Определение скорости пара и диаметра колонны, числа тарелок и высоты колонны. Гидравлический расчет тарелок. Тепловой расчет колонны. Выбор конструкции теплообменника. Определение коэффициента теплоотдачи для воды. Расчет холодильника для дистиллята.
.2 Расчет холодильника для дистиллятаКонцентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка выразим в массовых долях по формуле: , где XA - массовая доля низкокипящего компонента в жидкости; MA - мольная масса низкокипящего компонента, кг/кмоль; Подставим полученные значения в формулу: , , .Для определения минимального флегмового числа на диаграмме y-x (Приложение А рис.1) проводят вертикали x=XD и x=XF до пересечения с рабочей линией. Через точки проводят линии с пересечением с осью ординат. Отрезок В отсекаемый этой линией на оси ординат, связан с минимальным флегмовым числом соотношением: исходя из которого и рассчитывают величину Rmin по формуле: . Минимальное флегмовое число при условии, когда кривая равновесия выпуклая и не имеет впадин, можно рассчитать по формуле: где - мольная доля низкокипящего компонента в паре, равновесным с исходной смесью (Приложение А рис.1). Как известно, Rопт - оптимальным считается флегмовое число, соответствующие функции nox(R 1)=f(R), где nox - число единиц переноса, R - флегмовое число.Средние массовые концентрации жидкости а) в верхней части колонны Средние мольные концентрации жидкости а) в верхней части колонны Средние температуры жидкости определяем по диаграмме t - x, y (Приложение А рис.2) а) при t’ср=89?С; Определяем скорость пара в колонне м/с, где С - коэффициент, зависящий от расстояния между тарелками h, которое принимаем h=300 мм, для ситчатых тарелок С=0,032 (с.323 [1]). Определим объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне ?СВысоту колонны определим графоаналитическим методом, т.е. последовательно рассчитываем коэффициенты массоотдачи, массопередачи, коэффициенты полезного действия тарелок; строим кинетическую кривую и определяем число действительных тарелок. Коэффициент массоотдачи в паровой фазе рассчитывают по формуле: , где Dп - коэффициент диффузии паров бензола в парах толуола, рассчитывается по формуле: , где Мб, Мт - мольные массы пара бензола и толуола; ?ср.п ,?б, ?т - соответствующие им динамические коэффициенты вязкости: в верхней части колоны при температуре t=92,7 ?С ?б= 0,00904 МПА?с, ?т= 0,00873 МПА?с в нижней части колонны при t=105,5 ?С ?б= 0,00936 МПА?с, ?т= 0,00902 МПА?с; Рассчитываем коэффициент диффузии паров по формуле: а) в верхней части колонны м/с2; Коэффициент диффузии пара в жидкости Dt связан с коэффициентом диффузии D20 следующей приближенной зависимостью: где b - температурный коэффициент.В соответствии с рассчитанным выше диаметром колонны подбираем стандартную колонну и тарелки. Принимаем к установке колонный аппарат диаметром 2000 мм; колонна компонуется из однопоточных неразъемных нормализированных тарелок типа ТС-Р. Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстий d=4 мм, высота сливной перегородки hn=40 мм. Диаметр колонны, D, мм Свободное сечение колонны, м2 Рабочее сечение тарелки Диаметр отверстия, d, мм Шаг между отверстиями t, мм Относительное свободное сечение тарелки Fc, % Сечение перелива, м2 Относит площадь перелива, % Периметр слива Lc, м Масса тарелки, кг Гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны рассчитывается по уравнению: Гидравлическое сопротивление сухой тарелки: , где ? - коэффициент сопротивления тарелки: для ситчатых тарелок со свободным сечением отверстий 7 - 10% ?=1,82;Расход теплоты, получаемой жидкостью от конденсирующего пара в кубе-испарителе колонны QK = Qd G d C d t d Gw Cw tw - Gf Cf tf Qпот, где Qd - расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров; Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле: Cf = Сб · f Ct · (1-f), где: Сб, Ст - теплоемкости бензола и толуола, определенные при tf=100,3 ?С (с. Q d = G d (R 1) r d , где rd - удельная теплота конденсации дистиллята, определяется по формуле КДЖ/кг, где rб, rt - удельная теплота конденсации бензола и толуола при td=80,8?С (с. ? - суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, определяется по формуле ? =9,3 0,058 тст.н = 9,3 0,058·40 = 11,62 Вт/(м2·К), Fн - наружная поверхность изоляции колонны, определяем ее по формулеВ дефлегматоре конденсируется бензол с небольшим количеством толуола.Расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров Q d = 1691444 Вт.Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара органических веществ к воде находится в пределах 340-870 Вт/(м?·К) (с. Составляем схему процесса теплопередачи.Уточняем значение критерия Рейнольдса Re Критерий Прандтля для воды при средней температуре t2=28?С равенРассчитаем коэффициент теплоотдачи при конденсации паров бензола на пучке горизонтальных труб , где ?=0,58 - коэффициент, зависящий от расположения и числа труб по вертикали в пучке, для шахматного расположения труб и числе труб nв=17 (с.162 [1]);Примем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны воды 1/rзагр.1=2900 Вт/(м2·К), со стороны паров бензол
План
Содержание
Введение
Физико-химические характеристики продукта
1. Принципиальная технологическая схема ситчатой тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия и ее описание
2. Технологический расчет
2.1 Материальный баланс
2.2 Расчет флегмового числа
2.3 Определение скорости пара и диаметра колонны
2.4 Определение числа тарелок и высоты колонны
3. Гидравлический расчет тарелок
4. Тепловой расчет колонны
5. Расчет вспомогательного оборудования
5.1 Расчет дефлегмаотра
5.1.1 Температурная схема
5.1.2 Предварительный выбор конструкции теплообменника
5.1.3 Определение коэффициента теплоотдачи для воды
5.1.4 Определение коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб
5.1.5 Расчет коэффициента теплопередачи
Список литературы
Приложени
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.
Физико-химические характеристики продукта
Продуктом этой смеси являются бензол и толуол.
Бензол
Молекулярный вес 78 кг/моль;
Плотность 879 кг/м3;
Температура плавления 5,5?С;
Температура кипения 80,1?С;
Бесцветная жидкость. Образует с водой азеотропную смесь, благодаря этому легко обезвоживается при перегонке. В настоящее время производится преимущественно из нефтяного сырья каталитическим риформингом или гидродеметилированием толуола. Широко применяется в химической промышленности.
Толуол
Молекулярный вес 92 кг/моль;
Плотность 866 кг/м3;
Температура плавления - 93?С;
Температура кипения 110,6?С;
Бесцветная жидкость. Главное применение - производство взрывчатых веществ, бензойного альдегида, фенола и хлористого бензила - полупродуктов анилинокрасочной, парфюмерной, пищевой и других отраслей промышленности. Применяется как растворитель.
1. Принципиальная технологическая схема сетчатой тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия и ее описание
- 40 - 40 - Оборотная вода КО1-2 Конденсатоотводчик 2
Непрерывно действующие установки. Ректификационная колонна имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится вне колонны, т. е. является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара.
Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке. Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна х1 (по низкокипящему компоненту), а ее температура t1. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием НК у1>х1.
Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. На второй тарелке жидкость имеет состав x2 содержит больше НК, чем на первой (х2 > х1), и соответственно кипит при более низкой температуре (t2 x2, и т. д.
Таким образом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.
Пары конденсируются в дефлегматоре, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.
Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.
На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называемую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.
Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено, возможно, большее укрепление паров, т. е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.
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 XF . 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 xw, т. е. обеднен НК. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается НК. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью состава XD, 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 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, неравномерный процесс разделения смеси на дистиллят (с высоким содержанием НК) и кубовый остаток (обогащенный ВК).
