Технологический расчет ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси

Содержание


Введение 3
Задание на проектирование 4
1 Физико-химические свойства продуктов 5
2 Описание технологической схемы 7
3 Виды ректификационных колонн 8
4 Расчет ректификационной колонны 11
4.1 Материальный баланс процесса 11
4.2 Расчет флегмового числа 14
4.3 Определение скорости пара в колонне 16
4.4 Определение основных геометрических размеров колонны 18
4.5 Расчет высоты колонны 19
4.6 Расчет гидравлического сопротивления колонны 25
5 Расчет диаметров штуцеров, подбор фланцев 31
6 Тепловой расчет ректификационной колонны 33
7 Расчет вспомогательного оборудования 35
7.1 Расчет подогревателя исходной смеси 36
Заключение 37
Список использованной литературы 38
Приложение А 39

Задание на проектирование


Выполнить технологический расчет ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси с определением основных геометрических размеров колонного аппарата.
Исходные данные:
Производительность колонны по сырью, GF=1 кг/с
Разделяемые компоненты:
Низкокипящий компонент (НКК): метиловый спирт
Высококипящий компонент (ВКК): вода
Концентрация низкокипящего компонента:
в сырье, хF - 31%(мольн.)
в дистилляте, хD - 98%( мольн.)
в кубовом остатке, хW - 5%( мольн.).
Давление в колонне –1 ат.
Тип колонны - тарельчатая.
Тип тарелки - ситчатая.





1 Физико-химические свойства сырья и продуктов

Таблица 1
Основные физические константы продуктов
Наименование,
формула
Молекулярный вес, г/моль
Плотность,
г/см3
Температура кипения, 0С
Метиловый спирт
CH3OH
32
0,792
65
Вода

18
0,9982
100

Метиловый спирт (Метанол) - химическая формула: CH4O / CH3OH. Молекулярная масса 32.0.
...

3 Виды ректификационных колонн

В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого — обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых или ситчатых), либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.
Тарельчатые колпачковые колонны наиболее часто применяют в ректификационных установках. Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования ее уровня на тарелке.
...

4.1 Материальный баланс процесса

Составляем материальный баланс для определения количеств и состава веществ, участвующих в процессах ректификации.
Материальный баланс колонны, обогреваемой паром:


                                             
где GF - производительность установки по исходной смеси, кг/с;
GD - производительность установки по дистилляту, кг/с;
GW - производительность установки по кубовому остатку,кг/с.

Материальный баланс для НКК:



где - массовая доля легколетучего компонента в исходной
смеси, дистилляте, кубовом остатке соответственно,%.

Находим массовые доли метанола в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке




где ММ,М Э - молярная масса метанола и воды соответственно,
кг/кмоль;
xМ – содержание метанола в исходной смеси, дистилляте, кубовом
остатке, мольн. доли.
...

4.2 Расчет флегмового числа

Минимальное флегмовое число находим по формуле



где у*F – мольная доля НКК в паре, равновесном с исходной смесью.

По диаграмме равновесного состояния определяем, что у*F=0,48. Тогда



 
Для расчета оптимального флегмового числа графическим методом задаемся рядом значений коэффициента избытка флегмы β=1,1;1,3; 1,5;2; 2,5.
Рабочее флегмовое число равно





Находим ординату точки B





Откладываем отрезок В на оси ординат и проводим линии рабочих концентраций верхней и нижней частей колонны. Между равновесной и рабочими линиями строим ступени от хW до хD. Число теоретических тарелок Nт=21. Находим произведение



Аналогично выполняем расчеты для каждого значения коэффициента β. Все графические построения см. ПРИЛОЖЕНИЕ А. Данные заносим в таблицу 2.
...

4.3 Определение скорости пара в колонне

Средняя мольная концентрация НКК в жидкости равна
для верхней части колонны





для нижней части колонны по формуле





Аналогично находим средние массовые концентрации




Средние температуры жидкости в верхней и нижней частях колоны при средних концентрациях находим по графику (рис.4):

Рис. 4 - Диаграмма зависимости концентраций в паровой и жидкой фазе от температуры

Из рис. 4 температура в средней части колонны равна , что соответствует , в верхней части температура и в нижней части температура ().
Тогда средние температуры равны:



Плотность жидкой фазы в верхней части колонны
При средней температуре верхней части 76°С, плотности жидких метанола и воды равны соответственно: и .
Средняя плотность жидкости равна:

(12)
Тогда для верхней части:

Плотность жидкой фазы в нижней части колонны
При средней температуре нижней части 92,5 °С, плотности жидких метанола и воды равны соответственно: и .
...

6 Тепловой расчет ректификационной колонны

Расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью в кубе-испарителе равен


где QD – расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой в
дефлегматоре, Вт;
QП – тепловые потери, Вт;
cF, сD, cW - теплоемкости исходной смеси, дистиллята и кубового
остатка, Дж/кг·К.

Количество теплоты, отнимаемой охлаждающей водой в дефлегматоре равно


где rD – удельная теплота конденсации дистиллята, Дж/кг.



где rМ, rЭ – удельные теплоты конденсации компонентов смеси при
температуре дистиллята, Дж/кг.

Температура исходной смеси tF=87,0°С, кубового остатка tW=98,0°С, дистиллята tD=65,0°С. Теплоемкости метанола и воды при этих температурах определяем по номограмме XI[4] и подставляем в формулу (54)













Принимаем тепловые потери 10% от расхода тепла. Тогда



Расход греющего пара равен


где rГП – теплота конденсации греющего пара, Дж/кг.

Принимаем давление греющего пара Р=3 ат.
...