Ректификационная установка непрерывного действия

Содержание
Введение………………………………………………..………………………...………...…….3
Задание……………………………..……………………………………………………...…….6
1. Расчет ректификационной колонны…………………………………………….…….7
1.1. Переход к мольным концентрациям……………………………………..............7
1.2. Определение минимального и рабочего флегмовых чисел………………….....7
1.3. Материальный баланс процесса………………………………………………......9
1.4. Определение числа теоретических ступеней процесса ректификации графическим способом……………………………………………………………………..…11
1.5. Вычисление числа действительных тарелок……………………………...……11
1.6. Определение размеров колонны……………………………………….………..12
1.7. Тепловые расчеты установки………………………………………………...….15
2. Расчет вспомогательного оборудования………………………………………………….20
2.1. Расчет трубопровода…………………………………………………………..…20
2.2. Расчет теплообменной аппаратуры……………………………………………..22
2.3. Расчет и выбор насоса для подачи исходной смеси на установку………..…..30
Литература…………………………………………………………………..……….…..........33
Приложения…………………………………………………………………………..……….34
Приложение 1. Определение числа теоретических ступеней разделения (теоретических тарелок)……………………………………………………………...34
Приложение 2. Определение оптимального флегмового числа по минимуму объема аппарата……………………………………………………………………….………35

Ректификация – массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колоннах аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции.
Процесс ректификации широко применяется в промышленности для разделения жидких однородных и некоторых расслаивающихся смесей. В отраслях лесного комплекса этот процесс используется для разделения таллового масла и сульфатного скипидара, при переработке сульфитных щелоков и в других случаях. Процесс ректификации применяется в ряде отраслей промышленности для выделения ценных веществ при переработке промстоков и газовых выбросов. Обычно в промышленности на разделение методом ректификации подаются многокомпонентные смеси.
Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 1.

1.2. Определение минимального и рабочего флегмовых чисел.
Для расчета ректификационной установки, в том числе и для определения минимального флегмового числа , необходимо располагать данными о равновесии между жидкостью и паром компонентов разделяемой жидкой смеси для давления, при котором проводится процесс.
Принимаем из табл.2 [1] рассчитанные равновесные составы жидкости и пара в системе этиловый спирт – вода.
Р =760 мм рт. ст.
у – концентрация легколетучего компонента в паре;
х – концентрация легколетучего компонента в жидкой фазе.
Используя приведенные данные равновесных составов, строим диаграмму y – x (Приложение 1). Затем от оси абсцисс из точек с абсциссами и восстанавливаем перпендикуляры до пересечения с диагональю диаграммы. Соединяем точки А и В, определяем значение отрезка S, отсекаемого продолжением этой прямой на оси ординат. Отрезок АВ определяет положение рабочей линии укрепляющей части колонны при , что дает рассчитать значение минимального флегмового числа.
...

1.6. Определение размеров колонны.
Для расчета диаметра колонны необходимо рассчитать следующие параметры.
Средние мольные доли низкокипящего компонента в жидкости:
а) в верхней части колонны
б) в нижней части колонны
Средние мольные доли низкокипящего компонента в паровой фазе:
а)
б)
Рассчитываем с помощью линейной интерполяции по таблице 1[1]средние температуры пара в верхней и в нижней частях колонны.
Средние мольные массы пара для верхней и нижней частей колонны:
а)
б)
Средние плотности пара в верхней и в нижней частях колонны рассчитывают по уравнению Клапейрона:
В верхней части колонны:

В нижней части колонны:

где Т0= 273 К, а Р0= 760 мм рт.ст. - параметры, соответствующие нор­мальным условиям; Тср= (tcp+273) К - средняя температура пара в верхней и нижней частях колонны; Р - рабочее давление в колонне, мм рт.ст.
Так как колонна работает при атмосферном давлении, то в первом прибли­жении можно принять Р=Р0.
...

1.7. Тепловые расчеты установки.
Уточнение расхода острого пара , подаваемого под нижнюю тарел­ку колонны, осуществляется из уравнения теплового баланса колонны при подаче в нее острого пара:

где - массовые расходы исходной смеси, дистиллята и ку­бового остатка; Iп – энтальпия острого пара при давлении рк в кубе колонны; cF, cD, cw – удельные теплоемкости исходной сме­си, дистиллята и кубового остатка при соответствующих их температурах tF, tD и tw; tF – температура кипения исходной смеси, определенная по t – x,y диаграмме при xF (линия кипения); tD – температура дистиллята, определен­ная по t – х,у диаграмме при xD (линия кипения); tw – температура кубового остатка в кубе колонны при давлении Рк (определяется по табл. XXXIX [2]); QД – расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре; Qпот – тепловые потери в окружающую среду.
...

2.1. Расчет трубопровода.
Для определения внутреннего диаметра трубопровода необходимо рассчитать объемные расходы и скорость движения жидкости или пара.
Для определения объемных расходов необходимо знать плотности материальных потоков. Плотности исходной смеси, дистиллята, кубового остатка и флегмы при соответствующих температурах tF, tD, tw и tR = tD рассчитываются по уравне­нию (19)[1].

Плотность острого пара при давлении Рк находят путем линейной ин­терполяции по табл.LVII[2]. Плотность пара на дефлегматор определяют по уравнению: , где MD - мольная масса пара на выходе из колонны; Т = (tD + 273) =(78,31+273)=351,31К - температура пара (tD определяется по t - х,у диаграмме при yD=xD на линий конденсации); Р=Р0, так как колонна работает при атмосферном давлении.
Объемные расходы материальных потоков:
- исходной смеси
- дистиллята
- кубового остатка
-флегмы
- острого пара
- пара на дефлегматоре
.
Скорости материальных потоков выбирают по табл. 1.1.
...

2.2. Расчет теплообменной аппаратуры.
1) Расчет пластинчатого подогревателя (конденсатора) для исходной смеси.
Для выбора типа, рассчитываем и подбираем вариант конструкции для подогрева G2=13000кг/ч=3,6кг/с этилового спирта от температуры t2н =40ºС до t2к =88 ºС. При средней температуре t2 =0,5(40+88)=64ºС эта жидкость имеет следующие физико-химические характеристики: ρ2=967,21 кг/м³, μ2=0,000506 Па·с, λ2=0,617 Вт/(м·К), с2=3994,9 Дж/(кг·К), Pr2=3, 28.
Для подогрева используем насыщенный водяной пар давлением 0,13 МПа. Температура конденсации t1=108,7ºС. Характеристики конденсата при этой температуре: ρ1=951,91 кг/м³, μ1=0,000259 Па·с, λ1=0,683 Вт/(м·К), r1=2237000 Дж/(кг·К), Pr1=1,6, c1=4,23Дж/(кг*К)
Тепловая нагрузка аппарата составит:
.
Расход пара определим из уравнения теплового баланса:
.
Средняя разность температур: .
Коэффициенты теплопередачи в пластинчатых теплообменниках выше, чем их ориентировочные значения, приведенные в табл.2.1.
...

2.3. Расчет и выбор насоса для подачи исходной смеси на установку.
Выбор насоса производится по двум параметрам: объемной производи­тельности и сопротивлению сети, на которую работает насос.
Для расчета объемного расхода исходной смеси при известном массовом расходе GF необходимо рассчитать ее плотность ρ0 при заданной температу­ре to по формуле (19)[1].
to=40ºС, ρ0=992 кг/м³. Тогда объемный расход составит:
Так как в задании на проектирование не дается план расположения обо­рудования в цехе, то некоторыми физическими параметрами задаемся услов­но.
Принимаем длину трубопровода интервале от 20 до 40м. Трубопро­вод имеет от 6 до 10 отводов (поворотов), для которых значение коэффици­ента местного сопротивления находят по табл. ХШ [2], принимая значения φ и R0/d.
...