

36                    16

                                            ∆t_м=30,8                 ∆t_б=50,8

 

Движущая сила процесса

 

 

Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара органических веществ к воде находиться в пределах 240-870 Вт/м²∙К [2.с,172]. Принимаем ориентировочное значение коэффициент теплопередачи К_ор=340 Вт/(м²∙К).

Количества тепла, отнимаемого  охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара: = 1412,1*10³ Вт.

Поверхность дефлегматора определим по формуле

 

 

С запасом принимаем  двухходовой теплообменник с  поверхностью

 

Характеристика теплообменника:

поверхность теплообмена  – F=226 м²

диаметр кожуха – D=1000 мм

диаметр труб – d=25х2 мм

длина трубы – l=4 м

количество труб – n=718

(Приложение А4)

 

4.2 Расчет холодильника  для дистиллята

В холодильнике происходит охлаждение дистиллята от температуры  конденсации до 30 ⁰С. Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи:

66,8                  30

36                    16

                                            ∆t_м=30,8                 ∆t_б=14

 

Принимаем коэффициент  теплопередачи К=250 Вт/(м²*К)(с.172[5]).

       Количество  тепла, отнимаемого охлаждающей  водой от кубовой жидкости  определим по формуле

    Поверхность  теплообмена холодильника для  кубового остатка определим по  формуле

 

 

С запасом поверхности 15-20% принимаем четырехходовой теплообменник  с поверхностью

 

Характеристика теплообменника:

поверхность теплообмена  – F=157 м²

диаметр кожуха – D=1000 мм

диаметр труб – d=25х2 мм

длина трубы – l=3 м

количество труб – n=666

(Приложение А4)

 

 

4.3 Расчет холодильника  для кубового остатка

 

В холодильнике происходит охлаждение дистиллята от температуры  конденсации до 30 ⁰С. Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи:

92.1                  30

36                    16

                                            ∆t_м=56.1                 ∆t_б=14

 

Принимаем коэффициент  теплопередачи К=250 Вт/(м²*К)(с.172[5]).

       Количество  тепла, отнимаемого охлаждающей водой от кубовой жидкости определим по формуле

    Поверхность  теплообмена холодильника для  кубового остатка определим по  формуле

 

С запасом поверхности 15-20% принимаем четырехходовой теплообменник с поверхностью

Характеристика теплообменника:

поверхность теплообмена  – F=157 м²

диаметр кожуха – D=1000 мм

диаметр труб – d=25х2 мм

длина трубы – l=3 м

количество труб – n=666

(Приложение А4)

 

 

4.4 Расчет кипятильника

 

Кубовой остаток кипит  при 97 ⁰С.

Принимаем давление греющего пара Р=2ат, температура греющего пара t₁=120. Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи:

 

120→120

97→97

 

           ⁰С

 

Принимаем коэффициент  теплопередачи К = 300 Вт/(м²∙К) (с.172[5]).