Расчет ректификационной колонны для разделения смеси 'ацетон–уксусная кислота' при атмосферном давлении

Расчет ректификационной колонны для разделения смеси 'ацетон–уксусная кислота' при атмосферном давлении

Содержание

Введение

1.Аналитический обзор

.1 Конструкции ректификационных колонн

.2 Схема работы колпачковых тарелок

1.3 Виды колпачковых тарелок

2. Технологическая часть

3. Инженерные расчеты

3.1 Равновесные данные

3.2 Материальный баланс

3.3 Определение средних физических величин потоков пара и жидкости

3.4 Тепловой расчёт установки

3.5 Гидравлический расчет

3.5.1 Расчет скорости пара и диаметра колонны

3.5.2 Расчет высоты газожидкостного (барботажного) слоя жидкости

.5.3 Брызгоунос

3.5.4 Захлебывание

3.5.5 Определение кинетических параметров

3.5.6 Локальная эффективность тарелки

3.5.7 Расчет высоты колонны

3.5.8 Определение высоты колонны и гидравлического сопротивления

3.6 Подробный расчет дефлегматора

3.6.1 Температурная схема процесса

.6.2 Выбор теплообменника

.6.3 Расчет коэффициентов теплоотдачи

.6.4 Термическое сопротивление стенки и загрязнений

.6.5 Метод итераций

.6.6 Уточнение коэффициентов теплопередачи и поверхности теплоотдачи

Выводы

Список использованной литературы

Приложения

Приложение 1

Введение

В данной курсовой работе рассматривается процесс ректификации, осуществляющийся непрерывно при атмосферном давлении. Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру кипения и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно низко кипящий компонент, а из паров конденсируется высоко кипящий компонент, переходящий в жидкость.

Такой двусторонний обмен компонентами повторяемый многократно, позволяет по лучить в конечном итоге пары представляющие собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят и флегму - жидкость, возвращаемую для орошения колоны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колоны остатка, являющегося почти чистым высококипящим компонентом.

Ректификация известна с начала 19 века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ее все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (производство полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).

Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров - диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа насадки.

В данном курсовом проекте выполняется проектная разработка аппаратуры ректификационной установки с технологическими, тепловыми и гидравлическими расчетами.

«Аналитический обзор» работы содержит информацию об основах процесса ректификации и расчета ректификационных колонн.

В «Технологической части» приведена принципиальная схема процесса ректификации.

В «Инженерном расчете» в соответствии с заданием произведен расчет тарельчатой ректификационной колонны.

1. Аналитический обзор

Ректификацию можно проводить периодическим и непрерывным способом.

В соответствии с рисунком 1 при периодической ректификации смесь загружается в куб 1 и нагревается паром, проходящим через змеевик 2. После того, как смесь в кубе закипит, образующиеся пары начинают поступать в колонну 3, оттуда по трубе 4 направляются в дефлегматор 5, где конденсируются. Часть конденсата (флегма) по трубе 6 стекает обратно в колонну, другая часть (дистиллят) по трубе 7 поступает в холодильник 8 и отсюда отводится в приёмник дистиллята.

При таком процессе в колонне происходит укрепление паров, а в кубе - исчерпывание смеси. Исчерпывание продолжается в течении некоторого времени, когда достигается требуемый состав смеси, операция заканчивается и остаток отводится из куба.

1-куб; 2-змеевик; 3-колонна; 4-труба для отвода паров из колонны; 5-дефлегматор; 6-труба для возврата флегмы; 7-труба для отбора дистиллята; 8-холодильник. Рисунок 1 - Схема ректификационной установки периодического действия

По мере протекания процесса условия работы установки постепенно изменяются. В начале процесса в колонну поступают из куба пары, богатые низкокипящим компонентом. В этот период нужно сравнительно небольшое количество флегмы, чтобы выделить из паров, содержащийся в них высококипящий компонент. В ходе процесса выходящие из куба пары будут всё более обогащаться высококипящим компонентом, и для выделения его из паров количество флегмы должно быть увеличено. Если же количество флегмы оставить постоянным, будет возрастать содержание высококипящего компонента в дистилляте. При непрерывной ректификации в соответствии с рисунком 2 смесь подаётся в среднюю часть колонны через теплообменник 1, обогреваемый остатком или паром. В верхней части колонны 2, расположенной выше точки ввода смеси, происходит укрепление паров. В нижней части колонны 3, расположенной ниже точки ввода смеси, происходит исчерпывание жидкости. Из исчерпывающей колонны жидкость стекает в кипятильник (куб) 4, обогреваемый паром. В кипятильнике образуются пары, поднимающиеся вверх по колонне; остаток непрерывно отводится из куба. Пары, выходящие из укрепляющей части колонны, поступают в дефлегматор 5, откуда флегма возвращается в колонну, а дистиллят направляется в холодильник 7.

1-теплообменник; 2-укрепляющая колонна; 3-исчерпывающая колонна; 4-кипятильник; 5-дефлегматор; 6-распределительный стакан; 7-холодильник; 8-вентиль, регулирующий отбор дистиллята.

Рисунок 2- Схема ректификационной установки непрерывного действия

Преимущества непрерывной ректификации по сравнению с периодической:

1)      условия работы установки не изменяются в ходе процесса, что позволяет установить точный режим, упрощает обслуживание и облегчает автоматизацию процесса;

2)      отсутствуют простои между операциями, что приводят к повышению производительности установки;

)        расход тепла меньше, причем возможно использование тепла остатка на подогрев исходной смеси в теплообменнике.

Благодаря перечисленным преимуществам в производствах крупного масштаба применяют главным образом непрерывную ректификацию, периодические процессы ректификации находят применение лишь в небольших, неравномерно работающих производствах.

1.1         Конструкции ректификационных колонн

Ректификационные колонны отличаются, в основном, конструкцией внутреннего устройства для распределения жидкой и паровой фаз. Взаимодействие жидкости и пара осуществляется в колоннах путём барботирования пара через слой жидкости на тарелках или же путём поверхностного контакта пара и жидкости на насадке или на поверхности жидкости, стекающей тонкой плёнкой.

В ректификационных установках применяют три основных типа колонн:

) колпачковые,

) ситчатые,

) насадочные,

) барботажные.

Разработаны также конструкции аппаратов для ректификации, в которых интенсификация процесса разделения достигается под действием центробежной силы (центробежные ректификаторы).

Колпачковые колонны

Эти колонны наиболее распространены в ректификационных установках. На рисунке 3 схематически изображена колонна небольшого диаметра, состоящая из тарелок 1, на каждой из которых имеется один колпачок 2 круглого сечения и патрубок 3 для прохода пара. Края колпачка погружены в жидкость. Благодаря этому на тарелке создается гидравлический затвор, и пар, выходящий из колпачка, должен проходить через слой жидкости, находящийся на тарелке. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези для раздробления пара на мелкие пузырьки, т.е. для увеличения поверхности его соприкосновения с жидкостью.

Приток и отвод жидкости, а также высоту жидкости на тарелке регулируют при помощи переливных трубок 4, которые расположены на диаметрально противоположных концах тарелки; поэтому жидкость течет на соседних тарелках во взаимно противоположных направлениях.

1-тарелка; 2-колпачок; 3-паровой патрубок; 4-переливная трубка.

Рисунок 3- Схема устройства тарельчатой (колпачковой) колонны

1.2 Схема работы колпачковой тарелки

Схема работы колпачковой тарелки изображена на рисунке 4. Выходящие через прорези колпачки пузырьки пара сливаются в струйки, которые проходят через слой жидкости, находящейся на тарелке, и над жидкостью образуется слой пены и брызг, - основная область массообмена и теплообмена между паром и жидкостью на тарелке.

Процесс барботажа на тарелке весьма сложен. Проводившиеся до сих пор исследования (В.Н. Стабников, А.М. Шуер и др.) дают возможность представить лишь качественную картину процесса.

При движении струйки пара обычно сливаются друг с другом; при этом некоторая часть сечения прорезей обнажается и образуются каналы, по которым газ проходит из-под колпачка сквозь жидкость. Поэтому поверхность взаимодействия газа с жидкостью непосредственно в зоне барботажа невелика. Основная зона фазового контакта находится в области пены и брызг над жидкостью, которые образуются вследствие распыления пара в жидкости и уноса брызг при трении пара о жидкость.

Интенсивность образования пены и брызг зависит от скорости пара и глубины погружения колпачка в жидкость. Сечение и форма прорезей колпачка имеют второстепенное значение, но желательны узкие прорези, так как они разбивают газ на более мелкие струйки, увеличивая поверхность соприкосновения с жидкостью.

Работа колпачка в оптимальных условиях при предельной скорости и наибольшего к.п.д. высота открытия прорези колпачка наибольшая, что способствует увеличению пути паров и времени их контакта с жидкостью.

Рисунок 4- Схема работы колпачковой тарелки.

1.3 Виды колпачковых тарелок

1. Колпачковая тарелка с радиальным переливом жидкости

Для создания достаточной поверхности соприкосновения между паром и жидкостью на тарелках обычно устанавливают не один, а большое число колпачков, как на рисунке 5.

Колпачки располагают на близком расстоянии друг от друга (равен в среднем 1,5 диаметра колпачка) с тем, чтобы пузырьки, выходящие из соседних колпачков, прежде чем принять вертикальное направление движения, могли бы сталкиваться друг с другом.

Типовые колпачковые тарелки изготовляют с радиальным и с диаметральным переливом жидкости. Тарелки первого типа представляют собой вырезанные из стального листа диски 1 и 2, которые крепятся на болтах 7 и прокладках 8 к опорному кольцу 3. Колпачки 4 расположены на тарелке в шахматном порядке. Жидкость переливается на лежащую ниже тарелку по периферийным переливным трубкам 5, течёт к центру и сливается на следующую тарелку по центральной переливной трубке 6, затем снова течёт к периферии и т.д.

и 2-диски; 3-опорное кольцо; 4-колпачки; 5-периферийные колпачковые трубки; 6-центральная переливная трубка; 7-болты; 8-прокладки.

Рисунок 5- Колпачковая тарелка с радиальным переливом жидкости

2. Колпачковая тарелка с диаметральным переливом жидкости

В соответствии с рисунком 6 тарелки этого типа представляют собой срезанный с двух сторон диск 1, установленный на опорном листе 2, с одной стороны тарелка ограничена приёмным порогом 3, а с другой стороны - переливным порогом 5 со сменной гребенкой 6, при помощи которой регулируют уровень жидкости на тарелке.

В тарелке этой конструкции периметр слива увеличен путём замены сливных труб сегментообразными отверстиями, ограниченными перегородками 7 для того, чтобы уменьшить вспенивание и брызгообразование при переливе жидкости.

1-диск; 2-опорный лист; 3-приёмный порог; 4-колпачки; 5-переливной порог; 6-сменная гребёнка; 7-перегородка.

Рисунок 6- Колпачковая тарелка с диаметральным переливом жидкости

. Колпачковая тарелка с туннельными колпачками.

В тарелках с туннельными колпачками в соответствии с рисунком 7, колпачки 1 представляют собой стальные штампованные пластины полукруглого сечения с гребенчатыми краями; каждый колпачок устанавливают над желобом 2 строго горизонтально при помощи двух уравнительных шпилек 3. Жидкость сливается через переливной порог 4 в сегментный карман 5, затем через три переливных трубки 6 - в приёмный сегментный карман следующей тарелки. Здесь образуется гидравлический затвор, и поднимающиеся по колонне пары не могут проходить на тарелку, лежащую выше, минуя колпачки. Ток жидкости на тарелках - диаметральный.

На тарелках такого типа можно легко регулировать высоту слоя жидкости, быстро производить установку в горизонтальной плоскости имеющегося на ней небольшого числа колпачков и, следовательно, создавать благоприятные условия для равномерного распределения паров. Конструкция тарелки отличается простотой монтажа и демонтажа.

1-колпачки; 2-желоб; 3-шпилька; 4-переливной порог; 5-сегментный карман; 6-переливные трубки; 7-опорный уголок с вырезами.

Рисунок 7- Колпачковая тарелка с туннельными колпачками

Ректификационные тарельчатые колонны с круглыми (капсульными) и туннельными колпачками, предназначенные для работы под атмосферным давлением, имеют диаметры 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2200, 2600 и 3000 мм. Эти колонны изготавливают из углеродистой стали. Разделение химически активных смесей производят в колоннах из кислотоупорных сталей, высококремнистого чугуна и других химически стойких материалов.

2. Технологическая часть

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

Одна из сложностей заключается в отсутствии обобщенных закономерностей для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко применяемым в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчета ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании абсорбционных процессов (в приведенных в данной главе примерах в основном использованы эти рекомендации).

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рисунке 8. Исходную смесь из промежуточной емкости центробежным насосом 10 подают в теплообменник 5, где она подогревается кубовой жидкостью, а затем попадает в догреватель 11, где и доводится до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси х_F.

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 х_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 , получаемой в дефлегматоре 3 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 6 и направляется в промежуточную емкость 9.

Из кубовой части колонны непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, часть которого охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в емкость 8, а часть направляется к подогревателю исходной смеси 5.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

3. Инженерные расчёты

Для инженерных расчетов установки необходимо знать свойства веществ при определённых температурах. Основными диаграммами для определения этих свойств являются диаграммы: состав пара - состав жидкости, и зависимость температуры кипения от состава. В приложение 1 приведены диаграммы указанных свойств бинарной системы ацетон- уксусная кислота.

.1      Равновесные данные

-мольная доля легколетучего компонента в жидкой фазе;

-мольная доля легколетучего компонента в паровой фазе;

-температура, .

.2 Материальный баланс

Зная массовый расход исходной смеси и мольные концентрации потоков, определим массовый расход дистиллята и массовый расход кубового остатка (и ), на основании уравнений материального баланса.

                                                                                (1)

                                                           (2)

                                                                 (3)

где  - массовая доля легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно;

 - массовый расход исходной смеси, дистиллята и кубового остатка соответственно.

Выразим из уравнения (3) массовый расход дистиллята и кубового остатка:

                                                                          (4)

                                                                                            (5)

Найдем молекулярные массы смесей по уравнению:

                                                         (6)

где j - F,D или W.

Затем пересчитаем мольные доли легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке в массовые соответственно:

                                                                                      (7)

Далее по формулам (4) и (5) найдем массовый расход дистиллята и кубового остатка:

Пересчитаем массовые расходы питания, дистиллята и кубового остатка в мольные расходы соответственно по формуле:

                                                                                          (8)

Нагрузка ректификационной колонны по пару и жидкости определяется рабочим флегмовым числом. Для его расчета используют приближенные вычисления по формуле:

                                                                                        (9)

где - минимальное флегмовое число.

При этом:

                                                                                                      (10)

где - мольные доли легколетучего компонента в жидкости, а - концентрация легколетучего компонента в паре, находящаяся в равновесии с жидкостью (питанием исходной смеси).

По диаграмме «Равновесное состояние жидкости и пара» (приложение 1) находим  при соответствующем значении, таким образом 0,289.

Тогда:

3.3 Определение средних физических величин потоков пара и жидкости

Для определения основных размеров колонны (аппарата), расходов греющего пара и воды требуется найти средние мольные, массовые составы, мольные, массовые и объемные расходы по жидкости и пару, а также некоторые физические величины.

Для простой полной колонны, обогреваемой глухим паром (горячей водой) или острым паром, средние составы и расходы по жидкости и пару, а также физические величины определяют отдельно для верхней и нижней части колонны.

)        Для жидкой фазы в верхней и нижней частях колонны:

-       мольные составы  определяют как средние арифметические:

тогда мольные составы  вычисляются по формуле:

                                                                                                     (11)

-       мольные массы определяют по формуле:

                                                    (12)

где = 58,08  - мольная масса ацетона;

= 60,00  - мольная масса уксусной кислоты.

-       массовые составы компонентов А и В определяют по уравнению:

                                                                                                        (13)

где - мольная масса смеси; индекс А или В указывает на компонент.

В этой и последующих формулах индекс i относится либо к верхней, либо к нижней частям колонны.

-       средние температуры  определяют по диаграмме  при соответствующих значениях .

-       плотности  определяют по уравнению:

                                                                                                    (14)

- плотности легколетучего и труднолетучего компонентов при соответствующих температурах, ;

динамические коэффициенты вязкости  рассчитывают по уравнению:

                                             (15)

где  - динамические коэффициенты вязкости легколетучего и труднолетучего компонентов при соответствующих температурах, Па ∙ с.

Для верхней части колонны:

,

Для нижней части колонны:

,

-       прежде чем рассчитывать коэффициенты диффузии, определим коэффициенты диффузии бинарной смеси  при  и температурные коэффициенты , а для этого нам необходимо по формулам (14) и (15) рассчитать плотности и динамические коэффициенты вязкости веществ при :

-      

                                                   (16)

где  - динамический коэффициент вязкости жидкости при , мПа∙с; - мольные массы исходных веществ,  ;

 - мольные объёмы растворённого вещества и растворителя, ;

 А=1,15 и В=1,27 - коэффициенты, зависящие от свойств растворённого вещества и растворителя.

                                                                               (17)

где  - динамический коэффициент вязкости жидкости при , мПа∙с;  - плотность жидкости при , .

-       теперь по приближенной формуле рассчитаем коэффициенты диффузии :

     (18)

где - коэффициент диффузии бинарной смеси при , .

-         поверхностные натяжения  определяют по уравнению:

                                                                                 (19)

где - поверхностные натяжения исходных веществ при соответствующих температурах, .

-       мольные расходы рассчитывают по уравнениям:

где  - мольные расходы питания и дистиллята, ;

- флегмовое число.  

-                                                                                                    массовые расходы  рассчитывают по уравнениям:

где  - массовые расходы питания и дистиллята,  .

-                                                                                                    объемные расходы  рассчитывают по соотношению:

                                                                                        (20)

2)      Для паровой фазы в верхней и нижней частях колонны:

-       мольные составы  определяют по уравнениям рабочих линий при подстановке в них соответственно :

 - уравнение рабочей линии для верхней части        (21)

колонны.

 - уравнение рабочей линии для нижней   (22)

части колонны.

мольные составы определим по формуле (11):

-       мольные массы  определяют по уравнению (12) при соответствующих значениях :

-       массовые составы  определяют по уравнению:

-       средние температуры  определяют по диаграмме  при соответствующих значениях :

-       плотности смесей  определяют по уравнению Клапейрона:

                                                           (23)

где  - плотность пара при нормальных условиях (=273 К,

), ;

 - средняя температура пара, К;

 - среднее давление в колонне, мм рт. ст.

-       динамические коэффициенты вязкости  рассчитывают по приближенной формуле:

                                                                      (24)

-       коэффициенты диффузии  рассчитывают по приближенной формуле:

                                                       (25)

где  - средняя температура пара, К;  - среднее давление в колонне, мм рт. ст.

мольный расход пара, который принимается постоянным по высоте колонны, определяют по уравнению:

                                 (26)

где  - массовый расход дистиллята,

-       массовые расходы  определяют по уравнению:

                                                                          (27)

-       объемные расходы пара рассчитывают по соотношению:

                                                                  (28)

3.4    Тепловой расчёт установки

Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением:

 ,        (29)

где  - тепловая нагрузка куба;

 -количество теплоты, передаваемой от пара к воде;

 - 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:

,

где - удельная теплота парообразования ацетона и уксусной кислоты при температуре дистиллята .

Определим тепловую нагрузку дефлегматора по формуле:

Определим теплоёмкости смеси по формуле:

 ,                                                                               (30)

где  - теплоемкости ацетона и уксусной кислоты при

По монограмме для определения теплоемкостей жидкостей определили теплоемкости уксусной кислоты при температурах  :

Т.к. экспериментальные данные по удельной теплоемкости ацетона при температурах  отсутствуют, воспользуемся соотношением Ватсона (погрешность - 10%):

                                                                (31)  

где  удельная теплоемкость жидкости, ;

 коэффициент, значения которого приведены в табл.11;

  приведенная температура, определяется по формуле:

   (32)

где  критическая температура, К.

Критическая температура ацетона

  и значение коэффициента

По формуле (32) определим  

при температурах :

Теперь по формуле (31) найдем удельные теплоемкости ацетона при температурах :

Затем по формуле (30) рассчитаем удельные теплоёмкости смесей при температурах :

По формуле (29) определим тепловую нагрузку куба:

Определим расход греющего пара в кубе испарителе, имеющего давление  и влажность 5%:

где  удельная теплота конденсации греющего пара;

  - степень сухости;

Расход охлаждающей воды в дефлегматоре при нагреве её на :

где теплоемкость воды при ;

плотность воды при .

3.5     Гидравлический расчет

3.5.1  Расчет скорости пара и диаметра колонны

Диаметр колонны D по объёмному расходу пара:

                                                                                (33)

где объемный расход пара,

скорость пара в колонне,

Зададимся и рассчитаем диаметр колонны D:

1,36 м

Результат округлим до ближайшего стандартного значения . при рассчете процесса ректификации, как правило, выбирают один и тот же диаметр колонны для обеих частей: верхней и нижней. Расстояние между тарелками

Гидравлический расчет колпачковых тарелок начинают с определения скорости газа (пара). Однако сначала необходимо рассчитать максимальную скорость газа (пара) по соотношению:

 ,               (34)

где  максимальная (предельная) скорость газа (пара), отнесенная к единице площади поперечного сечения колонны,  

расстояние между тарелками, м;  линейная плотность орошения,

Коэффициент  для тарелок с круглыми колпачками, при атмосферном давлении , .

Линейная плотность орошения  рассчитывается по уравнению:

                                                                           (35)

где расход жидкости,

длина сливной перегородки (планки), м.

По каталогу для выбранного диаметра определим длину сливной перегородки .

Если линейная плотность орошения  или , то в уравнение (34) подставляют значения , равные соответственно  или .

Определим по формуле (35) линейную плотность орошения для верхней и нижней частей колонны:

 - примем

Далее по формуле (34) определим максимальную скорость пара:

Уточним скорость пара по формуле:

                                                                      (36)

Рассчитаем коэффициент :

Коэффициенты  для верхней и нижней части колонны удовлетворяют условию .

3.5.2 Расчет высоты газожидкостного (барботажного) слоя жидкости

Скорость газа (пара) в прорезях колпачка определяется по соотношению:

                                                                                     (37)

где  скорость газа (пара) в прорезях колпачка,  

 объемный расход газа (пара),  

 число колпачков на тарелке;

площадь прорезей колпачка, .

По каталогу для выбранного диаметра определим диаметр колпачка  и число колпачков на тарелке . Высота прорезей , следовательно .

По формуле (37) определим :  

Значение , рассчитанное по уравнению (37), должно удовлетворять условию:

;                                                                  (38)

Минимально допустимая скорость газа (пара) в прорезях колпачка определяется по соотношению:

                                                                        (39)

где высота прорезей, м;

плотность жидкости и пара, ;

 коэффициент гидравлического сопротивления.

Максимально допустимая скорость газа (пара) в прорезях колпачка соответствует полному открытию прорезей и определяется по соотношению:

                                         (40)

По уравнениям (39) и (40) рассчитаем минимально и максимально допустимые скорости пара в прорезях колпачка для верхней и нижней части колонны:

Т.к.  и в верхней и в нижней частях колонны, то следует либо увеличить высоту прорези колпачка , либо колпачки установить с зазором. В последнем случае дополнительное открытие прорезей  определяется по соотношению:

                                              (41)

где  диаметр колпачка, м;

 площадь прорезей колпачка, ;

 дополнительное открытие прорези, м;

 число колпачков.

Величина  не должна превышать величину зазора между тарелкой и колпачком .

Найдём из уравнения (41):

Определение слоя жидкости на тарелке  для исполнения колпачка 2 выполняется по соотношению:

 ,                                                                              (42)

Для выбранной тарелки стандартного диаметра рабочая скорость пара, т.е. скорость пара, отнесенная к единице рабочей площади тарелки  определяется:

                                                                                      (43)

Рабочая площадь тарелки определяется по формуле:              

 ,                                                                    (44)

где  площадь переливного сегмента;

По уравнению (44) найдем рабочую площадь тарелки:

Определим рабочую скорость пара:

Определим среднюю длину пути жидкости на тарелке:

Плотность орошения рассчитывается по формуле:

    (45)

Средняя линейная плотность орошения определяется по соотношению:

                                                 (46)

где  плотность орошения (приведённая скорость жидкости), отнесенная к единице рабочей площади тарелки,

 средняя длина пути жидкости на тарелке, м;

число потоков жидкости на тарелке.

Высота светлого слоя жидкости  определяется по соотношению:

          (47)

где высота светлого слоя жидкости на тарелке, м;

 высота сливной планки, м;

рабочая скорость пара отнесенная к единице рабочей площади тарелки, ;

 средняя линейная плотность орошения, .

Определим критерий Фруда для верхней и нижней частей колонны:

Рассчитаем газосодержание барботажного слоя:

Высота газожидкостного (барботажного) слоя  определяется по формуле:

                                                                                   (48)

где высота светлого слоя жидкости, м;

 газосодержание барботажного слоя.

Высота уровня жидкости над сливной планкой определяется по соотношению:

                                                                                  (49)

3.5.3 Брызгоунос

Брызгоунос для колпачковых тарелок рассчитывается по соотношению:

                              (50)

где брызгоунос,  

высота сепарационного пространства, м;

массовый расход газа(пара),  

 рабочая площадь тарелки, ;  динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа∙с; поверхностное натяжение,

 скорость газа(пара), отнесённая к единице площади поперечного сечения колонны, .

Высота сепарационного пространства определяется по формуле:

  (51)

По формуле (50) определим брызгоунос для верхней и нижней части колонны:

3.5.4 Захлебывание

Чтобы убедиться в том, что колонна работает без захлёбывания, необходимо проверить высоту слоя жидкости в сливном устройстве, определить вылет ниспадающей струи жидкости и рассчитать время пребывания жидкости в переливном устройстве. Можно ограничиться расчетом времени пребывания по соотношению:

ректификация колпачковый тарелка дефлегматор

                                                                                       (52)

и сравнить его с допустимым значением:

                                                                          (53)

где расстояние между тарелками, м;

 площадь сечения перелива,  

коэффициент, характеризующий вспениваемость жидкости в переливном устройстве;

 время, выраженное в с.

Для нормальной работы без захлёбывания необходимо, чтобы выполнялось условие .

Максимально допустимая скорость жидкости в переливном устройстве выбирается по наименьшей величине  рассчитанной по трём соотношениям:

                                                                          (54)

                                                   (55)

                                                     (56)

где  максимально допустимая скорость жидкости в переливном устройстве,   расстояние между тарелками, м;

коэффициент, значения которого зависят от свойств разделяемой смеси и изменяется в пределах от 0,6 до 1.

Для проектного расчёта рекомендуется принять .

По соотношениям (54)-(56) рассчитаем максимально допустимая скорость жидкости в переливном устройстве:

Фактическая скорость жидкости в переливном устройстве определяется по соотношению:

                                                                                       (57)

где объемный расход жидкости,  

площадь сечения перелива, .

При этом должно выполняться условие:.

3.5.5     Определение кинетических параметров

Независимо от того, каким способом находятся число реальных тарелок или ступеней, необходимо определить коэффициенты массоотдачи. Сложность расчета коэффициентов массоотдачи заключается прежде всего в том, что отсутствуют обобщенные закономерности для определения кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 0,8 м. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчета ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследованиях абсорбционных процессов.

Коэффициент масоотдачи пара  можно рассчитать по следующему соотношению:

 ,                              (58)      

где диффузионный критерий Пекле;

рабочая скорость газа (пара), отнесенная к единице рабочей площади тарелки, ; высота газожидкостного (барботажного) слоя, м;

коэффициент диффузии для газовой (паровой) фазы,

Теперь по соотношению (58) рассчитаем коэффициент массоотдачи :

Коэффициент масоотдачи жидкости  можно рассчитать по следующему соотношению:

 ,                  (59)

где диффузионный критерий Пекле; высота газожидкостного (барботажного) слоя, м; коэффициент диффузии для жидкой фазы, ;  плотность орошения,

Теперь по соотношению (59) рассчитаем коэффициент массоотдачи :

3.5.6         Локальная эффективность тарелки

Локальная эффективность  зависит от модели структуры потока, принятой для газовой(паровой) фазы (для жидкости предполагается полное перемешивание):

для модели идеального вытеснения:

 ,                                                                              (60)

где общее число единиц переноса по газовой (паровой) фазе на тарелке.

Общее число единиц переноса можно рассчитать по уравнению:

      (61)

где число единиц переноса по газовой (паровой) и жидкой фазам на тарелке;

тангенсы угла наклона соответственно рабочей и равновесной линий.

Частные числа единиц переноса  определяются либо по эмпирическим формулам, либо по уравнениям:

                                                                                                        (62)

                                                                                       (63)

где коэффициенты массоотдачи по газовой (паровой) и жидкой фазам, отнесенные к единице рабочей площади тарелки, ;

рабочая скорость газа (пара), отнесенная к единице рабочей площади тарелки, ;

 плотность орошения,

Определим тангенс угла наклона рабочей линии:

-        для верхней части колонны:

                                  (64)

-        для нижней части колонны:

                                                                                       (65)

Определим тангенс угла наклона равновесной линии по формуле:

                                                                                  (66)

Рассчитаем общее число единиц переноса по уравнению (61):

А по уравнению (60) определим локальные эффективности тарелок:

3.5.7  Расчет высоты колонны

Определим число реальных ступеней по формуле:

                                                                                      (67)

где число теоретических тарелок в колонне;

локальная эффективность тарелки.

Реальное число тарелок в верхней части колонны 7, в нижней - 9, всего 16 тарелок.

Определение высоты тарельчатой части колонны проводится по уравнению:

                                                                                 (68)

где число реальных ступеней;

расстояние между тарелками, м.        

 м

3.5.8       Определение высоты колонны и гидравлического сопротивления

Общая высота колонны включает высоту ее тарельчатой части  и определяют по формуле:

                                                                        (69)

где расстояния между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.

Гидравлическое сопротивление тарелки можно определить как сумму сопротивлений:

                                                               (70)

где сопротивление сухой тарелки, Па;

 сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, Па (т.к. его значение пренебрежимо мало в проектировочных расчётах его не учитывают);  сопротивление газожидкостного(барботажного) слоя, Па.

Сопротивление сухой тарелки определяется по уравнению:

                      (71)

где скорость газа (пара) в свободном сечении тарелки;   коэффициент сопротивления (для колпачковых тарелок ).

 Па

Па

Сопротивление газожидкостного (барботажного) слоя принимают равным статическому давлению слоя:

                                                                          (72)

где плотность жидкости,  высота светлого слоя жидкости,м.

 Па

Па

По уравнению (70) определим сопротивление тарелок:

 Па            Па

Гидравлическое сопротивление колонны  для процесса ректификации в простой полной колонне определяют по формуле:

                                                     (73)

где гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней части колонны, Па; число реальных тарелок (ступеней) в верхней и нижней частях колонны.

3.6 Подробный расчет дефлегматора

3.6.1 Температурная схема процесса

Рассчитаем среднюю движущую силу теплопередачи:

Определяющие температуры:

3.6.2 Выбор теплообменника

Теплофизические свойства воды при определяющей температуре:

                                      (74)

где  удельная теплоемкость воды при , ; коэффициент динамической вязкости воды при ;

  коэффициент теплопроводности воды при температуре,

Теплофизические свойства дистиллята при определяющей температуре:

По уравнению (14) плотность смеси:

По уравнению (15) Рассчитаем коэффициент динамической вязкости:

Рассчитаем коэффициент теплопроводности:

                                                                                                                                            (75)

где коэффициенты теплопроводности ацетона и уксусной кислоты при температуре , ;

массовая доля дистиллята.

Из пункта 3.4 «Тепловой расчет установки» , определим расход охлаждающей воды при нагреве на  градусов:

                                                                             (76)

где расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре, Вт; удельная теплоемкость воды при , ;  начальная и конечная температура воды,

Примем  и рассчитаем площадь теплообмена:

                                                                                  (77)

где  расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре, Вт; коэффициент теплопередачи, ;

 средняя температура теплопередачи,.

Задаваясь значением критерия Рейнольдса Re = 10 000 (что соответствует развитому турбулентному режиму течения воды в трубах), определим ориентировочную площадь проходного сечения одного хода по трубам для конденсатора из труб диаметром d = 20× 2 мм:

                                                                             (78)

где  расход охлаждающей воды при нагреве на  градусов,  внутренний диаметр труб, м;

 коэффициент динамической вязкости воды при .

По ГОСТу 15121-79 выбрала конденсатор, у которого площадь теплообмена больше  , а площадь проходного сечения одного хода меньше:

3.6.3 Расчет коэффициентов теплоотдачи

Определим скорость воды в трубном пространстве, а затем и число Re для воды, которая подается в трубное пространство:

                                                                                                          (79)

где  расход охлаждающей воды при нагреве на  градусов,  плотность воды при

 площадь проходного сечения одного хода, выбранного конденсатора, м.

                                                                               (80)

где внутренний диаметр труб,м;

 плотность воды при  

 коэффициент динамической вязкости воды при .

Рассчитаем критерий Нуссельта:

                                         (81)

где критерий Рейнольдса;

критерий Прандтля для воды при ;

отношение  в этом уравнении примем равным 1.

Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи воды по формуле:

          (82)

где  коэффициент теплопроводности воды при температуре,внутренний диаметр труб,м.

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на пучке горизонтальных труб:

                                                            (83)

где  множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали;

 примем равной 1;

 коэффициент теплопроводности смеси при температуре,  плотность смеси,  

удельная теплота конденсации смеси, ;

  ускорение свободного падения,;  коэффициент динамической вязкости смеси при температуре,;

 наружный диаметр труб,м.

3.6.4 Термическое сопротивление стенки и загрязнений

Примем тепловые проводимости загрязнений со стороны органического пара:

и со стороны воды среднего качества

Толщину слоя загрязнения примем равной 2мм. В качестве материала труб выберем сталь с коэффициентом теплопроводности λ = 46,5 Вт/(м ⋅К).

Тогда термическое сопротивление загрязнений труб:

                                                                        (84)    

где толщина слоя загрязнения, м;

коэффициент теплопроводности стенки.

3.6.5 Метод итераций

1.       Задаемся t_ст1=56,67 ⁰С:

2.       Уточним коэффициент  и найдем тепловой поток первой стенки:

3.     Рассчитаем :

4.     Рассчитаем :

Определение погрешности сходимости тепловых потоков:

Дальнейшие итерационные действия и расчеты занесены в таблицу1.

Таблица 1

3.6.6 Уточнение коэффициентов теплопередачи и поверхности теплоотдачи

Уточним  при =30,43:

                                                                              (85)

где  коэффициент теплоотдачи смеси,;

 термическое сопротивление загрязнений труб,

 коэффициент теплоотдачи воды,.

Теперь уточним поверхность теплопередачи и определим запас поверхности:

Выводы

В данной курсовой работе был произведен расчет ректификационной колонны для разделения смеси «ацетон-уксусная кислота» при атмосферном давлении. В качестве ректификационной колонны используется аппарат с колпачковыми тарелками высотой H= 9 м и диаметром D =1400 мм .

Был произведен подробный расчет дефлегматора, в результате чего был выбран четырехходовой кожухотрубчатый теплообменник по ГОСТ 15121-79 с диаметром кожуха D=600 мм и общим числом труб 20 ×2 n=334, при длине труб 3 м.

Список использованной литературы

1. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии/Учебное пособие/, К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков, 10-ое изд. перераб. и дополнен. Л. Химия,1987-575с.

. 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 изд. Перераб. и дополнен. М: Химия, 1991 - 496с

. Волжинский А.И., Константнов В.А. Ректификация: колонные аппараты с колпачковыми тарелками: Методическое пособие к курсовому проектированию. СПб, СПбГТИ(ТУ),2005- 36с.

. Фролов В.Ф. Лекции по курсу:”Процессы и аппараты химической технологии”.- СПб: ХИМИЗДАТ, 2003. - 608 с.

. Волжинский А.И., Флисюк О.М. Определение средних физических величин, потоков пара и жидкости: Методические указания. СПбГТИ (ТУ), СПб.: 2001 -6 с.

.КасаткинА.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, 8-е изд., М.: Химия, 1971. - 784 с.

.Яблонский П.А., Озерова Н.В/ Проектирование тепло- и массообменной аппаратуры химической промышленности: Учебное пособие/СПб,1993-92с.