Расчет ректификационной колонны

Курсовая работа: Расчет ректификационной колонны

Курсовая работа: Расчет ректификационной колонны

Введение

Ректификация – массообменный  процесс разделения однородной смеси  летучих компонентов, осуществляемый путем противоточного многократного  взаимодействия паров, образующихся при  перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров.

Разделение жидкой смеси  основано на различной летучести  веществ. При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят  – смесь, обогащенную низкокипящим компонентом (НК), и кубовый остаток  – смесь, обогащенную высококипящим  компонентом (ВК).

Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке, основным аппаратом которой является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу  парам стекает жидкость, подаваемая в виде флегмы в верхнюю часть  аппарата.

Процесс ректификации может  протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенное давление применяют для  разделения смесей, находящихся в  газообразном состоянии при более  низком давлении. Атмосферное давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру кипения  от 30 до 150ْ С.

Степень разделения смеси  жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность  контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны.

Ректификация известна с  начала XIX века как один из важнейших  технологических процессов главным  образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время  ректификацию все шире применяют  в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов  в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического  синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников  и различных других веществ высокой  чистоты).

 

1. Расчет ректификационной  колонны

1.1 Материальный  баланс процесса

Составляем материальный баланс для определения количеств  и состава веществ, участвующих  в процессах ректификации.

Материальный баланс колонны, обогреваемой паром:

 ,                                                        (1.1)

где GF—производительность  установки по исходной смеси, GД –производительность  установки по дистилляту, GW— производительность установки по кубовому остатку.

Материальный баланс для  НК:

,                                                 (1.2)

где  хF,  xД,  хW— массовая доля легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте, кубовом остатке соответственно. Преобразуем выражение (1.2)

,

3,06·28=(3,06-GW)86+ GW ·0,5,

3,06·28=3,06·86- GW ·86+ GW ·0,5,

85,68=263,16- GW ·85,5,

,

GW =2,08 кг/с.

Из уравнения (1.1) определяем расход дистиллята, кг/с.

GД=GF-- GW,

GД =3,06-2,08=0,98 кг/с.

Для дальнейших расчётов выразим  концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка в мольных  долях.

Исходная смесь:

.                                                 (1.3)

Дистиллят:

 .                                                (1.4)

Кубовый остаток:

,                                                 (1.5)

где Мв ,М э— молярная масса  воды и этилового спирта соответственно. Мв =18, М э=46.

,

,

.

1.2 Определение  минимального флегмового числа

Для определения минимального флегмового числа строим кривую равновесия, предварительно выполнив расчет равновесного состава жидкости и пара смеси  этанол—вода.

Таблица 1—  Равновесный состав жидкости и пара смеси этиловый спирт—вода

t, ْC	х, мол	у, мол
t=100	0	0
t=90,5	0,05	0,332
t=86,5	0,1	0,442
t=83,2	0,2	0,531
t=81,7	0,3	0,576
t=80,8	0,4	0,614
t=80	0,5	0,654
t=79,4	0,6	0,699
t=79	0,7	0,753
t=78,6	0,8	0,818
t=78,4	0,9	0,898
t=78,4	1,0	1,0

Проводим прямую CВ, для  этого на диагонали наносим точку  С с абсциссой  хД=0,71, а на кривой равновесия точку В с абсциссой хF=0,132 (см. прил.) Измерив отрезок вмах, отсекаемый прямой СВ на оси ординат находим  Rmin по формуле:

,                                           (1.6)

откуда выражаем значение минимального флегмового числа:

,

.

В уравнение рабочих линий  входит рабочее флегмовое число R, определяемое как

,                                     (1.7)

1.3 Построение  рабочих линий укрепляющих и  исчерпывающей частей колонны.  Определение числа теоретических  тарелок

Чтобы определить количество тарелок, надо графически изобразить линии  рабочего процесса в колонне. Колонну  непрерывного действия от места ввода  исходной смеси делят на две части: верхняя часть колонны называется укрепляющей, а нижняя часть— исчерпывающей.   При построении линий рабочих концентраций укрепляющей и исчерпывающей части колонны откладываем на оси ординат отрезок ОД, длина которого определяется соотношением:

,                                                        (1.8)

Через точки С  и Д проводим прямую СД, а через точку В—вертикаль до пересечения с линией СД и получаем точку В1, соединив ее с А и С, получаем СВ1 – линия рабочих концентраций укрепляющей части колонны, АВ1 – линия концентраций исчерпывающей части колонны.

Число теоретических тарелок  определяем путем построения ступенчатой  линии между линией равновесия и  линиями рабочих концентраций в  пределах от хД   до   хW. Количество теоретических тарелок в нижней части –3, в верхней части колонны — 5. Всего 8 теоретических тарелок.

1.4.1 Определение  КПД тарелки

Для выбора КПД тарелки  η воспользуемся обобщенным опытным  графиком [5, рис. 90]

В зависимости КПД от произведения относительной летучести α на коэффициент динамической вязкости µ перегоняемой смеси.

Относительная летучесть  α, динамические коэффициенты вязкости смеси  µ и отдельных компонентов определяются при температурах кипения исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, определяемые по диаграмме t –x,y (см. прил).

Относительную летучесть  находим по формуле:

 ,                                                                   (1.9)

где Рэ, Рв – давление насыщенного  пара низкокипящего и высококипящего компонента соответственно, Па.

Для исходной смеси:

t=85°C                                               ,

для дистиллята:

t=79°С                                              ,

для кубового остатка:

t=99°C                                                 .

По номограмме V [4]  определяем коэффициент динамической вязкости:

t=85°C  µэ=0,38·10-3 Па    µв=0,299·10-3 Па

t=79°С   µэ=0,44 ·10-3 Па   µв=0,344·10-3 Па

t=99°C   µэ=0,3·10-3 Па      µв=0,287 ·10-3 Па

Вязкость исходной смеси, дистиллята и кубового остатка определяем по формуле:

,                                              (1.10)

где хЭ ,  хВ – молярные доли компонентов (воды и этилового спирта);

µэ, µв – вязкость компонентов  жидкой смеси при температуре  смеси.

Для исходной смеси:

,

Для дистиллята:

, 

Для кубового остатка:

, 

Определяем произведение α,µ и выбираем соответствующее  КПД [5]:

                 η1=0,53,

                η2=0,5,

               η3=0,59.

Средний КПД тарелки:

 ,                                                             (1.11)

.

Для укрепляющей части  колонны действительное число тарелок 

,

.

Для исчерпывающей части  колонны

,

.

1.4.2 Определение  объёмов и объёмных скоростей  пара и жидкости, проходящих через  колонну

Средняя плотность жидкости:

,                                            (1.12)

где - средняя массовая концентрация НК в жидкости, которая определяется:

1)  для верхней части колонны:

,                                                   (1.13)

,

2)  для нижней части колонны:

                                        (1.14)

.

Плотности НК и ВК в формуле (1.12) необходимо выбрать при средней  температуре, tср   в нижней и верхней части колонны:

 ,                                                      (1.15)

,

,

.

По таблице IV, XXXIX [4] определяем плотность ρ в зависимости  от температуры t 

При tв ср=82°С

ρнк =731,2 кг/м3,

ρвк =970,6 кг/м3,

При tн ср=92°С

ρнк =723,6 кг/м3,

ρвк =963,6 кг/м3.

Подставим получившиеся значения в выражение (1.12).

Для верхней части:

 кг/м3, 

 

для нижней части:

 кг/м3.

Определяем среднюю плотность  пара

 ,                                               (1.16)

где средняя мольная масса  пара определяется

,                                         (1.17)

где уср – мольная концентрация НК в парах, которая для верхней  части колонны определяется

,                                                (1.18)

.

Для нижней части колонны:

,                                             (1.19)

.

кг/кмоль,

в нижней части:

 кг/кмоль,

в верхней части колонны:

 кг/м3,

в нижней части колонны:

 кг/м3,

Объемная скорость пара в  колонне:

,                           (1.20)

где GД=1,12 кг/с – расход дистиллята

в верхней части колонны:

 м3/с,

в нижней части колонны:

 м3/с,

Определяем максимальную объёмную скорость жидкости:

1) в верхней части колонны  на верхней тарелке

 ,                                                (1.21)

где Lв – средний массовый расход по жидкости для верхней части  колонны:

,                                          (1.22)

для нижней части:

,                                                 (1.23)

где МД и МF - мольные массы  дистиллята и исходной смеси, Мв и  Мн – средние мольные массы  жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Средняя мольная масса  жидкости:

в верхней части колонны

кг/кмоль,

в нижней части колонны

кг/кмоль.

Мольная масса дистиллята

 кг/кмоль.

Мольная масса исходной смеси

 кг/кмоль,

кг/с,

 кг/с.

Подставим в (1.21) полученные значения и определим максимальную объемную скорость жидкости:

 м3/с,

2) в нижней части

                   (1.24)

 м3/с.

1.5 Определение  основных геометрических размеров  ректификационной колонны

Скорость пара должна быть ниже некоторого предельного значения ωпред, при которой начинается брызгоунос. Для ситчатых тарелок.

                                 (1.25)

Предельное значение скорости пара ωпред определяем по графику [6, рис 17-20, с624].

Принимаем расстояние между  тарелками  Н=0.3 м, так как

,

,

следовательно, для верхней  части колонны  м/с, для нижней части колонны м/с. Подставив данные в (1.25) получим:

 м/с,

 м/с.

Диаметр колонны Дк определяем в зависимости от скорости и  количества поднимающихся по колонне паров:

,                                     (1.26)

м

м

Тогда диаметр колонны  равен:

 м

Скорость пара в колонне:

Выбираем тарелку типа ТСБ-II

Диаметр отверстий d0=4 мм.

Высота сливной перегородки hп=40 мм.

Колонный аппарат Дк =1600 мм – внутренний диаметр колонны

Fк =2,0 м2 – площадь  поперечного сечения колонны

Расчёт высоты колонны

Определение высоты тарельчатой  колонны мы проводим по уравнению:

                                       (1.27)

H1=(n-1)H – высота тарельчатой  части колонны;

h1 – высота сепараторной  части колонны мм., h1 =1000 мм по  табл2 [7];

h2 – расстояние от нижней  тарелки до днища, мм., h2=2000 мм  табл2 [7];

n – число тарелок; 

H – расстояние между  тарелками.

Для определения высоты тарельчатой  части колонны воспользуемся  рассчитанным в пункте 1.4 действительным числом тарелок:

м,

По выражению (1.27) высота колонны равна:

Hк=4,5+1,0+2,0=7,5 м.

1.6 Расчёт гидравлического  сопротивления колонны

Расчёт гидравлического  сопротивления тарелки в верхней  и в нижней части колонны

,                           (1.28)

где  —сопротивление сухой тарелки, Па; — сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, Па; — сопротивление парожидкостного слоя на тарелке, Па.

а) Верхняя часть колонны.

Сопротивление сухой тарелки

                                               (1.29)

где ξ – коэффициент  сопротивления сухих тарелок, для  ситчатой тарелки ξ=1,82 [1];

ω0 – скорость пара в отверстиях тарелки:

,                                                       (1.30)

Плотность жидкости  и газа определяем как среднюю плотность жидкости  и газа в верхней и нижней частях колоны соответственно:

,                                                          (1.31)

 кг/м3.

Следовательно, гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

 Па.

Сопротивление, обусловленное  силами поверхностного натяжения

,                                                          (1.33)

где σ=20*10-3 Н/м— поверхностное  натяжение жидкости;   d0=0,004 м — эквивалентный диаметр прорези.