Спроектировать рентификационную установку для разделения смеси ацетон-вода

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ
2 УСТРОЙСТВО РЕКТИФИКАЦИОННЫХ АППАРАТОВ
3 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
4 РАСЧЕТ ТАРЕЛЬЧАТОЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ
4.1 Определение производительности по дистилляту и кубовому остатку
4.2 Определение молярных концентраций исходной смеси, дистиллята и кубового остатка
4.3 Определение минимального флегмового числа
4.4 Определение оптимального флегмового числа
4.5 Определение потоков пара и жидкости по колонне
4.6 Определение диаметра колонны и основных характеристик контактного устройства
4.7 Выбор типа и гидравлический расчет контактного устройства
4.8 Определение кинетических коэффициентов
4.9 Построение кинетической кривой и определение числа тарелок
4.10 Определение гидравлического сопротивления колонны
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Важнейшей конструктивной характеристикой ректификационной колонны является расстояние между тарелками, которое существенно влияет на производительность единицы объема аппарата. С уменьшением расстояния между тарелками увеличивается производительность единицы объема колонны. Поэтому всегда необходимо стремиться к возможно меньшему значению этой величины.
Как правило, расстояние между тарелками определяют не только из условия получения минимального объема колонны, но и из чисто технических соображений (установка люков, возможность работы со вспенивающимися жидкостями, технология изготовления колоны и возможность установки в ней тарелок).
Оцениваем диаметр колонны () при .
,
где - скорость пара в свободном сечении колонны.
По литературным данным принимаем, что Нмт=400(мм).
Определяем предельную скорость пара:
Принимаем рабочую скорость
,
благодаря чему обеспечивается равномерный режим работы тарелок.
Пересчитываем () в соответствии с рассчитанной скоростью пара:
Принимаем
Определяем площадь сечения колонны:
.
4.7 Выбор типа и гидравлический расчет контактного устройства
Гидравлическое сопротивление ректификационного тарельчатого аппарата и, как его элемента, отдельной тарелки является важным показателем работы, определяющим минимальное расстояние между тарелками и работу переливного устройства.
Контактное устройство по заданию – ситчатая тарелка. Согласно рекомендациям выбираем диаметр отверстия . Отверстия будем располагать по вершинам равностороннего треугольника с шагом .
Свободное сечение отверстий ситчатой тарелки принимаем равным 10% от свободного сечения аппарата.
Общее гидравлическое сопротивление тарелки определяется по формуле:
,
где: (Pсух – сопротивление сухой тарелки, (Па);
(Р( - сопротивление, вызванное силами поверхностного натяжения, (Па);
(Рст – статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке, (Па);
Гидравлическое сопротивление сухой тарелки определяем как:
,
где: ( - коэффициент сопротивления, для ситчатой тарелки принимается 1,82;
- скорость пара в отверстиях ситчатой тарелки.
(у – средняя плотность пара в колонне.
Гидравлическое сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения, находим по уравнению:
,
где: ( - поверхностное натяжение,
dэ – диаметр отверстия.
Статическое давление слоя жидкости определяется из уравнения:
hпер – высота переливного порога, 0,04 (м);
(h – величина превышения уровня жидкости на тарелки, при расчете не учмиывали;
К/ - относительная плотность парожидкостного слоя на тарелки;
- плотность жидкости на тарелке.
Следовательно, общее гидравлическое сопротивление тарелки:
,
.
Проверяем выбранное расстояние между тарелками. Минимальное расстояние между ними должно быть равным:
Выбранное расстояние между тарелками H = 1500 (мм) подходит.
4.8 Определение кинетических коэффициентов
Коэффициент массоотдачи в паровой фазе рассчитывается по уравнению:

где - коэффициент массоотдачи;
G – расход пара;
- рабочая площадь тарелки, принимаем, что площадь поперечного сечения колонны, занимаемая сливным и приемным карманами, составляет 15 %.
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе рассчитывается по уравнению:
,
где - известное из опытов значение коэффициента массоотдачи;
- коэффициент диффузии в жидкой фазе для условий опыта;
- коэффициент диффузии в жидкой фазе для рассчитываемой разделяемой смеси.
Общий коэффициент массопередачи рассчитывается как:
,
где m– тангенс угла наклона касательной к линии равновесия.
Так как величина m является переменной по высоте колонны, находим ее значения для различных концентраций, используя диаграмму Y–X. В пределах от Xw до Xp выбираем ряд значений X. Для каждого значения X определяем по диаграмме величины (Y*–Yн) и (X–X*) как разность между равновесной и рабочей линиями, а затем по этим значениям находим m. Результаты расчетов сводим в таблицу, (табл.4).
Таблица 4
X X – X* Y* – Yн m 0,00031 0,0066 0,01436 2,176 0,033 0,0291 0,05874 2,019 0,1 0,0457 0,07197 1,575 0,2 0,0426 0,0574 1,347 0,3 0,0392 0,0415 1,059 0,4 0,0725 0,0658 0,908 0,5 0,0964 0,0749 0,777 0,6 0,1085 0,0716 0,660 0,7 0,1046 0,0582 0,556 0,8 0,0789 0,0366 0,464 0,944 0,0403 0,016 0,397
Далее подставляем в уравнение общего коэффициента массопередачи полученные значения (xf, (yf и m для различных значений Х. Результаты заносим в табл.5 и табл.6.
Таблица 5
X 0,00031 0,033 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,944 Kyf 162,8 165,0 171,7 175,3 180,1 182,7 185,0 187,2 189,2 190,9 192,2
Таблица 6
X 0,00031 0,033 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,944 Y* - Yк 0,004 0,016 0,019 0,015 0,01 0,016 0,018 0,017 0,013 0,008 0,004
4.9 Построение кинетической кривой и определение числа тарелок
Для построения кинетической кривой используем формулу:
Значения разноти (у*-у) для ряда значений х даны в табл.6.
Мольный расход пара .
Рабочая площадь тарелки .
На диаграмме Y–X (рис. 3) откладываем (Y*-Yк) от равновесной линии вниз. Полученные точки соединяем плавной линией. Построенная кривая является кинетической кривой.
Рис.3 Определение числа тарелок
Число реальных тарелок, которое обеспечивает заданную четкость разделения, находим путем построения ступенчатой линии между рабочей и кинетической линиями. Построение ступенчатой линии проводим от концентраций Xf, Xp и от Xf, Xw.
Число ступеней в пределах концентраций Xf÷Xp равно числу реальных тарелок в укрепляющей секции колонны. Число ступеней в пределах концентраций Xf÷Xw равно числу реальных тарелок исчерпывающей секции колонны.
В результате построения получаем:
число реальных тарелок в укрепляющей секции колонны – 11;
число реальных тарелок в исчерпывающей секции колонны – 15;
общее число тарелок – 26.
4.10 Определение гидравлического сопротивления колонны
Суммарное гидравлическое сопротивление колонны определяется как:
,
где n – общее число тарелок в колонне, равное 26.
Выводы
Как известно, ректификация – это массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаях в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемым в процессах абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхний частях колонны, переменный по высоте коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.
Одна из сложностей, с которой встречаются проектировщики, заключается в том, что в литературе отсутствуют обобщенные закономерности для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 (мм), с насадками и тарелками, широко применяемыми в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчетов ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании абсорбционных процессов.
Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (такими как высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и др.) ряд требований может определятся спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способностью тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии и т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющим пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.
Размеры тарельчатой колонны (диаметр и высота) определяются нагрузками по пару и жидкости, типом контактного устройства (тарелки), физическими свойствами взаимодействующих фаз.
Целью проектного расчета ректификационной колонны для разделения смеси ацетон-вода являлось определение диаметра колонны, числа контактных устройств в укрепляющей и исчерпывающей частях колонны, гидравлического сопротивления тарелки и колонны в целом, при заданных составах исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, расходе исходной смеси и давлении в колонне.
Проведенные расчеты позволили установить:
диаметр колонны ;
число контактных устройств – ситчатых тарелок – в укрепляющей части колонны – 11 (шт.);
число контактных устройств – ситчатых тарелок – исчерпывающей части колонны – 15 (шт.);
гидравлическое сопротивление тарелки ;
гидравлическое сопротивление колонны .
При данных параметра разделение смеси ацетон-вода в спроектированной ректификационной установке будет происходить наиболее оптимально, и заданная производительности по исходной смеси будет достигнута.
Список литературы
Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. – М.: Химия, 1978.
Артамонов Д.С., Орлов В.Н. Расчет тарельчатой ректификационной колонны: Методические указания. – М.: МИХТ, 1981.
Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. – М.: Химия, 1991.
Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. рановесие между жидкостью и паром. – М.: Наук, 1966.
Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. – Л.: Машиностроение, 1981.
Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. – Л.: Машиностроение, 1970.
Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1987.
Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1968.
Рудов Г.Я., Д. А. Баранов Д.А. Расчет тарельчато ректификационной колонны: Методические указания. – М.: МГУИЭ, 1998.
Стабников В.Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов. – Киев: Техника, 1970.
Тютюнников А.Б., Товажнянский Л.Л., Готлинская А.П. Основы расчета и конструирования массообменных колонн. – Киев: Высшая школа, 1989.
ГОСТ 9617-76. Сосуды и аппараты. Ряды диаметров. – М.: Издательство стандартов, 1977.
Каталог: Емкостная стальная сварная аппаратура. – М.: «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1969.
Каталог: Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения. – М.: «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1991.
Краткий справочник физико-химических величин. – М.: Химия, 1967.
Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1968, 848 с.
Павлов К.Ф.,Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. / Под ред. Романкова П.Г. – Л.: Химия, 1981, 560 с.
Артамонов Д.С., Орлов В.Н. Расчет тарельчатой ректификационной колонны. – М.: МИХМ, 1981, 32 с.
ГОСТ 9617-76. Сосуды и аппараты. Ряды диаметров. – М.: Издательство стандартов, 1977, 2 с.
31