Определение скорости пара и диаметра колонны

Введение

Курсовой проект по дисциплине “Процессы и аппараты химической технологии” является завершающим этапом. Его основой является расчёт ректификационной установки для разделения смеси вода - уксусная кислота.

Для разделения жидких смесей применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, ректификации, экстракции, адсорбции и т.д.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационных тарельчатых или насадочных аппаратах колонного типа. Для создания разности температур потоков в нижнюю часть колонны подводят тепло, а из ее верхней части тепло отводят.

В реальных условиях ректификационной колонны равновесие уходящих из контактной зоны потоков пара и жидкости может не достигаться, в связи с чем эти потоки будут иметь разные температуры, а их составы определяться не только уравнениями равновесия, но и более сложными зависимостями.

Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара, число контактных ступеней. При соответствующем выборе параметров обеспечивается разделение исходной смеси на компоненты (фракции), удовлетворяющие определенным требованиям.

 

Рис. 1. Принципиальная схема ректификационной установки

1 - емкость для исходной смеси; 2,9 - насосы; 3 - теплообменник-подогреватель; 4 кипятильник; 5 ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 – холодильник дистиллята; 8 – емкость для сбора дистиллята; 10 – холодильник кубовой жидкости; 11 – емкость для кубовой жидкости.

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 1. Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси x_F.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка x_W, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкость (флегмой) состава x_Р, получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовой остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

 

Материальный баланс.

Уравнение материального баланса составляем на основании задания:

Производительность по сырью: .

Концентрации низкокипящего компонента (% мас.):

В исходной смеси: ;

В дистилляте: ;

В кубовом остатке: ;

Смесь подается в колонну при температуре начала кипения.

Из уравнений материального баланса (7.4 и 7.5, [1]):

;

где – массовые расходы сырья, дистиллята и кубового остатка соответственно.

Для дальнейших расчетов необходимо перевести массовые концентрации низкокипящего компонента в мольные:

Исходная смесь:

.

Дистиллят:

.

Кубовой остаток:

.

 

 

где , — молярная масса воды и уксусной кислоты соответственно.

=18, =60 г/ моль

 

2. Построение равновесной и рабочей линий и диаграммы

Для построения диаграммы t-x, y воспользуемся данными таблицы 2.1

Таблица 2.1

t, °C	Pв, мм рт.ст.	Pук, мм рт.ст.	П, мм рт.ст.	x	y
			0,70455	0,82667
			0,5625	0,72
			0,5	0,66667
			0,44231	0,61333
			0,375	0,55
			0,29688	0,475
			0,22059	0,37647
			0,16176	0,28471
			0,09211	0,17684
			0,0641	0,1265

 

Мольную концентрацию воды в жидкой фазе определим по закону Дальтона:

;

Мольную концентрацию воды в паровой фазе определим по уравнению (6.8, [1]):

.

В результате получаем диаграмму для бинарной смеси вода-уксусная кислота (рис. 2.1):

Рис. 2.1. Диаграмма .

где - мольные концентрация низкокипящего компонента (вода) в жидкой и паровой фазе смеси вода-уксусная кислота соответственно.

Далее используем данные, представленные в таблице 2.1, для построения равновесной линии () для заданной смеси.

Для построения рабочей линии необходимо найти флегмовое число R, чтобы это сделать найдем сначала минимальное флегмовое число по уравнению (7.10, [1]):

,

где - мольная доля воды в паре, равновесном с жидкостью питания. Находим из диаграммы (рис. 2.2):

Рис. 2.2. Диаграмма с изображением равновесной линии процесса ректификации.

.

Рабочее число флегма определяется по уравнению (7.12, [1]):

.

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

;

;

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

где - относительный мольный расход исходной смеси:

.

;

На основе полученных выше данных построим рабочую линии на диаграмме х-у, сделаем это следующим образом:

1) Проведем линию х=х_D до пересечения с диагональю и получим точку А.

2) Отложим на оси у отрезок B=0,279 (из уравнения верхней части колонны) – получим точку B;

3) Соединим точки А и B – получим прямую АB;

4) Проведем линию х=x_Fдо пересечения с AB и получим точку C;

5) Проведем линию х=х_w до пересечения с диагональю и получим точку D;

6) Соединим точки С и D; в результате получаем ACD – рабочая линия.

 

Нанесем рабочие линии на диаграмму на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Диаграмма с изображением рабочих линий процесса ректификации.

 

Подбор штуцеров

Расчет штуцеров ведем по формуле (1.21 [5]):

где D – диаметр штуцера, V, W - расход и скорость среды соответственно.

1. Для ввода сырья в колонну:

принимаем скорость сырья

- плотность при вводе сырья в колонну (при ).

 

Расход сырья при входе в колонну:

;

Принимаем штуцер по ОСТ 26 – 1404 – 76 – ОСТ

по табл. 10.2 [5],

D = 0.08м

Скорость на входе сырья в колонну:

 

2. Штуцер для вывода дистиллята:

,

где .

Принимаем скорость дистиллята .

,

Принимаем штуцер по ОСТ 26 – 1404 – 76 – ОСТ26 – 1410 – 76 по табл. 10.2 [5] сD = 0,5 м.

Тогда .

3. Для возврата флегмы в колонну:

- плотность флегмы при вводе в колонну (при ).).

Принимаем скорость флегмы .

Принимаем штуцер по ОСТ 26 – 1404 – 76 – ОСТ26 – 1410 – 76

по табл. 10.2 [4] D = 0,08 м, тогда

4. Для ввода горячей струи в колонну:

Примем скорость горячей струи пара 15 м/c

Расход горячей струи:

, где .

Принимаем штуцер по ОСТ 26 – 1404 – 76 – ОСТ26 – 1410 – 76

по табл. 10.2 [5] D = 0,7м

 

5. Для отвода жидкости из куба:

Объемный расход жидкости в нижней части колонны:

- плотность кубового остатка при выводе из колонны (при ).

Принимаем скорость кубового остатка

Принимаем штуцер по ОСТ 26 – 1404 – 76 – ОСТ26 – 1410 – 76

по табл. 10.2 [5]

D = 0,15 м, тогда

 

 

Список литературы

1. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов. – Л.: Химия, 1976. 552 с.

2. Гурвич В. Л. Сосновский Н. П. Избирательные растворители в переработке нефти. Справочная книга. 1975, 320 стр.

3. Бретшнайдер Ст. Свойства жидкостей и газов. Химия, 1966, стр. 197.

4. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под редакцией Ю.И. Дытнерского, 2 – е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. – 496 с.

5. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник/ Лащинский А.А., Л,: Машиностроение,1981. – 382 с.

Введение

Курсовой проект по дисциплине “Процессы и аппараты химической технологии” является завершающим этапом. Его основой является расчёт ректификационной установки для разделения смеси вода - уксусная кислота.

Для разделения жидких смесей применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, ректификации, экстракции, адсорбции и т.д.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационных тарельчатых или насадочных аппаратах колонного типа. Для создания разности температур потоков в нижнюю часть колонны подводят тепло, а из ее верхней части тепло отводят.

В реальных условиях ректификационной колонны равновесие уходящих из контактной зоны потоков пара и жидкости может не достигаться, в связи с чем эти потоки будут иметь разные температуры, а их составы определяться не только уравнениями равновесия, но и более сложными зависимостями.

Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара, число контактных ступеней. При соответствующем выборе параметров обеспечивается разделение исходной смеси на компоненты (фракции), удовлетворяющие определенным требованиям.

 

Рис. 1. Принципиальная схема ректификационной установки

1 - емкость для исходной смеси; 2,9 - насосы; 3 - теплообменник-подогреватель; 4 кипятильник; 5 ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 – холодильник дистиллята; 8 – емкость для сбора дистиллята; 10 – холодильник кубовой жидкости; 11 – емкость для кубовой жидкости.

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 1. Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси x_F.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка x_W, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкость (флегмой) состава x_Р, получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовой остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

 

Материальный баланс.

Уравнение материального баланса составляем на основании задания:

Производительность по сырью: .

Концентрации низкокипящего компонента (% мас.):

В исходной смеси: ;

В дистилляте: ;

В кубовом остатке: ;

Смесь подается в колонну при температуре начала кипения.

Из уравнений материального баланса (7.4 и 7.5, [1]):

;

где – массовые расходы сырья, дистиллята и кубового остатка соответственно.

Для дальнейших расчетов необходимо перевести массовые концентрации низкокипящего компонента в мольные:

Исходная смесь:

.

Дистиллят:

.

Кубовой остаток:

.

 

 

где , — молярная масса воды и уксусной кислоты соответственно.

=18, =60 г/ моль

 

2. Построение равновесной и рабочей линий и диаграммы

Для построения диаграммы t-x, y воспользуемся данными таблицы 2.1

Таблица 2.1

t, °C	Pв, мм рт.ст.	Pук, мм рт.ст.	П, мм рт.ст.	x	y
			0,70455	0,82667
			0,5625	0,72
			0,5	0,66667
			0,44231	0,61333
			0,375	0,55
			0,29688	0,475
			0,22059	0,37647
			0,16176	0,28471
			0,09211	0,17684
			0,0641	0,1265

 

Мольную концентрацию воды в жидкой фазе определим по закону Дальтона:

;

Мольную концентрацию воды в паровой фазе определим по уравнению (6.8, [1]):

.

В результате получаем диаграмму для бинарной смеси вода-уксусная кислота (рис. 2.1):

Рис. 2.1. Диаграмма .

где - мольные концентрация низкокипящего компонента (вода) в жидкой и паровой фазе смеси вода-уксусная кислота соответственно.

Далее используем данные, представленные в таблице 2.1, для построения равновесной линии () для заданной смеси.

Для построения рабочей линии необходимо найти флегмовое число R, чтобы это сделать найдем сначала минимальное флегмовое число по уравнению (7.10, [1]):

,

где - мольная доля воды в паре, равновесном с жидкостью питания. Находим из диаграммы (рис. 2.2):

Рис. 2.2. Диаграмма с изображением равновесной линии процесса ректификации.

.

Рабочее число флегма определяется по уравнению (7.12, [1]):

.

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

;

;

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

где - относительный мольный расход исходной смеси:

.

;

На основе полученных выше данных построим рабочую линии на диаграмме х-у, сделаем это следующим образом:

1) Проведем линию х=х_D до пересечения с диагональю и получим точку А.

2) Отложим на оси у отрезок B=0,279 (из уравнения верхней части колонны) – получим точку B;

3) Соединим точки А и B – получим прямую АB;

4) Проведем линию х=x_Fдо пересечения с AB и получим точку C;

5) Проведем линию х=х_w до пересечения с диагональю и получим точку D;

6) Соединим точки С и D; в результате получаем ACD – рабочая линия.

 

Нанесем рабочие линии на диаграмму на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Диаграмма с изображением рабочих линий процесса ректификации.

 

Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны:

;

б) в нижней части колонны:

.

Найдём средние концентрации пара по уравнениям рабочих линий:

а) в верхней части колонны:

;

б) в нижней части колонны:

Средние температуры пара определяем по диаграмме (рис. 3.1):

Рис. 3.1. Диаграмма для нахождения температур пара и .

а) при ,

б) при .

Средние мольные массы и плотности пара:

а) в верхней части колонны:

;

;

б) в нижней части колонны:

;

.

Средняя плотность пара в колонне:

.

Температура в верху колонны при равняется , а в кубе-испарителе при она равна (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Диаграмма для нахождения температур пара и .

Плотность воды при ,уксусной кислоты при .

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

.

По данным каталога-справочника «Колонные аппараты» [3] принимаем расстояние между тарелками . Для ситчатых тарелок по графику (рис. 7.1, [1]) находим . А, Б – колпачковые тарелки с круглыми колпачками; В – ситчатые тарелки.

Скорость пара в колонне определим по уравнению (7.17 a, [1]):

.

Объёмный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне:

;

,

где - мольная масса дистиллята, равная:

.

.

Диаметр колонны:

.

Принимаем . Тогда скорость пара в колонне будет: