Главная Коллекция "Revolution" Химия Расчет ректификационной колонны для перегонки смеси ацетон-метанол

Расчет ректификационной колонны для перегонки смеси ацетон-метанол

Этапы расчета ректификационной колонны для перегонки смеси ацетон-метанол. Знакомство с принципиальной схемой ректификационной установки. Рассмотрение способов определения эффективности тарелок. Характеристика параметры колонны и теплообменников.

Рубрика Химия
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 12.05.2013
Размер файла 974,5 K
рефераты на заказ со скидкой

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

"Расчет ректификационной колонны для перегонки смеси ацетон-метанол"

ректификационный колонна ацетон метанол

Введение

В ряде производств химической, нефтяной, пищевой и других отраслей промышленности в результате различных технологических процессов получают смеси жидкостей, которые необходимо разделить на составные части. Для разделения обычно прибегают к перегонке, основанной на разной температуре кипения компонентов смеси. При испарении компонент с более низкой температурой кипения (ЛЛК) переходит в пары, а компонент с более высокой температурой кипения (ТЛК) 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 ЛЛК. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ТЛК, а из жидкости испаряется преимущественно ЛЛК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается ТЛК, а поднимающиеся пары обогащаются ЛЛК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый ЛЛК. Эти пары поступают в конденсатор, называемый дефлегматором, и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть отводится в качестве дистиллята.

Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенные давления применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность фазового контакта, и, следовательно, от количества орошающей жидкости (флегмы) и устройства ректификационной колонны.

В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого - обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых или ситчатых), либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 1. Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси хF.

Рис.1 Принципиальная схема ректификационной установки: 1 - ёмкость для исходной смеси; 2, 9 - насосы; 3 - теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник (испаритель); 5 - ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - ёмкость для сбора дистиллята; 10 - холодильник кубовой жидкости; 11 - ёмкость для кубовой жидкости.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка хW , т. е. обеднен легколетучим компонентом (ЛЛК). В результате массообмена с жидкостью пар обогащается ЛЛК. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой), получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8. Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом (ТЛК), который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием ЛЛК) и кубовый остаток (обогащенный ТЛК).

Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров - диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа насадки.

Конструкции ректификационных колонн

Тарельчатые колпачковые колонны (рис. 2а) наиболее часто применяют в ректификационных установках.

Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования ее уровня на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др. Расчет основных размеров колпачков и некоторые рекомендации изложены в методике расчета тарельчатых колпачковых колонн.

Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобчатые, S-образные, чешуйчатые, провальные и другие конструкции тарелок. В расчетах необходимо учитывать особенности конструкций тарелок.

Клапанные тарелки показали высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем. Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10 - 15% площади сечения колонны. Скорость пара достигает 1,2 м/с. Клапаны изготовляют в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним или нижним ограничителем подъема.

Тарелки, собранные из S-образных элементов, обеспечивают движение пара и жидкости в одном направлении, способствуя выравниванию концентрации жидкости на тарелке. Площадь живого сечения тарелки составляет 12 - 20% от площади сечения колонны. Коробчатое поперечное сечение элемента создает значительную жесткость, позволяющую устанавливать его на опорное кольцо без промежуточных опор в колоннах диаметром до 4,5 м.

Рисунок 2. Конструкции ректификационных колонн: а - тарельчатая колпачковая колонна; б - ситчатая колонна; в - насадочная колонна

Чешуйчатые тарелки подают пар в направлении потока жидкости. Они работают наиболее эффективно при струйном режиме, возникающем при скорости пара в чешуях свыше 12 м/с. Площадь живого сечения составляет 10% площади сечения колонны. Чешуи бывают арочными и лепестковыми; их располагают на тарелке в шахматном порядке. Простота конструкции, эффективность и большая производительность - преимущества этих тарелок.

Пластинчатые тарелки собраны из отдельных пластин, расположенных под углом 4 - 9° к горизонтам. В зазорах между пластинами проходит пар со скоростью 20 - 50 м/с. Над пластинами установлены отбойные щитки, уменьшающие брызгоунос. Эти тарелки отличаются большой производительностью, малым сопротивлением и простотой конструкции.

К провальным относят тарелки решетчатые, колосниковые, трубчатые, ситчатые (плоские или волнистые без сливных устройств). Площадь живого сечения тарелок изменяется в пределах 15 - 30%. Жидкость и пар проходят попеременно через каждое отверстие в зависимости от соотношения их напоров. Тарелки имеют малое сопротивление, высокий к. п. д., работают при значительных нагрузках и отличаются простотой конструкции.

Прямоточные тарелки обеспечивают длительное контактирование пленки жидкости с паром, движущимся со скоростью 14 - 45 м/с. Площадь живого сечения тарелки достигает 30%.

Ситчатые колонны (см. рис.2б) применяют главным образом при ректификации спирта и жидкого воздуха. Допустимые нагрузки по жидкости и пару для них относительно невелики, и регулирование режима их работы затруднительно. Массо- и теплообмен между паром и жидкостью в основном происходят на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточны для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и создания сопротивления ее отеканию через отверстия. Ситчатые тарелки необходимо устанавливать строго горизонтально для обеспечения прохождения пара через все отверстия тарелки, а также во избежание стекания жидкости через них. Обычно диаметр отверстий ситчатой тарелки принимают в пределах 0,8-3,0 мм.

Насадочные колонны получили широкое распространение в промышленности (см. рис. 2в). Они представляют собой цилиндрические аппараты, заполненные инертными материалами в виде кусков определенного размера или насадочными телами, имеющими форму, например, колец, шаров для увеличения поверхности фазового контакта и интенсификации перемешивания жидкой и паровой фаз.

Массо- и теплообмен в колоннах с насадкой характеризуются не только явлениями молекулярной диффузии, определяющимися физическими свойствами фаз, но и гидродинамическими условиями работы колонны, которые определяют турбулентность потоков. В зависимости от скорости потока в колонне возможны три гидродинамических режима: ламинарный, промежуточный и турбулентный, при которых поток пара является сплошным, непрерывным и заполняет свободный объем насадки, не занятый жидкостью, в то время как жидкость стекает лишь по поверхности насадки. Дальнейшее развитие турбулентного движения может привести к преодолению сил поверхностного натяжения и нарушению граничной поверхности между потоками жидкости и пара. При этом газовые вихри проникают в поток жидкости, происходит эмульгирование жидкости паром, и массообмен между фазами резко возрастает. В случае эмульгирования жидкость распределяется не по насадке, а заполняет весь ее свободный объем, не занятый паром; жидкость образует сплошную фазу, а газ-дисперсную фазу, распределенную в жидкости, т. е. происходит инверсия фаз.

Исследования показали, что переход от турбулентного режима к режиму эмульгирования (точка инверсии или точка начала эмулыирования) соответствует оптимальным условиям работы колонны и оптимальной скорости пара, при которой на насадке задерживается максимальное количество жидкости, брызг и пены, достигаются интенсивный массообмен и максимальная производительность при минимальной высоте насадки. Насадочную колонну следует рассчитывать, исходя из оптимальной скорости. При превышении оптимальной скорости начинается обращенное движение жидкости снизу вверх, происходит так называемое «захлебывание» колонны и нарушение режима ее работы.

Трубчатые пленочные ректификационные колонны состоят из пучка вертикальных труб, по внутренней поверхности которых тонкой пленкой стекает жидкость, взаимодействуя с поднимающимся по трубам паром.

Пар поступает из куба в трубки. Флегма образуется в дефлегматоре непосредственно на внутренней поверхности трубок, охлаждаемых водой в верхней их части. Диаметр применяемых трубок 5 - 20 мм. Эффект работы пленочного аппарата возрастает с уменьшением диаметра трубок.

Трубчатые колонны характеризуются простотой изготовления, высокими коэффициентами массопередачи и весьма малыми гидравлическими сопротивлениями движению пара. Многотрубные (и длиннотрубные) колонны с искусственным орошением имеют значительно меньшие габаритные размеры и массу, чем тарельчатые.

Описание технологической схемы

Исходная смесь ацетона и метанола ( кг/с, ) из емкости для исходной смеси 1 подается в подогреватель 2, нагревается до температуры 58.93 °С греющим паром, расход которого равен 104.4 кг/с при избыточном давлении 0.5 атм. Затем исходная смесь при температуре кипения подается на 10-ую тарелку ректификационной колонны 5, где происходит разделение смеси. Снизу колонны выходит кубовый остаток, обогащенный труднолетучим компонентом (ацетон ). Часть кубового остатка поступает в испаритель 4, где испаряется за счет конденсации греющего пара и вновь подается в колонну под первую тарелку при температуре °С. Другая часть кубового остатка отбирается (кг/с) и подается через холодильник 10, где охлаждается до 20°С, и поступает на хранение в емкость 11. Сверху ректификационной колонны 5 выходит дистиллят (), который поступает в дефлегматор 6, где конденсируется при температуре °С. Затем дистиллят поступает через распределитель, часть его (флегма) поступает на орошение ректификационной колонны, а часть (целевой продукт,кг/с) охлаждается в холодильнике 7 до 20°С и затем поступает в емкость 8 на хранение.

Охлаждающая вода при температуре 10 °С поступает по системе труб в дефлегматор и холодильники 10 и 7. Водяной пар под давлением (абс.) кгс/см2 подается в подогреватель 3 и испаритель 4, отработанный пар проходит через конденсатоотводчики.

Производительность установки 2.4 т/ч по исходной смеси.

Инженерные расчеты. Выбор конструкционного материала

Ацетон и метанол не являются коррозионно-активными веществами, поэтому в качестве конструкционного материала для основных деталей аппарата выбираем сталь Ст3 ГОСТ 380 - 94, которая используется для изготовления деталей химической аппаратуры при работе с неагрессивными средами при температурах от 10 до 200 С.

Материальный баланс

Запишем уравнения материального баланса для ректификационной колонны.

Найдем с помощью этих уравнений мольные концентрации, массовые расходы дистиллята и кубового остатка (), зная производительность колонны по исходной смеси () и массовые концентрации питания, дистиллята и кубового остатка.

,

где - массовый расход исходной смеси, дистиллята, кубового остатка;

- массовая доля легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке.

кг/с

Находим мольные доли по формуле:

;

где М1, М2 - мольные массы ацетона и метанола (легколетучего и труднолетучего компонентов) соответственно, кг/кмоль;

М1=58 кг/кмоль

М2=32 кг/кмоль

;

кг/с

кг/с

МF, МD, МW - молярные массы питания, дистиллята и кубового остатка.

Найдем мольные расходы исходной смеси, дистиллята и кубового остатка (GF,GD,GW), кмоль/с

Флегмовое число. Уравнения рабочих линий

Нагрузка ректификационной колонны по пару и жидкости определяется рабочим флегмовым числом. Для его расчета используют приближенные вычисления по формуле:

,

где Rmin - минимальное флегмовое число.

Значение Rmin определяется исходя из формулы:

,

где - мольные доли легколетучего компонента в жидкости, а - концентрация легколетучего компонента в паре, находящаяся в равновесии с жидкостью (питанием исходной смеси).

По данным о равновесии между жидкостью и паром в системе ацетон-метанол находим при соответствующем значении , таким образом

Отсюда:

Запишем уравнения рабочей линии для верхней и нижней части колонны в общем виде:

а) для верхней (укрепляющей) части колонны:

;

б) для нижней (исчерпывающей) части колонны:

,

где F - относительный мольный расход питания определяется по формуле:

Определим средние физические величины потоков пара и жидкости:

а) Для жидкой фазы:

Мольные составы жидкой фазы в верхней и нижней частях колонны:

Мольные массы жидкой фазы в верхней и нижней частях колонны, кг/кмоль :

Массовые составы жидкой фазы в верхней и нижней частях колонны:

Средние температуры жидкой фазы в верхней и нижней частях колонны, ?С :

Плотности жидкой фазы в верхней и нижней частях колонны, кг/м3:

Плотности при температуре 20 С

Динамические коэффициенты вязкости жидкой фазы в верхней и нижней частях колонны, Па*с

Ацетон:

Метанол:

Коэффициенты диффузии жидкой фазы в верхней и нижних частях колонны, м2/с :

Где bВ , bH - температурный коэффициент верхней и нижней части соответственно ;

А=1 ; В=1

А,В - коэффициенты зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя

VA=74 ; VB=37

VA, VB - мольные объемы растворенного вещества и растворителя, см3/моль

Поверхностное натяжение жидкой фазы в верхней и нижней частях колонны, Н/м:

Мольные расходы жидкой фазы в верхней и нижней частях колонны , кмоль/с :

Массовые расходы жидкой фазы в верхней и нижней частях колонны, кг/с:

Объемные расходы жидкой фазы в верхней и нижней части колонны, м3/с:

б) Для паровой фазы:

Мольные составы паровой фазы в верхней и нижней частях колонны :

Определяем по уравнениям рабочих линий при подстановки в них соответственно хВ и хН

Мольные массы паровой фазы в верхней и нижней частях колонны, кг/кмоль:

Массовые составы паровой фазы в верхней и нижней частях колонны:

Средние температуры паровой фазы в верхней и нижней частях колонны, ?С:

Плотности паровой фазы в верхней и нижней частях колонны, кг/м3:

Коэффициенты диффузии паровой фазы в верхней и нижней частях колонны, м2/с:

VА=74

Коэффициенты динамической вязкости паровой фазы в верхней и нижней частях колонны:

Объемный расход пара, который принимается постоянным по высоте колонны:

Определение диаметра колонны. Гидравлический расчет

Гидравлический расчет решетчатых тарелок начинают с определения рабочей скорости пара (газа). При этом необходимо отметить две особенности:

во-первых, рабочая скорость пара (газа) для решетчатых тарелок принимается равной скорости пара (газа) в сечении колонны, т.е. Sраб = S = 0.785D2, несмотря на то, что диаметр тарелки несколько меньше, чем внутренний диаметр колонны

во-вторых, рабочая скорость пара (газа) должна находиться в области устойчивой работы решетчатой тарелки

Для определения рабочей скорости пара (газа) выберем следующую формулу:

где wпр - предельная скорость пара (газа), м/с. dэкв - эквивалентный диаметр щели (удвоенная величина ширины щели: для b = 4 мм dэкв = 0.008 м), м. щ - относительное свободное сечение тарелки. мx - динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с. В - коэффициент, равный 2.95 для нижнего и 10 для верхнего пределов работы тарелки. мВ - динамический коэффициент вязкости воды при температуре равной 20°С.

Для предварительного расчета величины wпр задаются щ = 0.15 и В = 6 и определяют рабочую скорость пара (газа), а затем - рабочую скорость w = 0.8·wпр

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Диаметр колонны определим по объемному расходу пара (газа):

где Vy - объемный расход пара(газа), м3/с; w - скорость пара(газа) в колонне, м/с Для верхней части колонны :

Для нижней части колонны :

Выбираем диаметр колонны D = 1 м. Далее уточняем скорость пара (газа) по уравнению:

При расчете процесса ректификации, как правило, выбирают один и тот же диаметр колонны для обеих частей: верхней и нижней. Скорректируем коэффициент В с учетом найденной рабочей скорости пара (газа) по соотношению.

где В1 - предварительно принятое значение коэффициента при соответствующих значениях предельной скорости пара (газа) wпр1 свободного сечения тарелки щ1; w - скорость пара (газа) для выбранной стандартной колонны, м/с; щ - относительное свободное сечение тарелки для выбранной стандартной колонны.

Для выбранной стандартной колонны должно быть выполнено условие: 2.95<B<10.

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Высота газожидкостного (барботажного) слоя рассчитывается по следующим формулам:

где - критерий Фруда (оптимальный); w0 - скорость пара (газа) в свободном сечении (щелях) тарелки, м/с; hг-ж - высота газожидкостного (барботажного) слоя, м; С - коэффициент.

Коэффициент С определяется по соотношению:

где U - плотность орошения, м3/(м2с); мx - динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с; у - поверхностное натяжение, Н/м.

В уравнении подставляется уточненный коэффициент В. Скорость пара (газа) в щелях определяется по уравнению:

w0 = w/щ

Плотность орошения (приведенная скорость жидкости) U рассчитывается по формуле:

где Lx - расход жидкости, кг/с; S - площадь поперечного сечения выбранной колонны, м2

а) для верхней части колонны:

w0В = /щ=0.7878/0.15=5.857 м/с

м

б) для нижней части колонны:

w0Н = /щ=0.89/0.15=5.935 м/с

м

Высота светлого слоя жидкости h0 определяется по соотношению:

Величина газосодержания е рассчитывается по соотношению:

а) для верхней части колонны:

м

б) для нижней части колонны:

м

Гидравлическое сопротивление тарелки рассчитывается по уравнению

ДР = ДР1 + ДР2

где ДР - гидравлическое сопротивление тарелки, Па; ж = 1.6 - коэффициент гидравлического сопротивления сухой тарелки; в - безразмерный коэффициент; ф - доля площади отверстий, занятая стекающей жидкостью; у - поверхностное натяжение, Н/м; dэкв - эквивалентный диаметр щели (удвоенная величина ширины щели), м.

Величина ф рассчитывается по уравнению.

Необходимо отметить, что величины гидравлических сопротивлений, рассчитанные по разным формулам, могут значительно отличаться друг от друга.

а) для верхней части колонны:

б) для нижней части колонны:

Брызгоунос рассчитывается по формуле:

где hc - высота сепарационного пространства, м; w - рабочая скорость пара (газа), м/с; к - поправочный коэффициент.

Высота сепарационного пространства hc определяется по соотношению:

где h - расстояние между тарелками, м; h0 - высота светлого слоя жидкости, м.

Поправочный коэффициент k определяется по соотношению:

а) для верхней части колонны:

б) для нижней части колонны:

Основные характеристики выбранной решетчатой тарелки:

Диаметр тарелки D = 1.0 м

Расстояние между тарелками h = 0.35 м

Диаметр отверстий d0 = 0.008 м

Относительное свободное сечение тарелки щ = 15%

Определение эффективности тарелок

Локальная эффективность Е0 зависит от модели структуры потока, принятой для паровой (газовой) фазы (для жидкой фазы предполагается полное перемешивание):

где n0y - общее число единиц переноса по паровой (газовой) фазе на тарелке.

Общее число единиц переноса n0y можно рассчитать по уравнению:

где nx и ny - число единиц переноса по паровой (газовой) и жидкой фазам на тарелке; m и l - тангенсы угла наклона соответственно равновесной и рабочей линии.

Частные числа единиц переноса nx и ny определяются либо по эмпирическим формулам, либо по уравнениям:

где вyf и вxf - коэффициенты массоотдачи по паровой (газовой) и жидкой фазам, отнесенные к единице рабочей площади тарелки, м/с; wp - рабочая скорость пара (газа), отнесенная к единице рабочей площади тарелки, м/с; U - приведенная плотность орошения, м3/(м2с)

а) для верхней части колонны:

б) для нижней части колонны:

Определение высоты и гидравлического сопротивления колонны. Определение кинетических параметров (коэффициент массоотдачи числа единиц переноса)

Независимо от того, каким способом находятся число реальных тарелок или ступеней, необходимо определить коэффициенты массоотдачи.

Коэффициент массоотдачи вyf можно рассчитать по следующему соотношению:

где - диффузионный критерий Пекле, wp - рабочая скорость пара (газа), для решетчатой тарелки wp = w, м/с; hг-ж - высота газожидкостного (барботажного) слоя, м; Dy - коэффициент диффузии для паровой (газовой) фазы, м2/с.

Уравнение удовлетворительно отвечает опытным данным для тарелок различных типов: колпачковых, ситчатых и решетчатых.

Также в случае расчета решетчатых (провальных) тарелок рекомендуется находить вyf из следующих критериальных уравнений:

где - диффузионный критерий Нуссельта; - диффузионный критерий Прандтля; - критерий Вебера;

h0 - высота светлого слоя жидкости, м;

у - поверхностное натяжение, Н/м.

В уравнении ; в уравнении где w0 - скорость пара (газа) в щелях тарелки, м/с.

Менее надежно для расчета решетчатых тарелок соотношение:

где щ - относительное свободное сечение тарелки; е - газосодержание; h0 - высота светлого слоя жидкости, м;

Коэффициент массоотдачи вyf в уравнениях (36)-(39) имеет размерность м/с;

Коэффициент массоотдачи вхf (м/с) можно рассчитать по следующему соотношению:

где - диффузионный критерий Пекле; hг-ж - высота газожидкостного (барботажного) слоя, м; Dx - коэффициент диффузии для жидкой фазы, м2/с; U - приведенная плотность орошения, м3/(м2с).

а) для верхней части колонны:

б) для нижней части колонны:

Определение высоты и гидравлического сопротивления колонны

Определение числа реальных ступеней изменения концентраций (числа реальных тарелок). Расчет проводится на кафедральных ЭВМ в специальной программе. Параметрами для расчета служат мольные доли кубового остатка, смеси питания и дистиллята, так же флегмовое число и средний коэффициент эффективности тарелок.

E0=0.662. Расчет показывает, что число тарелок в верхней части равно 8, а в нижней - 9.

Общая высота колонны включает высоту ее тарельчатой части НТ, и определяется по формуле:

H = HT + zB + zH

где zB и zH - расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.

В соответствие со значением диаметра колонны выбираем zB = 0.6, zH = 1.5

Гидравлическое сопротивление колонны ДРК для процесса ректификации в простой полной колонне определяются по формуле:

ДРК= ДРТВ·nB + ДРТН·nH

где ДРТВ и ДРТН - гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны.

Тепловой баланс

Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением:

,

где QK - количество теплоты, передаваемой в кубе от греющего пара;

QДеф - количество теплоты, отдаваемое охлаждающей воде в дефлегматоре;

Qпот - тепловые потери (5%);

cD, cF, cW - теплоёмкости дистиллята, кубового остатка и исходной смеси;

tD, tF, tW - температуры дистиллята, кубового остатка и исходной смеси (находим по данным о равновесии между жидкостью и паром в системе хлороформ-бензол)

°С

°С

°С

Удельная теплота конденсации паров дистиллята:

Дж/кг

Определим тепловую нагрузку дефлегматора по формуле:

Рассчитаем теплоемкости дистиллята, кубового остатка и исходной смеси при соответствующих температурах:

кДж/(кг·К)

кДж/(кг·К)

кДж/(кг·К)

Найдем QПол, равную:

кВт

Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе можно выразить формулой:

,

где

При кгс/см2 .

а) в кубе-испарителе

кг/с,

где rгрп = 2232 Дж/кг - удельная теплота конденсации греющего пара.

б) в подогревателе исходной смеси

кг/с

Расход греющего пара на всю установку:

кг/с

Расход охлаждающей воды

а) в дефлегматоре

кг/с

б) в водяном холодильнике дистиллята

кг/с

в) в водяном холодильнике кубового остатка

кг/с

Расход охлаждающей воды на всю установку:

кг/с

Подробный расчет дефлегматора

Исходные данные:

Вода подается в трубное пространство теплообменного аппарата и нагревается там с °С до °С.

Дистиллят подается в межтрубное пространство, где конденсируется при °С. Количество теплоты, передаваемое в дефлегматоре, равно .

Массовый расход воды - кг/с.

Рассчитаем среднюю разность температуру:

°С

°С

°С

Средние температуры по теплоносителям (1 - дистиллят, 2 - вода):

°С

°С

Рассчитаем ориентировочную площадь поверхности теплопередачи.

Примем Kор = 600 Вт/(м2•К) (при теплопередаче от конденсирующегося пара органических веществ к воде).

м2

Рассчитаем проходное сечение трубного пространства, при котором будет осуществляться турбулентный режим течения жидкости (для труб 159x6 мм):

Вязкость воды при её средней температуре:

Па•с

м2

В каталоге теплообменных аппаратов типа «труба в трубе» выбираем аппарат по значению проходного сечения трубного пространства и ориентировочной площади поверхности теплопередачи:

Выполним подробный расчет для теплообменника «труба в трубе» с диаметром кожуховой трубы 219х6 мм, с трубой теплообмена 159x6мм горизонтального расположения с поверхностью теплообмена одного элемента 4.45 м2:

Примем тепловую проводимость загрязнений стенки для водыВт/м2К, а для органических паров Вт/м2К.

В качестве материала труб выберем нержавеющую сталь с коэффициентом теплопроводности л = 17.5 Вт/м•К.

Тогда термическое сопротивление загрязнений труб:

Задаемся температурой горячей стенки tст1 = 48.8 оС.

Тогда:

оС.

Далее необходимо определить поверхностные плотности теплового потока и сопоставить их, если разница между ними будет меньше 5 %, то можно считать, что процесс установившийся и температура стенки подобранна правильно.

б1 и б2 - коэффициенты теплоотдачи от стенки 1 и 2.

Расчет плотности смеси дестилята при температуре кипения:

Теплота парообразования (конденсации) дистиллята при температуре кипения:

Дж/кг

Расчет вязкости дистиллята при температуре кипения:

Расчет теплопроводности смеси:

Вт/(м2•К),

л - теплопроводность смеси при определяющей температуре, Вт/(м.К);

с - плотность смеси, кг/м3;

r - теплота конденсации при температуре кипения дистиллята, Дж/кг;

g - скорость свободного падения, м/с;

м - вязкость смеси, Па.с;

dн - наружный диаметр труб, м.

Вт/м2.

Примем, что

Вт/м2.

Определим температуру второй стенки по формуле:

Теплопроводность, теплоемкость, вязкость воды при ее средней температуре

tср = 20.953оС:

Определим критерий Прандтля для воды:

Критерий Рейнольдса больше 10000, таким образом критерий Нуссельта будет иметь следующий вид:

Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи второй стенки:

Вт/(м2•К)

Поверхностную плотность теплового потока первой стенки определим по формуле:

Вт/м2.

Сопоставим q1 и q2, разность выразим в процентах:

< 5% > температура стенки со стороны горячего выбрана правильно.

Коэффициент теплопередачи:

Вт/(м2•К).

Расчётная площадь поверхности теплопередачи:

м2

С учетом запаса поверхности 15% получим F=50.03 м2

Выбираем стандартный теплообменник типа «труба в трубе» с длиной секции 12м, площадью поверхности теплообмена одной секции 5.96 м2 и длиной 12 м. Число секций 9.

Куб-испаритель

Кубовый остаток подается в трубное пространство теплообменного аппарата и испаряется там при °С. Греющий пар подается в межтрубное пространство, где конденсируется при °С.

Количество теплоты, передаваемое в испарителе:Вт.

Массовый расход греющего пара: кг/с.

°С

Рассчитаем ориентировочную площадь поверхности теплопередачи. Примем Kор = 1000 Вт/м2К (при теплопередаче от конденсирующегося пара к кипящей жидкости).

м2

В каталоге кожухотрубчатых теплообменных аппаратов выбираем аппарат по ориентировочной площади поверхности теплопередачи: одноходовой испаритель F=19.5 диаметром 325 мм с трубами 25x2 мм (n = 62, l = 4 м).

Холодильник дистиллята

Вода подается в трубное пространство теплообменного аппарата и нагревается там с °С до °С. Дистиллят подается в межтрубное пространство, где охлаждается от °С до °С. Схема процесса - противоток.

Количество теплоты, передаваемое в холодильнике: Вт.

Рассчитаем среднюю разность температур:

°С

°С

°С

Средние температуры по теплоносителям (1 - дистиллят, 2 - вода):

°С

°С

Рассчитаем ориентировочную площадь поверхности теплопередачи. Примем Kор = 230 Вт/м2К (при теплопередаче от жидкости к жидкости (углеводороды, масла)).

м2

В каталоге кожухотрубчатых теплообменных аппаратов выбираем аппарат по значению ориентировочной площади поверхности теплопередачи. Выбрали одноходовой теплообменник с F=9 диметром 273 мм (n = 37, l = 3 м).

Холодильник кубового остатка

Вода подается в трубное пространство теплообменного аппарата и нагревается там с °С до °С. Кубовый остаток подается в межтрубное пространство, где охлаждается от °С до °С. Температурная схема противотоком.

Количество теплоты, передаваемое в холодильнике: Вт.

Рассчитаем среднюю разность температур:

°С

°С

°С

Средние температуры по теплоносителям (1 - кубовый остаток, 2 - вода):

°С

°С

Рассчитаем ориентировочную площадь поверхности теплопередачи. Примем Kор = 250 Вт/м2К (при теплопередаче от жидкости к жидкости (углеводороды, масла)).

м2

В каталоге кожухотрубчатых теплообменных аппаратов выбираем аппарат по значению ориентировочной площади поверхности теплопередачи. Выбрали одноходовой теплообменник F=7.5 с диметром 325 мм (n = 62, l = 1.5 м).

Подогреватель исходной смеси

Исходная смесь подогревается греющим паром, изб. Давление которого 0.5 атм. Подогрев идет с 20до температуры кипения 58.925. Процесс - нагрев-конденсация.

Исходные данные: GF = 0.667 кг/с, хF = 0.76 (масс), tн = 20 °С, tк=58.925°С

Средняя разность температур:

°С

°С

°С

Средняя температура горячего теплоносителя:

Средняя температура исходной смеси:

Тепло, подводимое на обогрев исходной смеси:

Пусть Кор=300Вт/(м2.К), тогда поверхность теплообмена, м2:

По ориентировочной поверхности теплообмена одноходовой подогреватель с F=3 внутренним диаметром кожуха D=159 мм, числом труб n=13, длиной труб l=3 м, проходным сечением одного хода Sт=0.5.10-2 м2 и числом рядов труб nр=5.

Основные параметры колонны и теплообменников

В курсовом проекте был представлен расчет ректификационной колонны и пяти теплообменников.

Основные технические решения, принятые в проекте:

1) Ректификационная колонна с решетчатыми тарелками

Диаметр - 1 м

Общая высота колонны - 7.7 м

Число тарелок - 17

Расстояние между тарелками - 0.35 м

Общее гидравлическое сопротивление колонны - 3085 Па

2) Дефлегматор

Теплообменник «труба в трубе»

Диаметр кожуха D = 219x6 мм

Диаметр т/о трубы d=159x6

Длина секции L =12 м

Число секций 9

3) Куб-испаритель

Одноходовой испаритель z = 1

Диаметр кожуха D = 325 мм

Общее число труб n = 62 (d = 25x2 мм)

Длина труб L = 4 м

4) Подогреватель исходной смеси

Теплообменник одноходовой z=1

Диаметр кожуха D=159

Общее число труб n = 13

Длина труб L = 3 м

6) Холодильник дистиллята

Теплообменник одноходовой

Диаметр кожуха D=273

Общее число труб n = 37

Длина труб L =3 м

7) Холодильник кубового остатка

Теплообменник одноходовой

Диаметр кожуха D=325

Общее число труб n = 62

Длина труб L = 1.5 м

В подогреватель и испаритель подается греющий пар под давлением (абс.) pгр.п = 1.5 кгс/см2.Общий расход греющего пара на всю установку кг/с. В дефлегматор, холодильники дистиллята и кубового остатка поступает охлаждающая вода при температуре 10°С. Допускается ее нагревание до 30

Общий расход охлаждающей воды на всю установку кг/с.

Список использованной литературы

1.Романков П.Г., Фролов В. Ф., Флисюк О. М., Курочкина М. И. «Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи)», СПб «Химия» 1993. - 495 с.

2.Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные: Метод. указания/ЛТИ им. Ленсовета. - Л.: 1989. - 40 с.

3.Яблонский П.А., Озерова Н.В. Проектирование тепло- и массообменной аппаратуры химической промышленности: Учебное пособие, 11-е изд., перераб. и доп./СПб. технологич. институт. СПб., 1993. - 92 с.

4.Волжинский А.И., Марков А.В. Ректификация. Колонные аппараты с ситчато-клапанными тарелками: учебное пособие. - СПб., СПбГТИ(ТУ), 2009. - 34 с.

5.Волжинский А.И., Флисюк О.М. Определение физических величин, потоков пара и жидкости: метод. указания СПб., СПбГТИ(ТУ), 2002. - 10 с.

6.Волжинский А.И., Флисюк О.М. Ректификация: материальный и тепловой балансы. Метод. указания СПб., СПбГТИ(ТУ), 2002. - 27 с.

7.Марков А. В., Маркова А. В. Неразборные теплообменники «труба в трубе» (конструкция и основные размеры). Метод. указания СПб., СПбГТИ(ТУ), 2001. - 30 с

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены