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; х_w = 0,06; x_f = 0,30; x_p = 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 х_W, x_F, x_P – 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;

х_F – концентрация легколетучего компонента в исходной смеси;

x_W – концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке;

x_P – 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 R_min 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 В_верх

2) Строим на диаграмме Х–Y рабочие линии соответствующие выбранным В_верх, 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: R_opt = 2,76

Расчет на компьютере дал флегмовое число R_opt = 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;

r_y – 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: d_в = 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: