Проектирование ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси ацетон — уксусная кислота

Тема: проектирование ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси ацетон — уксусная кислота, производительностью 6,0 кг/с по дистилляту

Введение

Задание на проектирование

1. Аналитический обзор

2. Технологическая часть

3. Расчёт тарельчатой ректификационной колонны

3.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

3.2 Скорость пара и диаметр колонны

3.3 Высота колонны

3.3.1 Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержание барботажного слоя

3.3.2. Коэффициенты массопередачи и высота колонны

3.4 Гидравлические сопротивления тарелок колонны

3.5 Тепловой расчет установки

4. Расчет теплообменной аппаратуры

4.1 Подробный расчет подогревателя исходной смеси

4.1.1 Турбулентный режим

4.1.2 Определение гидравлических сопротивлений

4.2 Приближенный расчет теплообменных аппаратов Заключение Список использованной литературы Приложения

Ректификация — массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки тарелки) аналогичными используемым в процессе абсорбции. Поэтому методы подход к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имею много общего. Тем не менее, ряд особенностей процесса ректификации (различие соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массои теплопереноса) осложняет его расчет.

Одна из сложностей заключается в отсутствии обобщенных закономерностей для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко применяемым в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчета ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании абсорбционных процессов (в приведенных в данной главе примерах в основном использованы эти рекомендации).

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 1. Исходную смесь из промежуточной емкости центробежным насосом 10 подают в теплообменник 5, где она подогревается кубовой жидкостью, а затем попадает в догреватель 11, где и доводится до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси х_F

Рис1 — Принципиальная схема ректификационной установки: 1 — ректификационная колонна (а — укрепляющая часть, б — исчерпывающая часть); 2 — кипятильник; 3 — дефлегматор; 4 — делитель флегмы; 5 — подогреватель исходной смеси; 6 — холодильник дистиллята (или холодильник — конденсатор); 7 — холодильник остатка (или нижнего продукта);. 8, 9 — сборники; 10 — насосы; 11 — догреватель исходной смеси 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 х_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 жидкостью (флегмой) состава х_Р, получаемой в дефлегматоре 3 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения — дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 6 и направляется в промежуточную емкость 9.

Из кубовой части колонны непрерывно выводится кубовая жидкость — продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, часть которого охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в емкость 8, а часть направляется к подогревателю исходной смеси 5.

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

Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров — диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа насадки.

В данном курсовом проекте выполняется проектная разработка аппаратуры ректификационной установки с технологическими, тепловыми и гидравлическими расчетами.

«Аналитический обзор» работы содержит информацию об основах процесса ректификации и расчета ректификационных колонн.

В «Технологической части» приведена принципиальная схема процесса ректификации.

В «Инженерном расчете» в соответствии с заданием произведен расчет тарельчатой ректификационной колонны.

Задание на проектирование.

Спроектировать ректификационную установку для непрерывного разделения смеси: ацетон-уксусная кислота. Рассчитать диаметр, высоту, гидравлическое сопротивление ректификационной колонны. Рассчитать тепловой баланс и расход греющего пара, охлаждающей воды. Рассчитать и выбрать теплообменник для подогрева исходной смеси кубовым остатком.

Перечень работ, выполненных на ЭВМ: определить поверхность теплообмена подогревателя исходной смеси.

Основные данные:

1.

2. (мольн.)(мольн.)(мольн.)

3. Давление в колонне: атмосферное.

4. Температура исходной смеси: 15 °C.

5. Температура охлаждающей воды: 11 °C.

6. Давление греющего пара: выборочное.

1. Аналитический обзор

Ректификация — это противоточное взаимодействие двух неравновесных фаз — жидкости и пара, образующегося из этой жидкости. При этом пар непрерывно обогащается низкокипящим (легколетучим) компонентом. Ректификацией может быть достигнута любая заданная степень разделения жидких смесей. Ректификация является сложным процессом дистилляции.

Аппараты, служащие для проведения ректификации, — ректификационные колонны — состоят из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара, — куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр, внутри которого установлены т. н. тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал — насадка (соответственно существуют насадочные и тарельчатые ректификационные колонны). Куб и дефлегматор — это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и роторные испарители). Также важными элементами являются теплообменники для подогрева исходной смеси и охлаждения кубового остатка и дистиллята.

Назначение тарелок и насадки — развитие межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости.

В качестве насадки в насадочных ректификационных колоннах обычно используются кольца Рашига, кольца Паля, сёдла Берля, сёдла интеллокс или пластмассовые розетки Теллера.

Т.к. в данном проекте рассматривается тарельчатая колонна, то больше внимания уделим тарельчатым контактным устройствам.

Эти устройства можно классифицировать по многим признакам; например, по способу передачи жидкости с тарелки на тарелку различают тарелки с переливными устройствами и тарелки без переливных устройств (провальные).

Тарелки с переливными устройствами имеют специальные каналы, по которым жидкость перетекает с одной тарелки на другую, причем по этим каналам не проходит газ. На провальных тарелках нет переливных устройств, и жидкость, и газ проходят через одни и те же отверстия или прорези в полотне тарелки. Эти прорези работают периодически: в определенный момент времени одни прорези пропускают пар, другие — жидкость; затем их роли меняются.

По характеру взаимодействия газового и жидкостного потоков различают тарелки барботажного и струйного типов. Тарелки, на которых сплошной фазой является жидкость, а дисперсной — газ или пар, называют барботажными. На струйных тарелках дисперсной фазой является жидкость, сплошной — газ; потоки взаимодействуют в прямоточном режиме на поверхности капель и жидкостных струй, взвешенных в газовом потоке.

В зависимости от конструкции устройств ввода пара (газа) в жидкость различают тарелки клапанные, колпачковые, ситчатые, язычковые, решетчатые и др. Одни из этих тарелок могут работать только в барботажном режиме (колпачковые), другие — только в струйном (язычковые), третьи и в том, и в другом режимах (клапанные).

В химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающих отраслях промышленности наиболее распространены барботажные тарелки с переливами.

Рассмотрим некоторые конструкции барботажных тарелок с переливными устройствами подробнее:

1. Колпачковые тарелки (рис. 1) с капсульными колпачками до недавнего времени считали лучшими контактными устройствами для ректификационных и абсорбционных аппаратов благодаря простоте эксплуатации и универсальности.

Основной частью колпачковой тарелки является стальной диск 1 (или полотно тарелки) с отверстиями для паровых патрубков 6. Патрубки приварены к диску. Над патрубками установлены колпачки 5 диаметром 60 или 80 мм. Колпачки имеют прорези высотой 15; 20 или 30 мм.

Рис. 1 Колпачковая тарелка Для создания, необходимого уровня жидкости на тарелке последнюю снабжают сливной перегородкой 3. Переливная перегородка 1 образует переливной карман а, в который погружается сливная планка 4 тарелки, расположенной выше.

Применяют два варианта крепления колпачка к тарелке. В исполнении 1 положение колпачка можно регулировать по высоте, в исполнении 2 регулирование невозможно, и нижние кромки прорезей в этом случае упираются в полотно тарелки.

Тарелка работает следующим образом. Поступающая жидкость заполняет тарелку на высоту, определяемую сливной перегородкой 3, при этом прорези колпачков должны быть погружены в жидкость. Пар проходит через паровые патрубки, щели колпачков и барботирует сквозь слой жидкости. Газ и жидкость взаимодействуют в перекрестном токе: жидкость движется по тарелке от переливного кармана к сливной перегородке и далее на расположенную ниже тарелку, а газ — вверх по оси колонны.

Колпачковые тарелки можно изготовлять из чугуна, меди, керамики, углеграфита, пластмасс и др.

Тарелки с капсульными колпачками имеют относительно высокий КПД (0,75—0,80) и работают в широком диапазоне производительностей по газу. Их можно использовать при нестабильных нагрузках по жидкости и пару. Для этих тарелок гидравлическое сопротивление, зависящее от глубины погружения колпачка, не превышает 1 кПа. К недостаткам этих тарелок следует прежде всего отнести значительные металлоемкость и трудоемкость изготовления.

2. Клапанные тарелки также широко применяют в нефтехимической промышленности. Основные преимущества этих тарелок — способность обеспечить эффективный массообмен в большом интервале рабочих нагрузок, несложность конструкции, низкая металлоемкость и невысокая стоимость.

Клапанные тарелки изготовляют с дисковыми и прямоугольными клапанами; работают тарелки в режиме прямоточного или перекрестного движения фаз. В отечественной промышленности наиболее распространены клапанные прямоточные тарелки с дисковыми клапанами. На клапанной прямоточной тарелке (рис. 2) в шахматном порядке расположены отверстия, в которых установлены саморегулирующиеся дисковые клапаны диаметром 50 мм, способные подниматься при движении пара (газа) на высоту до 6—8 мм.

Рис. 2 Клапанно-прямоточная тарелка Дисковый клапан снабжен тремя направляющими, расположенными в плане под углом 45°; две из этих направляющих имеют большую длину. Кроме того, на диске клапана штамповкой выполнены специальные упоры, обеспечивающие начальный зазор между диском и тарелкой; это исключает возможность «прилипания» клапана к тарелке (положение I). При небольшой производительности по пару поднимается легкая часть клапана (положение II) и пар выходит через щель между клапаном и полотном тарелки в направлении, противоположном направлению движения жидкости по тарелке. С увеличением скорости пара клапан поднимается и зависает над тарелкой (положение III); теперь пар барботирует в жидкость через кольцевую щель под клапаном. При дальнейшем увеличении производительности по пару клапан занимает положение, при котором пар выходит в направлении движения жидкости, уменьшая разность уровней жидкости на тарелке (положение IV). При этом короткая направляющая фиксируется в специальном вырезе на кромке отверстия, обеспечивая заданное положение клапана при его подъеме. У клапанных тарелок достаточно высокий диапазон устойчивой работы, который составляет 3,5, а также довольно низкое гидравлическое сопротивление.

Существуют также жалюзийно-клапанные тарелки (рис. 3), которые несколько отличаются:

Рис. 3

В жалюзийно-клапанной тарелке щель для входа газа на тарелку 1 образуется при повороте плоских клапанов-жалюзей 3 вокруг их оси, укрепленной в рамке 2.

3. Ситчатые тарелки со сливным устройством применяют в колонных аппаратах диаметром 400—4000 мм при расстоянии между тарелками от 200 мм и более. Основной элемент таких тарелок — металлический диск с отверстиями диаметром 2−6 мм, расположенными по вершинам равносторонних треугольников.

Рис. 4. Элемент ситчатой тарелки В колоннах диаметром более 800 мм тарелки состоят из отдельных секций. По креплению секций тарелки к корпусу и устройству переливов такие колонны аналогичны аппаратам с колпачковыми и клапанными тарелками. Преимущество ситчатой тарелки — большое свободное (т. е. занятое отверстиями) сечение тарелки, а следовательно, и высокая производительность по пару, простота изготовления, малая металлоемкость. По производительности по пару (газу) эти тарелки на 30—40% превосходят колпачковые. Недостаток — высокая чувствительность к точности установки. Аппараты с ситчатыми тарелками не рекомендуется использовать для работы на загрязненных средах; это может вызвать забивание отверстий.

2. Технологическая часть

ректификационный смесь ацетон уксусный кислота

Исходная смесь из промежуточной емкости центробежным насосом подается в теплообменник, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в середину ректификационной колонны на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубового остатка, т. е. обедненным 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 — получаемой в дефлегматоре путем конденсации пара, выходящего из колонны.

Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения — дистиллята, которых охлаждается в теплообменнике и направляется в промежуточную емкость.

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

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

3. Расчет тарельчатой ректификационной колонны

3.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

Производительность колонны по дистилляту D и кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса колонны:

(1)

Отсюда находим:

— массовый расход дистиллята (2)

— массовый расход кубового остатка (3)

Мольная масса ацетона составляет, уксусной кислоты, следовательно, пересчитаем составы фаз из мольных долей в массовые по соотношению:

(4)

где и — молекулярные массы соответственно ацетона и уксусной кислоты,, аналогично находим и:

Рассчитаем массовые расходы дистиллята и кубового остатка:

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R. Минимальное флегмовое число Rmin определяем по формуле:

(5)

где и — мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте; - концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, .

Рабочее флегмовое число находим по уравнению [2, 352]:

(6)

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны

(7)

б) нижней (исчерпывающей) части колонны

(8)

где F — относительный мольный расход питания Найдем точку пересечения рабочих линий, примем, отсюда получим:

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определим из соотношений:

(9)

(10)

где и — мольные массы дистиллята и исходной смеси; и — средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

(11)

(12)

где и — средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:

Тогда Средний массовый состав жидкости, будет составлять:

Мольная масса исходной смеси Подставив рассчитанные величины в формулы (9) и (10) получим:

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

(14)

(15)

где и — средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

Тогда Подставив значения в уравнения (14) и (15) получим:

3.2 Скорость пара и диаметр колонны

Скорость пара в интервале устойчивой работы провальных тарелок может быть определена с помощью уравнения [1, 204]:

где (18)

Средние температуры пара и жидкости определяем по диаграмме t — x, y

Для пара:

а) при

б) при

Для жидкости:

а) при у_ср.в = 0.6302

б) при у_ср.н = 0.1652

Плотности пара определим по формулe:

где (19)

Плотность физических смесей жидкостей подчиняется закону аддитивности:

Так как плотности жидкостей близки, то примем:

подставив в уравнение, получим:

Ориентировочную скорость определим из соотношения:

где с_ч, с_y — плотности жидкой и газовой смесей соответственно (см. прил. 2);

Подставляя значения для верхней и нижней частей колонны получим:

Ориентировочный диаметр колонны определяем из уравнения:

где объёмный расход газовой смеси (см. прил. 2);

Подставляя значения для верхней и нижней частей колонны получим:

Выберем стандартный диаметр колонны D=1м. По ходу расчётов диаметр был увеличен до 1.8 м, расчёты для диаметров 1.4м и 1.6м представлены в приложении 2, здесь будет представлен только расчёт для колонны диаметром 1.8 м, который сошёлся.

Выписываем основные параметры колпачковой тарелки для выбранного диаметра колонны исполнения 2, которое также было определено по диметру:

Относительное сечение перелива щ_n=5.25%

Свободное сечение колонныS=1.54 (м²)

Относительное свободное сечение тарелкищ=7.95%

Длина сливной планкиL_пл=0.84м

Число клапановn=102

Рассчитываем рабочую площадь тарелки:

Рассчитываем рабочую скорость пара, т. е. скорость пара отнесённую к рабочей площади тарелки в ВЧК и НЧК:

Теперь рассчитаем максимально допустимую рабочую скорость пара:

Для этого сначала произведём предварительные расчёты:

где массовые расходы жидкой и газовой смесей соответственно (см. прил. 2)

для ВЧК:

для НЧК:

Зная коэффициенты найдём по приложению, А [3, с. 30] коэффициент при расстоянии между тарелками 300 мм:

Получаем ;

Наконец посчитаем максимально допустимую рабочую скорость пара:

где поверхностное натяжение, мН/м (см. прил. 2);

для ВЧК:

для НЧК:

Как видно, и, т. е. это условие выполняется.

Проверим теперь другое условие: 0.3_max<0.6, где и соответственно скорость пара в свободном сечении колонны и максимальная скорость пара в свободном сечении колонны.

Скорость пара в свободном сечении в ВЧК и НЧК рассчитывают по формулам:

Максимальная скорость пара в свободном в ВЧК и НЧК рассчитывают по формуле:

где k₁ и k₃ — коэффициенты зависящие от типа тарелок, для клапанных k₁=1.15 и k₃=1.22,

k₂ — коэффициент, зависящий от давления, для колонн работающих под атмосферным давлением принимается k₂=1; h — расстояние между тарелками, принято равным 0.3 м; q — линейная плотность орошения.

Линейную плотность орошения рассчитывают по формуле:

для ВЧК:

для НЧК:

Тогда:

для ВЧК:

для НЧК:

Коэффициенты k:

для ВЧК:

для НЧК:

Как видно: и, т. е. условие выполняется для обеих частей колонны.

Выберем высоту сливной планки и рассчитаем высоту светлого слоя жидкости по формуле:

где ;поверхностные натяжения смеси и воды при средних температурах в ВЧК и НЧК (для смеси см. прил. 2, для воды [2, с. 10]), мН/м;

динамический коэффициент вязкости смеси, мПа•с (см. прил. 2)

для ВЧК:

для НЧК:

Высота газожидкостного (барботажного) слоя рассчитывается по уравнению:

где газосодержание барботажного слоя;

критерий Фруда, где ускорение свободного падения, м²/с.

Перейдём к расчёту:

Для ВЧК:

для НЧК:

Рассчитываем скорость пара в свободном сечении тарелки:

Рассчитаем минимальную скорость пара в свободном сечении тарелки, чтобы узнать, не является ли наша скорость слишком маленькой:

где приведённая плотность орошения, для ВЧК:

для НЧК:

Итак: и

т. е. скорость пара достаточно высока, чтобы не требовалось заглушать клапаны и в то же время не превышает максимального значения, которое принимается равным 12 м/с.

Рассчитаем коэффициент открытия клапанов и уточним рабочее относительное сечение тарелки:

Сначала определим расчётную максимальную скорость пара в свободном сечении клапанов:

где коэффициент гидравлического сопротивления технологических зазоров клапанов; коэффициент гидравлического сопротивления открытого клапана; далее рассчитаем максимальный фактор паровой нагрузки в свободном сечении клапанов:

для ВЧК:

для НЧК:

Зная выберем удельную нагрузку клапана:

Рассчитаем вспомогательный комплекс:

И коэффициент открытия клапанов:

для ВЧК:

для НЧК:

Т.к. коэффициент открытия клапанов не может быть больше 1, то примем (согласно указаниям).В таком случае уточнённое рабочее относительное сечение тарелки совпадёт с тем, что принято изначально и рабочая скорость пара в свободном сечении тарелки также не изменится. Рассчитаем относительный унос жидкости (брызгоунос) по формуле:

где h_c — высота сепарационного пространства, м;

Высота сепарационного пространства определяется по соотношению:

где коэффициент вспениваемости (для системы бензол-толуол примем, как для слабопенящейся системы), тогда:

для ВЧК:

для НЧК:

Величина уноса не превышает 0.1, значит это условие сходится и выбрано достаточно большое расстояние между тарелками.

Проверка работы переливного устройства. Колонна должна работать без захлёбывания, а для этого необходимо выполнение условия:, где фактическая скорость жидкости в переливном устройстве, м/с, максимально допустимая скорость жидкости в переливе, м/с, которые рассчитывают по формулам:

для ВЧК:

для НЧК:

Заданное условие выполняется для обеих частей колонны.

3.3 Высота колонны

3.3.1 Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержание барботажного слоя

Высоту газожидкостного слоя для решётчатых тарелок находим по уравнению [5,9]:

(23)

где — критерий Фруда (оптимальный).

Коэффициент С определяется по соотношению

Где U-плотность орошения, м³/м²с и — поверхностное натяжение Н/м , — вязкость жидкости ;

Вязкости жидких смесей находим по уравнению:

(24)

где и — вязкости чистых изопропанола и воды.

Поверхностные натяжения жидкости равны: ,

Плотность орошения (приведённая скорость жидкости) рассчитывается по формуле[5,9]

где L-расход жидкости, кг/с, S-площадь поперечного сечения выбранной стандартной колонны.

Паросодержание барботажного слоя находим по формуле[5.9]:

(25)

Высота светлого слоя жидкости на тарелке h₀ рассчитывается по формуле:

Брызгоунос рассчитывается по формуле Где h_c — высота сепарационного пространства, k — поправочный коэффициент.

Высота сепарационного пространства определяется по соотношению:

Поправочный коэффициент

Тогда

e=0.01<0.1, значит расстояние между тарелками выбрано правильно.

3.3.2 Коэффициенты массопередачи и высота колонны

Для определения коэффициентов массоотдачи определим коэффициенты молекулярной диффузии в жидкой и паровой фазах.

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре t (в °C) равен[4.289]:

(27)

Коэффициент диффузии при 20 °C можно вычислить по приближенной формуле [1, 234]

(28)

где A, B — коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя;

и — мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения; - вязкость жидкости при температуре 20 °C,

Используя формулу (24) определяем вязкости жидких смесей для верхней и нижней частей колонны: ;

Мольные объемы компонентов находим как сумму атомных объемов [4,404]:

Тогда коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20 °C равен:

Для нижней части колонны:

Температурный коэффициент b определим по формуле:

(29)

где и принимают при температуре 20 °C Отсюда Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению:

(30)

где T — средняя температура в соответствующей части колонны, К; P — абсолютное давление в колонне, Па Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

(31)

где U — плотность орошения

[1, 198](32)

Вязкости паров определяем по формуле:

(33)

где и — вязкости паров изопропанола и воды;

— средняя концентрация паров; - средние мольные массы паров Коэффициент массоотдачи в паровой фазе:

(34)

Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на :

Число действительных тарелок в колонне может быть определено графоаналитическим методом (построением кинетической линии). Для этого необходимо рассчитать общую эффективность массопередачи на тарелке (к.п.д. по Мерфри). Эффективность по Мерфри включает локальную эффективность, а так же учитывает продольное перемешивание, межтарельчатый унос и долю байпасирующей жидкости. Однако для применения этого метода потребуются дополнительные данные, соответствие которых большей частью не подтверждено. Поэтому при проектировании тарельчатых колонн можно ограничиться оценкой локальной эффективности для определения числа реальных ступеней.

Локальная эффективность связана с общим числом единиц переноса по паровой фазе на тарелке следующим соотношением[1.241]:

(35)

(36)

Здесь в; - средняя мольная масса паров,

определяют по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

(37)

где и — коэффициенты массоотдачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки соответственно для жидкой и паровой фаз.

Коэффициенты массоотдачи, рассчитанные по средним значениям скоростей и физических свойств паровой и жидкой фаз, постоянны для верхней и нижней частей колонны. В то же время коэффициент массопередачи — величина переменная, зависящая от кривизны линии равновесия, т. е. от коэффициента распределения. Поэтому для определения данных, по которым строится кинетическая линия, необходимо вычислить несколько значений коэффициента массопередачи в интервале изменения состава жидкости от до .

Ниже приведен расчет координат точек кинетической линии.

коэффициенты массопередачи общее число единиц переноса на тарелку локальная эффективность Для нижней части колонны:

коэффициенты массопередачи общее число единиц переноса на тарелку локальная эффективность Взяв отсюда значения и, наносим на диаграмму xy точки, по которым проводим кинетическую линию. Построением ступеней между рабочей и кинетической линиями в интервалах концентраций от до определяем число действительных тарелок для верхней (укрепляющей) части и в интервалах от до — число действительных тарелок для нижней (исчерпывающей) части колонны .

Общее число действительных тарелок:

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определяем по формуле:

(45)

где — расстояние между тарелками,; , — расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, .

Согласно [5,17], а

Отсюда получим:

3.4 Гидравлические сопротивления тарелок колонны

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определяют по формуле:

(46)

где и — гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны, Па.

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки складывается из трех слагаемых:

(47)

Гидравлическое сопротивление решётчатой тарелки рассчитывается по уравнению (47) без учёта сопротивления Р₃, обусловленного силами поверхностного натяжения. 5,9]

Гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) тарелки[1.210]:

(48)

где — коэффициент сопротивления сухих тарелок; - свободное сечение тарелки Принимая значение коэффициента, получим:

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя (пены) на тарелке[1.210]:

(49)

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Тогда полное гидравлическое сопротивление:

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Гидравлическое сопротивление ректификационной колонны:

3.5 Тепловой расчет установки

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению:

(52)

(53)

где и — удельные теплоты конденсации ацетона и уксусной кислоты.

Расход теплоты получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению:

(54)

Здесь тепловые потери принимаем равными 3% от полезно затрачиваемой теплоты;

,

Расход теплоты в подогревателе исходной смеси:

(55)

Здесь тепловые потери принимаем равными 5% от полезно затрачиваемой теплоты; теплоемкость исходной смеси взята при средней температуре в теплообменнике:

Расход теплоты отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

(56)

Тепловые потери принимаем равными 5% от полезно затрачиваемой теплоты; удельная теплоемкость дистиллята взята при средней температуре:

Расход теплоты отдаваемой от кубовой жидкости охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

(57)

Тепловые потери принимаем равными 5% от полезно затрачиваемой теплоты; удельная теплоемкость кубового остатка взята при средней температуре:

Расход греющего пара, имеющего давление и влажность 5%:

а) в кубе испарителе

(58)

где — удельная теплота конденсации греющего пара; - степень сухости.

б) в подогревателе исходной смеси Расход охлаждающей воды:

а) в дефлегматоре

(59)

где — теплоемкость воды; - плотность воды при средней температуре б) в водяном холодильнике дистиллята

4. Расчет теплообменной аппаратуры

4.1 Подробный расчет подогревателя исходной смеси

Температура конденсации греющего пара °С Тепло конденсации идёт на нагрев исходной смеси от начальной температуры 18⁰С до 81.2⁰С

(60)

Выбираем давление греющего пара 3 атмосферы, при котором и .

Определить движущую силу процесса:

;

Определить среднюю температуру исходной смеси:

Определим температуру смеси как разность между температурой конденсации и средней логарифмической разностью температур.

Тсмеси=99,1−41,8=57,3⁰С

4.1.1 Турбулентный режим

Выбираем давление греющего пара 3 атмосферы, при котором и .

Определить движущую силу процесса

;

;

Определить среднюю температуру исходной смеси:

При =54,8 находим физико-химические параметры исходной смеси:

=0.158lg0.239+0.842lg0.745=(-0.0982)+(-0.10 764)=(-0.20 584);

Определить расход теплоты:

Задаемся коэффициентом теплопередачи: и определим поверхность теплообмена:

В качестве конденсатора выбираем двухходовый кожухотрубный теплообменник TH: D=600мм; Ш25×2мм;;; (число рядов труб).

Определим число Re для исходной смеси, которая подается в трубное пространство:

(турбулентный режим течения).

Для водяного пара при конденсации его на пучке его горизонтальных труб при применяется следующая формула:

где (при), (при), (при). Тогда:

.

Итерационный расчет:

Методом итераций задается, находим и уточняем коэффициент теплоотдачи:

принимаем, т. е. Тогда Задаемся термическим сопротивления загрязнений стенок с обеих сторон и этой стенки:

;

Определить коэффициент теплоотдачи для исходного раствора по формуле:

;

Принимаем =1, с последующими расчетами. Тогда:

;

Без учетарассчитываем

т. е. надо снова задаться, тогда Тогда

Находим при =109,8 физико-химические параметры исходной смеси:

=0,158 lg0,16=0,842 lg0,415=(-0,12 575)+(-0,3216)=(0,44 735)

4.1.2 Определение гидравлических сопротивлений

Гидравлическое сопротивление рассчитываем по формуле (70):

Скорость воды в штуцерах:

Согласно [1, 55] принимаем

4.2 Приближенный расчет теплообменных аппаратов

Расчет куба-испарителя:

Из справочных данных [2, 550] определяем температуру греющего пара, имеющего

В соответствии с табл. 2.1 примем

Расчет дефлегматора:

В соответствии с табл. 2.1 примем

Расчет холодильника дистиллята:

В соответствии с табл. 2.1 примем

Расчет холодильника кубового остатка:

В соответствии с табл. 2.1 примем

Заключение

В данной курсовой работе мы произвели расчет ректификационной колонны для разделения смеси: ацетон — уксусная кислота при атмосферном давлении. В качестве ректификационной колонны используется аппарат высотой H=16,3 м и диаметром D=1,8 м.

Был произведен расчёт и выбор теплообменника для подогрева исходной смеси кубовым остатком.

Выбран двухходовой теплообменник с внутренним диаметром кожуха D=0.4 м, числом труб n=316, числом рядов труб n_p=10, длиной труб l=6 м, с проходным сечением одного хода S_т=0.009 м², поверхностью теплообмена F=47 м²;

Для изготовления аппарата выбрана нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т по ГОСТ 5949–75 с коэффициентом теплопроводности .

1. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов под ред. чл. — корр. АН России П. Г. Романкова. — 12-е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987 г. М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. — 576 с.

2. Волжинский А. И., Флисюк О. М. Ректификация: справочные данные по физико-химическим величинам: — Метод. Указания. — СПб., СПбГТИ (ТУ), 2002. — 10 с.

3. Волжинский А. И., Марков А. В. Ректификация. Колонные аппараты с клапанными тарелками (Текст): учебное пособие. — СПб., СПбГТИ (ТУ), 2006. -34 с.

4. Волжинский А. И., Флисюк О. М. Определение средних физических величин, потоков пара и жидкости: метод. указания. — СПб., СПбГТИ (ТУ), 2002. — 10 с.

5. Волжинский А. И., Константинов В. А. Ректификация. Справочные данные по равновесию пар-жидкость: — Метод. Указания. — СПб., СПбГТИ (ТУ), 2003. — 23 с.

Приложения

Приложение 1

График зависимости состава пара, равновесного с жидкостью (данные взяты из таблицы 10 [5, c.9]) и графики рабочих линий:

По этому графику рассчитаем число теоретических тарелок.

График зависимости равновесных составов пара и жидкости от температуры (данные взяты из таблицы 10 [5, c.9]):

Таблица 5 — Равновесие ацетон — уксусная кислота

Приложение 2

Расчёт колонн с диаметром 1.4м и 1.6м

Для колонны с диаметром 1.4м:

Основные параметры клапанной тарелки

относит сечение перелива (в %)

свободное сечение колонны

длина сливной планки (периметр перелива) (м)

относит свободное сечение тарелки (в %)

число клапанов

рабочая площадь тарелки

рабочая скорость пара

при расстоянии между тарелками 600 мм

плотности

объёмный расход жидкой фазы

поверхностное натяжение в мН/м

Расст. между тарелок (в м)

линейная плотность орошения

макс скорость в своб сечении тарелки

скорость в своб сечении тарелки

из таблицы А3 при расстоянии между тарелками 600 мм

поверх натяжение в мН/м

плотности

объёмный расход жидкой фазы

макс скорость в свободном

сечении тарелки

линейная плотность орошения

скорость в свободном сечении тарелки

условие не сошлось

Для колонны с диаметром 1.6м:

Основные параметры клапанной тарелки

относит сечение перелива (в %)

свободное сечение колонны

длина сливной планки (периметр перелива) (м)

относит свободное сечение тарелки (в %)

число клапанов

рабочая площадь тарелки

рабочая скорость пара

расстояние между тарелок (в м)

объёмный расход жидкой фазы

линейная плотность орошения

поверхностное натяжение в мН/м

плотности

из таблицы А3 при расстоянии между тарелками 600 мм

макс скорость в свободном сечении тарелки

скорость в свободном сечении тарелки

рабочая площадь тарелки

рабочая скорость пара

плотности

из таблицы А3 при расст между тарелками 600 мм

линейная плотность орошения

объёмный расход жидк

поверх натяж в мН/м

макс скорость в свободном сечении тарелки

скорость в свободном сечении тарелки

высота светлого слоя (в м)

высота сливной перегородки (м)

высота сливной перегородки (в м)

скорость в свободном сечении тарелки

НЧК

ВЧК

высота барботажного (газожидкостного) слоя (в м)

wkmax = 12 м/с => условие не выполнено и для ВЧК и для НЧК