Курсовая работа: Расчет ректификационной колонны для разделения смеси ацетон-вода с ситчатыми тарелками

Таблица 2. Температуры кипения и молекулярные массы разделяемых компонентов

Обозначим массовый расход дистиллята GD кг/с, кубового остатка через GW кг/с, тогда

,

,

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

Относительный мольный расход питания

Рис.2. Кривые равновесия при П=760 мм рт. ст.:

1 - ацетон-вода; 2 - четыреххлористый углерод-ацетон.

Минимальное число флегмы

Где =0,76 - мольную долю ацетона в равновесном с жидкостью питания, определяем по диаграмме  - х. Рабочее число флегмы

Уравнения рабочих линий

а) верхней (укрепляющей) части колонны

б) нижней (исчерпывающей) части колонны

Средние концентрации жидкости

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Средние уравнения пара находим по уравнениям рабочих линий:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Средние температуры пара определяем по диаграмме t-x,y:

а) при  

б) при  

Средние мольные массы и плотности пара:

а)

б)

Средняя плотность пара в колонне

Температура в верху колонны при xD=0,83 равняется 57оС, а в кубе-испарителе при xW=0,008 она равна 97оС.

Плотность жидкого ацетона при 57оС , а воды при 97оС .

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне

Определяем скорость пара в колонне

,

где С - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузки колонны по жидкости.

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре

Где МD - мольная масса дистиллята, равная:

Диаметр колонны

По каталогу-справочнику "Колонные аппараты" [4] D=800 мм. Тогда скорость пара в колонне будет

По ОСТ 26-01-108-85 определяем:

Диаметр колонны - 800 мм.

Расстояние между тарелками - 300 мм.

Высота сливного порога - 25 мм.

Диаметр отверстия - 5 мм.

Шаг - 15 мм.

Исполнение - 1.

Материал для изготовления - углеродистая сталь ВСт3сп.

Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстий d0=5мм, высота сливной перегородки hп=25мм. Свободное сечение тарелки 8% от общей площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки. Гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны по уравнению:

а) Верхняя часть колонны. Гидравлическое сопротивление сухой тарелки

где =1,82 - коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 7 - 10%;  - скорость пара в отверстиях тарелки. Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения

где =Н/м - поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны; dЭ=d0=0,005м.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке

Высота парожидкостного слоя

Величина Δh - высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по формуле

где VЖ - объемный расход жидкости, м3/с; П - периметр сливной перегородки, м;  - отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0,5.

Объемный расход жидкости в верхней части колонны

где  - средняя мольная масса жидкости.

Периметр сливной перегородки П находим, решая систему уравнений

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

Находим, что П=0,294м; b=0,064м.

Высота парожидкостного слоя на тарелке

Сопротивление парожидкостного слоя

Общее гидравлическое сопротивление тарелки

б) Нижняя часть колонны

 при

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h=0,3м необходимое для нормальной работы тарелок условие

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

Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается:

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

Рассчитанная скорость ; следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.

а) наносим на диаграмму у-х рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим ступени изменения концентрации nТ. В верхней части колонны ; в нижней части , всего 8 ступеней.

Число тарелок рассчитываем по уравнению

Для определения среднего к. п. д. тарелок  находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов  и динамический коэффициент вязкости смеси μ при средней температуре в колонне, равной 77oC. При этой температуре давление насыщенного пара ацетона мм рт. ст., воды РВ=314,1 мм рт. ст., откуда . Динамический коэффициент вязкости ацетона при t=77 oC равен 0,2·10-3Па·с, воды 0,3702·10-3Па·с. Принимаем:

Тогда:

По графику находим . Длина пути жидкости на тарелке

По графику (рис.3) находим значение поправки на длину пути . Средний к. п. д. тарелок

Рис.3. Зависимость поправки Δ от длины пути жидкости на тарелке l.

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

Предварительно рассчитаем коэффициент диффузии:

В этом случае

; ;

; .

Коэффициент диффузии

Безразмерные комплексы

Средний к. п. д. тарелки

Число тарелок:

в верхней части колонны

в нижней части колонны

Общее число тарелок n=11, с запасом n=15, из них в верхней части колонны 9, а в нижней 6 тарелок.

Высота тарельчатой части колонны

Общее гидравлическое сопротивление тарелок

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе

Здесь

где rA и rВ - удельные теплоты парообразования ацетона и воды при 77оС.

Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара

Здесь тепловые потери Qпот. Приняты в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты; удельные теплоемкости взяты соответственно при tD=57оС; tW=97оС; tF=67оС; температура кипения исходной смеси tF определена по рис.1.

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси

Здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси  взята при средней температуре . Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята.

где удельная теплоемкость дистиллята  взята при средней температуре

.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка

где удельная теплоемкость кубового остатка взята при средней температуре .

Расход греющего пара, имеющего давление Pабс. =2,5МПа и влажность 5%: а) в кубе-испарителе

где rГ.П. =2141·103Дж/кг - удельная теплота конденсации греющего пара;

б) в подогревателе исходной смеси

Всего: 0,58+0,53=1,11 кг/с или 4,0 т/ч.

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20оС

а) в дефлегматоре

б) в водяном холодильнике дистиллята

в) в водяном холодильнике кубового остатка

Всего: 0,0208м3/с или 75м3/ч.

Рассчитали ректификационную колонну для разделения смеси ацетон - вода подаваемый расход 6 кг/с, необходима колонна с диаметром D=800мм, высота тарельчатой части колонны 4,2м, общее гидравлическое сопротивление 0,05МПа с ситчатыми тарелками, количество которых 15 штук, расстояние между тарелками - 300мм, высота сливного порога - 25мм, диаметр отверстия - 5мм, при этих данных к. п. д. тарелки 0,58 производительность дистиллята 0,87. Материал для изготовления колонны - углеродистая сталь ВСт3сп.

1.  Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1991. - 352с.

2.  Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 2006. - 576с.

3.  Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Госхимиздат, 1962. - 546 с.

4.  Электронный ресурс - http://spetsmashservis. narod.ru/katalog_kolon.html