Главная / Рефераты / Рефераты по химии

Реферат: Ректификационная установка непрерывного действия для разделения 4,1 т/ч бинарной смеси ацетон - этанол

Notice: Undefined variable: ref_img in /home/area7ru/area7.ru/docs/referat.php on line 323

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 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 массо- и 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 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 хF
Рис.1 Принципиальная схема ректификационной установки:
1- ёмкость для исходной смеси ; 2, 9- насосы; 3- теплообменник- подогреватель; 4 - кипятильник;
5- ректификационная колонна; 6- дефлегматор; 7- холодильник дистиллята;
8- ёмкость для сбора дистиллята; 10- холодильник кубовой жидкости; 11- ёмкость для кубовой жидкости.

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 хW , 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 хР , 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 насосом 9 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 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.
РАСЧЕТ НАСАДОЧНОЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Расчет ректиификационной колоны сводится к определению ее основных геометрических размеров - диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колоны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа и размеров насадкок.
Ориентировочный выбор размера насадочных тел можно осуществить исходя из следующих соображений. Чем больше размер элемента насадки, тем больше её свободный объём и, следовательно, выше производительность. Однако вследствии меньшей удельной поверхности эффективность крупных насадок несколько ниже. Поэтому насадку большого размера применяют, когда требуется высокая производительность и сравнительно невысокая степнь чистоты продуктов разделения.
Для данного случая примем насадку из керамических колец Рашига размером
50ґ50ґ5 мм. Удельная поверхность насадки а = 87,5 м2/м3, свободный объем e = 0,785 м3/м3 , насыпная плотность 530 кг/м3.
Насадочные колоны могут работать в различных гидродинамических режимах: плёночном, подвисания и эмульгирования. Выберем полёночный режим работы колоны.
Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число
Содержание легколетучего компонента:
- в исходной смеси;
- в дистилляте;
- в кубовом остатке;
т/ч кг/с - производительность по исходной смеси.
Производительность колонны по дистилляту Р кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса колонны:

Отсюда находим:
кг/с
кг/с
Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение Rопт можно найти путём технико-экономического расчета. Используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) (=R(Rmin .
Здесь Rmin- минимальное флегмовое число:
,
где xF и xP- мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси; yF(- концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.
Один из возможных приближенных методов расчета R заключается в нахождении такого флегмового числа, которому соответствует минимальное произведение N((R+1), пропорциональное объему ректификационной колонны (N - число ступеней изменения концентраций или теоретических тарелок, определяющее высоту колонны, а (R+1)- расход паров и, следовательно, сечение колонны) .
Определим R . Пересчитаем составы фаз из массовых долей в мольные по соотношению
кмоль/кмоль см.
где Mccl4 и Мтол - молекулярные массы соответственно хлороформа и бензола, кг/кмоль.
Аналогично найдем:
кмоль/кмоль см.
кмоль/кмоль см.
- определяем по графику
Тогда минимальное флегмовое число равно:

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы (, определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме состав пара y состав жидкости х (рис.2) находим N. Результаты расчетов рабочего флегмового числа представлены на рис.3 и приведены ниже:
Таблица 1
b 1,05 1,5 2,0 2,5 5,0
R 1,974 2,82 3,76 4,7 9,4
N 26 18,5 16 14,5 11
N(R+1) 76,8 70,67 76,16 82,65 114,4
Условно-оптимальное значение R=3,032
При R=3,032 (=1,613
Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют из соотношений;
Lв=РRМверх/Мр
Lн=PRMниж/Мр+F(Mниж / МF ,
где МP и MF - мольные массы дистиллята и исходной смеси; МВ и МН - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.
Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:
Мверх=Мa( хср в+Мc(1- хср в),
Мниж= М a( хср н+Мc(1- хср н); где Мa и Мc - мольные массы ацетона и этил. спирта соответственно; хср в и хср н - средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны:
кмоль/кмоль см.
кмоль/кмоль см.
Тогда
кг/кмоль
кг/кмоль
Мольная масса исходной смеси
кг/кмоль
Подставим рассчитанные величины в выражения для средних массовых расходов, получим:
кг/с
кг/с
Средние массовые потоки пара в верхней GВ и нижней GН частях колонны:
где М(В и М(Н - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны
М(В=МA( yср в+Мc((1- yср в)
М(Н=М a( yср н+Мc((1- yср н) , где

Тогда
М(В=58(0.709+46((1-0.709)=54.508 кг/кмоль
М(Н=58(0.238+46((1-0.238)=48.856 кг/кмоль
Подставив численные значения, получим:
кг/c
кг/c
Скорость пара и диаметр колонны
Для ректификационных колон, работающих в плёночном режиме при атмосферном давлении, рабочую скорость можно принять на 20-30% ниже скорости захлё- бывания.
Придельную фиктивную скорость пара, при которой происходит захлёбывание колонны находим по формуле:
[1,c 127]
Определим недостающие параметры:
a) По диаграмме t-x-y : для пара tн = 73.4°C tв =
61.1°C для жидкости tн =
70.4°C tв = 60°С б)Тогда
кг/м3
кг/м3 ra = 746 кг/м3 rc = 754 кг/м3
кг/м3
кг/м3
или
Вязкости :
lgmx = xcplgma + (1-xcp)lgmc ma=0.23 мПа c mc=0.591 мПа с
mxв=0.326 мПа с mxн=0.447 мПа с
Для выбранной насадки, т.е. колец Рашига мм :
Удельная поверхность а = 87.5 м2/м3
Сбодный объём e = 0.785 м3/м3
Насыпная плотность 530 кг/м3
Предельная скорость паров :

wпв = 2.24 м/с
Аналогично :
wпн = 2.00 м/с
Принемаем рабочую скорость на 30% ниже предельной :
wв = 1.57м/с
wн = 1.40 м/с
Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравненную расхода:

Как правило, несмотря на разницу в рассчитанных диаметрах укрепляющей и исчерпывающей частей колонны (вследствие различия скоростей и расходов паров), изготовляют колонну единого диаметра, равного большему из рассчитанных.
м
м
Выберем стандартный диметр обечайки колонны из таблицы стандартных диаметров:
dст=1 м
При этом рабочая скорость пара :

Расчет высоты насадки

Решение графическое :
m - средний коэффициент распределения в условиях равновесия mcpв = 2.2369 mcpв = 1.3736
Результаты вычисления площади криволинейной трапеции : n0в = 13.11 n0н = 5.15
Общую высоту едениц переноса найдем по уравнению аддитивности :

Отношение нагрузок по пару и жидкости : для верха
для низа
где
Высота едениц переноса в жидкой фазе :

Ф и с - коэффиценты, оприделяемые по зависимости от плотности орошения Ls и w/wп [1, c129 ]

Lsв = 1.496 кг/м2 ч
Lsн = 27366 кг/м2 ч
Фв = 0.067 Фн = 0.075
(w/wп )в = 50% сн = 1.08 yв = 210
(w/wп )н = 53% сн = 1.08 yн = 210
z - высота слоя насадки до 3 м

Pасчет коэффициента молекулярной диффузии в жидкой Dx и паровой Dy фазах.
Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре t (в °С) равен:
Dx =Dx 20([1+b((t-20)]
(в(20 0С)=0.322 мПа(с
(н (20 0С)=0.119мПа(с
Мольные объемы в жидком состоянии при температуре кипения:
V a=59.2 см3(моль Vc=74 см3(моль
Коэффициент диффузии в жидкости Dx 20 при 20 ° C:
[1, c129] где А, В- коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя,
(х- вязкость жидкости при 20 °С, мПа(с.
Тогда коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при
20 0С равен:

Для нижней части колонны:

Температурный коэффициент b определяют по формуле:
где (х и (х принимают при температуре 20 0С.
(a= 791 кг(м3 (c= 789 кг(м3
Тогда для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Отсюда
Dx =Dx 20([1+b((t-20)] [1, c129]
Для верхней части колонны:
Dх в=5.31(10-9([1+0.0123((60-20)]= 7.92(10-9 м2(с
Для нижней части колонны:
Dх н =1.863(10-9([1+0.01606((70.4-20)]= 6.04(10-9 м2(с

Высота едениц переноса в паровой фазе :
[1, c129]

myв = 0.0089 мПа с myн = 0.0097 мПа с ryв = 1.9884 кг/м3 ryн = 1.7189 кг/м3
Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению:
[1, c129] где T - средняя температура в соответствующей части колонны, К; P - абсолютное давление в колонне, Па.
Тогда для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

sв = sа = 0.01875 H/м sн = sc = 0.01903 H/м

м
м
м
м
м - 8 секций
м - 2 секции
H = 30.7 м - 10 cекций
Высоту ректификационной колонны определим по формуле
Hк =nz+( n - 1) ( hp + zв + zн, [1, c130] где h - расстояние между тарелками, м; zв и zн - расстояние соответственно между
верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м. Выбор значении zв и zн производится по таблице. Подставив, получим:
м
Гидравлическое сопротивление насадки
[1, c130]
[ 1, c11]

Плотность орашения :

м3/м2 с
м3/м2 с

Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны

Расчёт теплообменных аппаратов
Расчёт пластинчатого теплообменника - подогревателя
Выбрать тип, рассчитать и подобрать нормализованный конструкции пластинчатого теплообменника для подогрева G2= F = 1.1389 кг ( с органической жидкости от температуры t2н=25°C до t2к=65.6°C. При средней температуре t2=0.5(25+65.6)=45.3°C ;c2= 2632 Дж / кг(К.
Для подогрева использовать насыщенный водяной пар давлением 0.4 Мпа.
Температура конденсации t1=142.9°C. Характеристики конденсации при этой температуре:r1=2141000 Дж (кг.
Тепловая нагрузка аппарата составит:
Q= 1.05(G2(c2(( t2к - t2н) = 1.05(1.1389(2632((65.6-25) = 127787 Вт [3, c519]
Расход пара определим из уравнения теплового баланса:
кг/с [2, c349]
Средняя разность температур:

Коэффициенты теплопередачи в пластинчатых теплообменниках выше, чем их ориентировочные значения. Примем Kор= 1250 Вт ( м2(К. Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит:

Теплообменник, поверхностью F = 1.5 м2 , подходит с запасом (= 46.28 %.
Расчёт кожухотрубчатого конденсатора (дефлегматора)
Рассчитать и подобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубчатого конденсатора смеси паров органической жидкости и паров воды (дефлегматора) для конденсации G1 = P = 1.59 кг ( с паров. Удельная теплота конденсации смеси r1= 534300 Дж/кг, температура конденсации 56.6°С. Физико-химические свойства конденсата при температуре конденсации (1= 0.162 Вт / м( К; (1=
748.8 кг ( м3;
(1= 0.0000251 Па(с. Тепло конденсации отводить водой с начальной температурой t2н= 20 °С.
Примем температуру воды на выходе из конденсатора t2к= 40°С. c2 =4190 Дж / кг(К
Тепловая нагрузка аппарата составит:
Q= G1(r1 = 1.59(534300 = 903943.3 Вт [2, c349]
Расход воды:
кг/с
Средняя разность температур:

Примем Kор= 600 Вт ( м2(К. Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит:

Задаваясь числом Re2= 15000, определим соотношение n /z для конденсатора из труб диаметром dн= 20(2 мм:
, где n - общее число труб; z - число ходов по трубному пространству: d - внутренний диаметр труб, м.
Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи. В соответствии с табличными значениями соотношение n /z принимает наиболее близкое к заданному значению у конденсаторов с диаметром кожуха D = 400 мм, диаметром труб 20(2 мм, числом ходов z = 2 и общим числом труб n = 166. n /z = 166 ( 2 = 83.
Наиболее близкую к ориентировочной поверхность теплопередачи имеет нормализованный аппарат с длиной труб L = 6 м; F = 63 м2 . Действительное число Re2 равно:

Коэффициент теплоотдачи к воде определим по уравнению:
,

Вт / м2( К;
Коэффициент теплоотдачи от пара компенсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб, определим по уравнению:

Вт / м2( К;
Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнения со стороны воды и пара равна:

Коэффициент теплопередачи:
Вт / м2( К;

Требуемая поверхность теплопередачи:

Конденсатор с длиной труб 3 м и поверхностью 3.5 м2 подходит с запасом:

Гидравлическое сопротивление (р2 рассчитывается по формуле:

Коэффициент трения по формуле равен:

Скорость воды в штуцерах:

Гидравлическое сопротивление:

Расчёт кожухотрубчатого испарителя
Рассчитать и подобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубчатого испарителя ректификационной колонны с получением G2= W=
1.425 кг ( с паров водного раствора органической жидкости. Кипящая при небольшом избыточном давлении и температуре t2= 78°С жидкость имеет следующие физико-химические характеристики: (2=737 кг/м3; (2=0.000448 Па(с;
(2=17.5(10-3 н(м; с2=3218 Дж/кг(К; (2=0.169 Вт/м( К; r2= 846240 Дж(кг.
Плотность при атмосферном давлении (по=1.6984 кг/м3, плотность паров над кипящей жидкостью (п=1.6984 кг/м3.
В качестве теплоносителя использовать насыщенный водяной пар давлением
0.4 Мпа.
Удельная теплота конденсации r1=2141000 Дж(кг, температура конденсации t1=142.9°С.
Физико-химические характеристики конденсации при этой температуре:
(1=926 кг / м3 ; (1 = 0.000196 Па(с ; (1= 0.685 Вт / м(К
Тепловая нагрузка аппарата:

Вт
Расход греющего пара определим из уравнения теплового баланса:
кг/с
Средняя разность температур:
(tср= t1 - t2= 1429 - 78 = 64.9°С.
В соответствии с табличным значением примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Kор=1400 Вт/м2(К. Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит:

В соответствии с табличной поверхностью, близкую к ориентировочной, может иметь теплообменник с высотой труб l=2 м, Dкожуха=400 мм, dтруб=25(2 мм, общим числом труб = 100, числом ходов =2.
Требуемая поверхность составит F = 13.5 м2
В выбранном теплообменнике запас поверхности:

Расчёт холодильника кубовой жидкости (кожухотрубчатого теплообменника).
Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменник для теплообмена между двумя растворами. Горячий раствор в количестве
G2= W= 0.7193 кг ( с охлаждается от t2н= 78°С до t2к=25°С . Начальная температура воды равна t2н= 20 0С. Горячая жидкость при средней температуре t1=51.5°С имеет следующие физико-химические характеристики: (1=766.5 кг/м3;
(1=0.178 Вт/м(К; (1=0.000746 Па(с; с1=2927 Дж/кг(К. Холодная жидкость температуре t2=30 °С имеет следующие физико-химические характеристики:
(2=986 кг/м3; (2=0.662 Вт/м(К; (2=0.000804 Па(с; с2=4190 Дж/кг(К.
Тепловая нагрузка аппарата:
Q= G1(с1((t1н- t1к)=0.7193(2927((78 - 25)=111586 Вт.
Расход охлаждающей воды:
кг/с
Определение средне-логарифмической разности температур:
.
Ориентировочный выбор теплообменника:
Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Kор=800
Вт/м2(К. Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности теплообмена составит:

Поправку для средне-логалифмической разности температур определим по уравнению:

Подбираем теплообменник:
Lтруб=4 м, dтруб=25(2 мм, Dкожуха=400 мм, F =31 м2, число труб= 100, число ходов=2
Требуемая поверхность составит F = 28.43м2.
В выбранном теплообменнике запас поверхности:

Расчёт холодильника дистиллята (кожухотрубчатого теплообменника)
Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменник для теплообмена между двумя растворами. Горячий раствор в количестве
G2= P= 0.4196 кг ( с охлаждается от t1н= 56.6°С до t1к=25°С . Начальная температура холодного раствора равна t2н= 20 °С. Горячая жидкость при средней температуре t1= 40.8°С имеет следующие физико-химические характеристики:с1=2292.5 Дж/кг(К. Холодная жидкость температуре t2=30 °С имеет следующие физико-химические характеристики: (2=996 кг/м3; (2=0.618
Вт/м(К; (2=0.000804 Па(с; с2=4190 Дж/кг(К.
Тепловая нагрузка аппарата:
Q= G1(с1((t1н- t1к)=0.4196(2292.5((56.6 - 25)=30397 Вт.
Расход охлаждающей воды:
кг/с
Определение средне-логарифмической разности температур:
.
Ориентировочный выбор теплообменника:
Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Kор=800
Вт/м2(К. Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности теплообмена составит:

Подбираем теплообменник:
Lтруб=3 м, dтруб=20(2 мм, Dкожуха=400 мм, F=31 м2, число ходов=2
Требуемая поверхность составит F = 25.61 м2.
В выбранном теплообменнике запас поверхности:

Расчёт ёмкости для исходной смеси и продуктов разделения
, где
G - расход жидкости, кг ( с.
( = 2 часа = 2(3600 = 7200 сек - время.
( - плотность жидкости, кг ( м3.
( = 0.8 - коэффициент заполнения.
1. Ёмкость для исходной смеси:

2. Ёмкость для сбора дистиллята:

3. Ёмкость для кубовой жидкости:

Расчёт и выбор насоса
Подобрать насос для перекачивания исходной смеси ацетон- этанол при температуре 20 °С из открытой ёмкости в аппарат, работающий под избыточным давлением 0.1 Мпа. Расход жидкости 1.1389 кг(с. Геометрическая высота подъёма жидкости 15 м. Длина трубопровода на линии всасывания 15 м, на линии нагнетания 40 м.
Проверить возможность установки насоса на высоте 4 м над уровнем жидкости в ёмкости.
Выбор трубопровода
Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения жидкости, равную 2 м(с. Тогда диаметр равен:

Выбираем стальную трубу наружным диаметром 38 мм, толщиной стенки
2 мм (по таблице). Внутренний диаметр трубы d = 0.034 м. Фактическая скорость воды в трубе:
м/с
Примем, что коррозия трубопровода незначительна.
Определение потерь на трение местные сопротивления
т.е. режим течения турбулентный. Примем абсолютную шероховатость равной
(=2(10-4 м. Тогда:

Далее получим:

Таким образом, в трубопроводе имеет место смешанное трение, и расчет ( следует ...

ВНИМАНИЕ!
Текст просматриваемого вами реферата (доклада, курсовой) урезан на треть (33%)!

Чтобы просматривать этот и другие рефераты полностью, авторизуйтесь на сайте:

Простая ссылка на эту работу:

Ссылка для размещения на форуме:

HTML-гиперссылка:

Добавлено: 2010.10.21
Просмотров: 1868

Notice: Undefined offset: 1 in /home/area7ru/area7.ru/docs/linkmanager/links.php on line 21

При использовании материалов сайта, активная ссылка на AREA7.RU обязательная!