166667 (Полный расчет ректификационной колонны), страница 2

рассчитав число теоретических ступеней контакта (теоретических тарелок)

R=1.5, y=32, n=15.2, n(R+1) =15.2(1.5+1) =38

R=2, y=26.67, n=11.4, n(R+1) =11.4(2+1) =34.2

R=2.5, y=22.86, n=9, n(R+1) =9(2.5+1) =31.5

R=3, y =20, n=8, n(R+1) =8(3+1) =32

R=4, y=16, n=7.33, n(R+1) =7.33(4+1) =36.65

R=5, y=13.33, n=6.43, n(R+1) =6.43(5+1) =38.58

В данном курсовом проекте используем , найденное графическим методом (приложение 3).

2.1.3 Расчет расходов пара и жидкости в верхней и нижней части колонны.

Найдем уравнение рабочих линий:

а) для верхней (укрепляющей) части колонны:

б) для нижней (исчерпывающей) части колонны:

где F – относительный мольный расход питания.

Определяем температуры для нижней и верхней части колонны для жидкости и пара из диаграммы «Зависимость температуры от равновесных составов пара и жидкости» (приложение1):

ْْC, ْC,

ْْْC, ْC.

Определяем объемный расход пара:

кмоль/с

Расход пара в нижней и верхней части колонны определяется по формуле:

,

где p₀=760 мм рт. ст. – атмосферное давление,

T₀=273 K- абсолютная температура.

м³/с

м³/с

Молярную массу паровой смеси в нижней и верхней части колоны находим по формуле:

кг/кмоль

кг/кмоль

Массовые расходы паров в нижней и верхней части колоны находим по формуле:

кг/с;

кг/с;

Определим плотности пара в верхней и нижней части колонны по формуле:

кг/м³

кг/м³

Определим вязкость пара в верхней и нижней части колонны для ацетона (1) и четыреххлористого углерода (2):

,

где табличные данные: Па^. с, Па^. с,

С₁=651,С₂=384- константы уравнения.

а) для нижней части колонны:

Па^.с Па^.с

б) для верхней части колонны:

Па^.с

Па^.с

Определим вязкость смеси пара в нижней и верхней части колонны по формуле:

Па^.с

Па^.с

Определим плотности жидкости по формуле:

,

где плотности ацетона, четыреххлористого углерода соответственно.

а) для нижней части колонны:

кг/м³

кг/м³

кг/м³

б) для верхней части колонны:

кг/м³

кг/м³

кг/м³

Определим вязкость смеси жидкости для нижней и верхней части колонны по формуле:

,

где вязкости ацетона, четыреххлористого углерода соответственно.

мПа^.с мПа^.с

мПа^.с мПа^.с

Па^.с

Па^.с

Поверхностное натяжение смеси жидкостей в верхней и нижней части колонны определим по формуле:

,

где поверхностное натяжение ацетона, четыреххлористого углерода соответственно.

Н/м

Н/м

Н/м

Н/м

м/Н

Н/м

м/Н

Н/м

Находим мольные и массовые расходы жидкости в нижней и верхней части колонны:

кмоль/с

кг/кмоль

кг/с

кг/с

кмоль/с

кг/кмоль

кг/с

кг/с

2.1.4 Расчет теплового баланса установки

Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением:

где Q_K – тепловая нагрузка куба; Q_D –количество теплоты, передаваемой от пара к воде; Q_пот – тепловые потери (5%); -теплоёмкости соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси; - температуры соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси(находим из диаграммы «Зависимость температуры от равновесных составов пара и жидкости» приложение 1):

, , .

Найдем удельную теплоту конденсации паров дистиллята по аддитивной формуле:

кДж/кг

где - теплоты испарения ацетона и четыреххлористого углерода при температуре дистиллята , .

,

где исходные данные: A₁ =72.18; t _1кр=235.1; A₂=25.64; t_2кр=283.4

;

.

Определим тепловую нагрузку дефлегматора по формуле:

кВт

Определим теплоёмкости смеси:

Для ацетона(1): c₀=2.11кДж/(кгК); с₁=0.0028 кДж/(кгК);

Для четыреххлористого углерода (2): c₀=0.85кДж/(кгК); с₁=0.00037 кДж/(кгК);

,

Тогда:

2.2 Гидравлический расчет насадочной колонны аппарата

бор 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 давление, рабочую скорость можно принять на 20% ниже скорости захлёбывания:

(26)

где - скорость захлебывания пара, м/с; – удельная поверхность насадки, м²/м³; V_св – свободный объём насадки, м³/м³; μ_ж – динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа∙с; и - массовые расходы жидкой и паровой фаз, кг/с; и - плотность пара и жидкости соответственно, кг/м³.

Выбираем в качестве насадки - стальные кольца Рашига:

Кольца Рашига 25 мм:

в:

н:

Тогда рабочая скорость в верхней и нижней части колонны равна:

По рабочей скорости определяем диаметр колонны:

,

где объемный расход пара при рабочих условиях в колонне, м³/с.

;

;

Выбираем стандартный аппарат с диаметром 2.2 м, с кольцами Рашига диаметром 25мм и уточняем рабочую скорость по формуле:

Плотность орошения для верхней и нижней части колонны определяют по формуле:

,

где U – плотность орошения, м³/(м^2.с);

- объемный расход жидкости, м³/с;

S – площадь поперечного сечения колонны, м².

,

где D – диаметр колонны, м.

так как плотность орошения меньше допустимых значений, то необходимо выбрать кольца Рашига с меньшим диаметром.

Кольца Рашига 50 мм:

в:

н:

Тогда рабочая скорость в верхней и нижней части колонны равна:

По рабочей скорости определяем диаметр колонны:

,

где объемный расход пара при рабочих условиях в колонне, м³/с.

;

;

Выбираем стандартный аппарат с диаметром 2 м, с кольцами Рашига диаметром 50мм и уточняем рабочую скорость по формуле:

Плотность орошения для верхней и нижней части колонны определяют по формуле:

,

где U – плотность орошения, м³/(м^2.с);

- объемный расход жидкости, м³/с;

S – площадь поперечного сечения колонны, м².

,

где D – диаметр колонны, м.

Так как плотность орошения удовлетворяет допустимым значениям, то в дальнейших расчетах используем кольца Рашига диаметром 50 мм.

Активную поверхность насадки находят по формуле:

,

где U – плотность орошения, м³/(м^2.с);

- удельная поверхность насадки, м² /м³;

p, q – постоянные, зависящие от типа и размера насадки.

Для выбранных колец Рашига с диаметром 50 мм:

p=0.024, q=0.012.

Определим активную поверхность насадки в нижней и верхней части колонны:

Одной из важных характеристик аппарата является гидравлическое сопротивление насадки, который зависит от режима движения пара (газа). Для расчета необходимо определить число Рейнольдса:

,

где - вязкость пара.

Определяем значения числа Рейнольдса для нижней и верхней части колонны:

Определяем коэффициент сопротивления для верхней и нижней части колонны:

Так как число Re_п>40, то

Определяем гидравлическое сопротивление для верхней и нижней части колонны:

,

где H=1 м – высота слоя.

Па/м

Па/м

,

где b- коэффициент, для колец Рашига 50 мм: b= 47^.10^-3.

=375.61 Па/м

=1093.32Па/м

2.3 Расчет высоты колонны

Определим коэффициент диффузии газа для нижней и верней части колонны по формуле:

,

где T – температура газа, К; p- давления газа, кгс/см²; M_A,M_B- мольные массы газов A и B;

v_A,v_B- мольный объемы газов А и В, определяемые, как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав газа.

Пусть А – ацетон (М_А=58 кг/кмоль);

В- четыреххлористый углерод (М_В=154кг/кмоль).

см³/атом

см³/атом

м²/с;

м²/с;

Определим коэффициент диффузии в разбавленных растворах для верхней и нижней части колонны:

,

где М – мольная масса растворителя;

v- мольный объем диффундирующего вещества;

T –температура, К;

- динамический коэффициент вязкости растворителя, мПа^.с;

- параметр, учитывающий ассоциацию молекул растворителя ( _А= _В=1).

Пусть А растворяется в В (В- растворитель):

м²/с;

м²/с.

Пусть В растворяется в А (А- растворитель):

м²/с;

м²/с.

Определим коэффициент диффузии смеси жидкостей для верхней и нижней части колонны по формуле:

м²/с;

м²/с.

По диаграмме «Равновесное состояние жидкости и пара» определяем коэффициенты распределения нижней и верхней частей колонны:

Через x_н, x_в определяем углы α и β соответственно (приложение 2).

Определяем число единиц переноса графическим методом интегрирования для нижней и верхней части колонны:

y_w=x_w=0.06

y_D=x_D=0.8