Расчет высоты светлого слоя жидкости и паросодержания барботажного слоя
Кафедра процессов и аппаратов
Пояснительная записка
к курсовому проекту по процессам и аппаратам на тему:
Расчет ректификационной установки».
Выполнил: Прохоров С.А.
ИХТ факультета
Группа И–43
Задание: № 11
Проверила: Слонимская Е. А.
Москва 2008
Оглавление:
1. Введение . . . . . . . . . . 2
2. Описание технологической схемы установки . . . . . 2
3. Основные физико–химические свойства перерабатываемых веществ и получаемых продуктов . . . . . . . . . 3
4. Технологический расчет . . . . . . . . 12
4.1. Расчет диаметра тарельчатой ректификационной колонны . . 12
4.1.1. Пересчет концентраций . . . . . . 12
4.1.2. Материальный баланс колонны . . . . . 12
4.1.3. Расчет минимального флегмового числа . . . . 12
4.1.4. Расчет условно–оптимального флегмового числа . . . 13
4.1.5. Расчет мольной массы жидкости в верхней и нижней частях колонны 13
4.1.6. Расчет скорости пара и диаметра колонны . . . 14
4.2. Определение действительного числа тарелок и высоты колонны . 16
4.2.1. Расчет высоты светлого слоя жидкости и паросодержания барботажного слоя . . . . . . . . . 16
4.2.2. Расчет коэффициента молекулярной диффузии распределяемого компонента в жидкости и паре . . . . . . . 17
4.2.3. Расчет коэффициента массоотдачи . . . . . 18
5. Тепловые расчеты . . . . . . . . 24
5.1. Расчет дефлегматора . . . . . . . 24
5.2. Расчет холодильника дистиллята . . . . . . 25
5.3. Расчет кипятильника . . . . . . . 26
5.4. Расчет холодильника кубового остатка . . . . . 27
5.5. Расчет подогревателя потока питания . . . . . 27
5.6. Расчет и выбор диаметров штуцеров и трубопроводов . . . 28
6. Заключение . . . . . . . . . 28
7. Список используемой литературы . . . . . . 29
1. Введение
Темой курсового проекта является разработка промышленной ректификационной установки для разделения смеси хлороформ – этанол.
Ректификационная установка включает в себя подогреватель исходной смеси, ректификационную колонну с кипятильником и дефлегматором, холодильники кубового остатка и дистиллята. Ректификационная колонна представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат тарельчатого типа.
Кипятильник и дефлегматор подбираются выносными, что позволяет использовать стандартную аппаратуру с любой поверхностью теплообмена, обладающую относительно небольшим гидравлическим сопротивлением и обеспечивает удобство монтажа и обслуживания (замену, чистку и т.п.).
Проектируемая ректификационная установка должна обеспечивать получение дистиллята и кубового остатка в заданном количестве и заданного состава:
F = 3 кг/с; хw = 0,06; xf = 0,30; xp = 0,75.
При выполнении работы было использовано программное обеспечение кафедры процессов и аппаратов химической технологии для следующих целей:
- расчет оптимального флегмового числа (для сравнения с рассчитанным вручную графоаналитическим методом);
- подбор холодильников и подогревателя.
Описание технологической схемы установки
1-емкость для исходной смеси;2,3-насосы;4-холодильник кубовой жидкости;
5-кипятильник;6-ректификационная колонна;7-дефлегматор;8-холодильник
дистиллята;9-емкость для сбора дистиллята;10-емкость для кубовой жидкости.
Описание процесса
Исходную из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в холодильник кубовой жидкости 4, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 6 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси хF .
Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильник 5.
Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка хw, т.е. обеднен легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состав хр, получаемой в дефлегматоре 7 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения-дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 8 и направляется в промежуточную емкость 9 .
Из кубовой части колонны насосом 3 непрерывно выводится кубовая жидкость-продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 4 и направляется в емкость 10.
Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный равновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента-хлороформа) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом – этанолом).
3. Основные физико-химические свойства перерабатываемых веществ и получаемых продуктов
| Четыреххлористый углерод | 1,2-дихлорэтан | |
| Химическая формула | CHCl3 | С2H5OH |
| Температура кипения при давлении 1 ата, оС | 61,2 | 78,3 |
| Молекулярная масса, г/моль | 119,38 | 46,07 |
[ 3, стр. 541, табл.. XLIV ]
Плотности веществ при различной температуре
| Вещество | Плотность кг/м3 | |||||||
| -20 оС | 0 оС | 20 оС | 40 оС | 60 оС | 80 оС | 100 оС | 120 оС | |
| CHCl3 | ||||||||
| С2H5OH |
[ 3, стр. 512, табл. IV ]
Динамические коэффициенты вязкости жидких веществ при различной температуре
| Вещество | Динамический коэффициент вязкости, мПа×с (сП) | |||||||||
| 0 оС | 10 оС | 20 оС | 30 оС | 40 оС | 50 оС | 60 оС | 80 оС | 100 оС | 120 оС | |
| CHCl3 | 0,7 | 0,63 | 0,57 | 0,51 | 0,446 | 0,426 | 0,39 | 0,33 | 0,29 | 0,26 |
| С2H5OH | 1,78 | 1,46 | 1,19 | 1,0 | 0,825 | 0,701 | 0,591 | 0,435 | 0,326 | 0,248 |
[ 3. стр. 516, табл. IX ]
Динамические коэффициенты вязкости паров веществ при различной температуре
| Вещество | Динамический коэффициент вязкости m×107 Па×с (мкП) | |||||
| 0 ° | 20 ° | 50 ° | 100 ° | 120 ° | 150 ° | |
| CHCl3 | ||||||
| С2H5OH |
[ 6. том1, стр. 1002 ]
Коэффициенты теплопроводности жидких веществ при различной температуре
| Вещество | Коэффициент теплопроводности, 10–3 Вт/(м×К) | ||||
| 273 К | 293 К | 313 К | 333 К | 353 К | |
| CHCl3 | 207,014 | 189,569 | 167,472 | 145,375 | 125,0225 |
| С2H5OH | 186,08 | 181,428 | 177,939 | 173,287 | 167,472 |
| Вода |
[ 5. стр. 192, рис. XI ]
Поверхностное натяжение жидких веществ при различной температуре
| Вещество | Поверхностное натяжение 108 Н/м | |||||||
| 0 оС | 20 оС | 40 оС | 60 оС | 80 о С | 100 оС | 120 оС | ||
| CHCl3 | 27,2 | 24,4 | 21,7 | 16,3 | 13,6 | |||
| С2H5OH | 22,3 | 20,6 | 17,3 | 15,5 | 13,4 |
[ 3. стр. 526, табл. XXIV ]
Удельная теплота парообразования (кДж/кг)
| Вещество | Удельная теплота парообразования (кДж/кг) | ||||
| 0 оС | 20 оС | 60 оС | 100 оС | ||
| CHCl3 | 271,5 | 263,1 | 247,6 | 231,3 | |
| С2H5OH | 921,8 | 913,4 | 879,9 | 812,9 | |
[ 3. стр. 541, табл. XLV ]
Равновесные составы жидкости и пара для системы хлороформ-этанол при Р = 760 мм рт. ст.
| Мольная доля хлороформа | Температура кипения смеси, оC | |||||
| в жидкости | в паре | |||||
| 78,3 | ||||||
| 7,5 | 20,3 | 74,6 | ||||
| 15,6 | 37,5 | 70,95 | ||||
| 20,4 | 45,9 | 68,85 | ||||
| 49,9 | 67,9 | |||||
| 25,5 | 53,3 | 66,9 | ||||
| 29,5 | 56,9 | 65,9 | ||||
| 38,2 | 64,5 | 63,6 | ||||
| 50,6 | 70,7 | 61,5 | ||||
| 63,3 | 75,2 | 60,15 | ||||
| 69,3 | 59,75 | |||||
| 80,7 | 82,3 | 59,25 | ||||
| 83,1 | 83,4 | 59,2 | ||||
| 89,5 | 87,2 | 59,55 | ||||
| 60,5 | ||||||
| 61,2 | ||||||
[ 3. c.288 табл. 323–324 ]
4. Технологический расчет
4.1. Расчет диаметра тарельчатой ректификационной колонны
4.1.1. Пересчет концентраций
Для расчета материального баланса необходимо перейти от мольных долей к массовым:
где хW, xF, xP – мольные концентрации низкокипящего компонента в кубовом остатке, питании, дистилляте соответственно; М – молекулярные массы.
4.1.2. Материальный баланс колонны.
Расчет материальных потоков в колонне проводится на основании уравнений материального баланса. Уравнения материального баланса колонны:
где:
F – расход исходной смеси 5 кг/c;
W – расход кубового остатка кг/c;
P – расход дистиллята кг/c;
хF – концентрация легколетучего компонента в исходной смеси;
xW – концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке;
xP – концентрация легколетучего компонента в дистилляте;
Решая систему этих уравнений, находим расход кубового остатка и дистиллята:
4.1.3. Расчет минимального флегмового числа
Определяем по диаграмме Х–Y состав пара, равновесного к составу жидкости в исходной смеси: 
Рассчитываем Rmin в соответствии с формулой:
4.1.4. Расчет условно–оптимального флегмового числа
Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости (и основные геометрические размеры) определяются рабочим флегмовым числом, найдем условно–оптимальное флегмовое число исходя из минимального объема ректификационной колонны по минимальному значению произведения N×(R+1), путем построения графика N(R+1) от R.
Для этого:
1) Задаемся ординатой Вверх
2) Строим на диаграмме Х–Y рабочие линии соответствующие выбранным Вверх, вырисовываем ступени между рабочей и равновесной линиями. Считаем теоретические ступени и результаты расчетов сводим в таблицу:
| Bверх | R | N | N(R+1) |
| 0,16 | 2,438 | 12,6 | 43,460 |
| 0,15 | 2,667 | 11,7 | 42,981 |
| 0,14 | 2,929 | 10,9 | 42,965 |
 |
Далее строим график зависимости N(R+1) от R из которого определяем условно–оптимальное флегмовое число: Ropt = 2,76
Расчет на компьютере дал флегмовое число Ropt = 2,742 будем использовать его в дальнейших расчетах, т.к. расчет на компьютере более точный.
4.1.5. Расчет мольной массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.
Мольная масса исходной смеси:
Мольная масса дистиллята:
4.1.6. Расчет скорости пара и диаметра колонны
Диаметр колонны находим из уравнения расхода:
где:
G – массовый расход пара в колонне, кг/с;
d – диаметр колонны, м;
w – скорость пара в сечении колонны, м/с;
ry – плотность пара, кг/м3.
Свойства пара в верхней и в нижней части колонны будут различны, для учета этого факта расчет свойств жидкости и пара, а также основных геометрических размеров колонны будем проводить отдельно для обеих частей колонны.
Средние массовые расходы жидкости в верхней и нижней частях колонны:
Средний мольный состав пара в верхней и нижней части колонны:
Средние мольные массы пара в верхней и нижней частях колонны:
Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны:
Скорость пара в интервале устойчивой работы ситчатых тарелок ректификационной колонны, можно определить из уравнения:
Расчет скорости пара в верхней и нижней частях колонны:
Плотности паров:
Плотности жидкостей:
Скорость пара:
Из уравнения расхода определяем диаметры верхней и нижней частей колонны:
В соответствии с действующими стандартами [1, стр.197, раздел 5.1.4] выбираем стандартный диаметр колонны: dв = 1,8 м.
Пересчитаем скорость в верхней и нижней частях колонны на реальный диаметр:
Техническая характеристика ситчатой тарелки типа ТР (ОСТ 26-666–72)
| Диаметр отверстий в тарелке, мм | d0 = 8 |
| Шаг между отверстиями, мм | t =15 |
| Свободное сечение тарелки, % | Fc = 18,8 |
| Высота переливного порога, мм | hпер = 30 |
| Ширина переливного порога, мм | b = 1050 |
| Рабочее сечение тарелки, м2 | Sт = 2,294 |
Скорость пара в рабочем сечении тарелки:
4.2. Определение действительного числа тарелок и высоты колонны
Расчет высоты светлого слоя жидкости и паросодержания барботажного слоя.
Расчет вязкости жидкости:
Высота светлого слоя жидкости:
Паросодержание барботажного слоя:
