Ректификационная установка для разделения смеси этанол- вода
Курсовая работа, 23 Января 2014, автор: пользователь скрыл имя
Краткое описание
Ректификация – разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате противоточного взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси.
Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости.
Сущность процесса ректификации рассмотрим на простейшем примере разделения двухкомпонентной смеси, как и в случае нашего задания по курсовому проектированию, где требуется спроектировать ректификационную установку для разделения смеси «этанол-вода».
Содержание
1. Описание процесса ректификации 4
2. Описание технологической схемы ректификационной установки 7
3. Расчет тарельчатой ректификационной колонны 9
3.1. Определение производительности по дистилляту и кубовому
остатку 9
3.2. Определение молярных концентраций 9
3.3. Построение равновесной кривой и изобары температур кипения и конденсации 10
3.4. Определение минимального флегмового числа 10
3.5. Определение оптимального флегмового числа 10
3.6. Определение потоков пара по колонне 11
3.7. Определение диаметра колонны и основных характеристик контактного устройства 13
3.8. Выбор типа и гидравлический расчет расчет контактного устройства 13
3.9. Определение кинематических коэффициентов 15
3.10. Построение ки етической кривой и определение числа тарелок 17
3.11. Определение гидравлического сопротивления колонны 17
4. Расчет проходного диаметра штуцеров колонны и выбор фланцев 18
4.1. Штуцер для входа исходной смеси 18
4.2. Штуцер для выхода пара в дефлегматор 18
4.3. Штуцер для входа флегмы в колонну 19
4.4. Штуцер для выхода кубовой жидкости 19
4.5. Штуцер для входа пара из кипятильника 20
4.6. Изготовление штуцеров и выбор фланцев 20
5. Выбор насосов 21
5.1. Насос для подачи исходной смеси 21
5.2. Насос для подачи флегмы в колонну и насос для подачи дистиллята в холодильник 21
6. Расчет кожухотрубчатого конденсатора (дефлегматора) 21
7. Расчет и выбор теплообменников 21
7.1. Подогреватель 26
7.2. Кипятильник 31
7.3. Холодильник 32
7.4. Рекуператор 33
8. Тепловой баланс процесса ректификации 35
Список литературы 36
Прикрепленные файлы: 1 файл
записка ректиф колпачковая тарелка этанол-вода.doc
— 537.50 Кб (Скачать документ)
Определим R. Пересчитаем составы фаз из массовых долей в мольные по соотношению
где Мe и Мv – молекулярные массы соответственно этанола и воды, кг/кмоль.
кг/моль
кг/моль
Получим:
кмоль/кмоль смеси
Аналогично найдем:
кмоль/кмоль смеси
кмоль/кмоль смеси
3.3. Построение равновесной кривой и изобары температур кипения и конденсации
Данные по равновесию приведены в таблице:
Таблица 1.
х |
1 |
0.82 |
0.66 |
0.51 |
0.38 |
0.26 |
0.16 |
0.06 |
0 |
у |
1 |
0.92 |
0.83 |
0.72 |
0.60 |
0.45 |
0.30 |
0.13 |
0 |
T 0C |
80 |
84 |
88 |
92 |
96 |
100 |
104 |
108 |
110 |
3.4. Определение минимального флегмового числа
На диаграмме проводим прямую линию из т. хР через хF до пересечения с осью ординат. Полученный отрезок Bmax = 0.44.
Тогда минимальное флегмовое число равно:
3.5. Определение оптимального флегмового числа
Для ряда значений флегмового числа, больших, чем Rmin=0.9, находим значения отрезков В (табл.2).
Таблица 2.
|
R |
1.2 |
1.5 |
1.7 |
2.0 |
3.0 |
B |
0.35 |
0.31 |
0.29 |
0.26 |
0.2 |
Отрезки В откладываем на диаграмме Y-X. Соединяем верхние точки отрезков В на диаграмме с точкой 2 и получаем ряд рабочих линий верхней части колонны. Соединяя точки 3 пересечения рабочих линий верхней части колонны с линией Xf с точкой 1, получим ряд рабочих линий нижней части колонны. Для каждого выбранного флегмового числа и значений X в пределах заданных концентраций жидкости от Xw=0.004 до Xp=0.779 по диаграмме находим движущие силы процесса 1/(x - x''), как величины отрезков по горизонтали между кривой равновесия и соответствующими линиями рабочих концентраций и вычисляем величины. Результаты приведены в таблице:
Таблица 3.
X |
R = 1.2 |
R = 1.5 |
R = 1.7 |
R = 2.0 |
R = 3.0 |
0.004 |
111.1 |
111.1 |
111.1 |
111.1 |
111.1 |
0.1 |
16.7 |
15.4 |
14.9 |
14.3 |
13.3 |
0.144 |
25.0 |
16.7 |
12.5 |
11.1 |
10.0 |
0.2 |
14.3 |
10. |
8.7 |
7.7 |
6.9 |
0.3 |
10.0 |
7.1 |
6.3 |
5.6 |
4.8 |
0.4 |
9.1 |
6.7 |
5.9 |
5.3 |
4.4 |
0.5 |
20.0 |
10.0 |
8.3 |
6.3 |
4.8 |
0.6 |
25.0 |
20.0 |
16.7 |
12.5 |
10.0 |
0.7 |
33.3 |
25.0 |
20.0 |
16.7 |
12.5 |
0.779 |
25.0 |
25.0 |
25.0 |
25.0 |
25.0 |
Для каждого значения R методом графического интегрирования находим число единиц переноса (таблица 4).
Таблица 4.
R |
1.2 |
1.5 |
1.7 |
2.0 |
3.0 |
R + 1 |
2.2 |
2.5 |
2.7 |
3.0 |
4.0 |
mx |
38.5 |
31.3 |
28.4 |
25.9 |
23.6 |
mx(R+1) |
84.7 |
78.3 |
76.7 |
77.7 |
94.4 |
Наносим на диаграмму зависимости mx(R+1) от R эти данные и находим минимум m, которому соответствует оптимальное рабочее флегмовое число Ropt=1.7.
3.6. Определение потоков пара по колонне
Объёмный поток пара по колонне:
м3/с
где Р – давление в колонне, P = 1*105 Па;
– оптимальное флегмовое число, Ropt = 1.7 ;
Определение средней температуры пара по колонне:
кмоль/кмоль смеси
кмоль/кмоль смеси
tср – средняя температура пара по колонне, tср = 84 ˚С;
г/моль
кг/моль*ч
Молярный расход жидкости:
в верхней части колонны:
кг/моль*ч
в нижней части колонны:
кг/моль*ч
Молярная масса исходной смеси:
г/моль
3.7. Определение диаметра колонны и основных характеристик контактного устройства
Предельная скорость пара для колпачковых тарелок:
где: Н = 500 мм – принятое расстояние между тарелками;
dк = 80 мм – диаметр колпачка;
rх = 895 кг/м3 – средняя плотность жидкости по колонне;
rу – средняя плотность пара по колонне:
кг/м3
Рабочая скорость пара в свободном сечении колонны. Принимаем:
м/с
м/с
Диаметр ректификационной колонны:
м
Принимаем D = 1000 мм.
3.8. Выбор типа и гидравлический расчет контактного устройства
Контактное устройство по заданию – колпачковая тарелка. Выбираем тарелку ТСКР для диаметра 1000 мм. Периметр слива L = 565 мм, диаметр колпачка dк = 80 мм, количество колпачков – 24, расстояние между колпачками – 110 мм.
Приемный и сливной карманы занимают 15% площади тарелки, суммарная площадь прорезей всех колпачков – 10%.
Общее гидравлическое сопротивление тарелки определяется по формуле:
где: DPsuh – сопротивление сухой тарелки, Па;
DРs – сопротивление, вызванное силами поверхностного натяжения, Па;
DРst – статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке, Па;
Па
м/с
где: x - коэффициент сопротивления, для колпачковой тарелки принимается 5.5;
rу – средняя плотность пара в колонне;
w0 – скорость пара в колонне;
Па
где: s - поверхностное натяжение,
dэ – эквивалентный диаметр прорези колпачка,
П – периметр и fпр – площадь прорези тарелки.
Принимаем ширину прорези 5 мм, высоту прорези 20 мм
Н/м
Па
где: rп – плотность парожидкостного слоя на тарелке,
hст – высота барботажа на тарелке,
hотк – высота открытия прорезей, принимается равной высоте прорезей 0.02 м,
hпогр – высота погружения прорезей, принимается равной 0.015 м,
Dh – величина превышения уровня жидкости над сливной перегородкой, при средних диаметрах колонн можно не учитывать.
м
где:
м
Следовательно, общее гидравлическое сопротивление тарелки:
Па
Проверяем выбранное расстояние между тарелками: минимальное расстояние между ними должно быть равным:
м
Выбранное ранее расстояние между тарелками H = 500 мм подходит, так как
3.9. Определение кинематических коэффициентов
Молярный расход пара по колонне:
кмоль/ч
Рабочая площадь тарелки:
м2
м2
Значение коэффициента массоотдачи в паровой фазе:
кмоль/м2ч
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:
кг*моль/м2ч
где: b`xf – опытное значение коэффициента массоотдачи,
D`х – опытный коэффициент диффузии в жидкой фазе,
кг*моль/м2ч
м2/с
м2/с
Dx – коэффициент диффузии в жидкой фазе для рассчитываемой разделяемой смеси,
где: Dх20 – рассчитываемый коэффициент диффузии при t = 20 o C,
мПа*с
- вязкость смеси
м2/с
мольные объемы компонентов этанол и вода:
Общий коэффициент массопередачи Kyf:
где m – тангенс угла наклона линии равновесия,
Так как величина m является переменной по высоте колонны, находим ее значения для различных концентраций, используя диаграмму Y – X. Предварительно на диаграмму наложим кривую равновесия и линии рабочих концентраций при оптимальном значении флегмового числа Ropt = 1.7. В пределах от Xw до Xp выбираем ряд значений X. Для каждого значения X определяем по диаграмме величины (y'' - y) и (x - x'') как разность между равновесной и рабочей линиями, а затем по этим значениям находим m (Таблица 5).