Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Ректификация - массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего.

Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и др.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способностью тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Целью расчета массообменного аппарата является определение конструктивных размеров, т.е. высоты и диаметра колонны, гидромеханических и экономических показателей ее работы.

При расчете процессов ректификации составы жидкостей обычно задаются в массовых долях или процентах, а для практического расчета удобнее пользоваться составами жидкостей и пара, выраженными в мольных долях или процентах.

До настоящего времени не выработано обобщенных и достаточно объективных критериев выбора типа тарелки для ведения того или иного процесса. Существенную роль в этом играют сложившиеся в организациях - поставщиках традиции, опирающиеся на многолетний опыт надежной эксплуатации разрабатываемой ими массообменной аппаратуры. Для ориентировочного выбора типа тарелки можно привести следующие данные.

Тарелки с капсульными колпачками получили наиболее широкое распространение благодаря универсальности и высокой эксплуатационной надежности; они достаточно эффективны, но металлоемки и сложны в монтаже.

Тарелки, собираемые из S-образных элементов, устанавливаются преимущественно в колоннах больших диаметров. Их производительность на 20 - 30% выше, чем у капсульных.

Клапанные тарелки по сравнению с колпачковыми имеют более высокую эффективность и на 20 - 40% большую производительность; они применяются для обработки жидкости, не склонных к смолообразованию и полимеризации, во избежание прилипания клапана к тарелке.

Решетчатые тарелки провального типа имеют производительность, в 1,5 - 2 раза большую, чем колпачковые тарелки, низкую металлоемкость. Их эффективность достаточно высока, но в узком диапазоне рабочих скоростей. Эти тарелки рекомендуется применять при больших нагрузках колонны по жидкости.

Ситчатые тарелки имеют достаточно высокую эффективность, низкое сопротивление и малую металлоемкость. Они применяются преимущественно в колоннах для обработки чистых жидкостей при атмосферном давлении и вакууме.

Колонна с ситчатыми тарелками представляет собой вертикальный цилиндрический корпус с горизонтальными тарелками, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число отверстий диаметром 1-5 мм. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки, нижние концы которых погружены в стаканы.

Газ проходит сквозь отверстия тарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков. При слишком малой скорости газа жидкость может просачиваться через отверстия тарелки на нижерасположенную, что должно привести к существенному снижению интенсивности массопередачи. Поэтому газ должен двигаться с определенной скоростью и иметь давление, достаточное для того, чтобы преодолеть давление слоя жидкости на тарелке и предотвратить стекание жидкости через отверстия тарелки.

Ситчатые тарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонта. Гидравлическое сопротивление этих тарелок невелико. Ситчатые тарелки устойчиво работают в довольно широком интервале скоростей газа, причем в определенном диапазоне нагрузок по газу и жидкости эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны к загрязнениям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок. В случае внезапного прекращения поступления газа или значительного снижения его давления с ситчатых тарелок сливается вся жидкость, и для возобновления процесса требуется вновь запускать колонну.

1. Расчет ситчатой тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия

Расчет ректификационной колоны сводится к определению ее основных параметров - диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который в свою очередь, зависит, от скорости и физических свойств фаз, а так же от типа и размеров насадок.

При выборе колпачков, клапанов, насадок для аппаратов руководствуются рядом соображений

Принципиальная технологическая схема и ее описание.

• Рисунок 1 Схема непрерывно действующей ректификационной установки
• Непрерывно действующие установки. Ректификационная колонна имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится вне колонны, т. е. является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара.
• Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх.
• Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна х1 (по низкокипящему компоненту), а ее температура t1. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием НК у1>х1.
• Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т. е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.
• На второй тарелке жидкость имеет состав x2 содержит больше НК, чем на первой (х2 > х1), и соответственно кипит при более низкой температуре (t2 < t1). Соприкасаясь с ней, пар состава y1 частично конденсируется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав у2 > x2, и т. д.
• Таким образом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается низко-кипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.
• Пары конденсируются в дефлегматоре, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.
• Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара.
• Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.
• На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называемую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.
• Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено, возможно, большее укрепление паров, т. е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.
• В дефлегматоре могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их, соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или, верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике 6 направляется в сборник дистиллята. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята,
• Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК), также делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипятильник, а другая -- остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике направляется в сборник
• Физико-химические характеристики продукта
• Продуктом этой смеси являются ацетон и бензол.
• Ацетон СН3СОСН3
• Молекулярный вес 58,08 кг/моль
• Плотность 791 кг/м3 при 20оС
• Температура кипения 56оС
• Бесцветная жидкость
• Бензол С6Н6
• Молекулярный вес 78,11 кг/моль
• Плотность 879 кг/м3 при 20оС
• Температура кипения 80,2оС
• Бесцветная жидкость
• Используя опытные данные о равновесии между жидкостью и паром или расчетные. равновесные данные для указанной бинарной системы при заданном давлении в ректификационной колонне заносят в таблицу 1.
• Составляем таблицу о равновесии смеси ацетон-бензол
• Таблица 1 Данные о равновесии смеси ацетон-бензол

Температура,	Содержание,
	В жидкости,	В паре,
80,1	0	0
78,3	5	14
76,4	10	24,3
72,8	20	40
69,6	30	51,2
66,7	40	59,4
64,3	50	66,5
62,4	60	73
60,7	70	79,5
59,6	80	86,3
58,8	90	93,2
56,1	100	100

• 2. Технологические расчеты
• 2.1 Материальный баланс
• Для дальнейших расчетов концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка выразим в массовых долях по формуле:
• где - массовая доля низкокипящего компонента в жидкости;
• - мольная масса низкокипящего компонента, ;
• - мольная масса высококипящего компонента, ;
• Мольная масса ацетона , мольная масса бензола . Подставляя значения в вышестоящую формулу, получим:
• Массовый расход кубового остатка , и флегмы ,определим по формуле:
• (4)
• 0,934*0,95+*0,053=(0,95+)*0,148
• 0,8873+0,053=0,136+0,148
• 0,742=0,095
• =7,814 кг/с
• кг/с
• Относительный мольный расход питания определим по формуле
• где - содержание низкокипящего компонента в дистилляте;
• - содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке;
• - содержание низкокипящего компонента в исходной смеси;
• 2.2 Расчет оптимального флегмового числа
• Определяем минимальное число флегмы по уравнению
• где мольная доля ацетона в паре, равновесном с жидкостью питания, определяем по x - y диаграмме (Приложение 1).
• Расчет оптимального флегмового числа выполняем следующим образом:
• а) Задаемся рядом значений коэффициента изгиба флегмы в в пределах от 1,05 до 5,0. В нашем случае принимаем значения 1,05; 1,15; 1,22; 1,26; 1,7; 2,14; 3.
• Для каждого случая определяем рабочее флегмовое числа R= в Rmin и величину отрезка В.

• Для в1 =1,05
• Для в2 =1,15
• Для в3 =1,22
• Для в6 =2,14 -
• Для в4 =1,26
• Для в7 =1,7 -
• Для в5 =3
• Полученные результаты сводим в таблицу 2.
• Таблица 2 Данные для расчета оптимального флегмового числа

в	R	B
1,05	3,63	20,16
1,15	3,98	18,76
1,22	4,22	17,89
1,26	4,36	17,43
3,0	10,38	8,21
2,14	7,40	11,12
1,7	5,88	13,57

• б) Откладываем отрезок В на оси ординат (рисунок 1) и проводим линии АВ1, АВ2…. На оси абсцисс откладываем содержание низкокипящего компонента в исходной смеси XF и в кубовом остатке XW. Из XF восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с линиями АВ1, АВ2…. Получаем точки D1, D2 …. Линии AD1, AD2…. Являются линиями рабочих концентраций верхней части колонны.
• в) Далее произвольно выбираем 6 точек на оси абсцисс (рисунок 1). Из этих точек восстанавливаем перпендикуляры до пересечения с линиями рабочих концентраций ( для AD1С, AD2С…. ) На пересечении с каждой линией проводим линию параллельную оси абсцисс до пересечения с линией рабочих концентраций и затем из этих точек опускаем перпендикуляр на ось абсцисс - получаем точки .
• 2) Для каждой линии - В1, В2…. Составляем таблицу:
• Таблица 3

XW=0,053	X1=0,1485	XF=0,325	X2=0,50	X3=0,675	XD=0,934
0,0165	0,143	0,2475	0,402	0,602	0,905
27,4	181,82	12,9	10,2	13,7	34,48

• Таблица 4

XW=0,053	X1=0,1485	XF=0,325	X2=0,50	X3=0,675	XD=0,934
0,0165	0,136	0,240	0,392	0,595	0,905
27,4	83,33	11,76	9,26	12,5	34,5

• Таблица 5

XW=0,053	X1=0,1485	XF=0,325	X2=0,50	X3=0,675	XD=0,934
0,0165	8,5	15,3	21,5	36	0,905
27,4	62,5	10,81	8,7	11,4	34,5

• Таблица 6

XW=0,053	X1=0,1485	XF=0,325	X2=0,50	X3=0,675	XD=0,934
0,0165	0,128	0,230	0,380	0,5855	0,905
27,4	48,78	10,53	8,33	11,11	34,5

• Таблица 7

XW=0,053	X1=0,1485	XF=0,325	X2=0,50	X3=0,675	XD=0,934
0,0165	0,085	0,182	0,3325	0,550	0,905
27,4	15,75	6,99	5,97	8,0	34,5

• Таблица 8

XW=0,053	X1=0,1485	XF=0,325	X2=0,50	X3=0,675	XD=0,934
0,0165	0,10	0,20	0,347	0,5615	0,905
27,4	20,62	8,0	6,54	8,81	34,5

• Таблица 9

XW=0,053	X1=0,1485	XF=0,325	X2=0,50	X3=0,675	XD=0,934
0,0165	0,110	0,21	0,357	0,570	0,905
27,4	25,97	8,7	6,99	9,52	34,5

• д) На основании данных строим график для каждой таблицы. Опускаем перпендикуляры от концов графика на ось абсцисс для получения замкнутой фигуры. (Приложение3).
• е) Измеряем площадь каждой фигуры и с учетом масштаба получаем количество единиц переноса(nox) для каждой фигуры F.
• F1= 37,526 F4= 18,127
• F2= 23,506 F5= 11,925
• F3= 20,176 F6= 13,04
• F7= 14,12
• ж) Строим график зависимости nox(R+1) от R. (Приложение 4). Находим min точку и опускаем из неё перпендикуляр на ось Х. Эта точка и будет являться оптимальным флегмовым числом. В нашем случае Rопт=5,88.
• 2.3 Расчет диаметра колонны
• Определяем средние концентрации ацетона в жидкости
• 1)процентные мольные:
• а) в верхней части колонны
• б) в нижней части колонны
• 2) процентные массовые:
• а) в верхней части колонны
• б) в нижней части колонны
• средние температуры жидкости определяем по диаграмме t-x,y
• при 0,54 63,5 0С
• при 0,1008 76,4 0С
• средняя плотность жидкости по высоте колонны определяется по уравнению:
• где: сА, сВ - плотности низкокипящего и высококипящего компонентов при средней температуре в колонне, соответственно, кг/м3
• а) в верхней части колонны
• б) в нижней части колонны:
• Для колонны в целом:
• Средние концентрации находим по уравнениям рабочих линий
• а) в верхней части колонны
• уD=0,95
• б) в нижней части колонны
• уW=0,07
• где: yF-концентрация низкокипящего компонента в паре на питающей тарелке. Определяется в точке пересечения линий рабочих концентраций, построенных при оптимальном флегмовом числе R= 5,88
• а) при 0,605 66,4 0С
• б) при 0,166 77,8 0С
• Средние молекулярные массы и плотности пара
• а) в верхней части колонны:
• Средняя молекулярная масса пара
• 58,08*0,605+78,11*(1-0,605)=65,99
• где - мольная масса ацетона, 58,08 ;
• - мольная масса бензола, 78,11;
• Средняя плотность пара
• Где - средняя мольная масса пара в верхней части колонны,
• кг/кмоль;
• - давление в колонне, мм.рт.ст;
• - атмосферное давление, ммрт.ст;
• - температура, 273К;
• - средняя температура пара в верхней части колонны, К;
• кг/м3
• б) в нижней части колонны:
• средняя молекулярная масса пара
• 58,08*0,166+78,11(1-0,166)=74,8
• средняя плотность пара
• Где - средняя мольная масса пара в нижней части колонны,
• кг/кмоль;
• - средняя температура пара в нижней части колонны, К;
• кг/м3
• Где - объемный расход пара, поступающего в дефлегматор м/с3
• ,
• Где - мольная масса дистиллята, кг/кмоль, находится по формуле
• 58,08*0,935+78,11(1-0,935)=59,38
• м3/с
• Диаметр колонны:
• м
• По каталогу 1 принимаем диаметр типовой колонны 1,8 м.
• Рекомендуемая скорость пара в колонне рассчитывают по формуле
• =С
• где С- коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстоянии между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузки колонны по жидкости;
• =0,068=1,234 м/с
• Действительная скорость пара , м/с, определяется по формуле
• =1,234 =1,275 м/с
• 2.4 Определение высоты колонны
• ректификация массообменный колонна теплоотдача
• Высоту колонны определяют 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 , кмоль/м2•с, определятся по формуле
• Где - коэффициент диффузии паров компонента А в парах
• компонента В, м/с2;
• - критерий Рейнольдса для паровой фазы.
• Коэффициент диффузии паров , м/с2, определяется по формуле
• Где , - мольные объемы компонентов А и В, определяемые как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав пара [2 с.288]
• Принимаем = 74 см3/моль, = 111 см3/моль.
• Подставляя значения в формулу, получим
• а) в верхней части колонны
• м/с2
• б) в нижней части колонны
• м/с2
• Критерий Рейнольдса для паровой фазы определяется по формуле
• Где - динамический коэффициент вязкости пара, Па•с,
• рассчитывается по формуле
• Где , - динамические коэффициенты вязкости компонентов А и В, Па•с.
• Динамические коэффициенты вязкости
• а) в верхней части колонны , Па•с, при = 66,4 ?С составляют
• = 0,0085 Па•с, = 0,0084 Па•с.
• Подставляя значения в формулу получим
• Па•с
• б) в нижней части колонны , Па•с, при = 77,8?С составляют
• = 0,00885 Па•с, = 0,0087 Па•с.
•  Па•с
• Подставляя значения в формулу получим
• а) в верхней части колонны
• б) в нижней части колонны
• Подставляя значения в формулу получим
• а) в верхней части колонны
• кмоль/м2•с
• б) в нижней части колонны
• кмоль/м2•с
• Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе , кмоль/м2•с, определяется по формуле
• Где - коэффициент диффузии в жидкости, м2/с
• - средняя мольная масса жидкости в колонне, кг/кмоль
• - диффузионный критерий Прандтля.
• Коэффициент диффузии пара в жидкости , м2/с,(при соответствующей температуре) связан с коэффициентом диффузии при 20 ?С , м2/с, следующей приближенной зависимостью
• Где - температурный коэффициент;
• - температура в верхней или нижней части колонны, ?С.
• Коэффициент диффузии метанола в воде при 20 ?С , м2/с, определяется по формуле
• Где - динамические коэффициенты вязкости жидкости, мПа•с;
• - коэффициенты, зависящие от свойств низкокипящего и высококипящего компонентов.
• Динамические коэффициенты вязкости жидкости определяется по формуле
• Где , - коэффициенты динамической вязкости компонентов А и В при соответствующей температуре, мПа•с, [1 с.516]
• Принимаем = 0,322 мПа•с, = 0,65 мПа•с при = 20 ?С.
• Подставляя значения в формулу получим
• а) в верхней части колонны
• Па•с
• б) в нижней части колонны
• Па•с
• Коэффициент диффузии при = 20 ?С.
• а) в верхней части колонны , м2/с
• м2/с
• б) в нижней части колонны , м2/с
• м2/с
• Температурный коэффициент , определяется по формуле
• (33)
• Где - плотность жидкости, кг/м3
• Принимаем из [1 с.512] = 780,56 кг/м3, = 808,18 кг/м3
• Подставляя значения в формулу (33), получим a) в верхней части колонны
• б) в нижней части колонны
• Подставляя значения в формулу (30) получим
• a) в верхней части колонны
• м2/с
• б) в нижней части колонны
• м2/с
• Рассчитываем коэффициент динамической вязкости жидкости в верхней и нижней части колонны при средней температуре по формуле
• a) в верхней части колонны при t =63,5оС
• Принимаем по [1 с.516] = 0,240 мПа•с, = 0,391 мПа•с.
• Па•с
• б) в нижней части колонны t=76,4оС
• Принимаем по [1 с.516] = 0,205 мПа•с, = 0,335 мПа•с.
• Па•с
• Критерий Прандтля:
• a) для верхней части колонны
• б) для нижней части колонны
• Средняя мольная масса жидкости в колонне:

• a) для верхней части колонны
• кг/кмоль
• б) для нижней части колонны
• кг/кмоль
• a) для верхней части колонны
• кмоль /м2•с
• б) для нижней части колонны
• кмоль /м2•с
• Коэффициент массопередачи , кмоль /м2,•определяется по формуле
• Где m - среднее значение тангенса угла наклона
• Для определения угла наклона разбиваем ось х на участки и для каждого из них находим среднее значение тангенса как отношение разности координат (у*-у) к разности абцисс (х*--х) в том же интервале, т.е.
• Число единиц переноса , определяется по формуле
• Где - отношение рабочей площади к свободному сечению колонны
• Принимаем = 0,8
• Коэффициент обогащения тарелки (коэффициент полезного действия тарелки) , определяется по формуле
• Поскольку К?, то
• Подставляя значения в формулу (39), получим
• Для верхней части колонны:
• Для нижней части:
• ,
• Результаты приведенных выше расчетов, начиная тангенса угла наклона необходимых для построения кинетической кривой, приведены в таблице 3.
• Таблица 10 Параметры, необходимые для построения кинетической кривой

		0,125		0,30	0,50
	2,64	1,675	1,03	0,72	0,68	0,79
	0,0059	0,0091	0,0175	0,0238	0,0250	0,022
	0,0968	0,1493	0,2871	0,3904	0,4101	0,361
	0,974	0,974	0,98	0,98	0,98	0,98
, мм	18		23	20	12
, мм	17,5		22,5	19,6	11,7

• Число действительных тарелок: 17 тар в верней части колонны и 5 тар в нижней, всего 22 тарелки.
• Высота тарельчатой части колонны:
• Общая высота колонны:
• где hсеп - расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны,(высота сепаратного пространства), принимаем 0,8м; hкуб - расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны, (высота кубовой части), принимаем 2м [3, приложение Б6].
• 3. Гидравлический расчет колонны
• Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстий d=4мм, высота сливной перегородки hn=40мм. Суммарная площадь отверстий - свободное сечение тарелки 10% от общей площади тарелки.
• Гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны , Па, рассчитывается по уравнению
• Гидравлическое сопротивление сухой тарелки
• Где ж - коэффициент сопротивления тарелки: для ситчатых тарелок со
• свободным сечением отверстий 7-10% ж=1,82; со свободным;
• щ0 - скорость пара в отверстиях тарелки, м/с,
• Скорость пара в отверстиях тарелки
•  м/с
• а) верхняя часть колонны
• Па
• б) нижняя часть колонны
• Па
• Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения , Па, определяется по формуле
• Где у - поверхностное натяжение в верхней и нижней частях колонны при средней температуре жидкости, Н/м, определяется
• для верхней части колонны
• Н/м
• Па
• для нижней части колонны
• Н/м
• Па
• Периметр сливной перегородки , м, определяется по формуле
• Где - угол выреза сливной перегородки.
• Принимаем = 40?
• м
• Объемный расход жидкости
• а) в верхней части колонны
• м3/с
• б)в нижней части колонны
• Где - мольная масса исходной смеси, кг/кмоль, находится
• Подставляя значения в формулу (50), получим
• кг/кмоль
• м3/с
• Находим высоту слоя над сливной перегородкой:
• а) в верхней части колонны
• м
• б) в нижней части колонны
• м
• Высота парожидкостного слоя в тарелке:
• а) в верхней части колонны
• м
• б) в нижней части колонны
• м
• Сопротивление парожидкостного слоя:
• а) в верхней части колонны
• Па
• б) в нижней части колонны
• Па
• Общее гидравлическое сопротивление тарелки:
• а) верхней части колонны
• Па
• б) нижней части колонны
• Па
• Проверим, соблюдаются ли при расстоянии между тарелками =0,45м необходимое для нормальной работы тарелок условие:
• Для тарелок нижней части колонны у которых гидравлическое сопротивление ДР больше, чем у тарелок верхней части:
• м
• 0,45 > 0,21
• Следовательно, принятое расстояние между тарелками достаточно для создания гидравлического затвора.
• Определим минимальную скорость пара в отверстиях , м/с, необходимую для равномерной работы тарелки
•  м/с
• Общее гидравлическое сопротивление колонны с ситчатыми тарелками , Па, определяется по формуле
• Подставляя значения в формулу, получим
• Па
• 4. Тепловой расчет колонны
• Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению:
• где - удельная теплота конденсации дистиллята, определим по формуле:
• где ,- удельные теплоты конденсации ацетона и бензола, соответственно, при , , (с.541 [1]);
• ;
• Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению:
• где - расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров;
• - тепловые потери колонны в окружающую среду;
• - расходы дистиллята, кубового остатка, исходной смеси, соответственно,
• - теплоемкости дистиллята, кубовой жидкости, исходной смеси, соответственно, определим по формулам
• где - теплоемкости ацетона и бензола при 57,6 (с.562 [1]);
• где - теплоемкости ацетона и бензола при 77,7 (с.562 [1]);
• где - теплоемкости ацетона и бензола при 73,2 (с.562 [1]).
• Подставляя соответствующие значения в формулу, получим:
• Тепловые потери колонны в окружающую среду, , определим по формуле:
• где температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем ;
• температура воздуха в помещении, принимаем ;
• суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, определим по формуле:
• ;
• наружная поверхность изоляции колонны, определим по формуле:
• Подставляя значения в формулу, получим:
• Тогда
• Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:
• где удельная теплоемкость исходной смеси, , взята при средней температуре (73,2+20)/2=46,4.
• Расход греющего пара
• а) в кубе-испарителе
• где удельная теплота парообразования, (с.549 [1]);
• х - степень сухости, принимаем х=0,95.
• б) в подогревателе исходной смеси
• Общий расход греющего пара равен
• 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:
• ;
• .
• 4.1 Расчет тепловой изоляции колонны
• В качестве изоляции берем асбест ().
• Исходя из упрощенного соотношения, имеем:
• где толщина изоляции, м;
• температура внутренней поверхности изоляции, принимаем её ориентировочно на 10-20 ниже средней температуры в колонне .
• Определяем толщину изоляции
• Проверяем температуру внутренней поверхности изоляции
• Расхождение 60 - 59,9 = 0,1< 1.
• 5. Расчет вспомогательного оборудования
• 5.1 Расчет дефлегматора
• В дефлегматоре конденсируется ацетон с небольшим количеством бензола. Температура конденсации паров дистиллята 57,6. Температура воды на входе принимаем 18, на выходе 38.
• Gd=0,91 кг/с.
• Температурная схема процесса
• 57,6 57,6
• 3818
• Дtм=19,6 Дtб=39,6
• Движущая сила процесса
• .
• Определим среднюю температуру воды
• єС.
• Расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров Q d =33,48*105 Вт.
• Расход воды в дефлегматоре при нагревании ее на 20°С кг/с.
• Предварительный выбор конструкции теплообменника
• Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара органических веществ к воде находится в пределах 340-870 Вт/(мІ·К) (с. 172 [1]). Принимаем наименьший коэффициент теплопередачи К= 340 Вт/(мІ·К).
•  м2.
• Составляем схему процесса теплопередачи. Для обеспечения турбулентного течения воды при Re>10000 скорость в трубах должна быть больше w'2
• м/с,
• где м2=0,487·10-3 Па·с - динамический коэффициент вязкости воды при t1=57,6єС (таблица VI [1]);
• d2=0,021 м - внутренний диаметр труб;
• с2=977,5 кг/м3 - плотность воды при t1=57,6єС (таблица IV [1]).
• Число труб 25х2 мм, обеспечивающих объемный расход воды при Re=10000
• где V2 - объемный расход воды
• м3/с.
• Условию n<493 и F<332,67 удовлетворяет одноходовой теплообменник, внутренним диаметром 800 мм с числом труб на один ход трубного пространства n=465, поверхностью теплообмена F=329дл. труб 9м
• Определение коэффициента теплоотдачи для воды
• Уточняем значение критерия Рейнольдса Re
• .
• Критерий Прандтля для воды при средней температуре t2=28єС равен
• ,
• где л2=0,611 - коэффициент теплопроводности воды при t2=28єС (рисунок Х [1]).
• Рассчитаем критерий Нуссельта для турбулентного режима
• .
• Отношение (Pr1/Prст1)0,25 примем равным 1.
• Таким образом, коэффициент теплоотдачи для воды равен
• Вт/(м2·К).
• Определение коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб
• Рассчитаем коэффициент теплоотдачи при конденсации паров ацетона на пучке горизонтальных труб
• ,
• где е=0,55 - коэффициент, зависящий от расположения и числа труб по вертикали в пучке, для шахматного расположения труб и числе труб nв=23 (с.162 [1]);
• еt=1;
• л1=0,138 - коэффициент теплопроводности ацетона при t1=57,6єС;
• с1=748,6 кг/м3 - плотность ацетона при t1=57,6єС;
• r1=517,6 - удельная теплота конденсации ацетона при t1=57,6єС;
• м1=0,25 мПа?с - динамический коэффициент вязкости ацетона при t1=57,6єС;
• Дt1=t1-tcт1 принимаемый равным 2 єС;
• d1 - наружный диаметр трубы.
• Вт/(м2·К).
• Расчет коэффициента теплопередачи
• Примем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны воды 1/rзагр.1=2900 Вт/(м2·К), со стороны паров ацетона 1/rзагр.2=5800 Вт/(м2·К) (таблица ХХХI [1]). Коэффициент теплопроводности стали лст=46,5 Вт/(м2·К) (таблица ХХVII [1]); д=0,002 м - толщина стенки.
• Находим сумму термических проводимостей стенки и загрязнений
• Вт/(м2·К).
• Коэффициент теплопередачи
• Вт/(м2·К).
• Расчетная площадь поверхности теплообмена
• м2.
• Принимаем к установке одноходовой теплообменник с F=219 м2.
• Характеристики теплообменника
• Наружный диаметр кожуха Dн=800 мм;
• Общее число труб n=465;
• Поверхность теплообмена F=219 м2;
• Длина труб L=6 м;
• Диаметр трубы d=25х2 мм.
• Запас площади поверхности теплообмена
• 5.2 Расчет кипятильника
• Температурные условия процесса.
• Кубовый остаток кипит при 77,70С. Температура греющего пара равна 102,70С (р?2 ат).
• Следовательно, средняя разность температур:
• 102,7-77,7=25оС.
• Тепловая нагрузка
• .
• Определяем величину площади теплообмена. По (табл. 4.8 стр. 172 [1]) для данного случая теплообмена (от конденсирующегося водяного пара к кипящей жидкости) принимаем значение минимального коэффициента теплопередачи Кmin=300 Вт/м2К.
• Тогда поверхность теплообмена:
• ;
• .
• Принимаем по каталогу (стр.243 [2]) теплообменник 2-х ходовой с
• F= 494 м2.
• Характеристика теплообменника:
• Диаметр кожуха……………………………………...1200мм;
• Диаметр труб…………………………………………252мм;
• Длина труб……………………………………………6,0м;
• Количество труб……………………………………...1048.
• 5.3 Расчет холодильника для дистиллята
• В холодильнике происходит охлаждение дистиллята от температуры конденсации до 30.
• Движущая сила процесса
• .
• Принимаем коэффициент теплопередачи 300(с.172 [1]). Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от дистиллята в холодильнике определим по формуле
• Поверхность теплообмена холодильника для дистиллята определим по формуле
• Принимаем двухходовой теплообменник поверхностью ,
• диаметр кожуха D=325мм,
• число труб n = 62,
• длина трубы l = 3м,
• диаметр трубы d = 25х5 мм
• 5.4 Расчет холодильника для кубового остатка
• В холодильнике кубового остатка происходит охлаждение кубовой жидкости от температуры кипения до 30.
• Движущая сила процесса
• .
• Принимаем коэффициент теплопередачи 250(с.172 [1]). Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от кубовой жидкости определим по формуле
• Поверхность теплообмена холодильника для кубового остатка определим по формуле
• Принимаем двухходовой теплообменник поверхностью , диаметр кожуха D=800мм, число труб n = 442, длина трубы l = 4м, диаметр трубы d = 25х5 мм.
• 5.5 Расчет подогревателя
• Движущая сила процесса
• .
• Принимаем коэффициент теплопередачи 120(с.172 [1]). Количество тепла, передаваемого исходной смеси от греющего пара
• Поверхность теплообмена определим по формуле
• Устанавливаем одноходовой теплообменник поверхностью , диаметр кожуха D=800мм, число труб n = 465, длина трубы l = 4м, диаметр трубы d = 25х5 мм.
• 6. Расчет штуцеров
• Диаметр штуцера, через который поступает исходная смесь, определяем по формуле:
• dF=
• Принимаем диаметр dF=70х3,5 мм
• Диаметр штуцера, через который поступает флегма, определяем по формуле:
• dф==м
• Принимаем диаметр dф=159х4,5 мм
• Диаметр штуцера, через который отводится кубовый остаток, определяем по формуле:
• dw==м
• Принимаем диаметр dw=159х5 мм
• Диаметр штуцера, через который отводится греющий пар, определяем по формуле:
• Vв=м3/ч
• Принимаем диаметр dв=720х10 мм
• dв==0,691 м
• Диаметр штуцера, через который поступает греющий пар, определяем по формуле:
• Vн=м3/ч
• dн===0,559м
• Принимаем диаметр dн=530х15 мм
• Заключение
• В результате проведенных расчетов мы подобрали ректификационную колонну диаметром 1800мм, высотой 12,25 м с ситчатыми тарелками типа ТС-РЦ и ТС-РБ, произвели гидравлический и тепловой расчет колонны, а так же рассчитали и подобрали вспомогательное оборудование.
• Список литературы

1). Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. Л.: Химия, 1987. - 575 с.

2). Массообменные процессы: ч. 2/Л.И.Ченцова и др. Под общ. ред. Левина Б.Д. - Красноярск: СибГТУ, 2004. - 237 с.

3). Основные процессы и аппараты химической технологии. А.Г. Касаткин, М.: Химия, 1971 - 784 с.

4). Процессы и аппараты химической технологии: Л.И.Ченцова, М.К.Шайхутдинова, В.М.Ушанова. - Красноярск: СибГТУ, 2006. - 260 с.

Размещено на Allbest.ru

...