Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
|
Федеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего и профессионального образования НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра: Физика и технология материалов и компонентов электронной техники Заведующий кафедрой _____________ Воротынцев В. М. (подпись) «______»_________________2006 г. Пояснительная записка к курсовой работе РУКОВОДИТЕЛЬ _____________ Епифанова В. С. (подпись) (фамилия, и., о.) (дата) СТУДЕНТ _____________ Князев Д. И. (подпись) (фамилия, и., о.)
(дата) 04-БИО (группа) Проект защищен (дата) С оценкой ____________________________ Зачетная книжка № ___________________ НОРМОКОНТРОЛЕР _____________ _______________ (подпись) (фамилия, и., о.) (дата) 2006г. |
Содержание:
1. Задание на проектирование.
2. Теоретическая часть
3. Схема ректификационной колонны
4. Расчет ректификационной колонны:
4.1 Расчет материального баланса
4.2 Расчет скорости пара и диаметра колонны
4.3 Расчет высоты насадки
4.4 Расчет гидравлического сопротивления насадки
4.5 Тепловой расчет установки.
5. Список использованных источников.
1. Задание на проектирование.
Рассчитать и спроектировать колонну ректификации (насадочная) для разделения смеси ацетон – вода поступающей в количестве 12 тонн в час. Состав исходной смеси 20% (масс.) ацетона и 80% (масс.) воды. Кубовый остаток содержит 3% ацетона, дистиллят - 98%. Ректификация производится при атмосферном давлении. Нагрев производится водяным паром Ризб=3 атм.
2. Теоретическая часть.
Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводятся обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте и жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент, которым обогащаются пары из паров конденсируется преимущественно высококипящий компонент, переходящий в жидкости. Такой двусторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет подучить конечном счете пары. представляющие собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пар1
после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (ректификат) и флегму – жидкость возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися нарами. Пар получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым высококипящим компонентом.
Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологически
процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее врем
ректификацию все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производства
органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).
Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между
неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.
При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен обусловлены
стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компонент перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается низкокипящим компонентом, жидкость - высококипящим. Многократное контактирование приводит к практически полном разделению исходной смеси.
Таким образом отсутствие равновесия (и соответственно наличие разности температур фаз при движении фаз с определенной относительной скоростью и многократном их контактированиии являются необходимыми условиями проведения ректификации.
Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различны давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).
Устройство ректификационных аппаратов.
Дтя проведения процессов ректификации применяют аппараты разнообразных конструкций основные типы которых не отличаются от соответствующих типов абсорберов.
Рис. 1 Ректификационная колонна непрерывного действия.
1 – колонна; 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор
В ректификационных установках используют главным образом аппараты двух типов:
насадочные и тарельчатые ректификационные колонны. Кроме того, для ректификации.
вакуумом применяют пленочные и роторные колонны различных конструкций
Насадочные, барботажные, а также некоторые пленочные колонны по конструкции внутренних устройств (тарелок, насадочных тел и т. д.) аналогичны абсорбционным колоннам. Однако в отличие от абсорберов ректификационные колонны снабжен
теплообменными устройствами - кипятильником (кубом) и дефлегматором (рис. 1). Кроме того для уменьшения потерь тепла в окружающую среду ректификационные аппараты покрывают тепловой изоляцией.
Рис- 2. Варианты установки дефлегматоров.
а - на колонне: б - ниже верха колонны;
1 -дефлегматоры; 2 - колонны: 3 - насос.
Кипятильник или куб, предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадки или нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверхность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.
Дефлегматор, предназначенный для конденсация паров и подачи орошения (флегмы)
колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода).
В случае частичной конденсации паров дефлегматоре его располагают непосредственно над, колонной, чтобы обеспечить большую компактность установки, либо вне колонны (рис 2). При этом конденсат (флегму) из нижней части дефлегматор подают непосредственно через гидравлический затвор на верх колонны, так как в данном случае отпадав необходимость в делителе флегмы.
Рис. 3. Сетчатая колонна.
а - схема устройства колонны; б – схема устройства тарелки; 1 - корпус; 2 - тарелка; 3 - переливная труба; 4 - стакан.
В случае полной конденсации паров в дефлегматоре его устанавливают выше колонны, непосредственно на колонне или ниже верха колонны для того, чтобы уменьшить общую высоту установки. В последнем случае флегму из дефлегматора 1 подают в колонну 2 насосом. Такое размещение дефлегматора часто применяют при установке ректификационных колонн вне зданий, что более экономично в условиях умеренного климата.
Барботажные (тарельчатые) колонны. (Рис 3). Эти аппараты в процессах ректификации наиболее широко распространены. Они применимы для больших производительностей, широкого диапазона изменения нагрузок по пару и жидкости могут обеспечить весьма четкое разделение смесей Недостаток барботажных аппаратов – относительное высокое .гидравлическое сопротивление - в условия ректификации не имеет существенного значения. При ректификации повышение гидравлического сопротивления приводит лишь к некотором увеличению давления и соответственно повышению температуры кипения жидкости кипятильнике колонны. Однако тот же недостаток сохраняет свое значение для процессов ректификации под вакуумом.
В таких колоннах используют различные виды тарелок: ситчатые, колпачковые, провальные, клапанные, пластинчатые и др.
Ситчатые тарелки. (Рис. 3). Колонна с ситчатыми тарелками представляет собой
вертикальный цилиндрический корпус с горизонтальными тарелками, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число отверстий диаметром 1-5 мм. Газ проходи сквозь отверстия тарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков. Ситчатые тарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонт. Гидравлическое сопротивление этих тарелок невелико. Ситчатые тарелки устойчиво работают довольно широком интервале скоростей газа, причем в определенном нагрузок по газу и жидкость эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны загрязнителям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок.
Колпачковые тарелки.
Менее чувствительны к загрязнениям, чем ситчатые, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с колпачковыми тарелками. Газ на тарелку поступает по патрубкам, разбиваясь затем прорезями колпачка на большое число отдельных струй. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелки от одного сливного устройства к другому.
Рис. 4. Схема работы колпачковой тарелке.
При движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены
непосредственно на колонне или ниже верха колонны для того, чтобы уменьшить общую высоту установки. В последнем случае флегму из дефлегматора 1 подают в колонну 2 насосом. Такое размещение дефлегматора часто применяют при установке ректификационных колонн вне зданий, что более экономично в условиях умеренного климата.
Барботажные (тарельчатые) колонны. (Рис 3). Эти аппараты в процессах ректификации наиболее широко распространены. Они применимы для больших производительностей, широкого диапазона изменения нагрузок по пару и жидкости и могут обеспечить весьма четкое разделение смесей. Недостаток барботажных аппаратов – относительно – высокое гидравлическое сопротивление - в условия, ректификации не имеет существенного значения. При ректификации повышение гидравлического сопротивления приводит лишь к некоторому, повышению температуры кипения жидкости в кипятильнике колонны. Однако тот же недостаток сохраняет свое значение для процессов ректификации под вакуумом.
В таких колоннах используют различные виды тарелок: ситчатые, колпачковые, провальные, клапанные, пластинчатые и др.
Ситчатые тарелки. (Рис. 3).Колонна с ситчатыми тарелками представляет собой вертикальный цилиндрический корпус с горизонтальными тарелками, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число отверстий диаметром 1-5 мм. Газ проходи сквозь отверстия тарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков ситчатые тарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонта. Гидравлическое сопротивление этих тарелок невелико. Ситчатые тарелки устойчиво работают в довольно широком интервале скоростей газа, причем в определенном нагрузок по газу и жидкости эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны к загрязнителям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок.
Колпачковые тарелки. Менее чувствительны к загрязнениям, чем ситчатые, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с колпачковыми тарелками. Газ на тарелку поступает по патрубкам, разбиваясь затем прорезями колпачка на большое число отдельных струй. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелке от одного сливного устройства к другому. При движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены и брызг на колпачковых тарелках зависит от скорости движения газа и глубины погружения колпачка в жидкость. Колпачковые тарелки изготовляют с радиальным или диаметральным переливами жидкости. Колпачковые тарелки устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок
по газу и жидкости. К их недостаткам следует отнести сложность устройства и высокую стоимость, низки предельные нагрузки ею газу, относительно высоко гидравлическое сопротивление, трудность очистки.
Клапанные тарелки. (рис. 5). Принцип действия клапанных тарелок состоят в том, что свободно лежащий что свободно лежащий над отверстием в тарелке круглый клапан с изменением расхода газа своим весом автоматически регулирует величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода газа и тем самым поддерживает постоянной скорость газа при его истечении в барботажный слой.
Рас. 5. Клапанные тарелки.
а, б - с круглыми колпачками; в, с
пластинчатым клапаном; г - балластная;
1 - клапан; 2 - кронштейн- ограничитель; 3 - балласт.
При этом с увеличением скорости газа в колонне гидравлическое сопротивление клапанной тарелки увеличивается незначительно. Высота подъема клапана ограничивается высотой кронштейна ограничителя и обычно не превышает 8 мм.
Достоинства клапанных тарелок: сравнительно высокая пропускная способность по газу и гидродинамическая устойчивость, постоянная высокая эффективность в широком интервале нагрузок по газу.
Насадочные колонны. В этих колоннах используются насадки различных типов, но в
промышленности наиболее распространены колонны с насадкой из колец Рашига. Меньшее гидравлическое сопротивление насадочных колонн по сравнению с барботажными особенно важно при ректификации под вакуумом. Даже при значительном вакууме в верхней части колонны вследствие большого гидравлического сопротивления ее разрежение в кипятильнике может оказаться недостаточным для требуемого снижения температуры кипения исходной смеси.
Для уменьшения гидравлического сопротивления вакуумных колонн в них применяю
насадки с возможно большим свободным объемом.
В самой ректификационной колонне не требуется отводить тепло. Поэтому трудность отвода тепла из насадочных колонн является скорее достоинством, чем недостатком насадочных колонн в условиях процесса ректификации.
Однако и при ректификации следует считаться с тем, что равномерное распределение
жидкости по насадке в колоннах большого диаметра затруднено. В связи с этим диаметр
промышленных насадочных ректификационных колонн обычно не превышает 0,8-1 м.
Пленочные аппараты. Эти аппараты применяется для ректификации под вакуумом смесей обладающих малой термической стойкостью при нагревании (например, различные мономеры полимеры, а также другие продукты органического синтеза).
В ректификационных аппаратах пленочного типа достигается низкое гидравлического
сопротивление. Кроме того, задержка жидкости в единице объема работающего аппарата мала. К числу пленочных ректификационных аппаратов относятся колонны с регулярной насадкой в виде пакетов вертикальных трубок диаметром 6-20 мм (многотрубчатые колонны), а также пакетов плоскопараллельной или сотовой насадки с каналами различной формы, изготовленной и перфорированных металлических листов или металлической сетки.
Недостатки роторных колонн: ограниченность их высоты и диаметра (из-за сложност
изготовления и требований, предъявляемых к прочности и жесткости ротора), а также высоки эксплуатационные расходы.
3. схема ректификационной установки
Принципиальная схема ректификационной установки
Описание ректификационной установки
Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. Исходная смесь из промежуточной емкости 9 центробежным насосом 10 подается в теплообменник 5, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в
ректификационную колонну / на тарелку питания, где состав жидкости равен составу
исходной смеси ХF.
Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром,
образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 2. Начальный состав пара
примерно равен составу кубового остатка Xw, 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) состав ХР, которая получается в дефлегматоре 3
путем конденсации пара, выходящего из колонны. Затем жидкость направляется в делитель флегмы 4. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 6, и направляется в сборник дистиллята 11 при помощи насоса 10.
Из кубовой части колонны насосом 10 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в холодильнике остатка 7 и направляется в емкость 8. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравномерный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовой остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.
4.1. Расчет материального баланса.
Уравнения материального баланса ректификационной колонны непрерывного ействия, учитывающее количество поступающих и уходящих потоков, имеет следующий вид:
где F – количество поступающей на разделение смеси, кг/с;
P – массовый расход дистиллята, кг/с;
W – массовый расход кубового остатка, кг/с;
Уравнение материального баланса с учетом содержания легколетучего (низкокипящего) компонента в исходной смеси (питании), дистилляте и кубовом остатке имеет вид:
(2)
где - концентрация низкокипящего компонента в дистилляте, массовые доли;
– концентрация низкокипящего компонента в кубовом остатке, массовые доли;
– концентрация низкокипящего компонента в исходной смеси, массовые доли.
Для того, чтобы найти массовый расход дистиллята P и массовый расход кубового остатка W подставим исходные данные в уравнение (1) и в уравнение (2). Затем решим эти уравнения совместно.
Массовый расход дистиллята: P=0.596 кг/с
Массовый расход кубового остатка: W=2.737 кг/с
Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях.
Содержание низкокипящего компонента в питании вычисляют по формуле:
где - концентрация низкокипящего компонента в питании, мольные доли;
МА - мольная масса низкокипящего компонента, ;
- мольная масса высококипящего компонента, .
Содержание низкокипящего компонента в дистилляте вычисляют по формуле:
где - концентрация низкокипящего компонента в дистилляте, мольные доли.
Содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке вычисляют по формуле:
где - концентрация низкокипящего компонента в кубовом остатке, мольные доли.
Подставим в формулу (3), в формулу (4) и в формулу (5) исходные данные и найдем содержание метанола в исходной смеси (питании), в дистилляте и в кубовом остатке.
Мольная масса ацетона: МА=58.08 кг/кмоль
Мольная масса воды:
Для проведения дальнейших расчетов нам необходимо построить кривую равновесия в координатах для системы метиловый спирт-вода при атмосферном давлении. Здесь - мольные доли метилового спирта в жидкости и в равновесном с ним паре.
Все необходимые данные для построения кривой равновесия приведены в таблице 1.
|
Температура, С |
Концентрация ацетона, мольные доли |
|
|
в жидкости |
в паре |
|
|
100 |
0 |
0 |
|
77 |
0,05 |
0,639 |
|
69,1 |
0,1 |
0,763 |
|
64,3 |
0,2 |
0,827 |
|
62,39 |
0,3 |
0,845 |
|
61,19 |
0,4 |
0,857 |
|
60,18 |
0,5 |
0,867 |
|
59,25 |
0,6 |
0,877 |
|
58,38 |
0,7 |
0,887 |
|
57,55 |
0,8 |
0,898 |
|
56,8 |
0,9 |
0,927 |
|
56,47 |
0,95 |
0,962 |
|
56,13 |
1 |
1 |
Теперь по данным таблицы 1 построим кривую равновесия в координатах
для системы ацетон – вода при атмосферном давлении. Кривая равновесия представлена на рисунке 2.
Минимальное число флегмы определяется по уравнению:
(7)
где - концентрация низкокипящего компонента в паре, равновесном с жидкостью питания.
Сначала определим содержание ацетона в паре, равновесном с жидкостью питания , по кривой равновесия, представленной на рисунке 2. Затем подставим в уравнение (7) все необходимые данные и найдем минимальное число флегмы .
Рабочее число флегмы R определяется по уравнению:
(8)
Подставим числовое значение минимального числа флегмы в уравнение (8) и определим рабочее число флегмы R.
R=1,3*0,408+0,3=0,831
Далее нам необходимо определить средний массовый расход по жидкости для верхней и нижней части колонны определяем по соотношению:
Где Mp и MF-мольные массы дистилята и исходной смеси;
Mв и Mн- средние мольные массы жидкости в верхней и нижней части колоны.
Мольную массу дистилята можно принять равной мольной массе легколетучего компонента, т.е. Mp=Mм=58,08 кг/кмоль
Мольные массы в верхней и нижних частях колоны соответственно равны:
Где MA и Мв - мольные массы ацетона и воды соответственно;
Xсрн и Xсрв – средний мольный состав жидкости в нижней и верхней частях колонны.
Тогда
МВ=58,08*0,505+18*(1-0,505)=38,243
МН=58,08*0,041+18*(1-0,041)=19,631
Мольная масса исходной смеси:
МF=58,08*0,072+18(1-0.072)=20,882
Получаем
Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:
Здесь MB и MH – средние мольные массы паров вверхней и нижней частях колонны:
Где:
Значение YP,YF и YW берём по рабочей линии рис1.
Тогда:
М’в=58,08*0,823+18(1-0,823)=51,006
М’н=58,08*0,384+18(1-0,384)=33,371
Подставив, мы получим:
Предельную фиктивную скорость пара wп, при которой происходит захлёбывание насадочной колонны, определяют по формуле:
где rx, ry – средняя плотность жидкости и пара, кг/м³.
mx – вязкость жидкости, мПа *с
По справочным данным определяем, что средние температуры равны:
Tв=57ºC Tн=62ºС
Тогда
подставим данные
Вязкость жидкой смеси mx находим по уравнению:
Тогда вязкость жидкости в верхней и нижней части колонны равна соответственно:
log(μхв)=0,505*log(0,28)+(1-0,505)*log(0,51)=-0,424
log(μхн)=0,041*log(0,24)+(1-0,041)*log(0,48)=-0,331
mxв=0.377 мПа*с mxн=0.467мПа*с
Предельная скорость паров в верхней части колонны равна:
wпв=2.874 м/с
Предельная скорость паров в нижней части колонны равна:
wпн=1,9м/с
Примем рабочую скорость w на 30% ниже предельной:
wв=0,7*2,874=2,012
wн=0,7*1,9=1,33
Диаметр ректификационной колонны определяем из уравнения расхода:
Тогда диаметр верхней и нижней части колонны равен соответственно:
dв=(4*0,959/3,14*2,012*1,884)0,5=0,568
dн=(4*0,628/3,14*1,33*1,214)0,5=0,704
Выберем стандартный диаметр обечайки d=0,8 м , одинаковый для обеих частей колонны. При этом действителные рабочие скорости паров в колонне будут равны:
ωв=2,012*(0,568/0,8)=1,013
ωн=1,33*(0,704/0,8)=1,029
6. Расчёт высоты насадки
Высоту насадки H рассчитывают по модифицированному уравнению массопередачи:
Где noy- общее число единиц переноса по паровой фазе;
hoy- общая высота единиц переноса, м
Общее число единиц переноса вычисляют по уравнению:
Этот интеграл определим методом графического интегрирования:
Диаграмма для графического изображения функции 1/(y-y)=f(y) приведены в таблице 2.
таблица2. Данные для определения числа переноса:
|
y* |
y |
y*-y |
1/(y*-y) |
|
10 |
7 |
3 |
0,3333 |
|
16 |
10 |
6 |
0,1667 |
|
26 |
16 |
10 |
0,1000 |
|
39 |
26 |
13 |
0,0769 |
|
59 |
39 |
20 |
0,0500 |
|
70 |
54 |
16 |
0,0625 |
|
81 |
59 |
22 |
0,0455 |
|
86 |
69 |
17 |
0,0588 |
|
88 |
78 |
10 |
0,1000 |
|
89 |
81 |
8 |
0,1250 |
|
90 |
89 |
1 |
1,0000 |
|
91 |
90 |
1 |
1,0000 |
|
91,5 |
91 |
0,5 |
2,0000 |
На основании этих данных строим график:
По рис 2. Находим общее число единиц переноса в верхней noyв и нижней noy частях колонны:
Общую высоту единиц переноса hoy находят по уравнению аддитивности:
Где hx и hy – частные высоты единиц переноса в жидкой и паровой фазах;
m- коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колонны.
Для верхней части колонны:
Для нижней части колонны:
Здесь:
Высота единицы переноса в жидкой фазе равна:
Где z- высота слоя насадки одной секции (z=3м),
Prx=mx/rxdx- критерий Прандтля для жидкости,
С и Ф- коэффициенты определяющие по справочнику.
Высота единицы переноса в паровой фазе hy:
Где y - коэффициент определяемый по справочнику;
Pry= my/rydy- критерий Прандтля для пара;
LS=L/0.785d²- массовая плотность орошения
d-диаметр колонны, м
Для расчета hx и hy необходимо определить вязкость паров и коэффициенты диффузии в жидкой dx и паровой dy фазах.
Вязкость паров для верхней части колонны:
где mм и mв – вязкость паров ацетона и воды при средней температуре верхней части колонны, МПа*с
yв – средняя концентрация паров
μув=
Аналогичным расчетом для нижней части колонны находим:
μун=0,011
Вязкость паров близки, поэтому можно принять среднюю вязкость паров в колонне mу=0,0105 МПа*с.
Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре t (в ºC) равен
[1+в(t-20)]
Коэффициент диффузии в жидкости при 20ºC можно вычислить по формуле
где νа и νв- мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения , см³/моль.
Μx - вязкость жидкости при 20ºC.
Тогда коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20ºC равен
Температурный коэффициент в определяется по формуле
Здесь μx и ρx принимают при температуре 20ºC
Тогда
Отсюда
Аналогично для нижней части колонны находим
∂xн =13,44∙10
Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению
Где T - средняя температура в соответствующей части колонны P - абсолютное давление в колонне, Па
Тогда в верхней части колонны ∂yв равен
Аналогичным расчетом найдено значение в нижней части колонны:
= 15,17 ∙ 10 м/ с
Таким образом, для верхней части колонны:
φ = 0,09 с = 0,88 ψ = 205
h = 0,258∙0,09∙0,88= 0,134 м
h = = 1,581 м
Для нижней части колонны аналогично:
при φ=0,09 с = 0,88 ψ = 205
h=0,12
h =0,498
По уравнению hоу находим общую высоту единицы переноса
hоув =
hоун =
Высота насадки в верхней и нижней части колонны равна соответственно:
Нв=1,61*6,8=10,948
Нн=0,535*6,2=3,318
Общая высота насадки в колонне равна
Н=10,948+3,318=14,266
Общее число секций в колонне 5 (4 секций в верхней части и 1- в нижней)
Общую высоту колонны определяем
Нк=3*5+4*0,5+0,6+1,5=19,1
7.Расчет гидравлического сопротивления насадки.
Гидравлическое сопротивление сухой неорошаемой насадки ∆Pс рассчитывают по уравнению
Для дальнейших расчетов нам нужно вычислить гидравлическое сопротивление насадки ∆P
λ - коэффициент сопротивления сухой насадки, зависит от режима газа в насадке
Критерий Рейнольдса для газа в верхней и в нижней части колонны соответственно равен
Reув=
Reув=
Reун=
Reун=
Коэффициент сопротивления беспорядочно насыпанных кольцевых насадок можно рассчитывать по формуле:
λ = 16/Reу
Получаем:
Гидравлическое сопротивление сухой насадки верхней и нижней частях колонны равно:
Плотность орошения в верхней и нижней части колонны определяют по формуле:
Uв = Lв/ρхв·0.785·d²
Uн = Lн/ρхн·0.785·d²
Подставив, получим:
Uв =
Uн =
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в верхней и нижней части колонны:
Общее гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в колонне:
4.5. Тепловой расчет установки.
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению:
Здесь
где и rа- удельные теплоты конденсации воды и ацетона при 60°С [табл.
ХLY, стр. 541].
rв=2359,0 кДж/кг
rа=519,6 кДж/кг
Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара находим по уравнению:
Здесь тепловые потери приняты в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты;
удельные теплоемкости взяты соответственно при
[Рис. XI., стр. 562]
=624800 Вт
Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:
Здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси
cf=
Взята при средней температуре 60°C
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:
где удельная теплоемкость дистиллята = 1.005∙4190Дж/ кг ∙ К взята при средней
температуре 600С.
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:
где удельная теплоемкость дистиллята = 0.59∙4190Дж/ кг∙К взята при средней
температуре 600С.
Расход греющего пара, имеющего давление рабс= 3 атм = 3 кгс/см и влажность 5%:
А) в кубе-испарителе:
где - удельная теплота конденсации греющего пара.
Б) в подогревателе исходной смеси:
Расход охлаждающей воды при нагреве ее до 20°С:
А) в дефлегматоре
Б) в водяном холодильнике дистиллята:
В) в водяном холодильнике кубового остатка:
Всего:
6. Список литературы.
1. Дытнерский Ю.И. " Основные процессы и аппараты химической технологии.
Курсовое проектирование"
2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. "Примеры и задачи по курсу
процессов и аппаратов химической технологии"
3. Дытнерский Ю.И." Процессы и аппараты химической технологии"
4. Фридман В.М, Коган В.Б. «Равновесие между жидкостью и паром», кн1.
Техническая характеристика
1. Аппарат предназначен для разделения смеси ацетон - вода
концентрацией 20% (масс).
2. Греющий пар имеет давление Р=3атм.
3. Температура среды в кубе до 98,5°С.
4. Среда в аппарате токсичная.
5. Тип колонны - насадочная.
6. общая высота насадки – 15м.
6. Число секций насадки - 5.
Технические требования
1. При изготовлении, испытания и поставки аппарата должны выполняться
требования:
А) ГОСТ 12.2.003-74 "Оборудование производственное. Общие требования
безопасности"
Б) ГОСТ 26-291-79 "Сосуды и аппараты стальные сварные. Технические
требования"
2. Материал частей колонны, соприкасающимися с разделяемыми
жидкостями или их парами, из стали Х17Н13М2Т ГОСТ 3632-72, остальные
элементы колонны из стали Ст З ГОСТ 380-71.
3. Аппарат испытать на прочность и плотность гидравлически:
А) в горизонтальном положении - давлением 0,2 Мпа;
Б) в вертикальном положении - наливом.
4. Сварные соединения должны соответствовать требованиям ОН 26-01-71068
"Сварка в химическом машиностроении".
5. Сварные швы в объеме 100% контролировать рентгенопросаечиванием.
6. Неуказанный вылет штуцеров 120мм.
7. Размеры для справок.
Изм
Лист
№ Докум.
Подпись
Дата
Лист
Разраб.
Проверил
Н. контр.
Утв.
Князев Д. И.
Епифанова В. С.
Листов
Лит.
2
Кафедра «Физика материалов и компонентов электронной техники»
КП-НГТУ-040305-(04-БИО)-18-06
Пояснительная записка
зм
Лист
№ Докум.
Подпись
Дата
Лист
Разраб
.
Проверил
Н. контр.
Утв.
Князев Д. И.
Епифанова В. С.
Листов
Лит.
3
Кафедра «Физика материалов и компонентов электронной техники»
КП-НГТУ-040305-(04-БИО)-18-06
Пояснительная записка
Изм
Лист
№ Докум.
Подпись
Дата
Лист
Изм
Лист
№ Докум.
Подпись
Дата
Лист
Изм
Лист
№ Докум.
Подпись
Дата
Лист
Изм
Лист
№ Докум.
Подпись
Дата
Лист
Изм
Лист
№ Докум.
одпись
Дата
Лист
Изм
Лист
№ Докум.
Подпись
Дата
Лист
Изм
Лист
№ Докум.
Подпись
Дата
Лист
Изм
Лист
№ Докум.
Подпись
Дата
Лист
Изм
Лист
№ Докум.
Подпись
Дата
Лист
Изм
Лист
№ Докум.
Подпись
Дата
Лист
Лист
Дата
Подпись
№ Докум.
Лист
Изм
Лист
Дата
Подпись
№ Докум.
Лист
Изм
Лист
Дата
Подпись
№ Докум.
Лист
Изм
Лист
Дата
Подпись
№ Докум.
Лист
Изм
Лист
Дата
Подпись
№ Докум.
Лист
Изм
Лист
Дата
Подпись
№ Докум.
Лист
Изм
Лист
Дата
Подпись
№ Докум.
Лист
Изм
Лист
Дата
Подпись
№ Докум.
Лист
Изм
Лист
Дата
Подпись
№ Докум.
Лист
Изм
Лист
Дата
Подпись
№ Докум.
Лист
Изм
Лист
Дата
Подпись
№ Докум.
Лист
Изм
Лист
Дата
Подпись
№ Докум.
Лист
Изм
Лист
Дата
Подпись
№ Докум.
Лист
Изм