Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа (стр. 1 из 2)

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

1. Материальный баланс

2. Определение скорости пара и диаметра колонны

3. Расчёт высоты насадки

4. 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 остатоксодержит 1 % массовых этанола, дистиллят- 94 %. Ректификация производится при атмосферном давлении. Нагрев производится водяным паром р = 3 атм. Тип колонны- насадочная.

I. Материальный баланс

Обозначим массовый расход дистиллята через G_Pкг/ч, кубового остатка через G_Wкг/ч.

Из уравнений материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия

F = P + W _; F x_F = P x_P + W x_W, находим

P + W= 10000 кг/ч

P^х0,94 + 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:

Х_F= _ х_F / Мэ____ = 40/46,07 = 0,868 = 0,148

х_F+100 - х_F 40 + 90 0,868 +5

M_э M _в 46,07 18

Дистиллят:

x_P = x_P/ М_э = 94/46,07 = 2,04 = 0,86

х_{P +}100 – х_P94 + 90 2,04+0,333

M_э М _в 46,07 18

Кубовый остаток:

x_W= х_W/М_э= 1/46,07 = 0,022 = 0,004

х_W+ 100 – х_W 1 + 99 0,022+5,5

М_э М_в 46,07 18

Относительный мольный расход питания:

F = x_P - x_W = 0,86 – 0,004 = 0,856 =5,944

x_F- x_W 0,148 – 0,004 0,144

Откуда находим

W =

P = F – W = 5.944-4.921 = 1.023

Определяем минимальное число флегмы по уравнению:

R_мин = x_P- y*_F=0,86 - 0,33 = 2,912

y*_F- x_F0,33 - 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 R_мин + 0,3 = 1,3 ^х 2,912 + 0,3 =4,086

Уравнение рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей части колонны)

y =

y = 0.803x + 0.169

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

y =

y = 1,972x – 0,004

II. Расчёт скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны

x' _ср = ( x_F+ x_D) / 2 = (0,148 + 0,86) / 2 = 0,504

б) в нижней части колонны

x’’_ср = (x_F+ x_W ) / 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 М_э + (1- y’_ср ) М_в = 0,574 ^х 46,07 + 0,426 ^х 18 = 32,55 кг/кмоль

’_ср = M’_ср^хT_о= 32,55 ^х 273 = 1,1 кг/м³

22,4 ^хT’_ср 22,4 ^х 361

б) М’’_ср = y’’_ср^х М_э + (1- y’’_ср ) М_в = 0,146 ^х 46,07 + 0,854 ^х 18 = 22,1 кг/кмоль

’’_ср = М’’_ср^хT_о = 22,1 ^х 273 = 0,73 кг/м³

22,4 ^хT’’_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 М_э + (1- x’_ср ) М_в = 0,504 ^х 46,07 + 0,496 ^х 18 = 32,15 кг/кмоль

б) М’’_ср = x’’_ср^х М_э + (1- x’’_ср ) М_в = 0,076 ^х 46,07 + 0,924 ^х 18 = 20,13 кг/кмоль

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

Плотность жидкого этанола при 83^oС _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:

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

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

Средние массовые потоки пара:

кг/с

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 w_п, при которой происходит захлебывание насадочных колонн, определяем по уравнению:

Вязкость жидких смесей m_х находим по уравнению:

lgm_х=x_cplgm_э+(1- x_cp)lgm_в

Тогда

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

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

m_хВ = 0,396 мПа*с

m_хН = 0,287 мПа*с

Предельная скорость паров:

отсюда w_ПВ = 1,9 м/с

отсюда w_ПН = 1,57 м/с

Примем рабочую скорость wна 30 % ниже предельной:

w_В = 1,9*0,7 = 1,33 м/с

w_Н = 1,57*0,7 = 1,1 м/с

Диаметр ректификационной колонны определяют из уравнения расхода:

d=

Тогда диаметр верхней и нижней части колонны соответственно равен:

d_В=

= 1,87 м

d_Н=

= 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:

w_В = 1,33(1,87/3,5)² = 0,38 м/с

w_Н = 1,1(3,48/3,5)² = 1,087 м/с

III. Расчёт высоты насадки

Высоту насадки Н рассчитывают по модифицированному уравнению массопередачи:

Н = n_oyh_oy

n_oy- общее число единиц переноса по правой фазе

h_oy - общая высота единицы переноса

n_oy =

Этот интеграл определяют обычно методом графического интегрирования:

= SM_xM_y

где S-площадь, ограниченная кривой, y_w и y_p, и осью абсцисс.

n_oyН =

= 4,6 n_oyВ = = 5,4 n_oy = = 10

Общую высоту единиц переноса h_oy находим по уравнению аддитивности:

h_oy = h_y +

h_x

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 = FM_Э/PM_F = 5,944*46,07/1,023*22,15 = 12,09

Высота единицы переноса в жидкой фазе равна:

h_x = 0,258 Ф с Pr

Z

где с и Ф – коэффициенты определяемые по графику; Pr_x =

– 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:

h_y =

где

- коэффициент определяемый по графику; Ls = L / 0.785d² –массовая плотность орошения, кг/(м² с); d – диаметр колонны;

в мПа ^х с)