Ім'я файлу: расчёт ректификационной колонны.docx
Розширення: docx
Розмір: 1761кб.
Дата: 04.06.2020
скачати

Зміст



Завдання 2

Вступ 3

1 Призначення та область використання розроблюваного виробу 4

2.1 Мета та основні завдання розрахунку 5

2.2 Матеріальний баланс колони й визначення флегмового числа 6

2.3 Витрати рідини в колоні 8

2.4 Витрати пари в колоні 9

2.5 Визначення температурного режиму колони 9

2.6 Визначення теплофізичних властивостей рідини 10

2.7 Визначення теплофізичних властивостей пари 11

2.8 Визначення діаметрів колони 11

2.9 Розрахунок кількості ступенів зміни концентрації 14

2.10 Визначення висоти колони 16

2.11 Вибір штуцерів 19

2.12 Розрахунок гідравлічних опорів 21

2.13 Тепловий розрахунок ректифікаційної установки 22

Висновки: 26


Завдання


Розрахувати аналітичним методом ректифікаційну установку для розділення суміші «вода – етанова кислота » за такими вихідними даними:

  • масова продуктивність колони за вихідною сумішшю , кг/год: 32400;

  • масова частка НКК (дисульфід вуглецю) у початковій суміші : 0,6;

  • у дистиляті : 0,98;

  • у кубовому залишку : 0,02;

  • тип колони – насадкова;

  • тиск у колоні – атмосферний;

Температури, ℃:

  • початкової суміші : 19;

  • зберігання продуктів на складі : 25.

Флегма й початкова суміш підводяться до колони, підігрітими до температури кипіння. Суміш не містить механічних домішок і не полімеризується.

Вступ


Ректифікація широко розповсюджена у багатьох галузях промисловості й призначена для розділення рідких сумішей на практично чисті компоненти або фракції, які відрізняються за температурою кипіння. У хімічній і нафтопереробних технологіях цей процес використовується для розділення нафтопродуктів, зріджених газів, сумішей і повітря, у виробництві спиртів, капролактаму, полівінілхлориду тощо.

Фізична сутність ректифікації полягає у двосторонньому масотеплообмінні між нерівноважними протитечіями парової й рідкої фази.

Склад пари в процесі ректифікації визначається різною легкістю компонентів за тієї ж самої температури. Виходячи з цього розрізняють легколеткі (або низькокиплячі) та важколеткі (висококиплячі) компоненти. Низькокиплячий компонент (НКК) має найбільший тиск пари за даної температури порівняно з тиском пари будь-якого іншого компоненту суміші та, відповідно, найменшу температуру кипіння при однаковому для всіх компонентів тиску. Компонент, що має найменший тиск пари (найвищу температуру кипіння) , має назву висококиплячого компонента (ВКК).

Під час контакту парової й рідкої сумішей , внаслідок того, що температура парової суміші вища за температуру кипіння НКК, але нижча за температуру кипіння ВКК, відбувається випаровування НКК з рідкої суміші й конденсація ВКК з парової суміші. Через багаторазове повторення масообміну, пара збагачується НКК, а рідина – ВКК. Таким чином, початкова рідка суміш розділяється на дві частини: дистилят – суміш, збагачену НКК і кубовий залишок – суміш, збагачена ВКК.


1 Призначення та область використання розроблюваного виробу


Насадкові колони – це циліндричні апарати з контактними елементами у вигляді тих чи інших за формою й розмірами тіл, потрібних для збільшення поверхні контакту фаз і зміни гідродинаміки потоків останніх.

Розрахунок ректифікаційної колони зводиться до визначення її основних геометричних розмірів – діаметра і висоти. Обидві ці величини в значній мірі визначаються гідродинамічним режимом роботи колони, який, в свою чергу, залежить від швидкості та фізичних властивостей фаз, а також від типу та розмірів насадок.

При виборі типу насадок для масообмінних апаратів керуються рядом міркувань. Найбільш вірний вибір оптимального типу та розміру насадки може бути зроблений на основі техніко-економічного аналізу загальних витрат на розділ в конкретному технологічному процесі.

В ректифікаційних колонах, які працюють при атмосферному тиску, для розділення агресивних рідин, а також в тих випадках коли непотрібне постійна чистка апарату. Зазвичай використовують керамічні кільця Рашига. Для даного випадку приймаємо насадку із керамічних щільноспечених кілець з фарфорової маси Рашига розміром 50×50×5 мм. Питома поверхня насадки 93 м2/м3, вільний об’єм 0,79 м3/м3.

Низько киплячий компонент – вода (оксид водню) - бінарне неорганічне з'єднання з хімічною формулою H2O: молекула води складається з двох атомів водню і одного - кисню, які з'єднані між собою ковалентним зв'язком. При нормальних умовах являє собою прозору рідину, яка не має кольору, запаху і смаку. У твердому стані називається льодом (кристали льоду можуть утворювати сніг або іній), а в газоподібному - водяною парою.

Висококиплячий компонент – етанова кислота – органічна сполука, одноосновна карбонова кислота складу  CH3COOH. За звичайних умов є безбарвною рідиною із різким запахом. Температура плавлення чистої кислоти дещо нижча від кімнатної температури, при замерзанні вона перетворюється на безбарвні кристали.

2 Параметричний розрахунок ректифікаційної насадкової колони

2.1 Мета та основні завдання розрахунку


Метою розрахунку є визначення геометричних розмірів насадкової колони та її гідравлічного опору.

  • Поставлена мета досягається через визначення:

  • продуктивності колони за дистилятом і кубовим залишком;

  • робочих швидкостей пари ВКК;

  • теоретичної й дійсної кількостей ступенів зміни концентрації.

  • Метою теплового розрахунку є визначення витрат грійної пари охолодної води.

Розрахунок насадкової ректифікаційної установки виконуємо згідно методикою описаною в [1].

Розрахункова схема ректифікаційної колони показана на рисунку 2.1

Дистилят,

Початкова суміш,


Флегма,

Кубовий залишок,


Рисунок 2.1 – Розрахункова схема насадкової ректифікаційної колони за умовами завдання

2.2 Матеріальний баланс колони й визначення флегмового числа


Визначаємо масову продуктивність колони:

за початковою сумішшю:

11Equation Section (Next) кг/с

за кубовим залишком:

кг/с;

за дистилятом:

кг/с.

Молярні маси компонентів суміші ([1], таблиця.А.2):

для води: г/кмоль;

для етанової кислоти: г/кмоль;

Для подальших розрахунків виразимо концентрації живлення, дистиляту й кубового залишку в молярних частках:

живлення:

;

дистилят:



кубовий залишок:

.

Відносна молярна витрата живлення:

.

За діаграмою для суміші «вода – етанова кислота »,

рисунок 2.2, визначаємо температуру кипіння суміші початкової концентрації ℃;

.

Рисунок 2.2 – Діаграма для суміші «вода – етанова кислота»

Температури кипіння чистих компонентів:

Води: ℃;

Етанова кислота: ℃.

Розрахуємо коефіцієнт активності: ;

звідки

Рівноважна концентрація НКК у парі:

.


Розраховуємо флегмове число:

мінімальне:



робоче:



Рівняння робочих ліній:

для верхньої частини колони:





для нижньої частини колони:




2.3 Витрати рідини в колоні


Молярна маса живлення:

кг/кмоль

Середні концентрації рідини

для верхньої частини колони:

;

для нижньої частини колони:



Середні молярні маси рідини:

у верхній частині колони:

кг/кмоль

в нижній частині колони:

кг/кмоль
Середні масові витрати рідини:

у верхній частині колони:

кг/с

в нижній частині колони:

кг/с

2.4 Витрати пари в колоні


Середні концентрації пари знаходимо з рівнянь робочих ліній для верхньої частини колони:



для нижньої частини колони:



Середні молярні маси пари:

для верхньої частини колони:

кг/кмоль;

для нижньої частини колони:

кг/кмоль;

Середні масові потоки пари:

у верхній частині колони:

кг/с;

в нижній частині колони:

кг/с.

2.5 Визначення температурного режиму колони


За діаграмою x, y-t, рисунок 2.2, температура рідини у верхній частині колони:

коли , ℃, температура рідини в кубі-випарнику, коли ℃.

Середню температуру пари в колоні визначаємо за лінією конденсації

діаграми x, y-t, рисунок 2.2.

Для верхньої частини колони, коли ℃, для нижньої

частини колони, коли ℃.

2.6 Визначення теплофізичних властивостей рідини


Теплофізичні властивості рідини визначаємо за табличними даними.

Оскільки у верхній частині колони впливом на густину рідини вмісту висококиплячого компонента (етанової кислоти) можна знехтувати, густину рідини будемо визначати за густиною води. Відповідно до даних, коли кг/м3.

У нижній частині колони можна знехтувати впливом на густину вмісту низькокиплячого компонента (води), а густину рідини визначати за густиною

етанової кислоти, тому, коли кг/м3.

В’язкість води,

коли: мПа с;

коли: мПа с;

в’язкість етанової кислоти,

коли: мПа с;

коли: мПа с.

В’язкість суміші взаємонерозчинних рідин у верхній і нижній частинах колони:

Для верхньої частини колони:

мПа с;

для нижньої частини колони:

мПа с.

2.7 Визначення теплофізичних властивостей пари


Середня густина пари:

У верхній частині колони:
кг/м3;

в нижній частині колони:

кг/м3.

В’язкість пари води ([1], таблиця А.5) складає,

коли: мПа с;

коли: мПа с;

в’язкість пари етанової кислоти складає

коли: мПа с;

коли: мПа с.

Середню в’язкість пари в колоні розраховуємо: окремо для кожної частини колони. Для верхньої частини:

мПа с;

для нижньої частини:

мПа с.

2.8 Визначення діаметрів колони


Визначаємо об’ємні витрати пари:

у верхній частині колони:

м3/кг;

в нижній частині колони:

м3/кг.

Для подальших розрахунків необхідно вибрати насадки. Вибираємо

укладені насипом  кільця керамічні щільноспечені з фарфорової маси (Рашига) з умовними розмірами 50×50×5мм і такими параметрами:

питома поверхня насадок м2/м3;

вільний об’єм м2/м3.

Еквівалентний діаметр насадок:

м.

Оцінюємо оптимальну щільність зрошення насадок:

м3/(м2 ∙ с).

Допоміжна величина:

.

Швидкість пари у верхній частині колони за умов захлинання:

м/с.

Робоча швидкість пари у верхній частині колони (k=0,87):

м/с.

Розрахунковий діаметр верхньої частини колони:

м.

За ГОСТ 9617 приймаємо стандартний діаметр верхньої частини колони м.

Дійсна щільність зрошення:

м3/(м2 ∙ с).

Перевіряємо співвідношення щільностей зрошення:

,

що більше, ніж 1,1, тобто вибрані насадки зрошуються повністю.

Визначаємо діаметр нижньої частини колони. Допоміжні величини:

;

.

Швидкість пари в нижній частині колони за умов захлинання:

м/с.

Робоча швидкість пари в нижньої частини колони (k=0.78):

м/с.

Розрахунковий діаметр нижньої частини колони:

м.

За ГОСТ 9617 приймаємо стандартний діаметр нижньої частини колони м.

Дійсна щільність зрошення:

м3/(м2 ∙ с).

Перевіряємо співвідношення щільностей зрошення:

,

що більше, ніж 1,1, тобто вибрана раніше насадка зрошується повністю.

Уточнена фіктивна швидкість пари, віднесена до повного перерізу незаповненої колони,

у верхній частині колони:

м/с;

у нижній частині колони:

м/с.

2.9 Розрахунок кількості ступенів зміни концентрації


Розрахуємо теоретичну кількість ступенів зміни концентрації у верхній частині колони. З цією метою обчислюємо допоміжні величини:

;

;

;

;

.

тоді теоретична кількість ступенів зміни концентрації для верхньої частини колони:

.

Розрахуємо допоміжні величини:

;



;

;

;

;

.

Тоді теоретична кількість ступенів зміни концентрації для нижньої частини колони:

.

Теоретичну кількість ступенів зміни концентрації для верхньої і нижньої частин колони також можна визначити графічно за діаграмою рівноваги рисунок 2.3. За даними кількість ступенів зміни концентрації для верхньої частини колони , для нижньої - , що відповідає аналітичним розрахункам.



Рисунок 2.3 – Діаграма рівноваги суміші «вода – етанова кислота»

Загальний коефіцієнт корисної дії тарілки:

для верхньої частини колони:

;

для нижньої частини колони:

.

Тоді дійсна кількість ступенів, складе:

для верхньої частини колони:

;

для нижньої частини колони:

.

2.10 Визначення висоти колони


Середнє значення кута нахилу кривої рівноваги знаходимо шляхом заміни кривої рівноваги ламаною, яка має прямолінійних частин з тангенсами кутів нахилу . Тоді для верхньої частини колони

, а ,

причому для верхньої частини колони буде змінюватися в межах а для нижньої – в межах .

Результати розрахунку зведено до таблиці 2.1

Таблиця 2.1 Результати розрахунку середнього значення тангенса кута нахилу кривої рівноваги
Верхня частина
Нижня частина









0
0,830
0,686
0,063
1,54

1
0,837
0,682
0,097
1,478

2
0,844
0,678
0,132
1,414

3
0,852
0,673
0,167
1,354

4
0,859
0,669
0,202
1,298

5
0,867
0,664
0,237
1,246

6
0,874
0,660
0,271
1,197

7
0,881
0,657
0,306
1,151

8
0,889
0,652
0,341
1,107

9
0,896
0,648
0,376
1,065

10
0,904
0,644
0,411
1,026

11
0,911
0,640
0,445
0,99

12
0,918
0,636
0,480
0,954

13
0,926
0,632
0,515
0,921

14
0,933
0,628
0,550
0,889

15
0,941
0,624
0,585
0,859

16
0,948
0,621
0,619
0,832

17
0,955
0,617
0,654
0,804

18
0,963
0,613
0,689
0,779

19
0,970
0,609
0,724
0,754

20
0,978
0,605
0,759
0,73

21
0,985
0,602
0,793
0,709

22
0,993
0,598
0,83
0,686

Сума
-
14,738
-
23,783


Таким чином, , а .

Допоміжна величина :

для верхньої частини колони:

;

для нижньої частини колони:

.

Значення критерію Рейнольдса парової фази

для верхньої частини колони:

;

для нижньої частини колони:

.

Висота насадок, еквівалентна до одиниці переносу складає

для верхньої частини колони:



для нижньої частини колони:



Розрахункова висота шару насадок:

у верхній частині колони:

м;

в нижній частині колони:

м.

Максимальна висота шару насадок між перероздільними тарілками в одній секції

верхньої частини колони:

м;

нижньої частини колони:

м;

Кількість секцій

верхньої частини колони:

;

нижньої частини колони:

.

Загальна кількість секцій насадок:

.

Загальна висота шару насадок, м:

.

Висота вільного простору над насадками у верхній частині колони, коли м, м. Висота вільного простору під насадками в нижній частині колони, коли м, м. Висоти перерозподільних тарілок верхньої й нижньої частин колони і приймаємо рівними 1м, а висоту тарілки живлення м.

Тоді загальна висота колони:


2.11 Вибір штуцерів


Метою є визначення основних параметрів і вибір стандартних штуцерів. Розрахункова схема зображена на рисунку 2.4



Рисунок 2.4 – Розрахункова схема штуцера

Вихідні дані:

Тиск в середині апарата Р, МПа 1.

масові витрати рідини:

у верхній частині колони кг/с ;

у нижній частині колони кг/с .

масові витрати пари:

у верхній частині колони кг/с 27,766;

у нижній частині колони кг/с 41,725.

Методика розрахунку згідно [2]

Розрахунок передбачає вибір стандартних штуцерів за тиском і умовним діаметром, що далі визначається

Розрахуємо діаметр штуцера для рідини:

у верхній частині колони:



де - рекомендована швидкість для рідини, [2];

у нижній частині колони:



Обчислюємо діаметр штуцерів для пари:

у верхній частині колони:



де - рекомендована швидкість для рідини, [2];

у нижній частині колони:



Розміри нормалізованих штуцерів за [3]:

  1. штуцер 125 – 6 – 155 – 12Х18Н10Т – 10 ОСТ 26-1404-76 для рідини у верхній частині колони, що має наступні параметри:

Номінальний діаметр Dу, м 0,125;

Діаметр отвору dт, м 0,133;

Товщина стінки Sт, м 0,006;

Висота штуцера Нт,м 0,155;

  1. штуцер 200 – 6 – 160 – 12Х18Н10Т – 10 ОСТ 26-1404 – 76 для рідини у нижній частині колони, що має наступні параметри:

Номінальний діаметр Dу, м 0,200;

Діаметр отвору dт, м 0,219;

Товщина стінки Sт, м 0,006;

Висота штуцера Нт,м 0,160;

  1. 2 штуцери 500 – 12 – 200 – 12Х18Н10Т – 10 ОСТ 26-1404 – 76 для пари у нижній та верхній частині колони, що має наступні параметри:

Номінальний діаметр Dу, м 0,500;

Діаметр отвору dт, м 0,530;

Товщина стінки Sт, м 0,012;

Висота штуцера Нт,м 0,206;

2.12 Розрахунок гідравлічних опорів


Дійсна (робоча) швидкість пари

у верхній частині колони:

м/с;

в нижній частині колони:

м/с.

Для насадок з кілець, насипаних навалом:

для верхньої частини колони:

;

для нижньої частини колони:

.

Тоді гідравлічний опір сухих насадок, для верхньої частини колони ([1], формула 5.55):

Па;

для нижньої частини колони:

Па;

Гідравлічний опір зрошених насадок:

для верхньої частини колони:

Па;

для нижньої частини колони:

Па.

Загальний гідравлічний опір зрошених насадок в колоні:

Па.

2.13 Тепловий розрахунок ректифікаційної установки


Визначаємо кількість теплоти, яку необхідно підвести в паровому нагрівнику для нагрівання початкової суміші з масовою часткою НКК від температури до температури кипіння .

Середня температура початкової суміші в паровому нагрівнику:

.

Питома теплоємність НКК (води) за цієї температури ([1], таблиця А.6) кДж/(кг∙К), а питома теплоємність ВКК (етанової кислоти) кДж/(кг∙К). Тоді середня питома теплоємність початкової суміші, коли її температура , визначиться за формулою адитивності:

кДж/(кг∙К).

Тепловий потік у нагрівнику початкової суміші:

кВт.

Температуру грійної пари приймаємо на 50 ℃ вищою, ніж температура кипіння суміші . Тоді температура грійної пари

.

Цій температурі відповідає абсолютний тиск грійної пари МПа і питома теплота пароутворення кДж/кг ([1], таблиця А.12).

Приймемо, що теплові втрати в нагрівнику складають 5% від корисно витраченої теплоти, а відносна вологість грійної пари φ=0,05. Тоді ступінь сухості грійної пари

,

а витрата грійної пари в нагрівнику початкової суміші:

кг/с.

Визначаємо кількість теплоти, яку необхідно підвести в кубі колони.

Питома теплота пароутворення компонентів суміші за температури у верхній частині колони : води кДж/кг; етанової кислоти кДж/кг ([1], таблиця А.10).

Тоді питома теплота пароутворення флегми

кДж/кг.

Визначаємо питомі теплоємності компонентів суміші за температури кипіння й середніх температур у верхній і нижній частинах колони. Одержані дані наведено в таблиці 2.2
Таблиця 2.2 Питомі теплоємності компонентів суміші

Компонент
Питома теплоємність, кДж/кг, за температури







НКК (води)
4,232
4,233
4,276

ВКК (етанової кислоти)
2,426
2,427
2,535


Питомі теплоємності сумішей, обчислені за формулами адитивності:

дистиляту, коли :

кДж/(кг∙К);

початкової суміші, коли :

кДж/(кг∙К);

кубового залишку, коли :

кДж/(кг∙К).

Питома ентальпія пари, що виходить з колони:

кДж/кг.

Тепловий потік в кубі колони:



Приймемо, що теплові втрати в нагрівнику складають 3% від корисно витраченої теплоти. Тоді витрата грійної пари в нагрівнику кубової рідини:

кг/с.

Тепловий потік в дефлегматорі колони:

кВт.

Визначаємо кількість теплоти, яку необхідно відвести у водяному холодильнику дистиляту, для охолодження продукту від температури кипіння до температури , з якою він зберігається на складі.

Середня температура дистиляту у водяному холодильнику:

℃.

Питома теплоємність НКК (води) за цієї температури([1], таблиця А.6) кДж/(кг∙К), а питома теплоємність ВКК (етанової кислоти) кДж/(кг∙К). Тоді середня питома теплоємність дистиляту, коли його

температура ℃, визначиться за формулою адитивності:

кДж/(кг∙К).

Тоді тепловий потік у водяному холодильнику дистиляту:

кВт.

Визначаємо кількість теплоти, яку необхідно відвести у водяному холодильнику кубового залишку, для охолодження продукту від температури кипіння до температури , з якою він зберігатиметься на складі.

Середня температура дистиляту у водяному холодильнику:

℃.

Питома теплоємність НКК (води) за цієї температури ([1], таблиця А.6) кДж/(кг∙К), а питома теплоємність ВКК (етанової кислоти) кДж/(кг∙К). Тоді середня питома теплоємність кубового залишку, коли його температура ℃, визначиться за формулою:

кДж/(кг∙К).

Тепловий потік у водяному холодильнику кубового залишку:

кВт.

Приймаючи, що підвищення температури води у водяних холодильниках складає 20 ℃, а середня теплоємність води в інтервалі від 20 до 50 ℃ Дж/(кг∙К), обчислюємо сумарну витрату води:

кг/с,

причому витрата води в дефлегматорі складає 29,8 кг/с, в холодильнику дистиляту 0,9 кг/с, в холодильнику кубового залишку 2,2 кг/с.

Висновки:


Визначено основні геометричні розміри насадкової ректифікаційної колони які складаються з: діаметра нижньої частини колони 3500 мм та діаметра верхньої частини колони 4500 мм, загальної вистою колони 70,2 м. Її продуктивність становить 32,4 т/год з концентрацією кінцевого продукту 90%

Було зроблено ряд розрахунків: масова продуктивність колони: кг/с, кг/с, кг/с; концентрації компонентів: , ; флегмове число - ; масові витрати рідини: кг/с, кг/с; витрати пари в колоні: кг/с, кг/с; визначено теплофізичні властивості рідини та пари, обчислено діаметри колони: м, м; кількість ступенів зміни концентрації: , ; висоту шару насадок та колони: м, ; вибрано штуцери : штуцер 125 – 6 – 155 – 12Х18Н10Т – 10 ОСТ 26-1404-76, штуцер 200 – 6 – 160 – 12Х18Н10Т – 10 ОСТ 26-1404 – 76, штуцери 500 – 12 – 200 – 12Х18Н10Т – 10 ОСТ 26-1404 – 76; загальний опір зрошених насадок: Па; сумарну витрату води кг/с.
скачати

© Усі права захищені
написати до нас