Основные допущения

Основные допущения:

1. Принимается постоянство мольных расходов пара и жидкости в пределах каждой из частей колонны. Принимается также постоянство уноса в каждой из частей колонны. При этом предполагается, что в сепарационном пространстве над верхней тарелкой вся уносимая жидкость отделяется от пара и возвращается в колонну. В результате расход жидкости, стекающей с тарелки на тарелку, увеличивается при наличии уноса на величину eL, где L – мольный расход жидкости в отсутствие уноса (“сухой” расход жидкой фазы), e- величина уноса в кмоль/кмоль “сухого” расхода жидкости. Уравнения, по которым определялись мольный расход пара и мольный “сухой” расход жидкой фазы приведены на рисунке 1.

2. Учет влияния уноса на работу колонны производится по методу Кольбурна [1], в соответствии с которым прибавка к расходу жидкости за счет уноса в уравнениях материального баланса не учитывается (уравнения рабочих линий), но вводится поправка в величину эффективности тарелок в соответствии с уравнением:

При расчетах же кинетических параметров, зависящих от расхода жидкой фазы, учитывается рост расхода жидкости, обусловленный уносом.

3. Эффективность тарелок E_MY рассчитывалась на основе модели идеального вытеснения для паровой фазы и диффузионной модели для жидкой фазы.

За тарелку питания принимается первая, считая снизу, тарелка, с которой уходит пар, в котором содержание более летучего компонента превышает ординату точки пересечения рабочих линий. Уравнения рабочих линий использовались в следующей форме:

Для укрепляющей части

(2)

Для исчерпывающей части

(3)

где R₁ – нижнее (паровое) флегмовое число, равное отношению мольного расхода пара в исчерпывающей части колонны к мольному расходу куб. остатка, x_p, x_w -- мольные доли более летучего компонента в дистилляте и кубовом остатке.

Ордината точки пересечения рабочих линий y_пер равна:

y_пер =

1. Плотность пара на всех тарелках рассчитывается по уравнению Клапейрона-Менделеева при составе пара, поступающего на тарелку:

(М – молекулярная масса пара, R – газовая постоянная).

Давление p принимается постоянным (задается в массиве исходных данных). Температура – для систем подчиняющихся закону Рауля принимается равной температуре кипения жидкости, уходящей с данной тарелки (определяющейся расчетом), для прочих систем – приравнивается средней температуре в укрепляющей или исчерпывающей частях колонны (задаются в массиве исходной информации).

2. Вязкость пара рассчитывается для состава пара, поступающего на данную тарелку по уравнению:

(4)

где и- вязкости, соответственно, более и менее летучего компонента при средней температуре в данной части колонны;y – мольная доля более летучего компонента в паре,

;

( М₁ и М₂ – молекулярные массы более и менее летучего компонента ).

3. Плотности жидкой фазы принимались постоянными в пределах укрепляющей или исчерпывающей частей колонны, а коэффициенты диффузии, как для паровой, так и жидкой фазы одинаковыми для всей колонны.

4. Состав пара, поступающего на нижнюю тарелку и состав жидкости, стекающей с нижней тарелки, принимаются одинаковыми с составом кубового остатка.

5. Плотность пара на всех тарелках рассчитывается по уравнению Клапейрона-Менделеева при составе пара, поступающего на тарелку:

(М – молекулярная масса пара, R – газовая постоянная).

Давление p принимается постоянным (задается в массиве исходных данных). Температура – для систем подчиняющихся закону Рауля принимается равной температуре кипения жидкости, уходящей с данной тарелки (определяющейся расчетом), для прочих систем – приравнивается средней температуре в укрепляющей или исчерпывающей частях колонны (задаются в массиве исходной информации).

6. Вязкость пара рассчитывается для состава пара, поступающего на данную тарелку по уравнению:

(4)

где и- вязкости, соответственно, более и менее летучего компонента при средней температуре в данной части колонны;y – мольная доля более летучего компонента в паре,

;

( М₁ и М₂ – молекулярные массы более и менее летучего компонента ).

7. Плотности жидкой фазы принимались постоянными в пределах укрепляющей или исчерпывающей частей колонны, а коэффициенты диффузии, как для паровой, так и жидкой фазы одинаковыми для всей колонны.

8. Состав пара, поступающего на нижнюю тарелку и состав жидкости, стекающей с нижней тарелки, принимаются одинаковыми с составом кубового остатка. [6].

Расчет данных для ввода:

[1, стр. 231, 234]

Аналогично

[1, стр.234]

Аналогично Выбираем меньший коэффициент

диффузии.[6].

По приведенным ниже данным находим высоту колонны:

Н=Z_в+Z_н+(n-1)*h_р=0,5*27+1+2=16,5м [1, стр. 201]

5. Тепловые расчеты

Расчеты и подбор теплообменников проводим с помощью компьютерной программы ТЕР.

1. Расчет дефлегматора

В качестве охлаждающего агента будет использоваться вода, начальная температура воды на входе в дефлегматор – 20°С, конечная температура

воды на выходе из дефлегматора – 30°С.

Расчет данных для ввода:

Расход воды:

[1, стр. 45]

Средняя разность температур:

^оС

Ориентировочно принимаем значение коэффициента теплопередачи К_ор=500 Вт/(м·К). Тогда ориентировочное значение поверхности

теплопередачи:

м²[1, стр. 45, 46]

Теплопроводность конденсата [7, стр. 460]

Вязкость конденсата [1,стр.231]

Расход пара

Сумма термических сопротивлений [3, стр. 531, таб. 32]

Далее данные обробатывались в программе, все результаты см. Ниже.

2. Расчет холодильника дистиллята

В холодильник из дефлегматора подается поток дистиллята с температурой 80,8°С, который охлаждается до 30°С. В качестве охлаждающего агента будет использоваться вода, начальная температура воды на входе – 20°С, конечная температура воды на выходе – 30°С.

Средняя температура дистиллята

При средней температуре:

Теплоемкость дистиллята

[7, стр. 144]

Теплопроводность дистиллята

Вязкость дистиллята сП

Средняя разность температур

Расход воды

Сумма термич. сопротивлений [3, стр. 531, таб. 32]

Тепловая нагрузка

Примем К_ор=100, тогда F_ор=Q/K*∆t=41449,46/120*25,87=13,35м²

Далее данные обрабатываются в программе, результааты см. ниже.

3. Расчет кипятильника

Для обогрева кипятильника будем использовать насыщенный водяной пар, имеющий следующие физико-химические характеристики:

t₁ – температура конденсации: 160°С

Средняя разность температур:

°С

Теплопроводность кубового остатка

Сумма термич. сопротивлений [3, стр. 531, таб. 32]

Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К = 1400 Вт/(м·К), тогда значение поверхности теплообмена составит:

Теплопроводность конденсата, Вт/м*К	0,1407
Плотность конденсата, кг/м3	907,3
Удельная теплота конденсации, Дж/кг	755740
Вязкость конденсата, Па*с	0,000123
Теплопроводность жидкости, Вт/м*К	0,6788
Теплоемкость жидкости, Дж/кг*К	4200,4
Сумма термич. сопротивлений, м2*К/Вт	0,0004375
Вязкость жидкости, Па*с	0,0002823
Средняя разность температур, оС	63,9
Удельная теплота парообр. жид, Дж/кг	2257200
Тепловая нагрузка, Вт	2592800

Результаты программного расчета

Высота труб, м	Коэф. теплоотдачи в тр. пр-ве	Коэф. теплоотдачи в межтр. пр-ве	Коэф. теплопередачи	Поверхность теплообмена
3	2395,19	6331,28	1737,7	6,81

Выбираем теплообменник:[8]

Диаметр кожуха, мм	237
Диаметр труб, мм	25х2
Число ходов	1
Число труб	42
Поверхность теплообмена, м2	10
Площадь самого узкого сечения потока в межтр. пространстве, м2	0,013

4. Расчет холодильника кубового остатка

В холодильник подается поток кубового остатка с температурой 100 °С, который охлаждается до 30°С. Охлаждающий агент – вода, начальная температура воды на входе в холодильникt_Н = 20°С, в процессе теплопередачи вода нагревается до конечной температурыt_К = 30°С.

Средняя температура кубового остатка

Средняя разность температур

При этой температуре:

Теплопроводность куб. ост.

Теплоемкость куб.ост.

Вязкость куб. ост.

Расход воды

Тепловая нагрузка

[3, стр. 531, таб. 32]

Примем К_ор=120, тогда F_ор=44465,75/(120*29,7)=12,47.

Далее данные обрабатываются программой, результат см. ниже.

5. Расчет подогревателя потока питания

Поток поступает в подогреватель с температурой 20°С и выходит при температуре кипения – 83,4°С.

Для нагревания потока питания будем использовать насыщенный водяной пар при температуре 160^оС.

Средняя температура исх. смеси t_см=(20+83,4)/2=51,7^оС.

При этой температуре:

Теплопроводность исх. смеси Вт/м*К

Вязкость исх. смеси сП

Теплоемкость исх. смеси Дж/кг

Расход пара кг/с

[3, стр. 531, таб. 32]

Средняя разность температур

Примем Fор=500, тогда Кор=0,73*2082200/250*105,33=28,86м

Исходные данные:

Теплопроводность конденсата, Вт/м*К	0,6297
Плотность конденсата, кг/м3	907,3
Удельная теплота конденсации, Дж/кг	2082200
Вязкость конденсата, Па*с	0,00016596
Расход пара, кг/с	0,73
Теплопроводность жид. в трубах, Вт/м*К	0,5087
Теплоемкость жидкости в трубах, Дж/кг*К	3844,799
Сумма термич. сопротивлений, м2*К/Вт	0,0009473
Вязкость жидкости в трубах, Па*с	0,0008498
Средняя разность температур, оС	105,33
Расход жидкости, кг/с	6
Тип теплообменника	Вертикальный
Число ходов по трубному пространству	2
Общее число труб	166
Наружный диаметр труб, м	0,02
Высота труб,м	3

Результаты программного расчета:

Коэф-т теплоотдачи в трубах	Коэф-т теплоотдачи в межтр. пространстве	Коэффициент теплопередачи	Поверхность теплообмена, м2	Число Re в трубах
1585,8	7259,62	582,87	24,80	6769,34

Выбираем теплообменник:

Диаметр кожуха, мм	400
Диаметр труб, мм	20х2
Число ходов	2
Число труб	166
Поверхность теплообмена, м2	31
Площадь самого узкого сечения потока в межтр. пространстве, м2	0,021

1. Расчет и выбор диаметров трубопроводов

Подбор диаметров трубопроводов

Расчет необходимого диаметра трубопровода ведется по уравнению

, [1, стр. 16]

где – диаметр трубопровода, м;

– массовый расход смеси, движущейся по данному трубопроводу,  ;

где – массовый расход смеси, движущейся по данному трубопроводу,  кг/с;

– плотность смеси, ;

– скорость движущейся смеси, м/с.

1. Трубопровод емкость исходной смеси – ректификационная колонна

Расход исходной смеси _0,5 кг/с.

Температура исходной смеси ₂₀С.

При этой температуре плотность смеси изопропилового спирта и воды соответственно равна:

₈₀₄,

Скорость выбираем в соответствии с [3, стр. 16] – скорость, обеспечивающая близкое к оптимальному значение диаметра трубопровода для жидкости перекачиваемой насосами.

.

Стандартный диаметр d_н=108х6 мм.

2. Трубопровод ректификационная колонна – дефлегматор

Расход исходной смеси _0,86кг/с.

Температура дистиллята, поступающего в дефлегматор

При этой температуре плотность паров дистиллята равна:

;

;

Скорость выбираем в соответствии с [3, стр. 16] – скорость, обеспечивающая близкое к оптимальному значение диаметра трубопровода для насыщенного пара

.

Стандартный диаметр мм.

3. Трубопровод дефлегматор – ректификационная колонна

Расход исходной смеси .

.

При этой температуре плотность дистиллята равна

,

Скорость выбираем в соответствии с [3, стр. 16] – скорость, обеспечивающая близкое к оптимальному значение диаметра трубопровода для жидкостей, текущих самотеком

.

Стандартный диаметр мм.

4. Трубопровод ректификационная колонна – кипятильник

Расход исходной смеси G=W*M_ср.н./М_ср.в.=4,137*28,5/42,045=2,8 кг/с[]

Температура кубового остатка, поступающего в испаритель

.

Плотность смеси равна:

Скорость выбираем в соответствии с [3, стр. 16] – скорость, обеспечивающая близкое к оптимальному значение диаметра трубопровода для жидкости, движущейся самотеком

.

Стандартный диаметр _dн=70х3 мм.

5. Трубопровод кипятильник – ректификационная колонна

Расход исходной смеси. G= W*M_ср.н./М_ср.в.=0,242*28,5/42,045=0,79 кг/с

.

При этой температуре плотность паров кубового остатка равна:

;

;

Скорость выбираем в соответствии с [3, стр. 16] – скорость, обеспечивающая близкое к оптимальному значение диаметра трубопровода для насыщенного пара

Стандартный диаметр d_н=325х10 мм.

6. Трубопровод ректификационная колонна – холодильник кубового остатка

Расход смеси _{0,242 кг/с}.

t=100^оС

При этой температуре плотность кубового остатка

Скорость выбираем в соответствии с [3, стр. 16] – скорость, обеспечивающая близкое к оптимальному значение диаметра трубопровода для жидкости перекачиваемой насосами.

Стандартный диаметр мм.

7. Холодильник дистиллята – емкость

Расход дистиллята P=1,863 кг/с

Плотность дистиллята при .

равна ;

Скорость выбираем в соответствии с [3, стр. 16] – скорость, обеспечивающая близкое к оптимальному значение диаметра трубопровода для жидкости, движущейся самотеком

.

Стандартный диаметр мм.

8. Трубопровод для воды, идущей в дефлегматор

Расход воды в дефлегматоре .

Начальная температура воды .

Плотность воды при этой температуре .

Скорость выбираем в соответствии с [3, стр. 16] – скорость, обеспечивающая близкое к оптимальному значение диаметра трубопровода для жидкости, движущейся не самотеком

м.

Стандартный диаметр мм.

9. Трубопровод для воды, идущей в холодильник кубового остатка

Уравнение теплового баланса

.

Расход кубового остатка _0,242кг/с.

Начальная и конечная температуры кубового остатка:

.

Средняя температура кубового остатка:

;

.

Теплоемкость кубового остатка при средней температуре

.

Начальная и конечная температуры воды:

.

Физико-химические химические свойства воды при начальной температуре [2, стр. 3]:

;

ρ₂=998,2 кг/м³

Расход воды

;

;

Скорость выбираем в соответствии с [3, стр.16] – скорость, обеспечивающая близкое к оптимальному значение диаметра трубопровода для жидкости, движущейся не самотеком.

м.

Стандартный диаметр мм.

10. Трубопровод для водяного пара, идущего в подогреватель исходной смеси

Расход греющего пара .

Температура пара .

Плотность пара: ρ₁=3,252кг/м³.

Скорость выбираем в соответствии с [3, стр. 16] – скорость, обеспечивающая близкое к оптимальному значение диаметра трубопровода для насыщенного пара.

Стандартный диаметр d_н=133х6 мм.

11. Трубопровод для водяного пара, идущего в кипятильник

Расход греющего пара .

Температура пара .

Плотность конденсата ρ₁=3,252кг/м³.

Скорость выбираем в соответствии с [3, стр. 16] – скорость, обеспечивающая близкое к оптимальному значение диаметра трубопровода для насыщенного пара.

Стандартный диаметр d_н=159х6 мм.

12. Трубопровод дефлегматор-холодильник дистиллята.

Расход исходной смеси .

.

При этой температуре плотность дистиллята равна

,

Скорость выбираем в соответствии с [3, стр. 16]

.

Стандартный диаметр мм.

13. Трубопровод холодильник кубового остатка - емкость.

Принимаем скорость w=1,0 м/с

Расход жидкости с трубопроводе:

Принимаем трубопровод d=89´4,5 мм

14. Трубопровод для воды, идущей в холодильник дистиллята.

Расход воды G=7,24 кг/с

ρ=998,2 кг/м³. Примем скорость w=1м/с, тогда

Примем d_н=108х6 мм

2. Подбор емкостей

Объем емкостей найдем исходя из конкретных потомков по формуле

.

Каждая емкость должна быть рассчитана на 8 час непрерывного заполнения, кроме того рекомендуется взять запас по объему – 20%.

1. Емкость исходной смеси

;

.

Стандартный объем емкости по ГОСТ 13372-67 .

2. Емкость дистиллята

;

.

Стандартный объем емкости по ГОСТ 13372-67 Vp=100м³.

3. Емкость кубового остатка

;

.

Стандартный объем емкости по ГОСТ 13372-67 Vw=160м³.

3. Расчет конденсатоотводчиков.

Примем давление в линии отвода конденсата равным 0,05 давления пара. Тогда по уравнению определяем коэффициент пропускной способности.

Для подогревателя:

Выбираем конденсатоотводчик с условным проходом D_y=50мм

Для кипятильника

Выбираем конденсатоотводчик cусловным проходомD_y=80мм.

4. Подбор насоса.

Геометрическую высоту определяем как высоту от низа колонны до тарелки питания: Нг=(n-1)*h+Zн=(3-1)*0,6+2=3,2м.

Напор насоса H=Hг*1,5=3,2*1,5=4,8м.

Выбираем насос марки Х20/18 со следующими характеристиками:

Q,м3/с	Н,м	n, с-1	η,%
5,5*10-3	10,5	48,3	55

5. Заключение

В процессе работы над курсовым проектом была рассчитана ректификационная установка непрерывного действия для разделения смеси изопропанол-вода: были рассчитаны диаметр и высота ректификационной колонны, число тарелок необходимых для разделения исходной смеси заданного состава. Также были рассчитаны и подобраны по ГОСТу кипятильник, дефлегматор, подогреватель исходной смеси и холодильники кубового остатка и дистиллята, подобраны емкости исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, рассчитаны и подобраны трубопроводы, конденсатоотводчики и насос, перекачивающий исходную смесь из емкости в подогреватель.

5. Список используемой литературы:

1. Основные процессы и аппараты химической технологии. /Пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под редакцией Ю.И. Дытнерского, 2е издание, перераб. и дополн. М.; Химия, 1991.–496 стр.

2. Коган В.Б. и др. Равновесие между жидкостью и паром. Т. 1,2 /Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В–М.; Наука, 1966, 640–786 стр.

3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов /Под ред. чл.–корр. АН СССР П.Г. Романкова-10е издание, переработанное и дополненное–Л.; Химия 1987 г. 576 стр.

4. Бобылев В.Н. Физические свойства наиболее известных химических веществ.

5. http://www.chem-eng.ru/programs/RAB48.DOC /инструкция к

программе Rabirek-48.

6. http://www.chem-eng.ru/programs/RAB9.DOC /инструкция к

программе Rabirek 9.

7. Свойства газов и жидкостей/ Рид, Праусниц, Шервуд .

8. http://www.chem-eng.ru/programs/tep.doc /инструкция к программе TEP.

5