Расчет ректификационной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Материальный баланс колонны и определение рабочего флегмового числа

Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определяют из уравнений материального баланса колонны:

F = P + W

где: F =25 кг/с

Откуда нахожу:

P = F - W = 25 - 20,31 = 4,69 кг/с

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение R можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) , где - минимальное флегмовое число:

где и - мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль / кмоль смеси.

- концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, кмоль / кмоль смеси.

Обычно коэффициент избытка флегмы, при котором достигается оптимальное флегмовое число, не превышает 1,3. Предложено R находить по минимальному значению N (R+1), полагая, что это произведение пропорционально объему ректификационной колонны (N - число ступеней изменения концентраций или теоретических тарелок, определяющее высоту колонны, а R +1 - расход паров и, следовательно, сечение колонны).

Определяю R по этой рекомендации. Пересчитаю составы фаз из массовых долей в мольные по соотношению:

где: и - молекулярные массы соответственно метилового спирта и воды, кг/кмоль.

= 32 (кг/кмоль)

= 18 (кг/кмоль)

Получаю:

смеси.

Аналогично определяю и :

смеси.

смеси.

Тогда минимальное флегмовое число равно:

где: - концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, кмоль / кмоль смеси.

- нахожу из графика равновесия между паром и жидкостью при постоянном давлении.

= 46%=0,46 (кмоль / кмоль) смеси.

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы , определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочей линиями в диаграмме состав пара у - состав жидкости х нахожу N.

Равновесные данные для различных систем приведены в справочнике (Коган В.Б., Фридман В.М. Равновесие между жидкостью и паром. Книги 1-2. М-П, Наука, 1966 г.).

Результаты расчетов рабочего флегмового числа приведены ниже и представлены на рисунках 2,3,4,5,6,7,8,9,10.

	1,07	1,36	1,74	2,33	3,3	5,26
R	1,605	2,04	2,61	3,5	4,95	7,89
N	14	11	6,8	7,8	7,2	6,5
N (R+1)	36,47	33,44	24,55	35,1	42,84	57,79

Минимальное произведение N (R+1) соответствует флегмовому числу R = 2,6. При этом коэффициент избытка флегмы:

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

у = 0,72 + 0,27

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

у = 7,67х - 6,67

у = 7,67х - 0,073

,

что соответствует вышеприведенному уравнению «а».

Средние весовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений:

где: и - мольные массы дистиллята и исходной смеси;

и - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента - . Мольная масса жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:



где: и - мольные массы метилового спирта и воды;

и - средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны:

Тогда:

Мольная масса исходной смеси:

Подставив полученные значения, нахожу:

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

;

где: и - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

где:

смеси.

смеси.

где: - нахожу из диаграммы равновесия между паром и жидкостью при постоянном давлении.

Тогда:

Подставив найденные значения, получаю:

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях ректификационной колонны равны:

2. Расчет скорости пара и диаметра колонны

Выбор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давлении, рабочую скорость можно принимать на 20 - 30% ниже скорости захлебывания.

Скорость пара в интервале устойчивой работы провальных тарелок может быть определена с помощью уравнения:

Здесь:

где: w - скорость пара в колонне, м/с;

- эквивалентный диаметр отверстия или щели в тарелке, м;

- доля свободного сечения тарелки, ;

и - вязкость соответственно метилового спирта и воды при температуре , .

При

При



Подставив, получаю:

в верхней части:

По каталогу выберем решетчатую провальную тарелку со свободным сечением и шириной цепи ; тогда .

Тогда:

Отсюда w = 0,7 м/с

В нижней части:

Отсюда w = 0,51 м/с.

Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнения расхода:



Принимаем средний массовый поток пара в колонне G равным полусумме и :

Средняя плотность паров:

Диаметр колонны:

Выберем стандартный диаметр обечайки колонны d = 3 м. При этом действительная рабочая скорость пара будет равна:

По каталогу для колонны диаметром 3000 мм выбираю провальную тарелку со следующими конструктивными размерами:

Диаметр отверстий в тарелке

Шаг между отверстиями t = 15 мм

Свободное сечение тарелки

Высота переливного порога

Ширина переливного порога в = 1715 мм

Рабочее сечение тарелки

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:



3. Определение высоты светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержания барботажного слоя

Высоту светлого слоя жидкости для провальных тарелок нахожу по уравнению:

где: - удельный расход жидкости на 1 м ширины переливной перегородки, ; в-ширина переливной перегородки, м; - высота переливной перегородки, м; и - поверхностное натяжение жидкости и воды соответственно при средней температуре в колонне; - в мПа;

При и

Тогда, для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Паросодержание барботажного слоя E нахожу по формуле:



где:

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

4. Расчет коэффициентов массопередачи и высоты колонны

Для верхней части колонны:

где - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе.

Коэффициенты диффузии в жидкости при можно вычислить по формуле:



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

А = 1,19, В = 4,7; и - мольные объемы в жидкостном состоянии при температуре кипения: ; - вязкость жидкости при 20:

Тогда коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20 равен:

Температурный коэффициент в определяю по формуле:

где: и принимаются при температуре 20: ;

Отсюда:

Аналогично для нижней части колонны нахожу:

Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению:



Тогда, в верхней части колонны:

Аналогично нахожу для нижней части колонны:

Тогда:

где:

Для нижней части колонны:

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе:

Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на кмоль/(мс):

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Расчет для определения координат точек кинетической линии:

Пусть х = 0,05, тогда коэффициент распределения (tg угла наклона равновесной линии в этой точке) равен: т = 2,78.

Коэффициент массопередачи вычисляю по коэффициентам массоотдачи в верхней части колонны:

Общее число единиц переноса на тарелку нахожу по уравнению:

Локальная эффективность находится по уравнению:

Фактор массопередачи для верхней части колонны:

Далее определяю величину из уравнения:

Долю байпасирующей жидкости принимаю: .

Тогда:

Число ячеек полного перемешивания жидкости на провальных тарелках можно принять: S=1.

Эффективность по Мерфи с учетом перемешивания на тарелке нахожу по уравнению:

Эффективность по Мерфи с учетом байпасирующего потока жидкости нахожу по уравнению:

Зная эффективность по Мерфи , можно определить концентрацию пара на выходе из тарелки из соотношения:

Откуда:

Влияние брызгоуноса может быть определено из соотношения:

где: е - относительный унос жидкости: е = 0,49 кмоль/кмоль пара

Коэффициент, учитывающий влияние на унос т:

Определяем для низа колонны:

Тогда:

Аналогично определяю координаты следующих точек:

При х = 0,1; т = 3,08



При х = 0,2; т = 0,97

При х = 0,3; т = 0,612

При х = 0,4; т = 0,51

При х = 0,5; т = 0,414

При х = 0,6; т = 0,442

При х = 0,7; т = 0,387.

При х = 0,8; т = 0,378

Результаты расчета величин, необходимых для построения кинетической линии свожу в таблицу:

Величина	Нижняя часть колонны	Верхняя часть колонны
х	0,05	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,965
т	2,78	3,08	0,97	0,612	0,51	0,444	0,442	0,387	0,378	0,325
	0,13	0,126	0,1062	0,123	0,129	0,134	0,132	0,136	0,137	0,14
	4,83	4,665	4,12	4,76	4,99	5,22	5,15	5,29	5,31	5,45
	0,992	0,99	0,984	0,991	0,993	0,994	0,994	0,995	0,995	0,996
	3,85	4,265	1,19	0,85	0,706	0,573	0,612	0,536	0,523	0,45
	4,24	4,24	1,3	0,936	0,779	0,633	0,676	0,593	0,578	0,5
	0,992	0,99	0,984	0,991	0,933	0,994	0,994	0,995	0,995	0,996
	0,92	0,916	0,934	0,948	0,954	0,99	0,958	0,962	0,962	0,995
	0,251	0,425	0,596	0,7	0,73	0,78	0,82	0,88	0,92	0,984
	0,235	0,405	0,565	0,651	0,705	0,76	0,8	0,855	0,9	0,974

Заключение

Разработанная ректификационная установка с тарельчатой колонной, может быть использована для разделения смеси метиловый спирт-вода с производительностью по исходной смеси 25 кг/с.

Список литературы

колонна флегмовый барботажный байпасирующий

1. Александров И.А. - Ректификационные и абсорбционные аппараты. М.: Химия, 1971 г.

2. Дытнерский Ю.И. - Основные процессы и аппараты химической технологии.

Пособие по проектированию. М.: Химия, 1983 г.

3. Касаткин А.Г. - Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971 г.

4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А - Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1987 г.

5. Справочник химика. т1. М-П: Госхимиздат, 1963 г.

6. Чернобыльский И.И. - Машины и аппараты химических производств. М.: Машиностроение, 1975 г.

7. Шошин А.И., Федоренко В.А. - Справочник по машиностроительному черчению. Л.: Машиностроение, 1981 г.

Размещено на Allbest.ru

...