Расчетное задание - Расчет тарельчатой ректификационной колонны - файл n1.doc

приобрести
Расчетное задание - Расчет тарельчатой ректификационной колонны
скачать (273.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc274kb.15.09.2012 01:20скачать

n1.doc

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Казанский государственный технологический университет»

Кафедра «процессы и аппараты химической технологии»

Расчет тарельчатой

ректификационной колонны




Задание:
Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия с ситчатыми тарелками для разделения под атмосферным давлением 5 т/ч жидкой смеси, содержащей 25 % (масс) бензола и 75 % (масс) толуола. Требуемое содержание бензола в дистилляте 92 % (масс), требуемое содержание толуола в кубовом остатке 95 % (масс). Исходная смесь перед подачей в колонну подогревается до температуры кипения.

  1. Материальный баланс.

Обозначим массовый расход через GD кг/ч, кубового остатка через GW кг/ч

Из уравнений материального баланса находим массовые расходы:

GW + GD = GF;

GW ∙ xW + GD ∙ xD = GF ∙ xF;

GW + GD = 5000;

GW ∙ 0.92 + GD ∙ 0.05 = 5000 ∙ 0.25;

GD = 3563 кг/ч;

GW = 1437 кг/ч.

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

Питание



Дистиллят



Кубовый остаток



Относительный мольный расход питания:



Минимальное число флегмы

, где у*F - мольная доля метилового спирта в паре, равновесном с жидкостью питания, определены по диаграмме у* - х.

Рабочее число флегмы

R= 1.3Rmin + 0.3 = 1.3 ∙ 3,06 + 0.3 = 4,28

Уравнения рабочих линий:

А) верхней (укрепляющей) части колонны:



Б)нижней (исчерпывающей) части колонны:



  1. Определение скорости пара и диаметра колонны.

Средние концентрации жидкости:

А) в верхней части колонны



Б) в нижней части колонны:



Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

А) в верхней части колонны



Б) в нижней части колонны:



средние температуры пара определяем по диаграмме t – x,у:

А) при ,

Б) при .

Средние мольные массы и плотности пара:

А)

Б)

Средняя плотность пара в колонне:

Температура в верху колонны при хD = 0.93 равняется 83 0С, а в кубе-испарителе при хW = 0.058 она равна 1080С.

Плотность жидкого бензола при 83 0С :

Плотность жидкого толуола при 1080С:

Средняя плотность жидкости в колонне:

Принимаем расстояние между тарелками h = 300мм. для ситчатых тарелок по графику находим С=0,032. Скорость пара в колонне:



Объемный расход проходящий через колонну пара при средней температуре в колонне tCP = (94+106)/2 = 1000С:



Диаметр колонны:

DCT = 2200 мм.





Тогда скорость пара в колонне будет:



  1. Гидравлический расчет тарелок.

Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстий d0 = 4 мм, высота сливной перегородки hП = 40мм. свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8 % от площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментами, составляет 20 % от общей площади тарелки.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и в нижней части колонны по уравнению:

р = ∆рсух + ∆р? + ∆рпж.

А) Верхняя часть колонны.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

, где

? = 1,82 – коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 7 – 10 %;

w0 = 0,6 /0,08 = 7,5 м/с – скорость пара в отверстиях тарелки.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

, где

? – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 940С.
Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

рпж = 1,3hпж?пжgk

Высота парожидкостного слоя:

hпж = hп + ∆h

величину ∆h – высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по формуле:

, где Vж – объемный расход жидкости, м3/с; П – периметр сливной перегородки, м; k = ?пж/?ж – отношение плотности парожидкостного слоя к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0,5.

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:



Периметр сливной перегородки П находим решая систему уравнений:

, где R = 0,9 м – радиус тарелки; 2/3Пb – приближенное значение площади сегмента.

Решение дает: П = 1,32 м; b= 0.289 м. находим ∆h:



Высота парожидкостного слоя на тарелке:

hпж = hп + ∆h= 0,04 + 0,028 = 0,068 м.

Сопротивление парожидкостного слоя:

рпж = 1,3hпж?жgk=1,3 ∙0,068 ∙ 0,5 ∙795,4 ∙ 9,81= 344,8 Па.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:

р’ = ∆рсух + ∆р? + ∆рпж = 141 + 20,5 + 344,8 = 506 Па.

Б) Нижняя часть колонны:



, где

? – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 106 0С.




Высота парожидкостного слоя на тарелке:

hпж = hп + ∆h= 0,04 + 0,058= 0,098 м.

Сопротивление парожидкостного слоя:

рпж = 1,3hпж?жgk=1,3 ∙0,098 ∙ 0,5 ∙795,4 ∙ 9,81= 497 Па.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:

р’’ = ∆рсух + ∆р? + ∆рпж = 146 + 18,8 + 497= 662 Па.

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h = 0.3 м необходимое для нормальной работы тарелок условие

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

Условие соблюдается.

Проверим равномерность работы тарелок – рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях w0min, достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями:



Рассчитанная скорость w0min = 8,2 м/с; следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.

  1. Определение числа тарелок и высоты колонны.



А)наносим на диаграмму у – х рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число ступеней изменения концентрации пТ. в верхней части колонны п’T = 4, в нижней части колонны п’’T = 3, всего 7 ступеней. Число тарелок рассчитывается по уравнению: п = пТ / ?.

Для определения среднего к.п.д. тарелок ? находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов ? = РМ / РВ, и динамический коэффициент вязкости исходной смеси ? при средней температуре в колонне, равной 100 0С.





  1. ёмкость для исходной смеси

  2. насос

  3. теплообменник-подогреватель

  4. кипятильник

  5. ректификационная колонна

  6. дефлегматор

  7. холодильник дистиллята

  8. ёмкость для сбора дистиллята

  9. насос

  10. холодильник кубовой жидкости

  11. ёмкость для кубовой жидкости



При этой температуре давление насыщенного пара бензола и толуола соответственно равны:

, откуда ? = РХ / РБ = 1344/559=2,4

динамические коэффициенты вязкости бензола и толуола соответственно равны:


?? = 2,4 ∙ 0,265 = 0,63

по графику находим ? = 0,54. Длина пути жидкости на тарелке

l = D – 2b = 2,2 – 2 ∙0.289 = 1,6

По графику находим значение поправки на длину пути ∆ = 0,17. Средний к.п.д. тарелок:

?l = ?(1 + ∆) = 0.54(1+0.17) = 0.63

Для сравнения рассчитаем средний к.п.д. тарелки ?0 по критериальной формуле, полученной путем статистической обработки многочисленных опытных данных для колпачковых и ситчатых тарелок:



В этой формуле безразмерные комплексы:



где w – скорость пара в колонне, м/с; SСВ – относительная площадь свободного сечения тарелки; hП – высота сливной перегородки, м; ?П и ?Ж – плотности пара и жидкости, кг/м3; DЖ – коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси; ? – поверхностное натяжение жидкости питания, Н/м.

Коэффициент диффузии

В нашем случае: ? = 1; ?Ж = ; М = МF = ; ? = 3,7∙5,5 + 14,8·5,5 - 15 = 87; Т = 100 + 273 = 373 К.



Безразмерные комплексы:


Средний к.п.д. тарелки:

, что близко к найденному значению ?l.
Число тарелок:

В верхней части колонны п = п’Т / ? = 4 / 0.63 = 7;

В нижней части колонны п = п’’Т / ? = 3 / 0.63 = 5.

Общее число тарелок п = 12, с запасом 16, из них в верхней части колонны 9 и в нижней части 7 тарелок.
Высота тарельчатой части колонны:

НТ = (п-1)h = (16-1)0,3= 4,5м.

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

р = ∆р’nв + ∆р’’nн = 506∙ 9 + 662 ∙ 7 = 9188 Па


  1. Тепловой расчет установки.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:



где rб и rт – удельные теплоты конденсации при 83 0С.
Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара


Здесь тепловые потери QПОТ приняты в размере 3% от полезной затрачиваемой теплоты; удельные теплоемкости взяты соответственно при tD = 830С, tW = 1080С, tF = 960С; температура кипения исходной смеси tF = 960С определена из диаграммы t-x,у.



Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:



здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси взята при средней температуре (96+18)/2 = 580С



Расход теплоты, отдаваемый охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

, где удельная теплоемкость дистиллята взята при средней температуре (83+25)/2 = 54 0С

.

Расход теплоты, отдаваемый охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

, где удельная теплоемкость кубового остатка взята при средней температуре (108+25)/2 = 67 0С



Расход греющего пара

А) в кубе-испарителе

, где rГ.П. = Дж/кг – удельная теплота конденсации греющего пара;
Б)в подогревателе исходной смеси



Всего: 1,04 + 0,01 = 1,05 кг/с или 3,78 т/ч.

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 200С:

А) в дефлегматоре


Б) в водяном холодильнике дистиллята


В) в водяном холодильнике кубового остатка



Всего: 0,0012+0,0246+0,0010=0,0376 м3/с или 135,4 м3
Вывод: Рассчитали ректификационную колонну непрерывного действия с ситчатыми тарелками

Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации