Міністерство освіти Російської Федерації
Казанський державний технологічний університет
Кафедра ПАХТ
Розрахункове завдання № 4
Розрахунок тарельчатой ректифікаційної колони
Виконала:
Студентка групи 513121
Шішмарова І.М.
Перевірила:
Мануйко Г.В.
Казань 2006
Матеріальний баланс.
Позначимо масова витрата через GD кг / год, кубового залишку через GW кг / год
З рівнянь матеріального балансу знаходимо масові витрати:
GW + GD = GF;
GW ∙ xW + GD ∙ xD = GF ∙ xF;
GW + GD = 7500;
GW ∙ 0.98 + GD ∙ 0.045 = 7500 ∙ 0.4;
GD = 4650 кг / год;
GW = 2850 кг / ч.
Для подальших розрахунків висловимо концентрації харчування, дистиляту і кубового залишку в мольних частках.
Харчування
Дистилят
Кубовий залишок
Відносний мольний витрата харчування:
Мінімальне число флегми
Робоче число флегми
R = 1.3Rmin + 0.3 = 1.3. ∙ 5,1 + 0.3 = 6.9
Рівняння робочих ліній:
А) верхньої частини колони
Б) нижньої частини колони:
Визначення швидкості пари і діаметра колони.
Середні концентрації рідини:
А) у верхній частині колони
Б) у нижній частині колони:
Середні концентрації пари знаходимо за рівнянням робочих ліній:
А) у верхній частині колони
Б) у нижній частині колони:
середні температури пари визначаємо по діаграмі t - x, у:
А) при
Б) при
Середні молярний маси та щільності пара:
А)
Б)
Середня щільність пари в колоні:
Температура у верху колони при хD = 0.97 дорівнює 63 0С, а в кубі-випарнику при хW = 0.03 вона дорівнює 80,5 0С.
Щільність рідкого хлороформу прі 63 0С:
Щільність рідкого бензолу при 80,30 С:
Середня щільність рідини в колоні:
Приймаються відстань між тарілками h = 300мм. для сітчатие тарілок за графіком знаходимо С = 0,032. Швидкість пари в колоні:
Об'ємна витрата проходить через колону пари при середній температурі в колоні tCP = (63 +80.5) / 2 = 720С:
Діаметр колони:
Тоді швидкість пари в колоні буде:
Гідравлічний розрахунок тарілок.
Приймаються наступні розміри сітчатие тарілки: діаметр отворів d0 = 4 мм, висота зливний перегородки hП = 40мм. вільне перетин тарілки (сумарна площа отворів) 8% від площі тарілки. Площа, яку займає двома сегментами, становить 20% від загальної площі тарілки.
Розрахуємо гідравлічний опір тарілки у верхній і в нижній частині колони по рівнянню:
Δр = Δрсух + Δрσ + Δрпж.
А) Верхня частина колони.
Гідравлічний опір сухої тарілки:
ζ = 1,82 - коефіцієнт опору незрошуваних сітчатие тарілок з вільним перетином 7 - 10%;
w0 = 0,66 / 0,08 = 8,3 м / с - швидкість пари в отворах тарілки.
Опір, обумовлене силами поверхневого натягу:
σ - поверхневий натяг рідини при середній температурі у верхній частині колони 74,4 0С.
Опір парорідинних шару на тарілці:
Δрпж = 1,3 hпжρпжgk
Висота парорідинних шару:
hпж = hп + Δh
величину Δh - висоту шару над зливний перегородкою розраховуємо за формулою:
Об'ємна витрата рідини у верхній частині колони:
Периметр зливний перегородки П знаходимо вирішуючи систему рівнянь:
Рішення дає: П = 1,32 м; b = 0.289 м. знаходимо Δh:
Висота парорідинних шару на тарілці:
hпж = hп + Δh = 0,04 + 0,032 = 0,072 м.
Опір парорідинних шару:
Δрпж = 1,3 hпжρжgk = 1,3 ∙ 0,072 ∙ 0,5 ∙ 1110,4 ∙ 9,81 = 510 Па.
Загальне гідравлічний опір тарілки у верхній частині колони:
Δр '= Δрсух + Δрσ + Δрпж = 232 + 20,8 + 510 = 762,8 Па.
Б) Нижня частина колони:
σ - поверхневий натяг рідини при середній температурі у верхній частині колони 79 0С.
Висота парорідинних шару на тарілці:
hпж = hп + Δh = 0,04 + 0,03 = 0,07.
Опір парорідинних шару:
Δрпж = 1,3 hпжρжgk = 1,3 ∙ 0,07 ∙ 0,5 ∙ 1110,4 ∙ 9,81 = 991 Па.
Загальне гідравлічний опір тарілки в нижній частині колони:
Δр''= Δрсух + Δрσ + Δрпж = 188 + 20,2 + 991 = 1199,2 Па.
Перевіримо, чи дотримується при відстані між тарілками h = 0.3 м необхідне для нормальної роботи тарілок умова
Для тарілок нижньої частини, у яких гідравлічний опір більше, ніж у тарілок верхньої частини:
Перевіримо рівномірність роботи тарілок - розрахуємо мінімальну швидкість пари в отворах w0min, достатню для того, щоб сітчатие тарілка працювала всіма отворами:
Розрахована швидкість w0min = 7,9 м / с; отже, тарілки будуть працювати всіма отворами.
Визначення числа тарілок і висоти колони.
А) наносимо на діаграму у - х робочі лінії верхньої та нижньої частини колони і знаходимо число ступенів зміни концентрації ПТ. у верхній частині колони п'T = 8, в нижній частині колони п''T = 26, всього 34 ступені. Число тарілок розраховується за рівнянням: п = ПТ / η.
Для визначення середнього к. п. д. тарілок η знаходимо коефіцієнт відносної летючості поділюваних компонентів α = РХ / РБ, і динамічний коефіцієнт в'язкості вихідної суміші μ при середній температурі в колоні, що дорівнює 72 0С.
При цій температурі тиск насиченої пари хлороформу і бензолу відповідно рівні:
динамічні коефіцієнти в'язкості хлороформу і бензолу відповідно рівні:
αμ = 1,8 ∙ 0,35 = 0,62
за графіком знаходимо η = 0,54. Довжина шляху рідини на тарілці
l = D - 2b = 2,2 - 2 ∙ 0.289 = 1.62
За графіком знаходимо значення поправки на довжину шляху Δ = 0,18. Середній к. п. д. тарілок: ηl = η (1 + Δ) = 0.54 (1 +0.18) = 0.64.
Для порівняння розрахуємо середній к. п. д. тарілки η0 за критеріальною формулою, отриманої шляхом статистичної обробки численних досвідчених даних для колпачковой і сітчатие тарілок:
У цій формулі безрозмірні комплекси:
де w - швидкість пари в колоні, м / с; SСВ - відносна площа вільного перетину тарілки; hП - висота зливний перегородки, м; ρП і ρЖ - щільності пари і рідини, кг/м3; Dж - коефіцієнт дифузії легколетучего компонента у вихідній суміші ; σ - поверхневий натяг рідини харчування, Н / м.
Коефіцієнт дифузії
У нашому випадку: β = 1; μЖ = 0,35 сП = 0,35 ∙ 10-3 Па ∙ с; М = МF = 90,4 кг / кмоль; υ = 3,7 + 14,8 + 3 ∙ 24 , 6 = 92,3; Т = 72 + 273 = 345К.
Безрозмірні комплекси:
Середній к. п. д. тарілки:
Число тарілок:
У верхній частині колони п = п'Т / η = 8 / 0.64 = 12,5;
У нижній частині колони п = п''Т / η = 26 / 0.64 = 40,5.
Загальне число тарілок п = 53, з запасом 60, з них у верхній частині колони 15 і в нижній частині 45 тарілок.
Висота тарельчатой частини колони:
НТ = (п-1) h = (60-1) 0,3 = 17,7 м.
Загальне гідравлічний опір тарілок:
Δр = Δр'nв + Δр''nн = 762,8 ∙ 15 + 1199,2 ∙ 45 = 65406 Па
Тепловий розрахунок установки.
Витрата теплоти, що віддається охолоджуючої воді в дефлегматори-конденсаторі:
де rX і RБ - питомі теплоти конденсації прі 63 0С.
Витрата теплоти, одержуваної в кубі-випарнику від пари, що гріє
Тут теплові втрати Qпот прийняті в розмірі 4% від корисної затрачуваної теплоти; питомі теплоємності взяті відповідно при tD = 630С, tW = 80.30С, tF = 770С; температура кипіння вихідної суміші tF = 770С визначена з діаграми t - x, у.
Витрата теплоти в паровому подогревателе вихідної суміші:
тут теплові втрати прийняті в розмірі 5%, питома теплоємність вихідної суміші взято при середній температурі (77 +18) / 2 = 47,50 З
Витрата теплоти, що віддається охолоджуючої воді у водяному холодильнику дистиляту:
Витрата теплоти, що віддається охолоджуючої воді у водяному холодильнику кубового залишку:
Витрата пари, що гріє
А) в кубі-випарнику
Б) у подогревателе вихідної суміші
Усього: 1,2 + 0,02 = 1,22 кг / с або 4,4 т / ч.
Витрата охолоджуючої води при нагріванні її на 200С:
А) у дефлегматори
Б) у водяному холодильнику дистиляту
В) у водяному холодильнику кубового залишку
Всього: 0,02 +0,0006 +0,0015 = 0,0221 м3 / с або 79,56 м3 / год
Казанський державний технологічний університет
Кафедра ПАХТ
Розрахункове завдання № 4
Розрахунок тарельчатой ректифікаційної колони
Виконала:
Студентка групи 513121
Шішмарова І.М.
Перевірила:
Мануйко Г.В.
Казань 2006
Розрахунок тарельчатой ректифікаційної колони
Розрахувати ректифікаційної колони безперервної дії з сітчатие тарілками для поділу 7,5 т / год рідкої суміші, що містить 40% (мас) хлороформу і 60% (мас) бензолу. Необхідний вміст хлороформу у дистиляті 98% (мас), в кубовому залишок 4,5% (мас). Вихідна суміш перед подачею в колону підігрівається до температури кипіння.Матеріальний баланс.
Позначимо масова витрата через GD кг / год, кубового залишку через GW кг / год
З рівнянь матеріального балансу знаходимо масові витрати:
GW + GD = GF;
GW ∙ xW + GD ∙ xD = GF ∙ xF;
GW + GD = 7500;
GW ∙ 0.98 + GD ∙ 0.045 = 7500 ∙ 0.4;
GD = 4650 кг / год;
GW = 2850 кг / ч.
Для подальших розрахунків висловимо концентрації харчування, дистиляту і кубового залишку в мольних частках.
Харчування
Дистилят
Кубовий залишок
Відносний мольний витрата харчування:
Мінімальне число флегми
Робоче число флегми
R = 1.3Rmin + 0.3 = 1.3. ∙ 5,1 + 0.3 = 6.9
Рівняння робочих ліній:
А) верхньої частини колони
Б) нижньої частини колони:
Визначення швидкості пари і діаметра колони.
Середні концентрації рідини:
А) у верхній частині колони
Б) у нижній частині колони:
Середні концентрації пари знаходимо за рівнянням робочих ліній:
А) у верхній частині колони
Б) у нижній частині колони:
середні температури пари визначаємо по діаграмі t - x, у:
А) при
Б) при
Середні молярний маси та щільності пара:
А)
Б)
Середня щільність пари в колоні:
Температура у верху колони при хD = 0.97 дорівнює 63 0С, а в кубі-випарнику при хW = 0.03 вона дорівнює 80,5 0С.
Щільність рідкого хлороформу прі 63 0С:
Щільність рідкого бензолу при 80,30 С:
Середня щільність рідини в колоні:
Приймаються відстань між тарілками h = 300мм. для сітчатие тарілок за графіком знаходимо С = 0,032. Швидкість пари в колоні:
Об'ємна витрата проходить через колону пари при середній температурі в колоні tCP = (63 +80.5) / 2 = 720С:
Діаметр колони:
Тоді швидкість пари в колоні буде:
Гідравлічний розрахунок тарілок.
Приймаються наступні розміри сітчатие тарілки: діаметр отворів d0 = 4 мм, висота зливний перегородки hП = 40мм. вільне перетин тарілки (сумарна площа отворів) 8% від площі тарілки. Площа, яку займає двома сегментами, становить 20% від загальної площі тарілки.
Розрахуємо гідравлічний опір тарілки у верхній і в нижній частині колони по рівнянню:
Δр = Δрсух + Δрσ + Δрпж.
А) Верхня частина колони.
Гідравлічний опір сухої тарілки:
ζ = 1,82 - коефіцієнт опору незрошуваних сітчатие тарілок з вільним перетином 7 - 10%;
w0 = 0,66 / 0,08 = 8,3 м / с - швидкість пари в отворах тарілки.
Опір, обумовлене силами поверхневого натягу:
σ - поверхневий натяг рідини при середній температурі у верхній частині колони 74,4 0С.
Опір парорідинних шару на тарілці:
Δрпж = 1,3 hпжρпжgk
Висота парорідинних шару:
hпж = hп + Δh
величину Δh - висоту шару над зливний перегородкою розраховуємо за формулою:
Об'ємна витрата рідини у верхній частині колони:
Периметр зливний перегородки П знаходимо вирішуючи систему рівнянь:
Рішення дає: П = 1,32 м; b = 0.289 м. знаходимо Δh:
Висота парорідинних шару на тарілці:
hпж = hп + Δh = 0,04 + 0,032 = 0,072 м.
Опір парорідинних шару:
Δрпж = 1,3 hпжρжgk = 1,3 ∙ 0,072 ∙ 0,5 ∙ 1110,4 ∙ 9,81 = 510 Па.
Загальне гідравлічний опір тарілки у верхній частині колони:
Δр '= Δрсух + Δрσ + Δрпж = 232 + 20,8 + 510 = 762,8 Па.
Б) Нижня частина колони:
σ - поверхневий натяг рідини при середній температурі у верхній частині колони 79 0С.
Висота парорідинних шару на тарілці:
hпж = hп + Δh = 0,04 + 0,03 = 0,07.
Опір парорідинних шару:
Δрпж = 1,3 hпжρжgk = 1,3 ∙ 0,07 ∙ 0,5 ∙ 1110,4 ∙ 9,81 = 991 Па.
Загальне гідравлічний опір тарілки в нижній частині колони:
Δр''= Δрсух + Δрσ + Δрпж = 188 + 20,2 + 991 = 1199,2 Па.
Перевіримо, чи дотримується при відстані між тарілками h = 0.3 м необхідне для нормальної роботи тарілок умова
Для тарілок нижньої частини, у яких гідравлічний опір більше, ніж у тарілок верхньої частини:
Перевіримо рівномірність роботи тарілок - розрахуємо мінімальну швидкість пари в отворах w0min, достатню для того, щоб сітчатие тарілка працювала всіма отворами:
Розрахована швидкість w0min = 7,9 м / с; отже, тарілки будуть працювати всіма отворами.
Визначення числа тарілок і висоти колони.
А) наносимо на діаграму у - х робочі лінії верхньої та нижньої частини колони і знаходимо число ступенів зміни концентрації ПТ. у верхній частині колони п'T = 8, в нижній частині колони п''T = 26, всього 34 ступені. Число тарілок розраховується за рівнянням: п = ПТ / η.
Для визначення середнього к. п. д. тарілок η знаходимо коефіцієнт відносної летючості поділюваних компонентів α = РХ / РБ, і динамічний коефіцієнт в'язкості вихідної суміші μ при середній температурі в колоні, що дорівнює 72 0С.
При цій температурі тиск насиченої пари хлороформу і бензолу відповідно рівні:
динамічні коефіцієнти в'язкості хлороформу і бензолу відповідно рівні:
αμ = 1,8 ∙ 0,35 = 0,62
за графіком знаходимо η = 0,54. Довжина шляху рідини на тарілці
l = D - 2b = 2,2 - 2 ∙ 0.289 = 1.62
За графіком знаходимо значення поправки на довжину шляху Δ = 0,18. Середній к. п. д. тарілок: ηl = η (1 + Δ) = 0.54 (1 +0.18) = 0.64.
Для порівняння розрахуємо середній к. п. д. тарілки η0 за критеріальною формулою, отриманої шляхом статистичної обробки численних досвідчених даних для колпачковой і сітчатие тарілок:
У цій формулі безрозмірні комплекси:
де w - швидкість пари в колоні, м / с; SСВ - відносна площа вільного перетину тарілки; hП - висота зливний перегородки, м; ρП і ρЖ - щільності пари і рідини, кг/м3; Dж - коефіцієнт дифузії легколетучего компонента у вихідній суміші ; σ - поверхневий натяг рідини харчування, Н / м.
Коефіцієнт дифузії
У нашому випадку: β = 1; μЖ = 0,35 сП = 0,35 ∙ 10-3 Па ∙ с; М = МF = 90,4 кг / кмоль; υ = 3,7 + 14,8 + 3 ∙ 24 , 6 = 92,3; Т = 72 + 273 = 345К.
Безрозмірні комплекси:
Середній к. п. д. тарілки:
Число тарілок:
У верхній частині колони п = п'Т / η = 8 / 0.64 = 12,5;
У нижній частині колони п = п''Т / η = 26 / 0.64 = 40,5.
Загальне число тарілок п = 53, з запасом 60, з них у верхній частині колони 15 і в нижній частині 45 тарілок.
Висота тарельчатой частини колони:
НТ = (п-1) h = (60-1) 0,3 = 17,7 м.
Загальне гідравлічний опір тарілок:
Δр = Δр'nв + Δр''nн = 762,8 ∙ 15 + 1199,2 ∙ 45 = 65406 Па
Тепловий розрахунок установки.
Витрата теплоти, що віддається охолоджуючої воді в дефлегматори-конденсаторі:
де rX і RБ - питомі теплоти конденсації прі 63 0С.
Витрата теплоти, одержуваної в кубі-випарнику від пари, що гріє
Тут теплові втрати Qпот прийняті в розмірі 4% від корисної затрачуваної теплоти; питомі теплоємності взяті відповідно при tD = 630С, tW = 80.30С, tF = 770С; температура кипіння вихідної суміші tF = 770С визначена з діаграми t - x, у.
Витрата теплоти в паровому подогревателе вихідної суміші:
тут теплові втрати прийняті в розмірі 5%, питома теплоємність вихідної суміші взято при середній температурі (77 +18) / 2 = 47,50 З
Витрата теплоти, що віддається охолоджуючої воді у водяному холодильнику дистиляту:
Витрата теплоти, що віддається охолоджуючої воді у водяному холодильнику кубового залишку:
Витрата пари, що гріє
А) в кубі-випарнику
Б) у подогревателе вихідної суміші
Усього: 1,2 + 0,02 = 1,22 кг / с або 4,4 т / ч.
Витрата охолоджуючої води при нагріванні її на 200С:
А) у дефлегматори
Б) у водяному холодильнику дистиляту
В) у водяному холодильнику кубового залишку
Всього: 0,02 +0,0006 +0,0015 = 0,0221 м3 / с або 79,56 м3 / год