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 остатоксодержит 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_P кг/ч, кубового остатка через G_W кг/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^х 0,94 + 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_F 0,33 - 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 ^o С

б) при y’’_ср = 0,146 t’’_ср = 97 ^o С

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 ^o С, а в кубе-испарителе при х_W = 0,004 она равна 99 ^o С

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

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:

lgm_х =x_cp lgm_э +(1- x_cp )lgm_в

Тогда

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

lgm_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 wна 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_oy h_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_x M_y

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

n_{oy Н} = = 4,6 n_{oy В} = = 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 = FM_Э /PM_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^о С можно вычислить по приближённой формуле:

D_{x 20} =

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

D_{x В20} = = 9,3*10^-9 м² /с

Температурный коэффициент

b = = 0,2 = 0,017

Отсюда

D_{x В} = 9,3*10^-9 (1+0,017(88-20)) = 20,05*10^-9 м² /с

Аналогично находим для нижней части колонны

D_{x Н} = 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_{y В} = = 9,86*10^-7 м² /с

D_yH = 10,1*10^-7 м² /с

Таким образом, для верхней части колонны:

h_{x В} = 0,258 * 0,068 * 0,92(0,396*10^-3 /852*20,05*10^-9 )^0,5 3^0,15 = 0,09 м

h_{y В} = = 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 /(м² с)

U_Н = = 0,00091 м³ /(м² с)

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.