Расчет непрерывной ректификации бинарной системы. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число. Гидравлическое сопротивление насадки

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный федеральный университет»

ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

Базовая кафедра химических и ресурсосберегающих технологий

Дмитрий Олегович

Расчет непрерывной ректификации бинарной системы

Курсовой проект

	Выполнил студент Б8321 гр.                     ………………….                                ……………...  2015 г.
Отчет защищен с оценкой                               ……………………… Заведующий кафедрой ……………………                                             ……………...  2015 г.	…………………Научный руководитель …                                    ………………  2015 г.
Регистрационный №    ………………...                                ……………………....                                .……………..  2015 г.

Владивосток

2015

 

Оглавление

1           Основные условные обозначение. 4

2           Цели. 6

3           Расчёт ректификационной колонны. 7

3.1   Исходные данные. 7

3.2   Материальный баланс Колонны и рабочее флегмовое число: 8

3.3   Диаметр колонны и скорость пара. 13

3.4        Высота насадки. 16

3.5   Гидравлическое сопротивление насадки. 23

3.6   Тепловой обмен. 25

4           Расчёт дополнительного оборудования. 28

4.1   Расчёт кожухотрубчатого конденсатора. 28

4.2        Расчёт кожухотрубчатого испарителя. 31

4.3        Нагреватель исходной смеси. 33

4.4        Расчёт центробежного насоса. 37

5           Список литературы.. 41

1  Основные условные обозначение.

а - удельная поверхность, м²/м³;

C - удельная теплоемкость, Дж/(кг×К);

d - диаметр, мм;

F - расход исходной смеси, кг/с;

G - расход паровой фазы, кг/с;

D - коэффициент диффузии, м²/с;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

H, h - высота, м;

K - коэффициент массопередачи;

L - расход жидкой фазы, кг/с;

M - мольная масса, кг/кмоль;

m - коэффициент распределения;

n - число единиц переноса;

P - расход дистиллята, кг/с;

R - флегмовое число;

T, t - температура, град;

U - плотность орошения, м³/(м²×с);

W - расход кубовой жидкости, кг/с;

ω - скорость пара, м/с;

x - концентрация жидкой фазы;

y - концентрация паровой фазы;

β - коэффициент массоотдачи;

ε - свободный объём, м³/м³;

ϻ - вязкость, Па∙с;

ρ - плотность, кг/м³;

σ - поверхностное натяжение, Н/м;

ψ - коэффициент смачиваемости;

Re - критерий Рейнольдса;

Nu - диффузионный критерий Нуссельта;

Pr - диффузионный критерий Прандтля;

l - длина, м;

p - абсолютное давление насыщенного пара, Мпа;

r - удельная теплота парообразования, Дж/кг;

t_н - температура исходной смеси, поступающая на установку, град;

t_в - температура охлаждающей воды, град;

λ - теплопроводность, Вт/м×К;

η - коэффициент полезного действия;

П - производительность по исходной смеси, т/час.

Индексы:

б - параметры бензола;

т - параметры толуола;

В - укрепляющая (верхняя) часть колонны;

Н - исчерпывающая (нижняя) часть колонны;

F - параметры исходной смеси;

P - параметры дистиллята;

W - параметры кубового остатка;

ср - среднее значение;

э - эквивалентный размер;

x - жидкая фаза;

y - паровая фаза;

* - равновесное значение;

1 - трубное пространство;

2 - межтрубное пространство.

2  Цели.

Заданием данной курсовой, было рассчитать ректификационную установку непрерывного действия для разделения смеси летучих компонентов (бензол - толуол).

Расчёт приведёт для колонны насадочного типа, в связи с простотой устройства, дешевизной капитальных затрат и лёгкостью в эксплуатации.

В данной колонне используются керамические кольца Рашига, размером 50*50*5 мм, с удельной поверхностью а = 87,5 м²/м³ и насыпной плотностью 530 кг/м³. Так как при их использовании не требуется, чистая чистка аппарата.

В ходе выполнения курсовой работы требуется рассчитать:

1) Материальный и тепловой балансы ректификационной колонны.

2) Основные геометрические параметры колонны (диаметр, высоту).

3) Расходы греющего пара в подогревателе и кубе, расход охлаждающей воды в дефлегматоре.

Дополнительно должны быть рассчитаны:

1) Насос для подачи исходной смеси.

2) Необходимое теплообменное оборудование.

В качестве графической части работы приводятся:

1) Диаграммы фазового состава и температуры кипения бинарной смеси.

2) Схема ректификационной установки.

3) Чертеж ректификационной колонны с продольным разрезом и указанием всех рассчитанных геометрических размеров (высота, диаметр колонны, расстоянием между тарелками/насадками и т. д) и по необходимости дополнительными видами и разрезами.

3  Расчёт ректификационной колонны.

3.1  Исходные данные

Смесь: бензол - толуол;

Расход исходной смеси:

F = 6 т/час = 1,67 кг/c;

Содержание в легколетучего компонента (бензола) в исходной смеси:

X_F = 22 % (мольн.);

В дистилляте:

X_P = 84 % (мольн.);

В кубовом остатке:

X_W = 4 % (мольн.);

Температура исходной смеси:

t_п = 35 °С;

Температура охлаждающей воды:

t_в = 21 °С;

Давление насыщенного водяного пара:

P = 0,4 МПа.

3.2  Материальный баланс Колонны и рабочее флегмовое число:

(1)

Пересчитаем составы фаз из мольных долей в массовые по соотношению:

M_б = 78,11 кг/кмоль;

M_т = 92,14 кг/кмоль;

Следовательно:

;

;

;

Производительность колонны по дистилляту P и кубовому остатку W найдём из уравнений материального баланса колонны:

		(2)
		(3)

Отсюда находим:

		(4)
		(5)

;

;

Предварительно для дальнейших расчётов построим диаграмму (Рисунок 1) равновесия жидкость - пар, для построения которой воспользуемся значениями из таблицы 1.

Таблица 1   - Равновесие жидкость - пар для смеси бензол - толуол:

tк; °C	Pн.к.	Pв.к.	X	Y
80,2	760	300	1	1
84	852	333	0,823	0,922
88	957	380	0,659	0,83
92	1078	432	0,508	0,72
96	1204	493	0,376	0,596
100	1344	559	0,256	0,453
104	1495	626	0,155	0,304
108	1659	705	0,058	0,128
110,4	1748	760	0	0

Рисунок 1 - Равновесие жидкость - пар для смеси бензол – толуол.

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяют рабочим флегмовым числом R, его оптимальное значение R_опт можно найти путём технико-экономического расчёта. Ввиду отсутствия надежной методики оценки R_опт используют приближённые вычисления, основанные на определении коэффициента орошения β=R/R_min. Здесь R_min - минимальное флегмовое число.

			(6)
	где	xp; xf - мольные доли легколетучего компонента; y*f - концентрация легколетучего компонента в паре в равновесии с исходной смесью;

y*_f = 0,402 кг/кмоль;

.

(7)

.

Рассчитаем уравнение рабочих линий:

Для этого сначала рассчитаем мольный расход питания:

(8)

 кмоль/кмоль.

Для укрепляющей(верхней) части колонны:

(9)

Подставляя известные значения уравнение для укрепляющей части колонны принимает вид:

(10)

Для исчерпывающей(нижней) части колонны:

		(11)
		(12)

По уравнениям (8) и (10) построим рабочие линии, а по данным из таблицы 1 равновесную линию и представим их на рисунке 2.

  Рисунок 2  

Массовые нагрузки по жидкости для укрепляющей и исчерпывающей частей ректификационной колонны:

			(13)
			(14)
	где	Мр и Мf - мольные массы дистиллята и исходной смеси, кг/кмоль смеси; Мв и Мн - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны, кг/кмоль.

Средние мольные массы жидкости:

			(15)
			(16)
	где	Мб и Мт - мольные массы бензола и толуола, кг/кмоль; xср.В. и xср.Н. - средний мольный состав жидкости.

Средний мольный состав жидкости:

		(17)
		(18)

x_ср.В = 0,53 кмоль/кмоль смеси;

x_ср.Н = 0,13 кмоль/кмоль смеси;

M_B = 84,704 кг/кмоль;

M_H = 90,316 кг/кмоль;

Мольная масса исходной смеси:

M_F = 89,0534 кг/кмоль.

Массовые расходы:

L_B = 1,26 кг/с;

L_H = 3,03 кг/с;

Средние массовые расходы пара для верхней и нижней частей колонны:

Для верхней части ректификационной колонны:

(19)

Для нижней части ректификационной колонны:

			(20)
	где	Мв и Мн - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны, кг/кмоль.

Мольные массы паров:

а) Для верхней части колонны:

(21)

б) Для нижней части колонны:

			(22)
	где	Мб и Мт - мольные массы бензола и толуола, кг/кмоль; yср.В. и yср.Н. - мольный состав пара, кмоль/кмоль.

Мольный состав пара:

Y_F=0,402;

Y_P=0,927;

Y_W=0,0885.

Средний мольный состав пара в укрепляющей и исчерпывающей части пара:

		(23)
		(24)

0,664 кмоль/кмоль;

0,245 кмоль/кмоль;

82,821 кг/кмоль;

88,7 кг/кмоль;

1,59 кг/с;

1,704 кг/с.

3.3  Диаметр колонны и скорость пара

В насадочных колоннах скорость изменяется по высоте колонны