Реферат

В данной расчетно-графической работе я произвела расчет ректификационной колонны непрерывного действия, работающей под атмосферным давлением с ситчатыми тарелками.

Данная расчетно-графическая работа содержит 31 страницу печатного текста, 2 рисунка,2 приложения и 4 литературных источника.

Расчет колонны с ситчатыми тарелками

Материальный баланс

Материальный баланс всей ректификационной колонны может быть представлен двумя уравнениями: по всему количеству вещества

по низкокипящему компоненту

где – массовые доли низкокипящего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно.

Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в массовых долях.

где М_А=58 кг/кмоль – молекулярная масса ацетона;

М_B=46 кг/кмоль – молекулярная масса этанола.

Расчет флегмового числа

Минимальное флегмовое число можно рассчитать по формуле:

,где

- мольная доля низкокипящего компонента в паре, равновесном с исходной смесью, определяется по диаграмме х-у. Для нашего случая = 0.41 . Отсюда

R_min = =2.6

Оптимальное флегмовое число найдем из условия получения минимального объёма колонны, пропорционального произведению n_T(R+1), где n_T – число ступеней изменения концентрации (теоретическое число тарелок ).

Расчет оптимального флегмового числа выполняем следующим образом:

а) задаемся рядом значений коэффициента избытка флегмы в пределах от 1,1 до 5,0; определяем рабочее флегмовое число R= *R_min и величину отрезка ;

б) откладываем отрезок В на оси ординат и проводим линии АВ₁ АВ₂... . На оси абсцисс откладываем содержание низкокипящего компонента в исходной смеси x_f и в кубовом остатке x_w. Из x_f восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с линиями АВ₁ , АВ₂... Получаем точки D₁, D₂ ... . Линии AD₁, AD₂ ... являются линиями рабочих концентраций верхней части колонны. Соединив точки D₁, D₂ ... с точкой С получаем линии рабочих концентраций нижней частей колонны D₁C,D₂C ...

в) между равновесной и рабочими линиями в пределах концентраций x_w и x_D строим ступени, каждая из которых соответствует теоретической тарелке;

г) при каждом значении определяем число теоретических тарелок n_T и величину произведения n_T(R + 1). Результаты расчета сводим в таблицу 2.

д) по данным таблицы 2 строим график зависимости n_T (R + l) = f(R) и находим минимальное значение величины n_т(R + 1). Ему соответствует флегмовое число R =3.9.

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

Таблица 2 – Данные для расчета оптимального флегмового числа

	R	B	nt	nt (R+1)
1,5	3,09	0,19	17	83,3
2,5	6,5	0,13	14	105
3,0	7,8	0,11	13	114,4
3,5	9,1	0,09	12	121,2
4,0	10,4	0,08	11	125,4

Определяем средние концентрации ацетона в жидкости:

1) Проценты мольные:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

2) Проценты массовые:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Средние температуры жидкости определяем по диаграмме t - х,у:

при =0.6 t_ж.в=60.4°С

при =0.15 t_ж.н.=70°С

Средняя плотность жидкости по высоте колонны определяется по уравнению:

,

где , - плотности низкокипящего и высококипящего компонентов при средней температуре в колонне, соответственно, кг/м³

а) в верхней части колонны

= кг/м³

б) в нижней части колонны

= кг/м³

Для колонны в целом:

=( + )/2 =(751+746)/2=748 кг/м³

Определяем средние концентрации ацетона в паре:

а) в верхней части колонны

х_D= y_D =0.95

y_в.ср= (y_F+y_D)/2=(0.35+0.95)/2 = 0.65

б) в нижней части колонны

x_W = y_W =0.05

y_н.ср= (y_F+ y_W)/2=(0.35+0.05) = 0.2

где y_F - концентрация низкокипящего компонента в паре на питающей та­релке.Определяется в точке пересечения линий рабочих концентраций, построенных при оптимальном флегмовом числе R = 3.9 .

Средние температуры пара определяем по диаграмме t - х,у:

при y_в.ср =0.65 t_n.в =62,2 °С;

при y_в.ср =0.2 t_n.в =74 °С.

Средние молекулярные массы и плотности пара:

а) в верхней части колонны:

средняя молекулярная масса пара

М_n.в.ср= М_Аy_в.ср+М_в(1-у_в.ср) = 58*0.65 + 46*(1-0.65) = 53.8 кг/моль.

средняя плотность пара

кг/м³

б) в нижней части колонны:

средняя молекулярная масса пара

М_n.н.ср= М_Аy_н.ср+М_в(1-у_н.ср) =48.4 кг/кмоль;

средняя плотность пара

1.8 кг/м³

Объёмный расход пара, поступающего в дефлегматор

V_n=

где – M_D -мольная масса дистиллята, кг/кмоль.

M_D =M_Ay_D + M_B(l-y_D) = 58*0.95 + 46*(1-0.95) = 57.4 кг/кмоль

Тогда:

V_n= м³/с

Скорость пара будет равна:

Диаметр колонны:

D_K= =1.66 м.

По каталогу [1] принимаем диаметр типовой колонны 1.2 м. При этом действительная скорость пара в колонне:

м/с

Определение высоты колонны

Высоту колонны определяем графо-аналитическим методом, т.е. последовательно рассчитываем коэффи­циенты массоотдачи, массопередачи, коэффициенты полезного действия тарелок; строим кинетическую кривую и определяем число действитель­ных тарелок.

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе:

_,

где D_П - коэффициент диффузии паров компонента А в парах компонента В, рассчитывается по формуле:

,

где Т - температура, К; р - абсолютное давление, кгс/см²; М_А, М_В - моль ные массы пара компонентов А и В; v_A, v_B - мольные объемы компонентов А и В, определяемые как сумма атомных объемов элементов, входя­щих в состав пара [2 с.288].

Re_n - критерий Рейнольдса для паровой фазы

где - динамический коэффициент вязкости пара, Па*с.

,

где М_ср.n, М_А,М_B - мольные массы пара и отдельных компонентов, кг/кмоль;

, - соответствующие им динамические коэффициенты вязкости;

y_A , y_B - объемные доли компонентов в паровой смеси.

Коэффициент динамической вязкости смеси паров ацетона и этанола:

а) в верхней части колонны при температуре 62.2°С

= 0.0082 мПа*с , = 0.0094 мПа*с [Приложение Б2].

= 8.5*10^-6 Па*с

б) в нижней части колонны при температуре 74° С

=0.0088 мПа*с , = 0.0098 мПа*с [Приложение Б2].

= 9.3*10^-6 мПа*с

Коэффициент диффузии паров ацетона в парах этанола:

а) в верхней части колонны

= м/с²

б) в нижней части колонны

= м/с²

Критерий Рейнольдса для паровой фазы:

а) в верхней части колонны

Re_n.в.=

б) в нижней части колонны

Re_n.н.=

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе:

а) в верхней части колонны

= кмоль/(м² • с);

б) в нижней части колонны

= кмоль/(м² • с);

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

,

где D_ж - коэффициент диффузии в жидкости, м²/с.; М_ж.ср.; - средняя моль­ная масса жидкости в колонне, кг/кмоль

М_ж._ср=М_А х_ср +М_В.(1 -х_ср.);

Pr^’_ж- диффузионный критерий Прандтля

.

Коэффициент диффузии пара в жидкости D_t (при соответствующей температуре) связан с коэффициентом диффузии D₂₀ следующей прибли­женной зависимостью:

D_t=D_M[l + b(t-20)],

где b - температурный коэффициент. Определяется по формуле:

где - динамический коэффициент вязкости жидкости при 20° С ,мПа с;

- плотность жидкости, кг/м³.

Коэффициент диффузии в жидкости при 20° С можно вычислить по приближенной формуле:

D₂₀ = ,

где - динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа*с; v_A, v_b -мольные объёмы компонентов А и В [2]; М_А, М_В - мольные массы соот­ветственно компонентов А и В, кг/кмоль; А, В - коэффициенты, зависящие от свойств низкокипящего и высококипящего компонентов.

Динамический коэффициент вязкости жидкости:

,

где , - коэффициенты динамической вязкости компонентов А и В при соответствующей температуре [2 с.516].

Коэффициент динамической вязкости жидкости при температуре 20°С равен:

а) в верхней части колонны

= Па*с;

б) в нижней части колонны

= Па*с.

Коэффициент диффузии ацетона в жидком этаноле при = 20° С :

а) для верхней части колонны

D_ж.в =

б) для нижней части колонны

D_ж.н =

Расчет коэффициента b.

а) в верхней части колонны

b =

б) в нижней части колонны

b =

Коэффициент диффузии ацетона в жидком этаноле при средней температуре:

а) в верхней части колонны

D_ж.в = *[l + *(60.4-20)]=3.03 ,м² /с;

б) в нижней части колонны

D_ж.н = *[l + *(70-20)]=2,9 , м² /с.

Рассчитываем коэффициент динамической вязкости жидкости в верхней и нижней частях колонны при средней температуре:

а) в верхней части колонны при t =60.4 ° С = 0.23 мПа*с

= 0,591 мПа*с

= Па*с;

б) в верхней части колонны при t =70 ° С = 0.215 мПа*с

=0.513 мПа*с

= Па*с;

Критерий Прандтля:

а) для верхней части колонны

Pr^’_ж.в =

б) для нижней части колонны

Pr^’_ж.н =

Средняя мольная масса жидкости в колонне:

а) для верхней части колонны

М_ж.ср.в=М_А^х_ср.в+М_в.(1-х_Ср.в)=58*0.6+46*(1-0.6)=53.2 кг/кмоль;

б) для нижней части колонны

М_ж.ср.н=М_А^х_ср.н+М_н.(1-х_Ср.н)=58*0.15 + 46*(1 - 0.15) = 47.8 кг/кмоль;

Определяем коэффициенты массоотдачи:

а) для верхней части колонны

= кмоль/(м²*с);

б) для нижней части колонны

= кмоль/(м²*с);

Построение кинетической кривой

Между кривой равновесия и линиями рабочих концентраций в соответствии с табличными значениями х проводим ряд прямых, параллельных оси ординат.

Измеряем полученные отрезки А₁С_1. А₂С₂, А₃С₃ и т. д. Определяем величину отрезков А₁В₁, А₂В₂ и т. д. Через найденные для каждого значения х точки В₁ В₂, В₃ проводим кинетическую кривую, отображающую степень приближений фаз на тарелках к равновесию.

Число реальных тарелок n_д находим путем построения ступенчатой линии между кинетической кривой и рабочими линиями в пределах от x_d до x_w. Получаем тарелки, которые и обеспечивают разделение смеси в заданных преде­лах изменения концентраций. Исходная смесь должна подаваться на 29 та­релку сверху.

Высота тарельчатой части колонны:

Н_т=h_мт(n_д-1) =0.45*(29-1) =12.6 м

Общая высота колонны:

H= H_T+h_cen+h_Ky6,

где h_ceп - расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны, (высо­та сепарационного пространства), принимаем 1 м; h_куб - расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны, (высота кубовой части), принимаем 2м.

Н=12.6 + 1+ 2 = 14.8 м .

Гидравлический расчет тарелок

Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки:

• диаметр отверстий - d₀=4 мм;

• высота сливной перегородки – h_п=40 мм;

• свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий), 10% от общей площади тарелки;

Гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны рассчитывается по уравнению:

Сопротивление сухой тарелки:

а) верхняя часть колонны

где – коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 7-10%.

м/с – скорость пара в отверстиях тарелки.

б) нижняя часть колонны

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

а) для верхней части колонны

б) для нижней части колонны

где – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней и нижней частях колонны; d₀=0,004 м – диаметр отверстий тарелки.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

Высота парожидкостного слоя:

Величину – высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по форумле: где

V_ж – объемный расход жидкости, м³/с;

П – периметр сливной перегородки, м;

– отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приблизительно 0,5.

Периметр сливной перегородки (длину дуги) определяем по выражению:

где – угол выреза сливной перегородки.

Объемный расход жидкости:

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Находим высоту слоя над сливной перегородкой:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны:

Высота парожидкостного слоя на тарелке:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны:

Сопротивление парожидкостного слоя:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны:

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны:

Проверим, соблюдается ли расстояние между тарелками h=0,45 мм, необходимое для нормальной работы тарелок условие

Для тарелок нижней части колонны, у которых гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок верхней части:

Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается.

Проверим равномерность работы тарелок – рассчитываем минимальную скорость пара в отверстиях ω_{0, мин}, достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями:

Рассчитанная скорость ω_{0, мин}=9,25 м/с меньше , следовательно тарелки будут работать всеми отверстиями.

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

Тепловой расчет установки

Расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью от конденсирующего пара в кубе-испарителе колонны

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.

Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:

,

где - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;

- массовые доли компонентов.

Температура кипения смеси t_F=68^оC, кубового остатка t_W=74.2^оC и дистиллята t_D=56,2^оC; теплоемкости ацетона и этилового спирта при этих температурах определяем по номограмме (ХI, с.562 [1]) (А-ацетон, В- этиловый спирт)

Теплоемкости смесей:

Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара:

, где

-удельная теплота конденсации дистиллята, Дж/кг;

где: , - удельная теплота конденсации компонентов А и В при температуре t_D=56,5^оC (табл. XLV стр.541 [1]).

Тепловые потери колонны в окружающую среду:

,

где -температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем ; -температура воздуха в помещении, ;

α-суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(м²К):

-наружная поверхность изоляции колонны, определяем по формуле:

Потери тепла в окружающую среду:

Расход тепла в кубе колонны с учетом тепловых потерь:

Расход греющего пара в кипятильнике:

Расход тепла в паровом подогревателе исходной смеси рассчитывается по формуле:

Расход греющего пара в подогревателе исходной смеси:

Расход воды в дефлегматоре при нагревании ее на 20⁰С:

Расход воды в холодильнике дистиллята при нагревании ее на 20⁰С:

Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании ее на 20⁰С:

Общий расход воды в ректификационной установке:

Расчет тепловой изоляции колонны

В качестве изоляции берем асбест (λ_из=0,151 Вт/м·К). Исходя из упрощенного соотношения (для плоской стенки) имеем:

где: -толщина изоляции, м; -температура внутренней поверхности изоляции, принимаем ее ориентировочно на 10-20⁰С ниже средней температуры в колонне .

Определяем толщину изоляции:

Проверяем температуру внутренней поверхности изоляции:

При расхождении более чем на один градус расчет необходимо повторить, задаваясь другими значениями температуры внутренней поверхности изоляции.