Расчет насадочной ректификационной колонны

 

Содержание

 

Аннотация ……………………………………………………

Основные условные обозначения ………………………….

Введение …………………………………………………….

1. Литературный обзор ………………………………………..

2. Описание технологической схемы ………………………..

3. Задание ………………………………………………………

4. Расчет насадочной ректификационной колонны

4.1. Материальный баланс колонны и

       определение рабочего флегмового числа. ………….

4.2. Расчет скорости пара и диаметра колонны. ………..

4.3. Расчет высоты насадки ………………………………

Заключение

Список использованной литературы ………………………

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация

 

В данной курсовой работе произведен расчет насадочной ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси  уксусная кислота—вода, определено рабочее флегмовое число, диаметр колонны и высота насадки, рассчитана общая высота колонны, выполнены 2 графические работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные условные обозначения

 

а — удельная поверхность, м²/м³;

D — коэффициент диффузии, м²/с;

d — диаметр, м;

F — поверхность теплопередачи, м²;

G — расход, кг/с;

g — ускорение свободного падения, м/с²;

Н,h — высота, м;

К — коэффициент массопередачи, Вт/(м² · К);

L – расход жидкой фазы, кг/с;

М—мольная масса, кг/кмоль;

т — коэффициент распределения;

N – число теоретических ступеней разделения;

n – число единиц переноса;

Р – расход дистиллята, кг/с;

R – флегмовое число;

Т, t — температура, град;

U — плотность орошения, м³/м²∙с;

W – расход кубовой жидкости, кг/с;

ω – скорость пара, м/с;

х — концентрация жидкой фазы;

у — концентрация паровой фазы;

β – коэффициент массотдачи;

ε – свободный объем, м³/м³;

ρ — плотность, кг/м³;

μ — вязкость, Па с;

σ — поверхностное натяжение, Н/м;

φ – коэффициент смачиваемости;

Re — критерий Рейнольдса;

Fr — критерий Фруда;

Гс – критерий гидравлического сопротивления;

 — диффузионный критерий  Нуссельта;

 — диффузионный критерий  Прандтля;

Индексы:

эс – параметры этилового спирта;

вода – параметры воды;

в – укрепляющая (верхняя) часть колонны;

н – исчерпывающая (нижняя) часть колонны;

F – параметры исходной смеси;

Р – параметры дистиллята;

W – параметры кубовой жидкости;

х – жидкая фаза;

у – паровая фаза;

ср – средняя величина;

э – эквивалентный размер.

ВВЕДЕНИЕ

 

Ректификация — массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемым в процессах абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменный по высоте коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.

Одна из сложностей, с которой встречаются проектировщики, заключается в том, что в литературе отсутствуют обобщенные закономерности для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм, с насадками и тарелками широко применяемыми в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчетов ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании абсорбционных процессов.

Расчет  ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров— диаметра и высоты. Обе эти величины в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа и размеров насадок.

Для расчета  коэффициентов массоотдачи необходимо выбрать тип насадки и рассчитать скорости потоков в абсорбере. При выборе типа насадки для проведения массообменных процессов руководствуются следующими соображениями:

во-первых, конкретными условиями проведения процесса — нагрузками по пару и  жидкости, различиями в физических свойствах систем, наличием в потоках  жидкости и газа механических примесей, поверхностью контакта фаз в единице  объема аппарата и т. д.;

во-вторых, особыми требованиями к технологическому процессу — необходимостью обеспечить небольшой перепад давления в  колонне, широкий интервал изменения  устойчивой работы, малое время пребывания жидкости в аппарате и т. д.

в-третьих, особыми требованиями к аппаратурному  оформлению — создание единичного или серийно выпускаемого аппарата малой или большой единичной  мощности, обеспечение возможности  работы в условиях сильно коррозионной среды, создание условий повышенной надежности и т. д.

 

 

 

1 Литературный обзор

 

Устройство  различных видов насадки показано на рисунках их характеристики приведены в таблице.

Рисунок 1     Деревянная хордовая насадка

 

 

Рисунок 2     Кольца Рашига внавал и с упорядочной укладкой

 

Рисунок 3     Кольцо с вырезами и внутренними выступами (кольцо Паля)

 

Рисунок 4     Керамические седла Берля

 

Рисунок 5    Седла «Инталокс»

 

Рисунок 6     Кольцо с крестообразными перегородками

 

Рисунок 7     Кольца с внутренними спиралями

 

 

Рисунок 8    Пропеллерная насадка

 

 

 

 

 

Таблица 1     

Характеристики  насадов (размеры даны в мм)

 

Насадки	α, м2/м3	ε, м3/м3	dЭ, м	ρ, кг/м3	Число штук в 1 м2
Регулярные  насадки
Деревянная хордовая (10х100), шаг в свету
10	100	0,55	0,022	210	-
20	65	0,68	0,042	145	-
30	48	0,77	0,064	110	-
Керамические кольца Рашига
50х50х5	110	0,735	0,027	650	8500
80х80х8	80	0,72	0,036	670	2200
100х100х10	60	0,72	0,048	670	1050
Неупорядоченные насадки
Керамические кольца Рашига
10х10х1,5	440	0,7	0,006	700	700000
15х15х2	330	0,7	0,009	690	220000
25х25х3	200	0,74	0,015	530	50000
35х35х4	140	0,78	0,022	530	18000
50х50х5	90	0,785	0,035	530	6000
Стальные кольца Рашига
10х10х0,5	500	0,88	0,007	960	770000
15х15х0,5	350	0,92	0,012	660	240000
25х25х0,8	220	0,92	0,017	640	55000
50х50х1	110	0,95	0,035	430	7000
Керамические кольца Палля
25х25х3	220	0,74	0,014	610	46000
35х35х4	165	0,76	0,018	540	18500
50х50х5	120	0,78	0,026	520	5800
60х60х6	96	0,79	0,033	520	3350
Стальные кольца Палля
15х15х0,4	380	0,9	0,010	525	230000
25х25х0,6	235	0,9	0,015	490	52000
35х35х0,8	170	0,9	0,021	455	18200
50х50х1,0	108	0,9	0,033	415	6400
Керамические седла Берля
12,5	460	0,68	0,006	720	570000
25	260	0,69	0,011	670	78000
38	165	0,7	0,017	670	30500
Керамические седла «Инталокс»
12,5	625	0,78	0,005	545	730000
19	335	0,77	0,009	560	229000
25	255	0,775	0,012	545	84000
38	195	0,81	0,017	480	25000
50	118	0,79	0,027	530	9350

Примечание: α – удельная поверхность; ε – свободный объем; d_Э – эквивалентный диаметр; ρ – насыпная плотность

 

Наиболее  правильно выбор оптимального типа и размера насадки может быть осуществлен на основе технико-экономического анализа общих затрат на разделение в конкретном технологическом процессе.

Ориентировочный выбор размера насадочных тел  можно осуществить исходя из следующих соображений. Чем больше размер элемента насадки, тем больше ее свободный объем (живое сечение) и, следовательно, выше производительность. Однако вследствие меньшей удельной поверхности эффективность крупных насадок несколько ниже. Поэтому насадку большого размера применяют, когда требуются высокая производительность и сравнительно невысокая степень чистоты продуктов разделения. В ректификационных колоннах, работающих при атмосферном давлении, для разделения агрессивных жидкостей, а также в тех случаях, когда не требуется частая чистка аппарата, обычно применяют керамические кольца Рашига.

Для данного  случая примем насадку из керамических колец Рашига размером 35x35x5 мм. Удельная поверхность насадки α = 87,5 м²/м³, свободный. объем ε = 0,78 м³/м³, насыпная плотность 530 кг/м³. Насадочные колонны могут работать в различных гидродинамических режимах:

• пленочное,
• подвисание,
• эмульгирование.

В колоннах большой производительности с крупной насадкой осуществление процесса в режиме эмульгирования приводит к резкому уменьшению эффективности разделения, что объясняется существенным возрастанием обратного перемешивания жидкости и значительной неравномерностью скорости паров по сечению аппарата. Ведение процесса в режиме подвисания затруднено вследствие узкого интервала изменения скоростей пара, в котором этот режим существует.

Поэтому выберем пленочный режим работы колонны.

Для определения  скоростей потоков необходимо определить нагрузки по пару и жидкости.

2. Описание технологической схемы

 

 

 

Рисунок 9 Принципиальная  схема  ректификационной

установки:

1 —  емкость для исходной смеси; 2, 9— насосы; 3 — теплообменник-подогреватель; 4 — кипятильник; 5 — ректификационная колонна; 6 — дефлегматор; 7 — холодильник дистиллята; 8 — емкость для сбора дистиллята; 10 — холодильник кубовой жидкости; 11 — емкость для кубовой жидкости.

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рисунке 9.

Исходная смесь из промежуточной  емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 8, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси х_р.

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 x_W, 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 х_р, которая получается 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 кубовой остаток, обогащенный  труднолетучим компонентом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Задание на проектирование.

 

Рассчитать  ректификационную колонну непрерывного действия для разделения бинарной смеси  уксусная кислота—вода по следующим данным:

• производительность по исходной смеси F = 5,8т/ч (1,61 кг/с);
• содержание летучего компонента:

- в исходной смеси  — 34 % (масс);

- в дистилляте  = 94 % (масс.);

- в кубовом остатке  =3% (масс);

• давление в паровом пространстве дефлегматора Р = 0,1 МПа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчет насадочной ректификационной  колонны

4.1 Материальный баланс колонны и определение рабочего флегмового числа

 

Производительность  колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определяем из уравнений материального баланса колонны:

                                                                             1

Отсюда находим:

 кг/с

 кг/с

Нагрузки  ректификационной колонны по пару и  жидкости определяются значением рабочего флегмового числа R; его оптимальное значение R_опт можно найти путем технико-экономического расчета.