Файл: Расчет ректификационной колонны по дисциплине Процессы и аппараты химической технологии.docx
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 194
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
2.2 Построение х-у диаграммы, кривых изобар пара и жидкости
2.4 Расчет однократного испарения бинарной смеси
2.5 Расчет материального баланса ректификационной колонны
2.7 Расчет числа тарелок на комбинированной и x-y-диаграмме
2.8 Расчет профиля концентраций и нагрузок по высоте колонны
2.9 Расчет фактического числа тарелок
2.10 Расчет диаметра ректификационной колонны
2.11 Расчет высоты ректификационной колонны
=0,5;
ƞ=0,3-0,5 – для отгонной части колонны, принимаем
=0,5;
Число тарелок в верхней части колонны:
.
Число тарелок в нижней части колонны:
,
По результатам расчётов получаем общее число фактических тарелок в колонне Nф = 32
Диаметр колонны рассчитывается по допустимой скорости паров в самом нагруженном по парам месте колонны. Для определения самого нагруженного места колонны необходимо произвести расчет объемных расходов пара и жидкости по высоте колонны. Для расчета объемных расходов необходимо определить плотности пара и жидкости.
Сначала для жидкости пересчитаем мольные доли в массовые:
. (76)
Затем определяем средние плотности жидкости на каждой тарелке:
. (77)
где
– плотности бензола и толуола, кг/м3
Плотности жидкости при температуре t определятся из уравнения:
, кг/м3 (78)
где
– коэффициент объемного расширения жидкости;
(79)
Плотность пара рассчитывается следующим образом:
, кг/м3 (80)
где Т0 – температура при нормальных условиях, Т0=273 К;
Т=t+273, К;
t – температура паров, °С;
– давление при нормальных условиях,
=760 мм.рт.ст.;
– давление верха или низа колонны, мм.рт.ст.
Давление верха колонны рассчитывается по формуле:
, мм.рт.ст. (81)
где
– давление в зоне питания;
N – номер тарелки, считая от зоны питания.
, мм.рт.ст. (82)
Таким образом, объемные расходы пара и жидкости найдутся по формулам:
, (83)
. (84)
Проведем данный расчет для первой тарелки колонны:
,
кг/м3
,
кг/м3
– давление на 1 тарелке
кг/м
м3/ч
м3/ч
Результаты расчетов объемных расходов жидкости и пара для остальных тарелок представлены в таблице 10.
По данным таблицы 10 можем сказать, что расход жидкости больше в нижней части колонны, а расход пара – в верхней.
Из таблицы 10 видно, что самое нагруженное место по парам в колонне – вторая тарелка. Допустимая скорость паров для трапецевидной тарелки:
, м/с (85)
где
– допустимая скорость паров в полном сечении колонны, м/с;
и
– плотности жидкости и пара на второй тарелке, кг/м3;
c – коэффициент для расчета скорости паров;
для основных типов тарелок с=900 [2].
1,127 м/с
, м (86)
где V – расход пара на второй тарелке, м3/с
.
Принимаем диаметр колонны D=2,4 м.
Рисунок 22 – Принципиальная схема колонны для расчета ее высоты
Высота колонны складывается из нескольких зон:
H=hВ+(NФ-2)*h+hЗ.П.+hН (87)
hВ – верхняя зона – зона для подачи орошения и создания отстойной зоны:
hВ =1 м.
hЗ.П – зона питания для разделения сырьевого пара и сырьевой жидкости:
hЗ.П =1 м.
hН – нижняя зона – зона создания столба жидкости:
hН =1 м.
h – расстояние между тарелками, зависит от типа тарелок, зоны сепарации:
h =0,5…0,6 м. Примем h =0,5 м.
NФ - фактическое число тарелок в колонне; NФ=32.
Таким образом, общая высота колонны:
H=1+(32-2)*0,5+1+1=18 м.
Рисунок 23 - Конденсатор-холодильник
Уравнение теплообмена:
(88)
(89)
где
ккал/ч;
K – коэффициент теплопередачи, ккал/(м2·ч·С);
– средняя разность температур между теплообменивающимися средами (дистиллята и воды) в конденсаторе-холодильнике.
Для водяного конденсатора паров узких бензиновых фракций коэффициент теплопередачи примем по рекомендации 128,98
:
Найдем
– среднюю логарифмическую разность температур.
Имеем два теплоносителя:
- пар со второй тарелки поднимаясь охлаждается от температуры t2=95,7°С до температуры первой тарелки t1=94,8°С;
- оборотная вода, температура которой tвн=25°С стекает с верха колонны на вторую тарелку, нагревается до t
вк=45 °С
t2=95,7°С t1=94,8°С
tвк=45°С tвн=25 °С
, (90)
, (91)
°С,
,
, °С (92)
,
???? = ???? ∗ ???? = ???? ∙ ∆????
Расход холодной воды найдем по следующему уравнению:
,кг/ч (93)
где С – теплоемкость воды; С=1 ккал/(кг·°С);
=45-25=20°С
.
В расчете поверхности кипятильника (рис.24), используемой в ректификационной колонне, учтем, что насыщенный пар конденсируется при постоянной температуре tвп, соответствующей его давлению, и температура в кипятильнике tw остается постоянной.
Рисунок 24 – Кипятильник
Возьмем температуру насыщенного пара tвп=180 °С с теплотой парообразования 482,266 ккал/кг.
, (94)
где
– темппература водяного пара;
– температура жидкости,стекающей из отгонной части в ребойлер, т.е. остаток
t14=124,3°С,
t13=124,6°С,
∆tвх = 180-124,3=55,7°С,
∆tвых = 180-124,6=55,4 °С,
55,61°С
Для кипятильника, обогреваемого конденсирующимся водяным паром, коэффициент теплопередачи К = 290 - 870 ккал/(м2·ч·С). Принимаем К=580 ккал/(м2·ч·К).
Поверхность кипятильника:
ƞ=0,3-0,5 – для отгонной части колонны, принимаем
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_1cfd217f22054484.gif)
Число тарелок в верхней части колонны:
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_d9a458be4ababee3.gif)
Число тарелок в нижней части колонны:
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_a3bd773151d53c84.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_a37bfbdf0ef4e7fd.gif)
По результатам расчётов получаем общее число фактических тарелок в колонне Nф = 32
2.10 Расчет диаметра ректификационной колонны
Диаметр колонны рассчитывается по допустимой скорости паров в самом нагруженном по парам месте колонны. Для определения самого нагруженного места колонны необходимо произвести расчет объемных расходов пара и жидкости по высоте колонны. Для расчета объемных расходов необходимо определить плотности пара и жидкости.
Сначала для жидкости пересчитаем мольные доли в массовые:
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_c7f9804388a2d988.gif)
Затем определяем средние плотности жидкости на каждой тарелке:
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_9b42c1fe25a61042.gif)
где
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_5295eae39cd411ea.gif)
Плотности жидкости при температуре t определятся из уравнения:
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_4e9b063c5bf67dd1.gif)
где
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_4a7ea77d0dac39cb.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_7e8747da2849a708.gif)
Плотность пара рассчитывается следующим образом:
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_883a7990c9acc909.gif)
где Т0 – температура при нормальных условиях, Т0=273 К;
Т=t+273, К;
t – температура паров, °С;
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_aad487135baf040e.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_aad487135baf040e.gif)
![](/images/files/265734/1053867_html_1a7b7a0e6a27477c.gif)
– давление верха или низа колонны, мм.рт.ст.
Давление верха колонны рассчитывается по формуле:
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_b29ba7d2e6196ab.gif)
где
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_18c76badb87e011f.gif)
N – номер тарелки, считая от зоны питания.
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_a86092de7ef05446.gif)
Таким образом, объемные расходы пара и жидкости найдутся по формулам:
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_9c960b818ee8a13c.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_9d9db07675bbfe14.gif)
Проведем данный расчет для первой тарелки колонны:
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_4cea19ce3c4e6d30.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_cc7a4330aa0187b7.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_a12c1a5dc1407d63.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_71ebf6e3cc95c30.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_64718e304e796a4f.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_fe8b4c84bfc6017.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_45ae09947ef95e5a.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_440a66ef561ebcbf.gif)
№ | x' | y' | ![]() | ![]() | g, кмоль/ч | G, кмоль/ч | g, кг/ч | G, кг/ч | х, масс | ![]() | t,°C | ![]() | ![]() | πВ.К./ πН.К | ![]() | Vж, м3/ч | Vп, м3/ч | | |||
1 | 0,953 | 0,98 | 78,66 | 78,28 | 641,839 | 204,542 | 50487,06 | 16011,55 | ![]() | 0,878 | 94,8 | 0,000669 | ![]() | 1023,34 | 3,766 | 60,978 | 4251,606 | ||||
2 | 0,916 | 0,96 | 79,18 | 78,56 | 638,312 | 846,381 | 50541,54 | 66491,69 | 0,908 | 0,878 | 95,7 | 0,000669 | 827,357 | 1033,34 | 3,771 | 61,087 | 17632,376 | ||||
3 | 0,86 | 0,933 | 79,96 | 78,94 | 634,786 | 842,854 | 50757,49 | 66534,89 | 0,853 | 0,877 | 97 | 0,000670 | 825,41 | 1043,34 | 3,775 | 61,493 | 17625,136 | ||||
4 | 0,77 | 0,89 | 81,22 | 79,54 | 613,626 | 839,328 | 49838,7 | 66760,15 | 0,764 | 0,876 | 99,1 | 0,000672 | 822,845 | 1053,34 | 3,783 | 60,569 | 17617,409 | ||||
5 | 0,693 | 0,82 | 82,3 | 80,52 | 603,729 | 808,168 | 49686,9 | 65073,69 | 0,687 | 0,875 | 101,8 | 0,000673 | 819,949 | 1063,34 | 3,802 | 60,598 | 17115,647 | ||||
6 | 0,556 | 0,746 | 84,22 | 81,56 | 579,467 | 798,271 | 48802,71 | 65106,98 | 0,551 | 0,874 | 104,8 | 0,000674 | 816,845 | 1073,34 | 3,82 | 59,745 | 17043,712 | ||||
7 | 0,463 | 0,67 | 85,52 | 82,62 | 569,796 | 774,009 | 48728,8 | 63948,62 | 0,459 | 0,872 | 107,6 | 0,000677 | 812,695 | 1083,34 | 3,841 | 59,959 | 16648,951 | ||||
8 | 0.38 | 0,6 | 86,68 | 83,6 | 562,942 | 764,338 | 48795,81 | 63898,66 | 0,377 | 0,871 | 110 | 0,000678 | 809,98 | 1093,34 | 3,863 | 60,243 | 16541,201 | ||||
9 | 0,36 | 0,57 | 86,96 | 84,02 | 773,678 | 559,442 | 67279,04 | 47004,32 | 0,357 | 0,871 | 110,8 | 0,000678 | 809,438 | 1113,34 | 3,874 | 83,118 | 12133,278 | ||||
10 | 0,256 | 0,436 | 88,42 | 85,9 | 773,678 | 556,081 | 68408,61 | 47767,36 | 0,254 | 0,870 | 114,7 | 0,000679 | 805,699 | 1123,34 | 3,921 | 84,906 | 12182,443 | ||||
11 | 0,230 | 0,363 | 88,78 | 86,92 | 770,224 | 556,081 | 68380,49 | 48334,56 | 0,228 | 0,869 | 116,7 | 0,000681 | 803,147 | 1133,34 | 3,947 | 85,141 | 12245,898 | ||||
12 | 0,15 | 0,283 | 89,9 | 88,04 | 761,59 | 552,627 | 68466,94 | 48653,28 | 0,149 | 0,868 | 118,8 | 0,000682 | 800,618 | 1143,34 | 3,976 | 85,518 | 12236,74 | ||||
13 | 0,13 | 0,210 | 90,18 | 89,06 | 748,402 | 543,993 | 67490,89 | 48448,02 | 0,129 | 0,868 | 120,7 | 0,000682 | 799,323 | 1153,34 | 4,003 | 84,435 | 12102,928 | ||||
14 | 0,07 | 0,14 | 91,02 | 90,04 | 739,19 | 530,805 | 67281,07 | 47793,68 | 0,069 | 0,868 | 122,1 | 0,000682 | 798,368 | 1163,34 | 4,033 | 84,273 | 11850,65 | ||||
15 | 0,046 | 0,093 | 91,36 | 90,7 | 744,245 | 521,593 | 67994,22 | 47308,46 | 0,046 | 0,867 | 123,1 | 0,000684 | 796,48 | 1173,34 | 4,052 | 85,368 | 11675,335 | ||||
16 | 0,03 | 0,06 | 91,58 | 91,16 | 752,264 | 526,648 | 68892,34 | 48009,23 | 0,029 | 0,867 | 123,8 | 0,000684 | 796,001 | 1183,34 | 4,065 | 86,548 | 11810,388 | ||||
17 | 0,016 | 0,04 | 91,78 | 91,44 | 754,524 | 534,667 | 69250,21 | 48889,95 | 0,016 | 0,867 | 124,3 | 0,000684 | 795,659 | 1193,34 | 4,073 | 87,035 | 12003,425 | ||||
18 | 0,01 | 0,023 | 91,86 | 91,68 | 217,597 | 536,927 | 19988,46 | 49225,48 | 0,009 | 0,867 | 124,6 | 0,000684 | 795,454 | 1203,23 | 4,081 | 25,128 | 12062,112 |
Результаты расчетов объемных расходов жидкости и пара для остальных тарелок представлены в таблице 10.
По данным таблицы 10 можем сказать, что расход жидкости больше в нижней части колонны, а расход пара – в верхней.
Из таблицы 10 видно, что самое нагруженное место по парам в колонне – вторая тарелка. Допустимая скорость паров для трапецевидной тарелки:
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_951ae7854ed55132.gif)
где
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_4bdbef9ed3b4cd6c.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_e236ac090b605678.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_3cdbf61dc4bbf78c.gif)
c – коэффициент для расчета скорости паров;
для основных типов тарелок с=900 [2].
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_174ab84d6cdd4efb.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_5a5262dc8c2bccde.gif)
где V – расход пара на второй тарелке, м3/с
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_dc9ef930230b9f02.gif)
Принимаем диаметр колонны D=2,4 м.
2.11 Расчет высоты ректификационной колонны
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_3332a3d0550bcb6f.png)
Рисунок 22 – Принципиальная схема колонны для расчета ее высоты
Высота колонны складывается из нескольких зон:
H=hВ+(NФ-2)*h+hЗ.П.+hН (87)
hВ – верхняя зона – зона для подачи орошения и создания отстойной зоны:
hВ =1 м.
hЗ.П – зона питания для разделения сырьевого пара и сырьевой жидкости:
hЗ.П =1 м.
hН – нижняя зона – зона создания столба жидкости:
hН =1 м.
h – расстояние между тарелками, зависит от типа тарелок, зоны сепарации:
h =0,5…0,6 м. Примем h =0,5 м.
NФ - фактическое число тарелок в колонне; NФ=32.
Таким образом, общая высота колонны:
H=1+(32-2)*0,5+1+1=18 м.
2.12 Расчет конденсатора-холодильника
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_1b866226f9c3583c.png)
Рисунок 23 - Конденсатор-холодильник
Уравнение теплообмена:
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_c3575e0af494cbb.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_f052da4b11fab56b.gif)
где
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_83fc4f188b64046.gif)
K – коэффициент теплопередачи, ккал/(м2·ч·С);
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_a24dc1ea14640a68.gif)
Для водяного конденсатора паров узких бензиновых фракций коэффициент теплопередачи примем по рекомендации 128,98
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_48df54c331768565.gif)
Найдем
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_b14ee6a02d6f7a7.gif)
Имеем два теплоносителя:
- пар со второй тарелки поднимаясь охлаждается от температуры t2=95,7°С до температуры первой тарелки t1=94,8°С;
- оборотная вода, температура которой tвн=25°С стекает с верха колонны на вторую тарелку, нагревается до t
вк=45 °С
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_c32be1c5850455a2.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_13e9d848a35a3d8b.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_fb2a90870f025fae.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_bc887256912c1ec0.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_f4eae562b88e7d4e.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_255b2b11898582c5.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_e7f7db6758e6398f.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_7386bd9947aaab7a.gif)
???? = ???? ∗ ???? = ???? ∙ ∆????
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_981fce4bea5af0f4.gif)
Расход холодной воды найдем по следующему уравнению:
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_6ea0a2dc8ee0359e.gif)
где С – теплоемкость воды; С=1 ккал/(кг·°С);
![](/images/files/265734/1053867_html_b14ee6a02d6f7a7.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_25e40348af6dfbc5.gif)
2.13 Расчет кипятильника
В расчете поверхности кипятильника (рис.24), используемой в ректификационной колонне, учтем, что насыщенный пар конденсируется при постоянной температуре tвп, соответствующей его давлению, и температура в кипятильнике tw остается постоянной.
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_8cd7c5db4ceb7cec.png)
Рисунок 24 – Кипятильник
Возьмем температуру насыщенного пара tвп=180 °С с теплотой парообразования 482,266 ккал/кг.
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_fbaece759a4cf8e5.gif)
где
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_723b0552941c35a1.gif)
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_c737809dcce2ee9d.gif)
t14=124,3°С,
t13=124,6°С,
∆tвх = 180-124,3=55,7°С,
∆tвых = 180-124,6=55,4 °С,
![](https://images.student-it.ru/files/265734/1053867_html_1bf9a32ef63dd7dc.gif)
Для кипятильника, обогреваемого конденсирующимся водяным паром, коэффициент теплопередачи К = 290 - 870 ккал/(м2·ч·С). Принимаем К=580 ккал/(м2·ч·К).
Поверхность кипятильника: