Расчет и проектирование ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси бутан-изобутан

 

1. у = 0,866х + 0,128
2. у = 0,9x + 0,1
3. у = 0,92x + 0,07
4. у = 0,9x + 0,07
5. у = 0,93x + 0,068
6. y=0,94x + 0,06
7. y=0,95x + 0,051

 

Так как используется приближенный метод, то находится как минимум функции . По графику (См. приложение, рис.З) находим:

= 11,72

Определяем теоретическое  число тарелок колонны (См. приложение, рис.1). Составляем уравнения рабочей линии при (верхняя часть колонны):

у = 0,92х + 0,07

Из уравнения определяем точку В (х=0; у=0,07)

Графически  находим теоретическое число  тарелок в верхней и нижней частях колонны:

= 17, =10

Общее число тарелок: N_T = n_T + m_T = 27

 

1.5. Определение  расхода пара и флегмы в  колонне

Поток пара и флегмы в  колонне и массовые концентрации в них низкокипящего компонента показаны на рис. 2.

Рис.2.Схема потоков в зоне питания в верхней части колонны

Найдем паровой поток  G₀, вносимый в колонну сырьем по формуле [(2), 30, стр. 15]:

G₀ = G_F ∙ e

G₀ = 18000 ∙ 0 = 0 (кг/ч)

Жидкий поток g₀, вносимый в колонну сырьем найдем по уравнению [(2), 31, стр. 15]:

g₀ = G_F (1-е)

g₀ = 18000 (1-0) = 18000 (кг/ч)

Паровой поток, поступающий из зоны питания в верхнюю часть колонны составляется по уравнению [(2), 33, стр. 15]:

G = G_D(R_опт + 1)

 

G = 8400 (11,72+1) = 106848 (кг/ч)

Паровой поток G₂, поступающий в зону питания из нижней части колонны определим по уравнению [(2), 31, стр. 15]:

G₂=G-G₀

G₂ = 106848-0= 106848 (кг/ч)

В зону питания из верхней части колонны поступает поток флегмы g₂, расход которого определим по уравнению [(2), 35, стр. 15]:

g₂=R_оптG_d

g₂ = 11,728400 = 98448 (кг/ч)

В результате смешения в зоне питания потока флегмы g₂ и жидкого потока сырья g_o в нижнюю часть колонны стекает поток флегмы g по уравнению [(2), 36, стр. 16]:

 

 

Определим массовые концентрации НКК в флегме поступающей на последнюю тарелку нижней части колонны по формуле [(2), 37, стр. 16]:

_см =

Ориентировочно можно принять ,05, где - массовая концентрация НКК в жидком потоке сырья.

₌ , где = =0,47

₌ = 0,47

_{= 1,05} 0,47 = 0,494

_см = _{= 0,}49

Массовую концентрацию НКК у₂ в паровом потоке G₂, поднимающегося с последней тарелки нижней части колонны в зону питания, составляет [(2), 39, стр. 16]:

₂ =

₂ = _{= 0,}53

Массовая концентрация НКК y_cм, в паровом потоке G, покидающем зону питания определяется из уравнения [(2), 40, стр. 16]:

_см =

_см = _{= 0,}53

Проверка: при доле отгона е = 0, должны выполняться условия

>>и =

0,494> 0,49> 0,47                       0,53 = 0,53

 

 

II. Тепловой расчет

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению:

 

где - удельные теплоты конденсации дистиллята

Среднее значение удельной теплоты испарения и удельной теплоёмкости найдём по правилу аддитивности:

= _{+ (1 - )}

где - удельные теплоты конденсации изобутана и бутана при t_D

= 0,95 + (1 – 0,95) = 287000 Дж/кг

= ≈8500000 Вт

Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению:

= + + - +

Здесь тепловые потери приняты  в размере 3% от полезно затрачиваемой  теплоты; удельные теплоемкости взяты  соответственно при

= 61, = 72= 66;

где  – удельные теплоемкости дистиллята, кубового остатка и исходной смеси

= (8500000 + + 72 - ) = 8770000 Вт

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

Q = ()

Q = 2560 (61 - 40) = 125440 (Вт)

Полный расход теплоты

Q_п = = 8770000 + 125440 = 8895440 Вт

III. Гидравлический расчет

3.1 Внутренние  материальные потоки

Средние мольная и массовая концентрации изобутана во флегме в верхней части колонны:

 

 

Средние мольная  и массовая концентрации бутана во флегме в нижней части колонны:

 

 

Средние мольные концентрации бутана в паре находятся по уравнениям рабочих линий верхней и нижней частей колонны:

 

 

 

 

По  найденным значениям  и определим графически средние температуры пара в концентрационной и отгонной частях колонны по рисунку 2. (см. приложение)

 

 

Средние молярные массы пара в верхней  и нижней   частях колонны определим по правилу аддитивности:

 

 

[1], где:

 - молярная масса изобутана (НКК);

 - молярная масса бутана (ВКК);

 

 

Средние плотности пара в верхней и нижней   частях колонны:

 

 

Средние плотности  флегмы в верхней  и нижней частях колонны:

 

 

[2], где:

- плотность жидкого изобутана при ;

- плотность жидкого бутана при ;

 - плотность жидкого изобутана при ;

- плотность жидкого бутана при ;

 

 

Средние объемные расходы пара в верхней и нижней частях колонны:

 

 

Средние объемные расходы флегмы в верху и внизу колонны:

 

 

 

3.2. Определение  диаметра колонны

Расчет диаметра колонны  производится отдельно для верха  и низа колонны.

Скорость пара в рабочем  сечении для верха колонны  рассчитывается по уравнению:

 

[4], где:

- фактор вспенивания жидкости;

 – плотность жидкости;

- плотность пара;

 – коэффициент зависящий от типа и области применения тарелки, расстояния между тарелками, поверхностного натяжения жидкости.

Коэффициент находим по графику [4] учитывая соотношение:

 

 

Диаметр колонны подбирается  по величине рабочей площади рассчитываемой по формуле:

 

[4], где:

- объемный расход пара в колонне;

 

 

Аналогично  определяем скорость пара в рабочем сечении для низа колонны:

Коэффициент находим по графику [4] учитывая соотношение:

 

 

 

По  таблице 8.6 «Технические  характеристики колпачковых  тарелок» выбираем основные параметры колпачковой тарелки типа ТСК-РБ [(4), стр. 228]

• Диаметр -  D=3200 мм
• Рабочая площадь тарелки - = 7,122 м²
• Площадь прохода паров – м²
• Площадь слива – м²
• Длина пути жидкости – м
• Периметр слива – П=4,446 м
• Количество колпачков на тарелке – m = 136 шт
• Диаметр колпачка – D_к = 100 мм
• Расстояние между тарелками – H_T = 600 мм

 

 

3.3. Конструкция  тарелок. Расчет гидравлического  сопротивления тарелок

Колпачковые тарелки с капсульными колпачками до недавнего времени считали лучшими контактными устройствами для ректификационных и абсорбционных аппаратов благодаря простоте эксплуатации и универсальности.

Рис.3

 

Колпачковая тарелка (рис. 3) состоит из основания в виде диска 1, перекрывающего большую часть сечения колонны. В диске имеются круглые отверстия с установленными в них патрубками 2, над которыми крепятся колпачки 3. В нижней части колпачков делаются прорези. Тарелка имеет переливные устройства, сливную регулируемую планку 4 и иногда — затворную перегородку 5.

Тарелка работает следующим  образом. Поступающая жидкость заполняет  тарелку на высоту, определяемую сливной  перегородкой 4, при этом прорези колпачков должны быть погружены в жидкость. Пар проходит через паровые патрубки, щели колпачков и барботирует сквозь слой жидкости. Газ и жидкость взаимодействуют в перекрестном токе: жидкость движется по тарелке от переливного кармана к сливной перегородке и далее на расположенную ниже тарелку, а газ — вверх по оси колонны.

Колпачковые тарелки можно изготовлять из чугуна, меди, керамики, углеграфита, пластмасс и др.

 

Тарелки с капсульными  колпачками имеют относительно высокий  КПД (0,75—0,80) и работают в широком  диапазоне производительностей  по газу. Их можно использовать при  нестабильных нагрузках по жидкости и пару.

К недостаткам этих тарелок  следует прежде всего отнести значительные металлоемкость и трудоемкость изготовления.

 

Рис.4

Применяют два варианта крепления колпачка к тарелке. В  исполнении 2 положение колпачка можно регулировать по высоте, в исполнении 1 регулирование невозможно, и нижние кромки прорезей в этом случае упираются в полотно тарелки.

 

Рис.5 Расположение колпачка и сливного порога

h_пор - высота сливного порога; h_сл – высота подпора жидкости над сливным порогом; h_гб - высота глубины барботажа; h_У - высота установки колпачка; h_пр- высота открытия прорези колпачка.

В задачу дальнейших гидравлических расчётов основных параметров тарелки входит определение высоты сливного порога , подпора жидкости над сливным порогом , сопротивление тарелки .

Для верха колонны.

Величину  рассчитаем предварительно без учёта уноса жидкости по уравнению:

 

[4], где:

- действительный расход  жидкости, протекающий через переливное  устройство;

П – периметр слива;

 

 

Величину сливного порога определим по следующей формуле:

 

[4], где:

 – глубина барботажа;

 – высота установки колпачка;

 

[4], где:

P – абсолютное давление в колонне;

 

 

Высоту пены образующейся на тарелку, определим по следующему уравнению:

 

[4], где:

- коэффициенты определяемые по [4];

- поверхностное натяжение жидкости на границе с паром;

Определим поверхностное  натяжение смеси бутан-изобутан. Поверхностное натяжение изобутана и бутана при определим по [5]:

 

 

 

Величину относительного уноса жидкости определим по уравнению:

 

[4], где:

 - коэффициент определяемый по [4];

- показатель степени определяемый по [4];

- расстояние между тарелками;

 

Следовательно расстояние между тарелками принято верно.

Для низа колонны.

 

 

 

 

Поверхностное натяжение  изобутана и бутана при определим по [5]:

 

 

 

 

Следовательно расстояние между тарелками принято верно.

 

3.4. Гидравлический расчёт сопротивления тарелок.

Верхняя часть  колонны.

Общее сопротивление тарелки  рассчитывается по формуле:

 

[4], где:

 – сопротивление сухой тарелки;

 – сопротивление  слоя жидкости на тарелке;

Сопротивление сухой тарелки  определяем по формуле:

 

[4], где:

 – плотность пара  в верхней части колонны;

- коэффициент сопротивления  сухой тарелки;

 – скорость пара в отверстиях тарелки;

 

При D_к=100 мм

 

 

Сопротивление слоя жидкости на тарелке рассчитываем по упрощённой зависимости:

 

[4], где:

- величина перепада жидкости  на тарелке;

 – плотность жидкости;

 – ускорение свободного падения;

Величину перепада жидкости на тарелке можно оценить по следующей  зависимости:

 

[4], где:

- длина пути жидкости  на тарелке (по таблице 8.7 [4]);

 – эквивалентный коэффициент сопротивления перетоку жидкости по тарелке (для тарелок с капсульными колпачками)

 

 

 

 

Нижняя часть  колонны.

 

 

 

 

 

 

3.4. Определение числа действительных тарелок и высоты колонны

Для окончательного выбора колонны  определим число реальных тарелок  по формуле:

 

[4], где:

 - число ступеней изменения концентрации;

- эффективность (К.П.Д) тарелки;

К.П.Д тарелки для верхней  части колонны определяется по рисунку 8.1 [4] учитывая соотношение:

К.П.Д тарелки для верхней  части колонны:

 

 

К.П.Д тарелки для нижней части колонны:

 

 

 

Высота колонны равна [(2), 59, стр. 21]:

 

где - высота зоны питания, м;

- расстояние от днища до первой  тарелки, м;

- расстояние от крышки до последней тарелки:

H₀ - высота опоры колонны, рассчитывается в зависимости от диаметра колонны, м.

Число реальных тарелок  и расстояние между ними определяет высоту тарельчатой части колонны  и