Расчет ректификационной колонны

Реферат

 

В данной работе приводится расчет ректификационной колонны с  клапанными тарелками для разделения смеси уксусная кислота– вода. Текстовый материал приводится на 37 страницах, использовано 5 литературных источников, 2 листа графической части А1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение………………………………………………………………………5

1 Принципиальная технологическая схема и ее описание………………...6

2 Технологический расчет……………………………………………………8

2.1 Материальный баланс…………………………………………………….8

2.2 Расчет флегмового числа………………………………………………...10

2.3 Определение средних концентраций  низкокипящего компонента

в жидкости и паре, определение  средних температур жидкости и пара

 по высоте колонны……………………..……………………………………12

2.4 Определение скорости пара и диаметра в колонне…………………….14

2.5 Определение высоты колонны…………………………………………..14

3 Гидравлический расчет колонны………………………………………….21

4 Тепловой расчет ректификационной  колонны…………………………...23

4.1 Расчет тепловой  изоляции колонны……………………………………..25

5 Расчет вспомогательного  оборудования…………………………………..26

   5.1 Кипятильник (куб – испаритель)……………………………………….26

      5.1.1Определение коэффициента теплопередачи……………………….27

2. Дефлегматор……………………………………………………………30
3. Холодильник для дистиллята………………………………………….32

5.4 Холодильник для кубового остатка…………………………………..33

5.5 Подогреватель………………………………………………………….35

Заключение…………………………………………………………………37

Список использованной литературы……………………………………..38

 

 

 

 

 

Введение

 

Ректификация – массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемым в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего.

Большое разнообразие тарельчатых  контактных устройств затрудняет выбор  оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы  объема аппарата, его стоимость и  др.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способностью тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Расчет ректификационной колоны сводится к определению ее основных параметров – диаметра и  высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который в свою очередь, зависит, от скорости и физических свойств фаз, а так же от типа и размеров тарелок.

При расчете процессов  ректификации составы жидкостей  обычно задаются в массовых долях  или процентах, а для практического расчета удобнее пользоваться составами жидкостей и пара, выраженными в мольных долях или процентах

Ситчатые тарелки имеют  достаточно высокую эффективность, низкое сопротивление и малую  металлоемкость. Они применяются  преимущественно в колоннах для обработки чистых жидкостей при атмосферном давлении и вакууме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.. Схема ректификационной установки

 

Рис. 1 Принципиальная схема ректификационной установки

 

Описание ректификационной установки

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис.6. Исходная смесь из промежуточной емкости 9 центробежным насосом 10 подается в теплообменник 5, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 1 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси Х_F.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся  вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 2. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка Xw, 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 жидкостью (флегмой) состав ХР, которая получается в дефлегматоре 3 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Затем жидкость направляется в делитель флегмы 4. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 6, и направляется в сборник дистиллята 11 при помощи насоса 10.

Из кубовой части колонны  насосом 10 непрерывно выводится кубовая  жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим  компонентом, который охлаждается  в холодильнике остатка 7 и направляется в емкость 8. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравномерный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовой остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

Расчет ректификационной колоны сводится к определению ее основных параметров – диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который в свою очередь, зависит, от скорости и физических свойств фаз, а так же от типа и размеров тарелок.

 

 

 

Исходные данные: x_d= 95 %;x_f = 20 % ; x_w= 8 % ; G_D = 0,5 кг/с.

 

2 Технологический расчет

 

2.1 Материальный баланс

 

Уравнения материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия, учитывающее количество поступающих и уходящих потоков, имеет следующий вид:

G_F = G_D +G_W          (1)

где G_F – количество поступающей на разделение смеси, кг/с;

G_D – массовый расход дистиллята, кг/с;

G_W – массовый расход кубового остатка, кг/с;

G_F∙Х_F = G_D∙Х_D +G_W∙Х_W                      (2)

где Х_D – концентрация низкокипящего компонента в дистилляте, массовые доли;

Х_W – концентрация низкокипящего компонента в кубовом остатке, массовые доли;

Х_F – концентрация низкокипящего компонента в исходной смеси, массовые доли.

Переведем мольные доли в массовые:

Содержание низкокипящего  компонента в питании вычисляют  по формуле:

      (3)

где Х_F  – концентрация низкокипящего компонента в питании, мольные доли;

М_в  – мольная масса низкокипящего компонента, кг/моль;

М_укс – мольная масса высококипящего компонента, кг/моль;

М_укс = 60 кг/кмоль;

М_в   = 18 кг/кмоль; 

= 0,07

Содержание низкокипящего  компонента в дистилляте вычисляют по формуле:

   = 0,85  (4)

где Х_D - концентрация низкокипящего компонента в дистилляте, мольные доли

Содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке вычисляют  по формуле:

      (5)

= 0,025

где Х_W - концентрация низкокипящего компонента в кубовом остатке, мольные доли.

Для того, чтобы найти  массовый расход питания Х_А и массовый расход кубового остатка Х_W подставим исходные данные в уравнение (1) и в уравнение (2). Затем решим эти уравнения совместно.

G_F = 0,5 + G_W

0,5 ∙ 0,85 + G_W ∙ 0,025 = G_F ∙ 0,07 

G_F = 8,7 кг/с

G_W = 8,7 − 0,5 = 8,2 кг/с

Таблица 1 – Равновесные  составы жидкостей (х) и пара (у) в  мол % и температуре кипения (t) ºС двойных смесей при 700мм рт.ст.

t, °C	x	y
118,1	0	0
115,4	0,05	0,092
113,8	0,1	0,167
110,1	0,2	0,302
107,5	0,3	0,425
105,8	0,4	0,53
104,4	0,5	0,626
103,2	0,6	0,716
102,1	0,7	0,795
101,3	0,8	0,864
100,6	0,9	0,93
100	1	1

 

 

По имеющимся данным о равновесии между жидкостью и паром строим изобары температур кипения и конденсации смеси t=f(x,y) и линию равновесия на диаграмме y=f(x)

 

 

 

 

 

Рис.2. Кривая равновесия в координатах для системы уксусная кислота – вода.

 

 

2.2 Расчет флегмового числа

 

Минимальное флегмовое  число при условии, когда кривая равновесия выпуклая и не имеет впадин, можно рассчитать по формуле:

 

,  (6)

 

где – мольная доля низкокипящего компонента в паре, равновесным с исходной смесью, определяется по диаграмме x-y.

Определим содержание уксусная кислота в паре, равновесном с  жидкостью питания у_F*,  по кривой равновесия, представленной на рис.2.

У_F*= 0,30

Подставим в уравнение (6) все необходимые данные и найдем минимальное число флегмы R_min

 

                

 

Оптимальное флегмовое  число найдем из условия получения  минимального объема колонны, пропорционального  произведению n_т(R+1), где  n_т – число ступеней изменения концентрации (теоретическое число тарелок).

Расчет оптимального флегмового числа  выполняем следующим образом:

а) задаемся рядом значений коэффициента избытка флегмы β в пределах от 1,1 до 5,0; определяем рабочее флегмовое число и величину отрезка ;

б) откладываем отрезок В на оси  ординат и проводим линии рабочих  концентраций верхней и нижней частей колонны (прямые АВ₁ и С₁Д, АВ₂ и С₂Д и т.д.);

в) между равновесной и рабочими линиями в пределах концентраций x_W и x_D строим ступени, каждая из которых соответствует теоретической тарелке;

г) при каждом значении β определяем число теоретических тарелок  n_т и величину произведения n_т(R+1). Результаты расчета сводим в таблицу 2.

 

  Таблица 2 – Данные для  расчета оптимального флегмового  числа

 

β	R	В	nт	nт(R+1)
1,1	2,53	0,38	33	116,49
1,6	3,68	0,20	26	121,68
2,1	4,83	0,16	19	98,80
2,6	5,98	0,14	18	123,84
3,1	7,13	0,12	15	128,4

 

 

д) по данным таблицы 2 строим график зависимости n_т(R+1)=f(R) (рисунок 3) и находим минимальное значение величины n_т(R+1). Ему соответствует  флегмовое число  R = 4,83.

 

Рисунок 3. график зависимости n_т(R+1)=f(R)