Методические указания. По дисциплине: Процессы и аппараты химических производств

 

По дисциплине: Процессы и аппараты химических производств

 

На тему: Расчет ректификационной колонны

 

 

Отметка о зачете

_(дата)

 

 

Руководитель: доцент Л.Н.Кузнецова

_{(должность) (подпись) (и.о.Фамилия)}

 

Архангельск

 

ЛИСТ ЗАМЕЧАНИЙ

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ……………………………………………………………….4

2 Схему РКНД…………………………………………………………………….5

3 Материальный баланс установки……………………………………………...5

4 Тепловой баланс………………………………………………………………..8

5 Диаметр РКНД ………………………………………………………………..10

6 высоту колонного аппарата …………………………………...……………..14

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

 

Таблица 1. Исходные данные.

Тип колонны и тарелки	Разделительная смесь	Производительность, кг/ч	Составы, массовые %
Исх. смесь	Верхний продукт	Нижний продукт
Тарельчатая, провальная	этанол-вода

 

1 Составляем схему РКНД.

 

 

Рис 1 – Схема непрерывно действующей ректификационной установки

 

2 Составляем материальный баланс установки.

 

G_f = 2,5 кг/с; G_P = 0,41 кг/с; G_W = 2,09 кг/с;

 

3 Определяем оптимальное флегмовое число и число теоретических ступеней (ЧТС).

 

3.1 Пересчитываем массовые доли концентраций в молярные.

 

Молярная масса легкокипящего компонента М_А (этанол)

М_А = 46 кг/кмоль;

Молярная масса тяжелокипящего компонента М_В (вода)

М_В = 18 кг/кмоль.

;

 

3.2 Определяем минимальное флегмовое число R_min, для этого по справочным данным строим кривую равновесия (рис 1, приложение 1).

 

 

x, %	y, %	t, 0C
	0,0
1,8	17,9	95,5
5,4	33,8	90,6
12,4	47,0	85,4
17,6	51,4	83,7
23,0	54,2	82,8
28,8	57,0	82,0
38,5	61,2	81,0
44,0	63,3	80,5
51,4	65,7	79,8
67,3	73,5	78,9
84,0	85,0	78,3
		78,3

R_min= ;

3.3 Определяем оптимальное флегмовое число R_опт

 

R_опт = 2,52.

 

3.4 Определяем число теоретических ступеней (ЧТС), для этого на графике строим рабочие линии укрепляющей и исчерпывающей частей колонны.

 

Для укрепляющей части колонны уравнение рабочей линии выглядит следующим образом

Тогда т.А и т. В будут иметь координаты

т.А: x = x_P; y_А = x_P;

т.В: x = 0; y_В =

Для исчерпывающей части колонны уравнение рабочей линии выглядит следующим образом

где F,W – относительные мольные расходы исходной смеси и кубового остатка, отнесенные к 1 молю дистиллята.

АС–укрепляющая часть.

СD–исчерпывающая часть.

По графику определяем ЧТС для укрепляющей и исчерпывающей частей колонны:

ЧТС_укр = 2,8; ЧТС_исч = 2; n_Т = ЧТС_укр + ЧТС_исч = 4,8.

 

4 Составляем тепловой баланс.

 

4.1 Определяем теплоемкости смеси, для чего строим температурную зависимость t = f(x) (рис 2, приложение 1).

C_см =

 

	t, 0C	CA, кДж/(кг·К)	CB, кДж/(кг·К)	Cсм, кДж/(кг·К)
p	79,2	3,23	4,19	3,41
f	89,7	3,35	4,19	4,06
w	97,4	3,44	4,19	4,18

 

4.2 Составляем уравнение теплового баланса

 

Приход теплоты:

1. с исходной смесью

Q_f = G_f·t_f·c_f;

Q_f = 2,5·4,06·89,7 = 510,5 кВт.

2. с греющим паром

Q_гр = D_грI_гр;

 

t_гр > t_W + 20 ⁰C; t_гр > 117,4 ⁰C;

По справочным данным выписываем характеристики насыщенного водяного пара по температуре: t_гр = 119,6 ⁰C, Р_гр = 2,0 атм, I_гр = 2710 кДж/кг, r_гр = 2208 кДж/кг.

Q_гр = 2710D_гр.

3. с флегмой

Q_R = G_R·t_R·c_R;

c_R = c_P; t_R = t_P;

R = G_R/ G_P;

G_R = R· G_P;

Q_R =R·G_P·t_P·c_P;

Q_R =0,41·2,52·3,41·79,2 = 279,0 кВт.

 

Расход теплоты:

1. с парами из колонны

Q_п = G’_пI’_п;

где G’_п – расход пара в верхнем сечении колонны;

I’_п – удельная энтальпия в верхнем сечении колонны.

G’_п = G_R + G_P = G_PR+ G_P = G_P(R+1);

I’_п = r_p + c_pt_p;

r_p = ;

Q_п = G_P(R+1)·(r_p + c_pt_p);

По справочным данным по температуре дистиллята находим удельные теплоты парообразования легкокипящего и тяжелокипящего компонента: r_А = 847,7 кДж/кг, r_В = 2310,7 кДж/кг.

r_p = 0,81·847,7 + (1-0,81)·2310,7 = 1125,7 кДж/кг;

Q_п = 0,41·(2,52+1)·(1125,7 + 3,41·79,2) = 2014,4 кВт.

2. с кубовым остатком:

Q_W = G_W·t_W·c_W;

Q_W = 2,09·4,18·97,4 = 850,9 кВт.

3. с конденсатом греющего пара

Q_конд = D_гр·c_B·t_гр,

где c_B – удельная теплоемкость воды, c_B = 4,19 кДж/(кг·К).

Q_конд = 4,19·119,6· D_гр = 501,1 D_гр.

4.3 теплопотери

Теплопотери составляют 5% от теплоты, отдаваемой греющим паром.

Q_пот = 0,05D_грr_гр;

Q_пот = 0,05·2208·D_гр = 110,4D_гр,

Q_f + Q_гр + Q_R = Q_п + Q_п + Q_W + Q_конд + Q_пот;

910,5 + 2710 D_гр + 279,0 = 850,9 + 2014,4 + 501,1 D_гр + 110,4 D_гр;

D_гр = 0,80 кг/с.

 

5 Определяем диаметр РКНД

5.1 Рассчитываем расход пара в верхнем и нижнем сечениях колонны.

где T₀ = 273 K, P₀ = 1·10⁵ Па.

В верхнем сечении:

G’_n = G_P(R+1);

G’_n = 0,41(2,52+1) = 1,44 кг/с,

M_р = x_pM_A + (1-x_p)M_B,

M_р = 46·0,625 + 18·(1 – 0,625) = 35,5 кг/кмоль.

Принимаем давление в верхнем сечении колонны, P’ = 1 атм = 1·10⁵ Па.

T’ = t_p + 273 = 79,2 + 273 = 352,2 K.

кг/м³,

м³/с

В нижнем сечении:

G”_n·r_W = D_гр·r_гр;

r_W = .

По справочным данным по температуре кубового остатка(t_w=97,4) находим удельные теплоты парообразования легкокипящего и тяжелокипящего компонента: r_А =817,3 кДж/кг, r_В = 2264,9 кДж/кг.

r_W =0,02·817,3 + 2264,9·0,98 = 2235,9 кДж/кг.

кг/с,

M_W = x_WM_A + (1-x_W)M_B,

M_W = 0,008·46 + (1-0,008)·18 = 18,2 кг/кмоль.

Давление в нижней части колонны находиться по формуле:

P” = P’ + ∆P

∆P = n_T·∆P_T,

Принимаем ∆P_T = 150 Па, общее число теоретических тарелок n_T = 4,8.

∆P = 150·4,8= 720 Па;

P” = 1·10⁵ + 720 = 1,0072·10⁵Па.

T” = t_W + 273 = 97,4 + 273 = 370,4 K,

кг/м³,

м³/с.

5.2 Рассчитываем скорость пара в верхнем и нижнем сечениях колонны.

Тарелки провальные.

Верхнее сечение:

Hижнее сечение:

 

5.3 Определяем диаметр колонны в верхнем и нижнем сечении.

Полученные значения диаметров отличаются друг от друга меньше, чем на 0,3 м, поэтому выбираем колонну одного диаметра. D_к = 1000 мм.

5.4 Уточняем скорость:

5.5 По каталогу выбираем основные размеры колонны.

Тип колонны КСР, Тип тарелки–ТР.

Техническая характеристика	Значение
Диаметр, мм
Высота сепарационной части hc, мм
Высота кубовой части hк, мм
Расстояние между штуцерами для уровнемера hур, мм
S, мм	4,0
Шаг t,мм
Материал–сталь	углеродистая

 

6 Определяем высоту колонного аппарата.

H_K = h_c + h_к + H_T + ∆H_доп,

где ∆H_доп – высота, учитывающая установку монтажных люков,

∆H_доп = z_л(h_л - h_т),

z_л – число люков;

h_л – расстояние между тарелками в месте установки люков;

H_T – общее расстояние между тарелками,

H_T = h_т(n_д-1);

n_д = n_т/η,

где n_д – число действительных тарелок;

n_т – число теоретических ступеней;

η – КПД тарелки.

η = f(α·μ),

где μ – коэффициент вязкости исходной смеси;

α – коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов,

α = P_A/P_B,

где P_A, P_B – давление насыщенного пара легкокипящего и тяжелокипящего компонента при t_f = 87,9 ⁰C.

P_A = 1050 мм.рт.ст. P_B =500 мм.рт.ст.

α = 1050/500=2,1.

lgμ_ж = x_f ·lgμ_A + (1-x_f) lgμ_B,

μ_A = 0,382·10^-3 Па·с, μ_B = 0,322·10^-3 Па·с,

lgμ_ж = 0,065 ·lg(0,382·10^-3) + (1-0,065) lg(0,322·10^-3) = -3,49

μ_ж = 0,32 мПа·с,

η = f(0,32·2,1) = f(0,672).

По диаграмме для приближенного определения среднего КПД тарелок находим

η = 0,53,

n_д = 4,9/0,53 = 9,25 ≈ 10;

H_T = 0,4(10-1) = 3,6 м,

дополнительные люки в колонне не устанавливаются.

∆H_доп = 0,0 м,

H_K = 0,8 + 2,0 + 3,6 + 0,0 = 6,4 м

 

Методические указания

к лабораторной работе по дисциплине

«Процессы и аппараты пищевых производств»

Направления подготовки дипломированного специалиста:

655600 Производство продуктов питания из растительного сырья,

655800 Пищевая инженерия,

655900 Технология сырья и продуктов животного происхождения

660300 Агроинженерия

 

 

Уфа 2006

Рекомендовано к изданию

методической комиссией факультета

пищевых технологий

 

Составители: доценты Мартынов В.М., Юхин Г.П.

 

 

Рецензент: гл. инженер Уфимского СВК «Золотой век»

Крыжановский Ю.А.

 

Ответственный за выпуск: заведующий кафедрой

«Технологическое оборудование животноводческих

и перерабатывающих предприятий»

доцент Юхин Г.П.