Xreferat.com » Рефераты по промышленности и производству » Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа

Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа

Министерство Высшего и среднего специального образования Российской Федерации


Нижегородский Государственный Технический Университет


ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ”


Тема: РАСЧЁТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ НАСАДОЧНОГО ТИПА


Задание №8


Руководитель

Епифанова В. С.


Студент

Декабрьский В.В.


Нижний Новгород

2008 г.


СОДЕРЖАНИЕ


Задание

Материальный баланс

Определение скорости пара и диаметра колонны

Расчёт высоты насадки

Расчёт гидравлического сопротивления насадки


Задание:

Рассчитать и спроектировать колонну ректификации для разделения смеси этанол-вода, поступающей в количестве 10 тонн в час. Состав исходной смеси 40 % массовых этанола и 60 % массовых воды, кубовый остаток содержит 1 % массовых этанола, дистиллят- 94 %. Ректификация производится при атмосферном давлении. Нагрев производится водяным паром р = 3 атм. Тип колонны- насадочная.


Материальный баланс

Обозначим массовый расход дистиллята через GP кг/ч, кубового остатка через GW кг/ч.

Из уравнений материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия


F = P + W ; F xF = P xP + W xW, находим

P + W = 10000 кг/ч

P х 0,94 + W * 0,01 = 10000 х 0,4

W = 5806,44 кг/ч

P = 4193,56


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


Питание:

ХF = _ хF / Мэ____ = 40/46,07 = 0,868 = 0,148

хF + 100 - хF 40 + 90 0,868 +5

Mэ M в 46,07 18


Дистиллят:

xP = xP/ Мэ = 94/46,07 = 2,04 = 0,86

хP + 100 – хP 94 + 90 2,04+0,333

Mэ М в 46,07 18


Кубовый остаток:

xW = хW /Мэ = 1/46,07 = 0,022 = 0,004

хW + 100 – хW 1 + 99 0,022+5,5

Мэ Мв 46,07 18

Относительный мольный расход питания:

F = xP - xW = 0,86 – 0,004 = 0,856 =5,944

xF - xW 0,148 – 0,004 0,144


Откуда находим

W = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа

P = F – W = 5.944-4.921 = 1.023


Определяем минимальное число флегмы по уравнению:

Rмин = xP - y*F = 0,86 - 0,33 = 2,912

y*F - xF 0,33 - 0,148


где y*F = 0,33 – мольную долю бензола в паре, равновесном с жидкостью питания, определяем по диаграмме y* - x. (рис.1)


Определяем число флегмы по уравнению:

R= 1,3 Rмин + 0,3 = 1,3 х 2,912 + 0,3 =4,086


Уравнение рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей части колонны)


y = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа

y = 0.803x + 0.169


б) нижней (исчерпывающей) части колонны:


y = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа

y = 1,972x – 0,004

II. Расчёт скорости пара и диаметра колонны


Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны

x' ср = ( xF + xD) / 2 = (0,148 + 0,86) / 2 = 0,504


б) в нижней части колонны

x’’ср = (xF + xW ) / 2 = (0,148+0,004) / 2 = 0,076


Средние концентрации пара находим по уравнению рабочих линий:

а) в верхней части колонны

y’ср = 0,803 x’ср + 0,169 = 0,803 x 0,504 + 0,169 = 0,574


б) в нижней части колонны

y’’ср = 1,972 x’’ср - 0,004 = 1,972 х 0,076 – 0,004 = 0,146


Средние температуры пара определяем по диаграмме t – x,y

а) при y’ср = 0,574 t’ ср = 88 oС

б) при y’’ср = 0,146 t’’ср = 97 oС


Средние мольные массы и плотности пара:

а) М’ср = y’ср х Мэ + (1- y’ср ) Мв = 0,574 х 46,07 + 0,426 х 18 = 32,55 кг/кмоль

’ср = M’ср х Tо = 32,55 х 273 = 1,1 кг/м3

22,4 х T’ср 22,4 х 361

б) М’’ср = y’’ср х Мэ + (1- y’’ср ) Мв = 0,146 х 46,07 + 0,854 х 18 = 22,1 кг/кмоль

’’ср = М’’ср х Tо = 22,1 х 273 = 0,73 кг/м3

22,4 х T’’ср 22,4 х 370


Средняя плотность пара в колонне:

п(’ср+’’ср ) / 2 = (1,1 + 0,73) / 2 = 0,915 кг/м3


Средние мольные массы жидкости:

а) М’ср = x’ср х Мэ + (1- x’ср ) Мв = 0,504 х 46,07 + 0,496 х 18 = 32,15 кг/кмоль

б) М’’ср = x’’ср х Мэ + (1- x’’ср ) Мв = 0,076 х 46,07 + 0,924 х 18 = 20,13 кг/кмоль


Температура в верху колонны при yP = 0,86 равняется 83 oС, а в кубе-испарителе при хW = 0,004 она равна 99 oС

Плотность жидкого этанола при 83oС э = 732 кг/м3, а воды в = 959 кг/м3 при 99 oС .


Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне

ж= (732 + 959) / 2 = 845,5 кг/м3 .


Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости:

Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа

Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа

MP = 46.07*0.86+18(1-0.86) = 42.14

MF = 46.07*0.148+18(1-0.148) = 22.15


Средние массовые потоки пара:

Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа кг/с

Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа кг/с

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.

Предельную фиктивную скорость пара wп, при которой происходит захлебывание насадочных колонн, определяем по уравнению:

Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа

Вязкость жидких смесей mх находим по уравнению:

lg mх=xcp lg mэ+(1- xcp)lg mв


Тогда

lg mхВ=0,504 lg 0,435+(1- 0,504)lg 0,357

lg mхН=0,076 lg 0,326+(1- 0,076)lg 0,284


mхВ = 0,396 мПа*с

mхН = 0,287 мПа*с


Предельная скорость паров:

Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа

отсюда wПВ = 1,9 м/с

Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа

отсюда wПН = 1,57 м/с


Примем рабочую скорость w на 30 % ниже предельной:

wВ = 1,9*0,7 = 1,33 м/с

wН = 1,57*0,7 = 1,1 м/с

Диаметр ректификационной колонны определяют из уравнения расхода:


d = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа


Тогда диаметр верхней и нижней части колонны со­ответственно равен:


dВ = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа= 1,87 м

dН = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа= 3,48 м


Выберем стандартный диаметр обечайки d = 3,5 м, одинаковый для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне будут равны:


wВ = 1,33(1,87/3,5)2 = 0,38 м/с

wН = 1,1(3,48/3,5)2 = 1,087 м/с


III. Расчёт высоты насадки


Высоту насадки Н рассчитывают по модифицированному уравнению массопередачи:

Н = noyhoy

noy - общее число единиц переноса по правой фазе

hoy - общая высота единицы переноса


noy = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа


Этот интеграл определяют обычно методом гра­фического интегрирования:

Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа = SMxMy


где S-площадь, ограниченная кривой, yw и yp, и осью абсцисс.


noyН = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа= 4,6 noyВ = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа= 5,4 noy = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа= 10


Общую высоту единиц переноса hoy находим по уравнению аддитивности:


hoy = hy + Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа hx


где hx и hy –частные производные единиц переноса соответственно в жидкой и паровой фазах; m – средний коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колонны.

Отношение нагрузок по пару и жидкости G/L равно:

Для верхней части колонны


G/L =(R+1)/R = 5,086/4,086 = 1,245


Для нижней части колонны


G/L =(R+1)/(R+f) = 5,086/16,176 = 0,314


Здесь f = F MЭ/P MF = 5,944*46,07/1,023*22,15 = 12,09


Высота единицы переноса в жидкой фазе равна:

hx = 0,258 Ф с PrРасчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа ZРасчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа

где с и Ф – коэффициенты определяемые по графику; Prx = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа – критерий Прандля для жидкости; Z – высота слоя насадки одной секции, которая из условия прочности опорной решётки и нижних слоёв насадки не должна превышать 3 м.


Высота единицы переноса в паровой фазе равна:


hy = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа


где Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа - коэффициент определяемый по графику; Ls = L / 0.785d2 –массовая плотность орошения, кг/(м2 с); d – диаметр колонны;


Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типав мПа х с)

Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа

Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа


Для расчёта hx и hy необходимо определить вязкость и коэффициенты диффузии в жидкой Dx и паровой Dy фазах. Вязкость паров для верхней части колонны:


Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа


где Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа и Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа - вязкости паров воды и этанола при средней температуре верхней части колонны; yВ =(yP + yF)/2 – средняя концентрация паров. Подставив получим:


yВ =(0,86 + 0,33)/2 = 0,595


Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа= 0,368 мПа с


Аналогичным расчётом для нижней части колонны находим


Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа=0,24 мПа с


Вязкости паров для верхней и для нижней частей колонны близки, поэтому можно принять среднюю вязкость паров в колоннеРасчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа = 0,304 мПа с

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре t равен:


Dx = Dx 20 (1+b(t-20))


Коэффициенты диффузии в жидкости Dx 20 при 20оС можно вычислить по приближённой формуле:


Dx 20 =Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа


Тогда коэффициенты диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20оС


Dx В20 = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа = 9,3*10-9 м2/с


Температурный коэффициент


b = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа= 0,2Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа= 0,017

Отсюда


DxВ = 9,3*10-9 (1+0,017(88-20)) = 20,05*10-9 м2/с


Аналогично находим для нижней части колонны


DxН = 9,3*10-9 (1+0,017(97-20)) = 21,47 м2/с


Коэффициент диффузии в паровой фазе


Dy = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа


Где Т- средняя температура в соответствующей части колонны; Р- абсолютное давление в колонне.

Тогда


DyВ = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа = 9,86*10-7 м2/с

DyH = 10,1*10-7 м2/с


Таким образом, для верхней части колонны:


hxВ = 0,258 * 0,068 * 0,92(0,396*10-3/852*20,05*10-9)0,530,15 = 0,09 м

hyВ = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа= 2,26 м


Для нижней части колонны

hx = 0,09 м

hy = 2,01


Общая высота единицы переноса


h0 yB = hy + Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа hx = 2,26 + Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа 0,09 = 2,7 м

h0 yH = hy + Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа hx = 2,01 + Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа 0,09 = 2,12 м


Высота насадки:


НВ = 5,4*2,7 = 14,6

НН = 4,6*2,12 = 9,8


Общая высота насадки:


Н = 14,6+9,8 = 24,4 м


С учётом того, что высота слоя насадки в одной секции Z равна 3м, общее число секций в колонне составляет 13 ( 8 секций в верхней части и 5 - в нижней).

Общую высоту ректификационной колонны определим по уравнению


HK = Zn +(n-1) hP + ZB + ZH = 3*13+12*0,5+1,4+2,5 = 48,9 м


IV. Расчёт гидравлического сопротивления насадки


Гидравлическое сопротивление насадки

Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа

Гидравлическое сопротивление сухой неорошаемой насадки

Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа


где l - коэффициент сопротивления сухой насадки, зависящий от режима движения газа в насадке.

Критерий Рейнольдса для газа в верхней и нижней частях колонны


ReyB = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа5310

ReyH = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа10080


Следовательно, режим движения турбулентный.

Для турбулентного режима коэффициент сопротивления сухой насадки в виде беспорядочно засыпанных колец Рашинга


l = 16/Rey0.2

lB = 16/53100.2 = 2,88

lH = 16/100800.2 = 2,53


Находим гидравлическое сопротивление сухой насадки


Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа= 1509 Па

Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа= 483 Па


Плотность орошения

UB = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа = 0,00039 м3/(м2с)

UН = Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа = 0,00091 м3/(м2с)


Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:


DРВ = 10169*0,00039 1509 = 1756,3 Па

DРВ = 10169*0,00091 483 = 668,3 Па

DР = DРВ + DРН = 1756,3+668,3 = 2424,6 Па


Гидравлическое сопротивление насадки составляет основную долю общего сопротивления ректификационной колонны. Общее же сопротивление колонны складывается из сопротивлений орошаемой насадки, опорных решёток, соединительных паропроводов от кипятильника к колонне и от колонны к дефлегматору. Общее гидравлическое сопротивление ректификационной колонны обусловливает давление и, следовательно, температуру кипения жидкости в испарителе. При ректификации под вакуумом гидравлическое сопротивление может существенно отразиться также на относительной летучести компонентов смеси, т. е. изменить положение линии равновесия.

Приведенный расчет выполнен без учета влияния на основные размеры ректификационной колонны ряда явлений (таких как неравномерность распределения жидкости при орошении, обратное перемешивание, тепловые эффекты и др.), что иногда может внести в расчет существенные ошибки. Оценить влияние каждого из них можно, пользуясь рекомендациями, приведенными в литературе [8, 11, 12] в гл. III.

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: