Министерство Высшего и среднего специального образования Российской Федерации
Нижегородский Государственный Технический Университет
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе по дисциплине
“ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ”
Тема
:
РАСЧЁТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ НАСАДОЧНОГО ТИПА
Задание
№8
Руководитель
Епифанова В. С.
Студент
Декабрьский В.В.
Нижний Новгород
2008 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Задание
1. Материальный баланс
2. Определение скорости пара и диаметра колонны
3. Расчёт высоты насадки
4. Расчёт гидравлического сопротивления насадки
Задание:
Рассчитать и спроектировать колонну ректификации для разделения смеси этанол-вода, поступающей в количестве 10 тонн в час. Состав исходной смеси 40 % массовых этанола и 60 %массовых воды, кубовый остатоксодержит 1 % массовых этанола, дистиллят- 94 %. Ректификация производится при атмосферном давлении. Нагрев производится водяным паром р = 3 атм. Тип колонны- насадочная.
I.
Материальный баланс
Обозначим массовый расход дистиллята через GP
кг/ч, кубового остатка через GW
кг/ч.
Из уравнений материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия
F = P + W ;
F xF
= P xP
+ W xW,
находим
P + W= 10000 кг/ч
Pх
0,94 + W *
0,01 = 10000 х
0,4
W = 5806,44 кг/ч
P= 4193,56
Для дальнейших расчётов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях.
Питание:
ХF
= _ х
F
/ Мэ____
= 40/46,07
= 0,868
= 0,148
х
F
+
100 - х
F
40
+ 90
0,868 +5
Mэ
M в
46,07 18
Дистиллят:
xP
= xP
/ Мэ
= 94/46,07
= 2,04
= 0,86
х
P
+
100 – х
P
94
+ 90
2,04+0,333
Mэ
М в
46,07 18
Кубовый остаток:
xW
= х
W
/Мэ
= 1/46,07
= 0,022
= 0,004
х
W
+ 100 – х
W
1
+ 99
0,022+5,5
Мэ
Мв
46,07 18
Относительный мольный расход питания:
F = xP
-
xW
= 0,86 – 0,004
= 0,856
=5,944
xF
- xW
0,148 – 0,004 0,144
Откуда находим
W =
P = F – W = 5.944-4.921 = 1.023
Определяем минимальное число флегмы по уравнению:
Rмин
= xP
-
y
*
F
=0,86 - 0,33
= 2,912
y*F
- xF
0,33 - 0,148
где y*F
= 0,33 – мольную долю бензола в паре, равновесном с жидкостью питания, определяем по диаграмме y* - x. (рис.1)
Определяем число флегмы по уравнению:
R= 1,3 Rмин
+ 0,3 = 1,3 х
2,912 + 0,3 =4,086
Уравнение рабочих линий:
а) верхней (укрепляющей части колонны)
y =
y = 0.803x + 0.169
б) нижней (исчерпывающей) части колонны:
y =
y = 1,972x – 0,004
II
. Расчёт скорости пара и диаметра колонны
Средние концентрации жидкости:
а) в верхней части колонны
x' ср
= ( xF
+ xD
) / 2 = (0,148 + 0,86) / 2 = 0,504
б) в нижней части колонны
x’’ср
= (xF
+ xW
) / 2 = (0,148+0,004) / 2 = 0,076
Средние концентрации пара находим по уравнению рабочих линий:
а) в верхней части колонны
y’ср
= 0,803 x’ср
+ 0,169 = 0,803 x
0,504 + 0,169 = 0,574
б) в нижней части колонны
y’’ср
= 1,972 x’’ср
- 0,004 = 1,972 х
0,076 – 0,004 = 0,146
Средние температуры пара определяем по диаграмме t – x,y
а) при y’ср
= 0,574 t’ ср
= 88 o
С
б) при y’’ср
= 0,146 t’’ср
= 97 o
С
Средние мольные массы и плотности пара:
а) М’ср
= y’ср
х
Мэ
+ (1- y’ср
) Мв
= 0,574 х
46,07 + 0,426 х
18 = 32,55 кг/кмоль
’ср
= M
’ср
х
T
о
= 32,55 х
273
= 1,1 кг/м3
22,4 х
T’ср
22,4 х
361
б) М’’ср
= y’’ср
х
Мэ
+ (1- y’’ср
) Мв
= 0,146 х
46,07 + 0,854 х
18 = 22,1 кг/кмоль
’’ср
= М’’ср
х
T
о
= 22,1 х
273
= 0,73 кг/м3
22,4 х
T’’ср
22,4 х
370
Средняя плотность пара в колонне:
п
(’ср
+’’ср
) / 2 = (1,1 + 0,73) / 2 = 0,915 кг/м3
Средние мольные массы жидкости:
а) М’ср
= x’ср
х
Мэ
+ (1- x’ср
) Мв
= 0,504 х
46,07 + 0,496 х
18 = 32,15 кг/кмоль
б) М’’ср
= x’’ср
х
Мэ
+ (1- x’’ср
) Мв
= 0,076 х
46,07 + 0,924 х
18 = 20,13 кг/кмоль
Температура в верху колонны при yP
= 0,86 равняется 83 o
С, а в кубе-испарителе при хW
= 0,004 она равна 99 o
С
Плотность жидкого этанола при 83o
С э
= 732 кг/м3
, а воды в
= 959 кг/м3
при 99 o
С .
Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне
ж
= (732 + 959) / 2 = 845,5 кг/м3
.
Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости:
MP
= 46.07*0.86+18(1-0.86) = 42.14
MF
= 46.07*0.148+18(1-0.148) = 22.15
Средние массовые потоки пара:
кг/с
кг/с
Выбор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давлении, рабочую скорость можно принимать на 20— 30 %
ниже скорости захлебывания.
Предельную фиктивную скорость пара wп
,
при которой происходит захлебывание насадочных колонн, определяем по уравнению:
Вязкость жидких смесей mх
находим по уравнению:
lgmх
=xcp
lgmэ
+(1- xcp
)lgmв
Тогда
lgmхВ
=0,504lg 0,435+(1- 0,504)lg 0,357
lgmхН
=0,076lg 0,326+(1- 0,076)lg 0,284
mхВ
= 0,396 мПа*с
mхН
= 0,287 мПа*с
Предельная скорость паров:
отсюда wПВ
= 1,9 м/с
отсюда wПН
= 1,57 м/с
Примем рабочую скорость wна 30 % ниже предельной:
w
В
= 1,9*0,7 = 1,33 м/с
w
Н
= 1,57*0,7 = 1,1 м/с
Диаметр ректификационной колонны определяют из уравнения расхода:
d
=
Тогда диаметр верхней и нижней части колонны соответственно равен:
d
В
=
= 1,87 м
d
Н
=
= 3,48 м
Выберем стандартный диаметр обечайки d
= 3,5
м, одинаковый для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне будут равны:
w
В
= 1,33(1,87/3,5)2
= 0,38 м/с
w
Н
= 1,1(3,48/3,5)2
= 1,087 м/с
III
. Расчёт высоты насадки
Высоту насадки Н рассчитывают по модифицированному уравнению массопередачи:
Н = noy
hoy
noy
- общее число единиц переноса по правой фазе
hoy
- общая высота единицы переноса
noy
=
Этот интеграл определяют обычно методом графического интегрирования:
= SMx
My
где S-площадь, ограниченная кривой, yw
и yp
, и осью абсцисс.
noy
Н
=
= 4,6 noy
В
=
= 5,4 noy
=
= 10
Общую высоту единиц переноса hoy
находим по уравнению аддитивности:
hoy
= hy
+
hx
где hx и hy –частные производные единиц переноса соответственно в жидкой и паровой фазах; m – средний коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колонны.
Отношение нагрузок по пару и жидкости G/L равно:
Для верхней части колонны
G/L =(R+1)/R = 5,086/4,086 = 1,245
Для нижней части колонны
G/L =(R+1)/(R+f) = 5,086/16,176 = 0,314
Здесь f = FMЭ
/PMF
= 5,944*46,07/1,023*22,15 = 12,09
Высота единицы переноса в жидкой фазе равна:
hx
= 0,258 Ф с Pr
Z
где с и Ф – коэффициенты определяемые по графику; Prx
=
– критерий Прандля для жидкости; Z – высота слоя насадки одной секции, которая из условия прочности опорной решётки и нижних слоёв насадки не должна превышать 3 м.
Высота единицы переноса в паровой фазе равна:
hy
=
где
- коэффициент определяемый по графику; Ls = L / 0.785d2
–массовая плотность орошения, кг/(м2
с); d – диаметр колонны;
в мПа х
с)
Для расчёта hx
и hy
необходимо определить вязкость и коэффициенты диффузии в жидкой Dx
и паровой Dy
фазах. Вязкость паров для верхней части колонны:
где
и
- вязкости паров воды и этанола при средней температуре верхней части колонны; yВ
=(yP
+ yF
)/2 – средняя концентрация паров. Подставив получим:
yВ
=(0,86 + 0,33)/2 = 0,595
= 0,368 мПа с
Аналогичным расчётом для нижней части колонны находим
=0,24 мПа с
Вязкости паров для верхней и для нижней частей колонны близки, поэтому можно принять среднюю вязкость паров в колонне
= 0,304 мПа с
Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре t равен:
Dx
= Dx
20
(1+b(t-20))
Коэффициенты диффузии в жидкости Dx
20
при 20о
С можно вычислить по приближённой формуле:
Dx
20
=
Тогда коэффициенты диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20о
С
Dx
В20
=
= 9,3*10-9
м2
/с
Температурный коэффициент
b =
= 0,2
= 0,017
Отсюда
Dx
В
= 9,3*10-9
(1+0,017(88-20)) = 20,05*10-9
м2
/с
Аналогично находим для нижней части колонны
Dx
Н
= 9,3*10-9
(1+0,017(97-20)) = 21,47 м2
/с
Коэффициент диффузии в паровой фазе
Dy
=
Где Т- средняя температура в соответствующей части колонны; Р- абсолютное давление в колонне.
Тогда
Dy
В
=
= 9,86*10-7
м2
/с
DyH
= 10,1*10-7
м2
/с
Таким образом, для верхней части колонны:
hx
В
= 0,258 * 0,068 * 0,92(0,396*10-3
/852*20,05*10-9
)0,5
30,15
= 0,09 м
hy
В
=
= 2,26 м
Для нижней части колонны
hx
= 0,09 м
hy
= 2,01
Общая высота единицы переноса
h0 yB
= hy
+
hx
= 2,26 +
0,09 = 2,7 м
h0 yH
= hy
+
hx
= 2,01 +
0,09 = 2,12 м
Высота насадки:
НВ
= 5,4*2,7 = 14,6
НН
= 4,6*2,12 = 9,8
Общая высота насадки:
Н = 14,6+9,8 = 24,4 м
С учётом того, что высота слоя насадки в одной секции Z равна 3м, общее число секций в колонне составляет 13 ( 8 секций в верхней части и 5 - в нижней).
Общую высоту ректификационной колонны определим по уравнению
HK
= Zn +(n-1) hP
+ ZB
+ ZH
= 3*13+12*0,5+1,4+2,5 = 48,9 м
IV
. Расчёт гидравлического сопротивления насадки
Гидравлическое сопротивление насадки
Гидравлическое сопротивление сухой неорошаемой насадки
где l - коэффициент сопротивления сухой насадки, зависящий от режима движения газа в насадке.
Критерий Рейнольдса для газа в верхней и нижней частях колонны
ReyB
=
5310
ReyH
=
10080
Следовательно, режим движения турбулентный.
Для турбулентного режима коэффициент сопротивления сухой насадки в виде беспорядочно засыпанных колец Рашинга
l = 16/Rey
0.2
lB
= 16/53100.2
= 2,88
lH
= 16/100800.2
= 2,53
Находим гидравлическое сопротивление сухой насадки
=
= 1509 Па
=
= 483 Па
Плотность орошения
UB
=
= 0,00039 м3
/(м2
с)
UН
=
= 0,00091 м3
/(м2
с)
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:
DРВ
= 10169*0,00039
1509 = 1756,3 Па
DРВ
= 10169*0,00091
483 = 668,3 Па
DР = DРВ
+ DРН
= 1756,3+668,3 = 2424,6 Па
Гидравлическое сопротивление насадки составляет основную долю общего сопротивления ректификационной колонны. Общее же сопротивление колонны складывается из сопротивлений орошаемой насадки, опорных решёток, соединительных паропроводов от кипятильника к колонне и от колонны к дефлегматору. Общее гидравлическое сопротивление ректификационной колонны обусловливает давление и, следовательно, температуру кипения жидкости в испарителе. При ректификации под вакуумом гидравлическое сопротивление может существенно отразиться также на относительной летучести компонентов смеси, т. е. изменить положение линии равновесия.
|