Расчет и проектирование ректификационной колонны насадочного типа

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 остаток содержит 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 G_Pкг/ч, кубового остатка через G_Wкг/ч.

Из уравнений материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия

F = P + W _; F x_F = P x_P + W x_W, находим

P + W= 10000 кг/ч

P^х0,94 + 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:

Х_F = _ х_F / Мэ____ = 40/46,07 = 0,868 = 0,148

х_F+ 100 - х_F 40 + 90 0,868 +5

M_э M _в 46,07 18

Дистиллят:

x_P = x_P/ М_э = 94/46,07 = 2,04 = 0,86

х_{P +}100 – х_P  94 + 90 2,04+0,333

M_э М _в 46,07 18

Кубовый остаток:

x_W = х_W /М_э = 1/46,07 = 0,022  = 0,004

х_W + 100 – х_W 1 + 99 0,022+5,5

М_э М_в  46,07 18

Относительный мольный расход питания:

F = x_P - x_W = 0,86 – 0,004 = 0,856 =5,944

x_F - x_W 0,148 – 0,004 0,144

Откуда находим

W =

P = F – W = 5.944-4.921 = 1.023

Определяем минимальное число флегмы по уравнению:

R_мин = x_P - y*_F=0,86 - 0,33 = 2,912

y*_F - x_F0,33 - 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 R_мин + 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 = ( x_F+ x_D) / 2 = (0,148 + 0,86) / 2 = 0,504

б) в нижней части колонны

x’’_ср = (x_F + x_W ) / 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 ^oС

б) при y’’_ср = 0,146 t’’_ср = 97 ^oС

Средние мольные массы и плотности пара:

а) М’_ср = y’_ср^х М_э + (1- y’_ср ) М_в = 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 М_э + (1- y’’_ср ) М_в = 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 М_э + (1- x’_ср ) М_в = 0,504 ^х 46,07 + 0,496 ^х 18 = 32,15 кг/кмоль

б) М’’_ср = x’’_ср^х М_э + (1- x’’_ср ) М_в = 0,076 ^х 46,07 + 0,924 ^х 18 = 20,13 кг/кмоль

 

Температура в верху колонны при y_P = 0,86 равняется 83 ^oС, а в кубе-испарителе при х_W = 0,004 она равна 99 ^oС

Плотность жидкого этанола при 83^oС _э = 732 кг/м³, а воды _в = 959 кг/м³ при 99 ^oС .

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне

_ж= (732 + 959) / 2 = 845,5 кг/м³ .

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости:

M_P = 46.07*0.86+18(1-0.86) = 42.14

M_F = 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 w_п, при которой происходит захлебывание насадочных колонн, определяем по уравнению:

Вязкость жидких смесей m_х находим по уравнению:

lg m_х=x_cplg m_э+(1- x_cp)lg m_в

Тогда

lg m_хВ=0,504lg 0,435+(1- 0,504)lg 0,357

lg m_хН=0,076lg 0,326+(1- 0,076)lg 0,284

m_хВ = 0,396 мПа*с

m_хН = 0,287 мПа*с

Предельная скорость паров:

отсюда w_ПВ = 1,9 м/с

отсюда w_ПН = 1,57 м/с

Примем рабочую скорость w на 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 = n_oyh_oy

n_oy- общее число единиц переноса по правой фазе

h_oy - общая высота единицы переноса

n_oy =

Этот интеграл определяют обычно методом гра­фического интегрирования:

 = SM_xM_y

где S-площадь, ограниченная кривой, y_w и y_p, и осью абсцисс.

n_oyН = = 4,6 n_oyВ = = 5,4 n_oy = = 10

Общую высоту единиц переноса h_oy находим по уравнению аддитивности:

h_oy = h_y +  h_x

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 = F M_Э/P M_F = 5,944*46,07/1,023*22,15 = 12,09

Высота единицы переноса в жидкой фазе равна:

h_x = 0,258 Ф с Pr Z

где с и Ф – коэффициенты определяемые по графику; Pr_x =  – 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:

h_y =

где  - коэффициент определяемый по графику; Ls = L / 0.785d² –массовая плотность орошения, кг/(м² с); d – диаметр колонны;

в мПа ^х с)

Для расчёта h_x и h_y необходимо определить вязкость и коэффициенты диффузии в жидкой D_x и паровой D_y фазах. Вязкость паров для верхней части колонны:

где  и  - вязкости паров воды и этанола при средней температуре верхней части колонны; y_В =(y_P + y_F)/2 – средняя концентрация паров. Подставив получим:

y_В =(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:

D_x = D_{x 20} (1+b(t-20))

Коэффициенты диффузии в жидкости D_{x 20} при 20^оС можно вычислить по приближённой формуле:

D_{x 20} =

Тогда коэффициенты диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20^оС

D_{x В20} =  = 9,3*10^-9 м²/с

Температурный коэффициент

b = = 0,2= 0,017

Отсюда

D_xВ = 9,3*10^-9 (1+0,017(88-20)) = 20,05*10^-9 м²/с

Аналогично находим для нижней части колонны

D_xН = 9,3*10^-9 (1+0,017(97-20)) = 21,47 м²/с

Коэффициент диффузии в паровой фазе

D_y =

Где Т- средняя температура в соответствующей части колонны; Р- абсолютное давление в колонне.

Тогда

D_yВ =  = 9,86*10^-7 м²/с

D_yH = 10,1*10^-7 м²/с

Таким образом, для верхней части колонны:

h_xВ = 0,258 * 0,068 * 0,92(0,396*10^-3/852*20,05*10^-9)^0,53^0,15 = 0,09 м

h_yВ = = 2,26 м

Для нижней части колонны

h_x = 0,09 м

h_y = 2,01

Общая высота единицы переноса

h_{0 yB} = h_y +  h_x = 2,26 +  0,09 = 2,7 м

h_{0 yH} = h_y +  h_x = 2,01 +  0,09 = 2,12 м

Высота насадки:

Н_В = 5,4*2,7 = 14,6

Н_Н = 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

H_K = Zn +(n-1) h_P + Z_B + Z_H = 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

Re_yB = 5310

Re_yH = 10080

Следовательно, режим движения турбулентный.

Для турбулентного режима коэффициент сопротивления сухой насадки в виде беспорядочно засыпанных колец Рашинга

l = 16/Re_y^0.2

l_B = 16/5310^0.2 = 2,88

l_H= 16/10080^0.2 = 2,53

Находим гидравлическое сопротивление сухой насадки

 = = 1509 Па

 = = 483 Па

Плотность орошения

U_B =  = 0,00039 м³/(м²с)

U_Н =  = 0,00091 м³/(м²с)

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:

DР_В = 10^169*0,00039 1509 = 1756,3 Па

DР_В = 10^169*0,00091 483 = 668,3 Па

DР = DР_В + DР_Н = 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.

Приведенный расчет выполнен без учета влияния на основные размеры ректификационной колонны ряда явлений (таких как неравномерность распределения жидкости при орошении, обратное перемешивание, тепловые эффекты и др.), что иногда может внести в расчет существенные ошибки. Оценить влияние каждого из них можно, пользуясь рекомендациями, приведенными в литературе [8, 11, 12] в гл. III.