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

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:

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:

Отсюда находим:

;

;

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:

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.

y*_f = 0,402 кг/кмоль;

.

.

Рассчитаем уравнение рабочих линий:

Для этого сначала рассчитаем мольный расход питания:

 кмоль/кмоль.

Для укрепляющей(верхней) части колонны:

Подставляя известные значения уравнение для укрепляющей части колонны принимает вид:

Для исчерпывающей(нижней) части колонны:

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:

Средние мольные массы жидкости:

Средний мольный состав жидкости:

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:

Для нижней части ректификационной колонны:

Мольные массы паров:

а) Для верхней части колонны:

б) Для нижней части колонны:

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:

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