Технологічний розрахунок ректифікаційної установки безперервної дії

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ВСТУП

В різних галузях хімічної технології існують процеси, де необхідне виділення компонентів у чистому вигляді із суміші рідин (органічний синтез, нафтопереробка, коксохімічна, харчова та спиртова промисловість, виробництво полімерів, розділення технологічних газів при їх глибокому охолодженні). Найбільш поширенні способи розділення рідин це проста перегонка, ректифікація та екстракція.

Для вибору способу розділення суміші хлороформу та бензолу необхідно знати початковий склад, концентрацію дистиляту, кубового залишку та фізико-хімічні властивості компонентів.

Хлороформ - (треххлорістий вуглець, хлороформ, тріхлорметан, CHCl₃) це прозора, безбарвна, важка летка рідина з характерним солодким запахом. За звичайних умов (кімнатна температура, нормальний атмосферний тиск 100 кПа, вологість не вище 80%) . У воді не розчиняється, здатний розчинятися тільки в різних типах органічних розчинників. З водою ж може утворювати нізкоконцентраціонние (0,23%) розчини. Сильний яскраво виражений токсичний характер речовини по впливу на організм, належить до групи наркотичних сполук.

На світлі тріхлорметан розкладається з утворенням небезпечних, отруйних продуктів:

Хлороформ = фосген + соляна кислота + хлор молекулярний + вугільний ангідрид

Застосовується в якості антисептика у медицині, у промисловості використовується в якості розчинника, знежирювачах, основного або додаткового компонента для отримання важливих речовин, що застосовуються у всіх сферах діяльності людини. [1]

Інші фізичні властивості хлороформу наведені в таблиці 1.1.

Бензол (бензен C₆H₆) -- перший представник гомологічного ряду ароматичних вуглеводнів. Безбарвна летка рідина з характерним запахом. Бензол не розчиняється у воді, проте утворює з нею азеотропну суміш (91.17 мас%) з температурою кипіння 69.25 °C. З більшістю неполярних розчинників змішується в будь-яких відношеннях.

Бензол має цінні властивості як розчинник, але через його високу токсичність і канцерогенність таке використання наразі дуже обмежено. Ця сполука є сировиною для промислового органічного синтезу, більше двох третин бензену іде на виробництво циклогексану, кумолу та етилбензену. [1]

Таким чином, компоненти суміші хлороформ-бензол необмежено розчинні, термічно стійкі, мають значну різницю температур кипіння (хлороформ - низькокиплячий компонент, бензол - висококиплячий).

Тому екстракцію, яку застосовують для розділення сильно розбавлених, термічно нестійких та близькокиплячих компонентів сумішей, приймати недоцільно.

Простою перегонкою неможливо досягти заданого складу дистиляту з вихідної суміші .

Тому для розділення суміші хлороформ-бензол приймаємо більш складніший спосіб перегонки-ректифікацію.



1. ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА

ректифікаційний дистилят температурний пар

1.1 Обґрунтування та вибір способу розділення рідких однорідних сумішей

Одним з найбільш розповсюджених методів розділення рідких однорідних сумішей, які мають у своєму складі два, або більше компонентів, є перегонка (дистиляція і ректифікація). Перегонка включає часткове випарювання бінарної суміші з послідуючою конденсацією утвореної пари.

За допомогою перегонки розділяють суміші, всі складові компоненти яких мають різну леткість при одній і тій же температурі. Якщо суміш в своєму складі має два компонента (бінарна), то при перегонці пар буде мати більше низькокиплячого компонента (Н.К.), в порівнянні з вихідною сумішшю. Таким чином, в процесі перегонки рідинна фаза збіднюється, а парова збагачується н.к. Рідина, яка не випарувалась, має склад більш багатий висококиплячим компонентом (В.К.). Ця рідина називається кубовим залишком, а рідина, що отримана в результаті конденсації пари - дистилятом, або ректифікатом. Степінь збагачення парової фази н.к. при рівних умовах залежить від виду перегонки. Існують два принципово відмінних виду перегонки: проста перегонка (дистиляція) та ректифікація.

Проста перегонка - це процес одноразового часткового випаровування рідкої однорідної суміші та конденсації утвореної пари.

Перегонка буває декілька видів: фракційна перегонка, перегонка з дефлегмацією, перегонка з водяною парою.

Просту перегонку застосовують тільки для розділення однорідних сумішей, леткості яких дуже різняться, тобто для попереднього грубого розділення.

Значно більш повне розділення рідких сумішей на компоненті досягається шляхом ректифікації. [3]



1.2 Фізико-хімічні основи процесу ректифікації

Ректифікація - це процес розділення рідких однорідних сумішей на складові компоненти шляхом багаторазового часткового випаровування рідини з послідуючою конденсацією утвореної пари, яке не знаходяться в термодинамічній рівновазі і рухаються протитечією. Контактуючі потоки рідини і пари мають різну температуру.

При ректифікації досягається достатньо висока степінь розділення. Суть процесів, з яких складається ректифікація і результати, отримані при цьому можна прослідкувати з допомогою t - x, y - діаграми (рис. 1.).

Де х - мольна частка низькокиплячого компонента в рідинній фазі, а у - мольна частка низькокиплячого компонента в паровій фазі, рівноважної з рідинної при відповідній температурі t.

Нагріваючи вихідну суміш складу х₁ до температури кипіння, отримуємо пару, що находиться в рівновазі з рідиною (точка b). Відбір і конденсація цієї пари дають рідину складу х₂, збагачену Н.К. (х₂ > х₁). Нагріваючи цю рідину до температури кипіння t₂, отримуємо пару (точка d), конденсація якої дає рідину з ще більшим складом Н.К. (х₃) і т.д. Проводячи таким чином послідовно ряд процесів випарювання рідини і конденсації пари, можна отримати в кінцевому результаті рідину (дистилят), яка представляє собою практично чистий Н.К.



Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рисунок 1 Зображення процесу розділення бінарної суміші шляхом ректифікації на діаграмі t - x, y1 - ізобара кипіння (випаровування); 2 - ізобара конденсації

Аналогічно, виходячи із парової фази, яка відповідає складу рідини х₄, шляхом проведення ряду послідовних процесів конденсації та випаровування можна отримати рідину (кубовий залишок), що складається майже цілком із висококиплячого компонента.

При взаємодії фаз між ними протікає масо - і теплообмін. В результаті кожного контакту компоненти перерозподіляються між фазами: пара збагачується н.к., а рідина - в.к.

Шляхом ректифікації можна розділяти однорідні ідеальні рідинні суміші з необмеженою розчинністю. Ці суміші підлягають законам Рауля і Дальтона.

Закон Рауля - якщо суміші складаються з компонентів А і В, то парціальний тиск кожного компоненту, наприклад А, буде прямопропорційно його мольній долі у рідинній фазі.

Закон Рауля для компоненту А:

Р_а = Р_а^*•Х_а,

де Р_а - парціальний тиск компоненту А у паровій фазі;

Р_а - тиск насиченої пари над чистим компонентом А;

Х_а - мольна доля компоненту А у суміші.

Закон Рауля для компоненту В:

Р_В = Р_В^* •Х_В = Р_В^*(1 - Х_а)

де Р_В - парціальний тиск компоненту В у паровій фазі над сумішшю;

Р_В - тиск насиченої пари над чистим компонентом В - леткістю;

Х_В - мольна доля компоненту В в вихідній суміші.

Закон Дальтона - згідно закону загальний тиск пари над сумішшю дорівнює сумі парціальних тисків його компонентів:

П = Р_а + Р_В = Р_а^*Х_а + Р_В^*(1 - Х_а)

На підставі законів Рауля та Дальтона можна визначити рівноважний вміст рідинної та парової фаз.

Вміст компоненту А в рідинній фазі:

,

Вміст компоненту А в паровій фазі:



,

y_А^* - вміст компоненту А в паровій фазі рівноважного з вихідною сумішшю.

Неідеальні суміші (реальні) мають позитивне або негативне відхилення від закону Рауля. Для цілого ряду таких сумішей кількісні відхилення від закону Рауля настільки великі, що приводять до якісно нових властивостей сумішей.

При деякому складі такі суміші мають постійну температуру кипіння, яка може бути мінімальною, або максимальною, а ці суміші мають назву азеотропних, або нероздільно киплячих. Для них склад рівноважної пари над сумішшю дорівнює складу рідини при постійній температурі кипіння (у = х). Фазові діаграми азеотропних сумішей представлені на рис.

Розділення азеотропних сумішей можливо лише з допомогою спеціальних видів перегонки, які реалізуються шляхом введення в систему допоміжного компонента.

а)б)

Рисунок 2 Фазові діаграми азеотропних сумішей а) - фазова діаграма азеотропної суміші з максимумом температури кипіння; б) - фазова діаграма азеотропної суміші з мінімумом температури кипіння



1.3 Вибір та обґрунтування схеми установки

Обґрунтування прийнятої до проектування технологічної схеми ректифікаційної установки безперервної дії виконується на основі заданих показників для роботи ректифікаційної колони по продуктивності вихідної суміші, що розділяється, її складу, вмісту низькокиплячого та висококиплячого компоненту, їх фізичних властивостей, тиску в апараті та ступені розділення.

В хімічній, нафтохімічній та інших галузях використовують процеси ректифікації періодичні, або безперервні.

При безперервній ректифікації умови роботи установки, тобто витрата, склад початкової суміші, температурний режим, вихід цільових компонентів (дистиляту та кубового залишку), гріючої пари і охолоджуючої води не змінюються на протязі всього процесу.Це дає можливість встановити точний режим роботи установки, спростити обслуговування, проводити процес з допомогою програмного управління в оптимальних умовах, полегшує автоматизацію процесу. Відсутність простоїв між операціями підвищує продуктивність установки та зменшує витрату теплоносія (гріючої пари) на процес ректифікації.

1.4 Принципова схема ректифікаційної установки безперервної дії

Принципова схема ректифікаційної установки безперервної дії наведена. Вихідна суміш, яка містить низькокиплячий та висококиплячий компоненти із проміжної ємкості 11 насосом 10 подається в теплообмінник - підігрівач 5, в якому нагрівається до температури кипіння, а потім поступає в ректифікаційну колону 1 на так звану тарілку живлення, яка поділяє колону на верхню частину (укріплюючу) та нижню (вичерпну). На тарілці живлення рідина змішується з флегмою, яка знаходиться в укріплюючій частині колони і, стікаючи по тарілкам або насадці, взаємодіє з парою, що підіймається назустріч. При цьому з рідини видаляється низькокиплячий (легколеткий) компонент. Таким чином у вичерпній частині колони відбувається процес ректифікації.

У куб колони 2 стікає рідина, яка складається майже повністю з висококиплячого компонента. Її частина, так званий кубовий залишок, безперервно відводиться та охолоджується в теплообміннику - холодильнику 7 і подається в ємкість 8. Решта рідини випаровується завдяки глухій парі, що підводиться до куба колони. Куб може бути виносним або вбудованим в колоні.

Парова фаза підіймається по всій колоні знизу до верху, взаємодіє з флегмою в укріплюючій частині колони, насичується низькокиплячим компонентом і надходить до дефлегматора 3. Тут частина пари конденсується та, проходячи скрізь дільник 4, повертається до колони, в якій стікає у вигляді флегми зверху до низу. Друга частина пари надходить до холодильника - конденсатора 6, де відбувається її конденсація та охолодження отриманого дистиляту. Охолоджений дистилят збирається в ємкості 9.

Ректифікаційна установка безперервної дії може працювати з повною або частковою конденсацією пари в дефлегматорі.

1.5 Вибір конструкції ректифікаційної колони

При виборі ректифікаційної колони керуються вимогами, які пред'являються до будь-якого хімічного апарату: простота в обслуговуванні, висока продуктивність, міцність, корозійна стійкість, довговічність, невисока вартість і т.п.

Для ректифікації застосовують виключно апарати колонного типу - барботажні (тарілчасті) і насадкові ректифікаційні колони [8].

В барботажних колонах пара та рідина стикаються на спеціальних пристроях - тарілках. Особливістю тарілчастих колон на відміну від насадкових є ступінчатий характер зміну концентрації процесу.

Найбільш розповсюджені в процесах ректифікації тарілчасті колони як більш продуктивні, можуть працювати в широкому діапазоні навантажень і забезпечувати достатньо чітке розділення сумішей. Конструкції тарілок різноманітні і досить складні, мають відносно високий гідравлічний опір, для подолання якого необхідно підвищувати тиск і температуру кипіння в кип'ятильнику.

Перевагою насадкових колон є простота устрою, можливість роботи з агресивними рідинами, більш низький, ніж в тарілчастих, гідравлічний опір. Вони заповнені насадкою - твердими тілами різної форми, які утворюють поверхню контакту між парою та рідиною і є більш дешевими в порівнянні з барботажними.

Рідина на кожному елементу насадки стікає у вигляді плівки, яка в деяких випадках не повністю їх змочує. Внаслідок цього насадкові колони менш ефективні, ніж тарілчасті.

Не дивлячись на це, для невеликої продуктивності (0,462 кг/с вихідної суміші) приймаємо насадкові колону, ефект змочування в якій може бути поліпшений шляхом установки перерозподільних пристроїв.

Устрій насадкової ректифікаційної колони наведений

Насадка 1 вкладається на опорні решітки 2, які мають отвори або щілини для проходу пари та рідини. Насадка зрошується флегмою, яка з допомогою розподільної тарілки 3 рівномірно по ній розподіляється. Із-за наявності пристіночного ефекту рідина розтікається від центру насадки до периферії. Тому для покращення змочування насадки її укладають шарами (секціями), між якими встановлюють перерозподільні пристрої 4 (тарілки).



1.6 Вибір типу насадки

При попередньому виборі насадки враховують продуктивність установки, леткість компонентів, ефективність розділення, забруднення суміші.

При виборі розмірів насадки слід керуватися наступним: чим більший розмір її елементів, тим більша продуктивність колони, менший гідравлічний опір і ефективність розділення. Мілка насадка має більш високу питому поверхню і більший гідравлічний опір. Рекомендують насадки, для яких відношення максимального власного розміру до діаметру колони не перевищує 0,125.

При розділенні компонентів з близькою леткістю використовують високоефективні насадки - кільця Діксон і Борад, насадки Стедмана та Гудлое [4,5]. В багатотоннажних виробництвах застосовують насадку Спрейпак, плоскопаралельну або насадку із скловолокон. При невеликому перепаду тисків в колоні краще використовувати більш дешеві та доступні насадки - кільця Рашига, Лесінга, Паля, кокс, кварц, гравій.

При виборі матеріалу насадки слід враховувати умови експлуатації - продуктивність, температуру, наявність забруднень, агресивність речовин.

Металеву насадку застосовують в апаратах, де можливе утворення осаду і виникає потреба в частій чистці апарату, а також у вакуумних колонах.

Графіт, кварц, пластмаси доцільно примінять для високоагресивних середовищ. Крім того, насадки із полімерів термічно нестійкі і не достатньо ефективно змочуються. Найбільш дешевим і розповсюдженим матеріалом насадок є фарфор та кераміка.

Враховуючи деякі особливості процесу розділення суміші оцтова кислота-вода (продуктивність, температуру кипіння, степінь розділення та ін.), приймаємо керамічні кільця Рашига розміром 25х25х3 мм [6].



1.7 Вибір робочих умов процесу

Процеси ректифікації проводять під атмосферним тиском , підвищеним або під вакуумом.

Тиск більший за атмосферний застосовують для суміші, які є газоподібними при нормальних температурах. Ректифікацію під вакуумом доцільно застосовувати для суміші висококиплячих рідин.

Так, як температура кипіння висококиплячого компоненту (оцтова кислота) становить 118⁰С, то приймаємо тиск в колоні атмосферним.

В якості гріючого агента, який подаємо в куб-кип'ятильник установки, приймаємо насичену водяну пару, як більш доступну та дешеву за інші теплоносії (електронагрів, димові гази). Тиск та температура пари будуть уточнені нижче.

В дефлегматорі пари, які надходять із колони, можуть бути сконденсовані частково або повністю. В першому випадку частина конденсату відповідає кількості флегми, яка повертається в колону, а несконденсовані пари охолоджуються і конденсуються в холодильнику-конденсаторі. В другому випадку, частина конденсату, яка залишилась після відділення флегми, є дистилятом і направляється в холодильник дистиляту. Дефлегматор при цьому може бути розміщений не на самій колоні, а за її межами, що більш економічно в умовах помірного клімату.

В якості охолоджуючого агенту приймаємо технічну воду оборотного циклу підприємства. Початкова температура води t_вп=20⁰С. З умови запобігання утворення осаду або накипу кінцеву температуру води приймаємо t_вк = 45⁰С.

2. ТЕХНОЛОГІЧНИЙ РОЗРАХУНОК РЕКТИФІКАЦІЙНОЇ УСТАНОВКИ БЕЗПЕРЕРВНОЇ ДІЇ

Метою розрахунку є знаходження витрати дистиляту, кубового залишку, визначення температурного режиму установки.

2.1 Розрахунок витрати дистиляту та кубового залишку

Витрати дистиляту та кубового залишку визначається з матеріального балансу ректифікаційної установки по низькокипячому компоненту [4]:

Витрати дистиляту та кубового залишку знаходимо із рівняння матеріального балансу [4]:

де G_F, G_P, G_W - масова витрата вихідної суміші, дистиляту та кубового

залишку, відповідно, кг/опер;

- масова частка низькокиплячого компоненту (метилового спирту) у вихідній суміші, дистиляті та кубовому залишку, відповідно.

Підставляючи рівняння (3.1) в (3.2), знаходимо:

кг/с

G_W=G_F-G_P=1,94-0,654=1,286 кг/с



2.2 Перерахунок масових концентрацій у молярні частки

Так як в законах фазової рівноваги наведені молярні концентрації, а склади сумішей задані в масових відсотках, то для подальших розрахунків їх необхідно привести до однієї розмірності.

Молярні концентрації вихідної суміші x_F, дистиляту x_Р та кубового залишку x_W знаходимо за формулою [9]:

(3.3)

де - мольна частка низькокиплячого компонента суміші;

М_нк - молярна маса низькокиплячого компонента - хлороформу, 119,38 кг/кмоль;

М_вк - молярна маса висококиплячого компонента - бензолу, 78,11 кг/кмоль;

- масовий вміст низькокиплячого компоненту суміші, згідно завданню.

Вихідна суміш:



Дистилят:

Кубовий залишок:

2.3 Визначення температурного режиму роботи ректифікаційної колони

Температурний режим визначаємо графічним способом з допомогою ізобарної діаграми, яку будуємо в координатах t - х, у

t - температура суміші;

х, у - концентрації низькокиплячого компоненту в рідині та рівноважній з нею паровій фазі (молярні %), які знайдені по [8] і наведені в

За заданим складом компонентів знаходимо:

Температуру кипіння вихідної суміші:

t_F = 77,3 ⁰C при x_F = 26,1 %

Температуру кипіння кубового залишку:

t_W = 80,3 ⁰C при x_W = 2,7 %

Температуру пари дистиляту

t_P = 66,5 ⁰C при x_F = 94 %



2.4 Розрахунок флегмового числа

Флегмове число є основним параметром, що визначає заданий ступінь розділення в процесі ректифікації, і залежить від багатьох величин, які по різному впливають на розміри апарата та експлуатаційні витрати.

Розрахунок флегмового числа з урахуванням всіх впливаючих на нього факторів досить складний, тому в інженерних розрахунках користуються наближеними методами.

Мінімальне флегмове число визначається із рівняння [4]:

(3.4)

де х_F, х_p - мольні частки низькокиплячого компонента хлороформу відповідно в вихідній суміші і дистиляті;

y*_F - мольна частка низькокиплячого компонента в парі, рівноважній з рідиною живлення, визначаємо за діаграмою t - х,y

При xF = 0,261, y*_F =0,37

Робоче флегмове число визначаємо за рівнянням Джілліленда:

(3.5)

7.098



2.5 Тепловий розрахунок ректифікаційної установки безперервної дії

Тепловий розрахунок складається з метою визначення витрати гріючої водяної пари в кубі-кип'ятильнику та підігрівачі вихідної суміші, а також охолоджуючої води в дефлегматорі, холодильниках дистиляту та кубового залишку.

2.5.1 Прихід теплоти з початковою сумішшю:

(3. 6)

де С _F - питома теплоємкість вихідної суміші, Дж/кг •К;

(3.7)

Де С_ХФ - теплоємкість хлороформу Дж/кг •К;

С_Б - теплоємкість бензолу Дж/кг •К;

При температурі t_F = 77,3⁰C С_ХФ = 1,004•10³ Дж/кг•К, С_Б = 1,882•10³ Дж/кг•К.

Дж/кг•К

Вт

2.5.2 Прихід теплоти з флегмою

(3.8)

де G_ф - витрата флегми, кг/с, G_ф=G_p•R

R - флегмове число;

t_ф = t_р =66,5^оС

С_ф - теплоємкість флегми (дистиляту), Дж/кг •К;

(3.9)

При t_p = 66,5^OC теплоємність хлороформа С_ХФ=0,983•10³ Дж/кг•К, бензола С_Б=1,862•10³Дж/кг•К (9)

С_ф = 0,983•10³•0,96+1,862•10³•(1-0,96)=1,018•10³ Дж/кг•К,

Q_ф = 0,654•7,098•1,018•10³ •66,5=314312 Вт

2.5.3 Витрати тепла з парою, що виходить із колони та направляється в дефлегматор

(3.10)

де r_ср - питома середня теплота конденсації пари, Дж/кг:

(3.11)

При температурі пари t_p = 66,5^OC для хлороформу r_хф = 244,95•10³ Дж/кг, для бензола r_б = 403,74•10³ Дж/к [9]

r_ср = 244,95•10³•0,96+403,74•10³ (1-0,96)=251,3•10³ Дж/кг

С_ф = 1,018•10³ Дж/кг•К

t_p = 66,5^OC

Q_P(R+1) = 0,654•(7,098+1)•(251,3•10³+1,018•10³•66.5) = 1689537 Вт



2.5.4 Витрати тепла з кубовим залишком

(3.12)

При t_W = 80,3 ⁰C теплоэмнысть хлороформа С_хф = 0,96•10³ Дж/кг•К, бензола С_б = 1,92•10³ Дж/кг•К

Дж/кг•К

Q_w = 1,286•1,88•10³•80,3 = 194305 Вт

2.5.5 Визначення кількості теплоти, що підводиться до куба-кип'ятильника з гріючою водяною парою (приймаємо втрати 3 - 5% від корисно витраченої теплоти).

(3.13)

Q_K = 1,05•(1689537+194305-314312-263190) = 1333339 Вт

2.5.6 Витрата гріючої пари в кубі-кип'ятильнику

(3.14)

де G_г.п - витрата гріючої пари, кг/с;

І_г.п - тепловміст гріючої пари, Дж/кг;

І_к - тепловміст конденсату гріючої пари, Дж/кг;

Приймаємо різницю температур гріючої пари та кипіння кубового залишку Дt = 15ч20 ^оС. Тоді температура гріючої пари та конденсату буде:



t_гр.п. = t_w + Дt = 80,3+20=100,3 ^ОС

І_г.п = 2698•10³ Дж/кг, І_к = 467•10³ Дж/кг [9]

0,598 кг/с (3.15)

2.5.7 Витрата гріючої пари в підігрівачі вихідної суміші.

Приймаючи втрати тепла в розмірі 5% від корисної теплоти та початкову температуру суміші t_n =20 ^оС.

С_F - середня теплоємкість початкової суміші при середній температурі

Теплоємність хлороформа и бензола при t_ср = 48,6 ^оС: С_хф=0,98•10³ Дж/кг•К, С_б=1,78•10³ Дж/кг•К,

Дж/кг•К

кг/с



2.6 Витрата охолоджуючої води

Приймаємо початкову температуру охолоджуючої води t_2п = 20^оС, кінцеву температуру води t_2к = 45 ^ОС.

2.6.1 Теплове навантаження дефлегматора та витрата охолоджуючої води

(3.17)

де теплота конденсації пари r_р = 1123•10³ Дж/кг

Q_д = 0,654(7,09+1)[1123•10³+1.018•10³•66,5]=6306169 Вт

Витрата охолоджуючої води в дефлегматорі при повній конденсації пари:

кг/с

2.6.2 Теплове навантаження холодильнику дистиляту та витрата охолоджуючої води

Q_р = G_р ·С_р (t_к -t_п )=G_в2 ·С_в (t_2к -t_2п ) (3.17)

G_р =0,654 кг/с, приймаємо кінцеву температуру дистиляту t_к =25⁰С

С_р - теплоємкість дистиляту при t_Рср.

^ОС



С_хф = 1,00 •10³ Дж/кг·К;

С_б = 1,79 •10³ Дж/кг·К

С_р=0,96•1,00 •10³+(1-0,96) 1,79 •10³=1,03•10³ Дж/кг·К

тоді

Q_р =0,654•1,03 •10³(66,5-25)=27998,7 Вт

Витрата охолоджуючої води в холодильнику дистиляту:

кг/с

2.6.3 Теплове навантаження холодильника кубового залишку та витрата охолоджуючої води

Q_W = G_W ·С_W (t_W -t_K)=G_в3 ·С_в (t_2к -t_2п) (3.18)

де С_W-питома теплоємкість кубового залишку при середній температурі t_Wcp.

^ОС

теплоємкість хлороформу та бензолу при t_Wcр=52,6⁰С.

С_хф = 0,98 •10³ Дж/кг·К; С_б = 1,84 •10³ Дж/кг·К,

С_W=0,04•0,98 •10³+(1-0,04) 1,84 •10³=1,80 •10³ Дж/кг·К

тоді

Q_W =1,286•1,80 •10³(80,3-25)=128407 Вт

Витрата охолоджуючої води в холодильнику кубового залишку:

кг/с



Приймаємо густину води с_в=996 кг/м³ при

Одержимо:

у дефлегматорі м³/с

у холодильнику дистиляту м³/с

у холодильнику кубового залишку м³/с

2.7 Середня концентрація рідини та пари в колоні

2.7.1 Середній склад рідини в мольних частках:

у верхній частині колони

(3.19)

у нижній частині колони

(3.20)



2.7.2 Середній склад пари в мольних частках

Середній склад пари знаходимо з рівняння робочих ліній [4].

(3.21)

у нижній частині колони

(3.22)

де f - відносна мольна витрата вихідної суміші

2.8 Густина пари та суміші

2.8.1 Густина пари

Густину пари знаходимо з виразу:

(3.23)

де М_ср - середня мольна маса пари, кг/кмоль

Cередня мольна маса пари у верхній частині колони



(3.24)

Мольна маса хлороформу М_хф=119,38 кг/кмоль;

Мольна маса бензолу М_б=78,11 кг/кмоль

М'_ср=119,38•0,64+ (1-0,64)•78,11 =104,52 кг/кмоль

Густина пари у верхній частині колони

кг/м³

Cередня мольна маса пари у нижній частині колони

(3.25)

М''_ср=119,38•0,186+ (1-0, 186)•78,11 =85,79 кг/кмоль

Густина пари у нижній частині колони

кг/м³

2.8 Густина рідини

Густину рідини знаходимо з виразу [9].

(3.26)

де с_см - густина рідини, кг/м³;

х_хф - мольна частка хлороформу в суміші;

с_хф, с_б - густина хлороформу та бензолу, кг/м³

при х?_ср= 0,60 t?_ср=73⁰С;

х??_ср= 0,144 t??_ср=79⁰С

В верхній частині колони при t?_ср=73⁰С

густина хлороформу с?_хф = 1395 кг/м³;

густина бензолу с?_б = 827 кг/м³ [9].

с?_см= 986,2 кг/м³

В верхній частині колони при t??_ср=79⁰С

густина хлороформу с??_хф = 1395 кг/м³;

густина бензолу с??_б = 825 кг/м³ [9].

с??_см= 1254,7 кг/м³

2.9 Кількість пари, що підіймається по колоні

Середні масові потоки у верху колони G_в та низу колони G_н

(3.27)

(3.28)

де М?_В, М??_Н - середні мольні маси пари у верхній та нижній частинах колони, кг/кмоль;

М_р - мольна маса дистиляту, кг/кмоль

Мольна маса дистиляту

(3.29)



Мольна маса хлороформу М_хф=119,38 кг/кмоль;

Мольна маса бензолу М_б=78,11 кг/кмоль

М_р=119,38•0,94+78,11•(1-0,94)=116,9 кг/кмоль

2.10 Витрата рідини, яка стікає по колоні в нижню частину колони

в верхню частину колони

(3.30)

де М'_В і М"_Н - середня мольна маса рідини, яка стікає, для верхньої та нижньої частини колони, кг/кмоль.

Мольна маса вихідної суміші

 

3. КОНСТРУКТИВНИЙ РОЗРАХУНОК КОЛОНИ

3.1 Діаметр колони

Знаходимо з виразу [4]

(4.1)

де V_п - об'ємна витрата пари, м³/с;

- фіктивна швидкість пари, яка розраховується за рівнянням [4]:

(4.2)

де ₃ - швидкість захлинання насадки;

у та е- питома поверхня та вільний об'єм насадки, для кілець Рашига розміром 25х25х3 мм у = 204 м²/м³, е =0,74 м³/м³ [9];

с_п - густина пари, кг/м³ (п. 3.8.1);

с_р - густина рідини, кг/м³ (п. 3.8.2);

м_р - динамічний коефіцієнт в'язкості рідини, мПа·с.

Визначення швидкості пари для верхньої частини колони

Визначаємо динамічний коефіцієнт в'язкості рідини для верха колони:

х?_ср - середня концентрація низькокиплячого компоненту в рідині, х?_ср =0,6 (мольні долі);

м_хф, м_б - динамічний коефіцієнт в'язкості компонентів при t?_ср = 73⁰С;

для верха колони:

м_хф = 0,37•10^-3Па·с; м_в = 0,35•10^-3Па·с; [9]

Звідки: =0,36 мПа·с.

для низа колони:

х??_ср =0,144 (мольні долі), t??_ср =79,5⁰С

м_хф = 0,35*10^-3Па·с; м_б = 0,32 *10^-3Па·с; [9]

Звідки: =0,32 мПа·с.

L та G_п - витрата рідини та пари по колоні, кг/с;

Витрата рідини:L?_В =4,085 кг/с; L??_Н =11,74 кг/с

Витрата пари: G?_В =4,73 кг/с; G??_Н =3,88 кг/с

Густина пари с_п, кг/м³

для верха колони с?_п= 3,69 кг/м³

для низу колони с??_п= 2,97 кг/м³

Густина рідини с_р, кг/м³

для верха колони с?_р= 986,2 кг/м³

для низу колони с??_р= 1254,7кг/м³

Визначаємо швидкість:

для верха колона

звідки

щ?₃ =0,67 м/с

Робоча швидкість щ? = (0,75ч0,9) щ₃ [9];

або щ = 0,67 · 0,85 = 0,57 м/с.

для низу колони:

lg(

звідки

щ??₃ =0,61 м/с.

Робоча швидкість

щ?? = (0,75ч0,9) щ₃ [9];

або щ = 0,9 · 0,61 = 0,55 м/с.

Об'ємна витрата пари

Діаметр колони:

Отриманий розмір округлюємо до найближчого стандартного [5] :

D = 1,8 м

Дійсна швидкість газу:

для верху колони



для низу колони

. Висота колони

Загальну висоту колони знаходимо з виразу [4]:

Н =

де Н_нас - висота насадкової частини колони, м;

Н_нас = h_е · n_т; [4]

h_е - еквівалентна висота насадки, м;

n_т - теоретичне число тарілок, яке визначається графічною побудовою

h₁ - відстань від верхнього шару насадки до кришки; h₁ ? D;

h₂ - відстань від нижнього шару насадки до дна, м;

h₂ ? (1,1 ч1,5) D.

3.2 Еквівалентна висота насадки

Еквівалентну висоту насадки знаходимо з виразу [5] :

(4.4)



де d_е - еквівалентний діаметр насадки, м.

Rе_п - критерій Рейнольдса для потоку пари:

(4.5)

де щ - дійсна швидкість пари, м/с;

с_п - густина пари, кг/м³;

у - питома поверхня насадки; у = 204 м²/м³;

м_п - в'язкість пари, Па·с. Знаходимо з виразу:

(4.6)

де М_п - мольна маса пари; М_п =104,52 кг/кмоль;

y_ср - середній склад пари; (мольні долі);

для верха y?_ср =0,64 t?_ср = 72⁰С м?_хф = 0,0121·10^-3 Па·с [9].

для низу y??_ср =0,186 t??_ср =78,5⁰С м??_б = 0,00855 ·10^-3 Па·с [9].

При t?_ср = 78,5⁰С м?_хф = 0,0125 ·10^-3 Па·с м??_б = 0,00855 ·10^-3 Па·с [9].

М?_ср=104,52кг/кмоль М??_ср=85,79кг/кмоль

Тоді для верха колони

Па*с

для низу колони

0.0093 Па*с.

Визначаємо критерій Рейнольдса для потоку пари:

вверху колони

для низу колони

G, L -витрата пари та рідини по колоні, відповідно кг/с;

с_р - густина рідини, кг/м³;

m - середній тангенс кута нахилу дотичної до рівноважної лінії. В інтервалі від x_Р=0,94, x_F=0,261 до x_W = 0,027 лінію рівноваги розбиваємо на рівні відрізки (не менше 5) і на кожному знаходимо тангенси

та середній тангенс кута нахилу для всієї лінії рівноваги

,

де n - число відрізків.

Виконавши необхідні розрахунки, знаходимо m=0,5.

Підставивши в рівняння (4.4) величини, отримаємо:

для верха

Звідки h_е = 0,71 м.

для низу

Звідки h??_е = 0,82 м.

Знаходження числа теоретичних тарілок

За даними таблиці 3.1. будуємо криву рівноваги в координатах у-х , проводимо лінію рівних концентрацій (діагональ) і наносимо на неї точку «а» з координатою x_р=0,94 на основі допущення, що x_р= y_р та точку «в» з координатами x_W=0,261 на основі допущення, що x_W= y_W [4].

Рівняння робочої лінії верха колони має вигляд:

y=Ax_п+B

де B - відрізок, який відтинає робоча лінія на вісі y;

R - флегмове число.R = 7,09

Рівняння робочої лінії низу колони має вигляд:

де f - відносна мольна витрата живлення

Відкладаємо відрізок

B=

на вісь ординат (у) і з'єднуємо його кінець з точкою «а» - одержуємо робочу лінію верха колони (лінія робочих концентрацій). Знаходимо точку перетинання робочої лінії верха колони з ординатою x_F точка «d». Через точки «в» та «d» проводимо робочу лінію низу колони.

Починаючи з точки а, будуємо ломану лінію між кривою рівноваги та робочою лінією верха колони та низу колони в межах від x_P до x_W. Число горизонтальних відрізків дорівнює числу теоретичних ступенів зміни концентрацій - теоретичних тарілок n_т. Таким чином, для верха колони n?_т=8, n??_т=5

3.3 Визначення висота насадки

Висота суцільного шару насадки складає:

м.

Для верха колони =0,71*8=5,69 м;

для низу колони =0,82*5=4,09 м.

Висота шару насадки складає:

=5,69+4,09=9,78 м.

Для забезпечення змоченості насадки, її розбиваємо на шари за співвідношенням [5]:

м.

Тоді висота одного шару насадки складе:

де D - діаметр колони, м.

Кількість шарів:

Верха колони



Для низу колони

Висоту перерозподільної зони між шарами насадки приймаємо

h = 0,3ч0,5 м [4,8]. h = 0,4 м

Висота насадкової частини колони: Н_нас = 4*3,6+0,4=14,8 м.

3.3 Розрахунок діаметрів патрубків

Для підводу та виводу матеріальних потоків приймаємо фланцеве з'єднання, діаметр патрубків для яких розраховуємо за виразом [4]:

м (4.5)

де V - об'ємна витрата потоку, м³/с;

щ - швидкість потоку в патрубку, м/с, приймаємо для рідин

щ_р =1 - 3 м/с, для пари щ_п = 8 ч 30 м/с [4].

3.3.1 Патрубок входу пари в куб-кип'ятильника

Витрата гріючої пари V_п , м³/с.

с_г.п. - густина гріючої пари, с_г.п.=1,494 кг/м³ для Р_г.п. =0,6 кгс/см² та Т_г.п.=100,3^оС

Приймаємо швидкість пари в патрубку щ_пар=20 м/с.

Тоді

Приймаємо по ГОСТ [6] діаметр патрубка d₁=250 мм.[6]

3.3.2 Патрубок виводу конденсату з кубу-кип'ятильника

Витрата конденсату гріючої пари V_к , м³/с.

с_р - густина конденсату, с_р=935кг/м³ [ ]

Приймаємо швидкість конденсату в патрубку щ₂=1 м/с.

Тоді

Приймаємо по ГОСТ [6] діаметр патрубка d₂=32 мм.[6]

3.3.3 Патрубок для входу пари в колону з куба-кип'ятильника

Об'ємна витрата пари, що підіймається по колоні

Приймаємо швидкість пари щ₃=30 м/с.

Тоді

Приймаємо по ГОСТ [6] діаметр патрубка d₃=400 мм.[6]

3.3.4 Патрубок для виводу пари з колони

Так, як витрата пари по висоті колони постійна, то діаметр патрубка для виходу пари приймаємо такого ж діаметру, що і входу: d₄= 0,25м.



3.3.5 Патрубок подачі флегми в колону

Витрата флегми:

G_ф= L_в= 4,085 кг/с.

Приймаємо швидкість флегми в патрубку щ_ф=0,5 м/с.

Густина флегми:

Звідки с_ф = 1357,5 кг/м³;

де с_ок, с_в - густина оцтової кислоти та води, кг/м³.

при t_ф= t_р = 100,3⁰С с_хф = 1395 кг/м³, с_б = 852кг/м³ [9];

x_Р - масова частка води в дистиляті.

Тоді

Приймаємо по ГОСТ [6] діаметр d₅=100 мм.

3.3.6 Патрубок для виходу кубового залишку

Витрата кубового залишку G_W =0,89 кг/с.

Приймаємо швидкість кубового залишку в патрубку щ₆ =1 м/с.

Густина кубового залишку:

Звідки с_w =864,71 кг/м³;

де с_хф, с_б - густина хлороформу та бензолу,

при t_w = 80,3⁰С с_хф = 1379 кг/м³, с_б= 816 кг/м³ [9];

x_w - масова частка хлороформу в кубовому залишку.

Тоді:

Приймаємо по ГОСТ діаметр патрубка d_W = 400 мм.

3.4 Вибір фланців для патрубків

Для приєднання колони до трубопроводів приймаємо фланцеве з'єднання. Фланці плоскі, приварні по ГОСТ 1235-68, тип І [6]. Ескіз фланця наведений, а розміри в табл.4.1.

Таблиця 4.1 Розміри фланців до патрубків

Ру, МПа	Розміри в мм	Z, шт	Маса, кг
	Dу	dп	D1	Dб	Dф	dб	h
0,25	32	38	70	90	120	M12	10	4	0.79
0,25	100	108	148	170	205	М16	4	11	2,14
0,25	250	273	312	335	370	M16	18	12	6,93
0,25	400	426	465	495	585	М20	18	16	11,6

3.5 Вибір фланців для ришки та до корпусу

Кришку апарату приймаємо з'ємною на фланцевому сполученні. Фланці приймаємо по ГОСТ [6] для обичайок та днищ на діаметр D=2200 мм. Ескіз фланця та його розміри



3.6 Вибір кришки, днища

Складовою частиною корпусу колони є днище (кришка), приєднане до обичайки і виготовлене з того ж матеріалу. Найбільш раціональною формою з точки зору сприйняття тиску є еліптична [6]. Днище приймаємо приварним, а кришку з'ємною.

3.7 Вибір стальної решітки під насадку

Для насадки із кілець Рашига розміром 25х25х3мм приймаємо колосникову решітку, тип І

Размещено на Аllbest.ru

...