Курсовая работа: Полный расчет ректификационной колонны

 Па.с

Определим вязкость смеси пара в нижней и верхней части колонны по формуле:

 Па.с

 Па.с

Определим плотности жидкости по формуле:

,

где плотности ацетона, четыреххлористого углерода соответственно.

а) для нижней части колонны:

 кг/м3

 кг/м3

 кг/м3

б) для верхней части колонны:

 кг/м3

 кг/м3

 кг/м3

Определим вязкость смеси жидкости для нижней и верхней части колонны по формуле:

,

где вязкости ацетона, четыреххлористого углерода соответственно.

 мПа.с  мПа.с

 мПа.с  мПа.с

 Па.с

Па.с

Поверхностное натяжение смеси жидкостей в верхней и нижней части колонны определим по формуле:

,

где поверхностное натяжение ацетона, четыреххлористого углерода соответственно.

Н/м

 Н/м

 Н/м

 Н/м

м/Н

 Н/м

м/Н

 Н/м

Находим мольные и массовые расходы жидкости в нижней и верхней части колонны:

кмоль/с

кг/кмоль

кг/с

 кг/с

 кмоль/с

 кг/кмоль

 кг/с

 кг/с

2.1.4 Расчет теплового баланса установки

Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением:

где QK – тепловая нагрузка куба; QD –количество теплоты, передаваемой от пара к воде; Qпот – тепловые потери (5%);  -теплоёмкости соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси;  - температуры соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси(находим из диаграммы «Зависимость температуры от равновесных составов пара и жидкости» приложение 1):

, , .

Найдем удельную теплоту конденсации паров дистиллята по аддитивной формуле:

кДж/кг

где  - теплоты испарения ацетона и четыреххлористого углерода при температуре дистиллята , .

,

где исходные данные: A1 =72.18; t 1кр=235.1; A2=25.64; t2кр=283.4

;

 .

Определим тепловую нагрузку дефлегматора по формуле:

кВт

Определим теплоёмкости смеси:

Для ацетона(1): c0=2.11кДж/(кгК); с1=0.0028 кДж/(кгК);

Для четыреххлористого углерода (2): c0=0.85кДж/(кгК); с1=0.00037 кДж/(кгК);

 ,

Тогда:

2.2 Гидравлический расчет насадочной колонны аппарата

бор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давление, рабочую скорость можно принять на 20% ниже скорости захлёбывания:

                            (26)

где  - скорость захлебывания пара, м/с;  – удельная поверхность насадки, м2/м3; Vсв – свободный объём насадки, м3/м3; μж – динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа∙с;  и  - массовые расходы жидкой и паровой фаз, кг/с;  и  - плотность пара и жидкости соответственно, кг/м3.

Выбираем в качестве насадки - стальные кольца Рашига:

Кольца Рашига 25 мм:

в:

н:

Тогда рабочая скорость в верхней и нижней части колонны равна:

По рабочей скорости определяем диаметр колонны:

,

где объемный расход пара при рабочих условиях в колонне, м3/с.

;

;

Выбираем стандартный аппарат с диаметром 2.2 м, с кольцами Рашига диаметром 25мм и уточняем рабочую скорость по формуле:

Плотность орошения для верхней и нижней части колонны определяют по формуле:

,

где U – плотность орошения, м3/(м2.с);

- объемный расход жидкости, м3/с;

S – площадь поперечного сечения колонны, м2.

,

где D – диаметр колонны, м.

так как плотность орошения меньше допустимых значений, то необходимо выбрать кольца Рашига с меньшим диаметром.

Кольца Рашига 50 мм:

в:

н:

Тогда рабочая скорость в верхней и нижней части колонны равна:

По рабочей скорости определяем диаметр колонны:

,

где объемный расход пара при рабочих условиях в колонне, м3/с.

;

;

Выбираем стандартный аппарат с диаметром 2 м, с кольцами Рашига диаметром 50мм и уточняем рабочую скорость по формуле:

Плотность орошения для верхней и нижней части колонны определяют по формуле:

,

где U – плотность орошения, м3/(м2.с);

- объемный расход жидкости, м3/с;

S – площадь поперечного сечения колонны, м2.

,

где D – диаметр колонны, м.

Так как плотность орошения удовлетворяет допустимым значениям, то в дальнейших расчетах используем кольца Рашига диаметром 50 мм.

Активную поверхность насадки  находят по формуле:

,

где U – плотность орошения, м3/(м2.с);

 - удельная поверхность насадки, м2 /м3;

p, q – постоянные, зависящие от типа и размера насадки.

Для выбранных колец Рашига с диаметром 50 мм:

p=0.024, q=0.012.

Определим активную поверхность насадки в нижней и верхней части колонны:

Одной из важных характеристик аппарата является гидравлическое сопротивление насадки, который зависит от режима движения пара (газа). Для расчета необходимо определить число Рейнольдса:

,

где  - вязкость пара.

Определяем значения числа Рейнольдса для нижней и верхней части колонны:

Определяем коэффициент сопротивления для верхней и нижней части колонны:

Так как число Reп>40, то

Определяем гидравлическое сопротивление для верхней и нижней части колонны:

 ,

где H=1 м – высота слоя.

Па/м

Па/м

,

где b- коэффициент, для колец Рашига 50 мм: b= 47.10-3.

=375.61 Па/м

=1093.32Па/м

2.3 Расчет высоты колонны

Определим коэффициент диффузии газа для нижней и верней части колонны по формуле:

,

где T – температура газа, К; p- давления газа, кгс/см2; MA,MB- мольные массы газов A и B;

vA,vB- мольный объемы газов А и В, определяемые, как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав газа.

Пусть А – ацетон (МА=58 кг/кмоль);

В- четыреххлористый углерод (МВ=154кг/кмоль).

см3/атом

 см3/атом

м2/с;

 м2/с;

Определим коэффициент диффузии в разбавленных растворах для верхней и нижней части колонны:

,

где М – мольная масса растворителя;

v- мольный объем диффундирующего вещества;

T –температура, К;

- динамический коэффициент вязкости растворителя, мПа.с;

- параметр, учитывающий ассоциацию молекул растворителя (А=В=1).

Пусть А растворяется в В (В- растворитель):

 м2/с;

 м2/с.

Пусть В растворяется в А (А- растворитель):

 м2/с;

 м2/с.

Определим коэффициент диффузии смеси жидкостей для верхней и нижней части колонны по формуле:

 м2/с;

 м2/с.

По диаграмме «Равновесное состояние жидкости и пара» определяем коэффициенты распределения нижней и верхней частей колонны:

Через xн, xв определяем углы α и β соответственно (приложение 2).

Определяем число единиц переноса графическим методом интегрирования для нижней и верхней части колонны:

yw=xw=0.06

yD=xD=0.8

По данным таблицы строим график зависимости и определяем площадь под графиком с помощью метода трапеций для нижней и верхней части колонны, равную числу единиц переноса (приложение 4):

n0yн=3.029

n0yв=5.51

Определим высоту единиц переноса с помощью сведущих формул:

а) критерий Рейнольдса для пара и жидкости в верхней и нижней части колонны:

б) критерий Прандтля для пара и жидкости в верхней и нижней части колонны:

в) приведенная толщина жидкой пленки для верхней и нижней части колонны:

г) высота единиц переноса в газовой фазе для верхней и нижней части колонны:

м

м

д) высота единиц переноса в жидкой фазе для верхней и нижней части колонны:

м

м

Тогда высота единиц переноса равна:

м

м

Определим высоту слоя насадки по формуле:

Тогда общую высоту аппарата определим по формуле:

2.4 Ориентировочный расчет теплообменников

Произведем ориентировочные расчеты пяти теплообменников: куба-испарителя, подогревателя, дефлегматора и двух холодильников (дистиллята и кубового остатка).

2.4.1 Куб-испаритель

Исходные данные: Qk=3924.32кВт, tw=71ْC

Δt=tгп-tw

Пусть Δt=30ْC, тогда:

tгп= Δt+ tw=101ْC,

при tгп= 101ْC,

pгп=1.0728кгс/см2, rгп=2257.6 кДж/кг

пусть коэффициент теплопередачи Кор=800Вт/(м2.К)

Определим поверхность теплообмена по формуле:

м2

По ориентировочной поверхности теплообмена выбираем стандартный куб-испаритель с внутренним диаметром кожуха D=1000 мм, числом труб n=747, с поверхностью теплообмена F=176 м2 и длиной труб l=3м.

2.4.2 Подогреватель

Исходные данные: кг/с, xF=0.48, tF=58.4 ْC, tнач=20 ْC, .

Определим среднюю температуру:

Δtм=tгп-tF=101-58.4=42.6 ْC

Страницы: 1, 2, 3