Расчетная часть. 1. Материальный баланс и рабочее флегмовое число.

 

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ВолгГТУ)

1. Материальный баланс и рабочее флегмовое число.

Обозначим массовый расход дистиллята через P [кг/с], кубового остатка W [кг/с], исходной F [кг/с].

Из уравнений материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия (см. стр. 228 (6.1) [1]):

где F,P,W – массовые расходы питания, дистиллята и кубового остатка;

x_F, x_D, x_W – содержание легколетучего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке, мол. доли, с чертой наверху – масс. доли.

Определим производительность колонны по кубовому остатку из уравнения материального баланса:

Производительность по дистилляту:

Для расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях (кмоль / кмоль смеси):

Определяем минимальное число флегмы по уравнению (см. (6,2) [1]):

где = 0,395 – мольная доля низкокипящего компонента в паре (этанола).

Флегмовые числа определим по формуле:

где коэффициент избытка флегмы.

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы β;, определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочей линиям на диаграмме состав пара Y – состав жидкости X, находим N – число ступеней изменения концентрации и R+1 – расход паров, сечение колонны. Найдем B – отрезок, который отсекает прямая рабочих концентраций, на оси y.

β	1,05	1,2	1,4	2,1
R	0,89	1,02	1,19	1,785
B	0,353	0,330	0,305	0,273
N	11	9	7,5	7,5
N(R+1)	20,79	18,18	16,425	21

Минимальное произведение соответствует флегмовому числу R = 1,24.

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определим по формулам (см. стр. 229 (6.4, 6.5), [1]):

,

где M_P и M_F – мольные массы дистиллята и исходной смеси; M_B и M_Н - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента.

Определим средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны (кмоль / кмоль смеси):

Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны :

Мольная масса исходной смеси:

Тогда средние массовые расходы равны :

Определим средние мольные массы паров (см. стр. 230, (6.8), [1]) :

,

где

Средние массовые потоки пара равны (см. стр. 230, (6.7), [1]) :

2. Скорость пара и диаметр колонны.

Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давлении, рабочую скорость можно принять на 20 – 30% ниже скорости захлебывания.

Найдем плотности жидкости ρ_{x в}, ρ_{x н} и пара ρ_{y в}, ρ_{y н} в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них t_в и t_н.

Средние температуры определим по t – x-y диаграмме по средним составам фаз: t_в = 84,5 ⁰C, t_н = 83,5⁰C: Тогда (см. стр. 231, (6.10), [1]):

Плотность физических смесей подчиняется закону аддитивности:

Вязкость жидких смесей (см. стр. 231, (6.11), [1]):

=-3,415

=-3,44

Откуда , .

Предельную фиктивную скорость пара при которой происходит захлебывание насадочных колонн, определим по формуле (см. стр. 230, (6.9), [1]):

Предельная скорость пара в верхней части колонны :

→

Предельная скорость пара в нижней части колонны :

→

Примем рабочую скорость на 20% ниже предельной :

Диаметр ректификационной колонны определим из уравнения расхода (см. стр. 231, (6.12), [1]):

Рационально принять стандартный диаметр обечайки d = 0,4 м (см. разд. 5.1.4) одинаковым для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне равны:

,

что составляет соответственно 60,4% и 79,6% от предельных скоростей.

 

3. Высота слоя насадки.

 

Определим общее число единиц переноса методом графического интегрирования (см. стр. 232, (6.15), [1]):

,

где S – площадь, ограниченная кривой; M_x и M_y – масштаб осей ординат.

Данные для графического изображения функции :

y	y*	y*-y	1/ y*-y
0,075	0,26	0,185	5,4
0,165	0,42	0,225	3,92
0,345	0,59	0,245	4,08
0,485	0,69	0,205	4,88
0,557	0,74	0,183	5,46
0,63	0,8	0,17	5,88
0,7	0,82	0,12	8,33
0,78	0,89	0,11	9,01
0,845	0,93	0,085	11,77
0,925	0,97	0,045	22,22

 

По рисунку находим общее число единиц переноса в верхней и нижней частях колонны:

Для определения высоты единиц переноса в жидкой и паровой фазе, определим следующие значения.

- коэффициенты с, Ф и ψ; определяем по рис. [1]

При отношении скоростей :

60,4% - с_в = 0,99 ψ_в = 200

79,6% - с_н = 0,95 ψ_н = 213

При массовой плотности орошения L_S :

Выразим массовую плотность орошения в ч, и определим коэффициент Ф:

– Ф_в = 0,08

– Ф_н = 0,1.

Для расчета высоты единиц переноса в жидкой h_x и паровой h_y фазах, необходимо определить вязкость паров и коэффициенты диффузии в жидкой D_x и паровой D_y фазах. Вязкость паров для верхней и нижней частей колонны:

Мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения:

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре t (см. стр. 234 (6.22), [1]):

Коэффициент диффузии в жидкости , при 20⁰С (см. (6.23), [1]):

,

где А и В – коэффициенты, зависящие от свойств растворённого вещества и растворителя, принимаем равными 1; μ_x20 – вязкость жидкостей при 20⁰С;

- температурный коэффициент:

Определим коэффициенты динамической вязкости жидкой фазы при 20⁰С:

→

→

Коэффициент диффузии в жидкости , при 20⁰С:

Коэффициент диффузии в паровой фазе (см. стр. 234, (6.25), [1]) :

,

где Т – средняя температура в соответствующей части колонны, К;

Р - абсолютное давление в колонне, Па.

Определим критерий Прандтля для жидкости и пара:

,

Определим значения f:

Высота единиц переноса в жидкой фазе (см. стр. 233, (6.19), [1]), при Z =1:

Высота единиц переноса в паровой фазе:

По уравнению (6.17) находим общую высоту единиц переноса для верхней и нижней части колонны:

Значения m_в = 0,638 для верхней части колонны и m_н = 1,46 – для нижней определены арифметическим усреднением локальных значений m в интервалах изменения составов жидкости соответственно от x_F до x_P и от x_W до x_F.

Высота насадки в верхней и нижней частях колонны равна соответственно (см. стр. 232, (6.13), [1]):

Общая высота насадки в колонне:

С учетом того, что высота слоя насадки равна 1 м, общее число секций в колонне составляет 3(2 секции в верхней части и 1 – в нижней).

Общую высоту ректификационной колонны определим по уравнению:

, где

Z – высота насадки в одной секции, м; n – число секций; h_p – высота промежутков между секциями насадки, в которых устанавливаются распределители жидкости = 0,5; Z_в и Z_н – соответственно равны 0,6м и 1,5м – высота сепараторного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой.

4. Гидравлическое сопротивление насадки.

 

Гидравлическое сопротивление насадки находим по уравнению (см. стр. 236, (6.27), [1]):

Гидравлическое сопротивление сухой неорошаемой насадки:

, где λ – коэффициент сопротивления сухой насадки, зависящий от режима движения газа в насадке.

Критерий Рейнольдса для газа в верхней и нижней частях колонны соответственно равен:

→ режим турбулентный.

Для данного режима λ в виде беспорядочного засыпанных колей Рашига находим по уравнению:

Тогда гидравлическое сопротивление сухой неорошаемой насадки равно:

Плотность орошения определим (см. стр. 236, (6,29), [1]):

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:

Общее гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в колонне:

 

Заключение

В процессе проделанной работы была рассчитана ректификационная колонна для разделения смеси этанол-вода.

Были получены следующие данные:

- диаметр колонны - 400 мм;

- высота колонны – 9 м;

- общее гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в колонне 8882 Па.

Колонна состоит из 3 секций (2 в верхней части колонны и 1 в нижней) по 3м каждая, с расстоянием между секциями 0,5м. В качестве перераспределителя жидкости принята тарелка ТСН-II. Жидкости подаются на тарелки ТСН-III.

Конструкци­онный материал для основных деталей аппарата – композиционна сталь «биметалл»: Ст3 сп5 0,8Х13 ГОСТ 380 – 94.

Колонна насадочного типа работает в плёночном режиме.

Список используемой литературы

 

1. А.Г. Касаткин Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971 -784С.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-ое издание, переработанное и дополненное М: Химия, 1991. - 496с.

3. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, 10-е издание, переработанное и дополненное. Под ред. П.Г Романтшва. Л.; Химия, 1987.-57бс.