Ректификация / РЕКТИФИКАЦИЯ(процессы)

КАФЕДРА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ ПО ПРАЦЕССАМ И АППАРАТАМ НА ТЕМУ :

«РЕКТИФИКАЦИЯ. определение средних величин,

потоков пара и жидкости

на примере СИСТЕМЫ ВОДА – УКСУСНАЯ КИСЛОТА»

ПРОЕКТИРОВАЛ СТУДЕНТ : * г

РУКОВОДИТЕЛЬ ПРОЕКТА : .

Проект защищен с оценкой________________

2003

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

1. Содержание. --------------------------------------------------------------------------------

2. Введение -------------------------------------------------------------------------------------

3. Определение средних физических величин, потоков пара и жидкости.

Простая полная колонна. -----------------------------------------------------------------

а) Для жидкой фазы в верхней и нижней частях колонны .------------------------

б) Для паровой фазы в верхней и нижней частях колонны. -----------------------

4. Список используемой литературы. ----------------------------------------------------

ВВЕДЕНИЕ

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 рис. 1. Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификацион­ную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси х_F

Рис.1 Принципиальная схема ректификационной установки:

ёмкость для исходной смеси ; 2, 9- насосы; 3- теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник;

5- ректификационная колонна; 6- дефлегматор; 7- холодильник дистиллята; 8- ёмкость для сбора дистиллята; 10- холодильник кубовой жидкости; 11- ёмкость для кубовой жидкости.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. 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 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направ­ляется в емкость 11.

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).

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.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНИХ ФИЗИЧЕССКИХ 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 по пару, а также некоторые физические величины.

Простая полная колонна.

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

а) Для жидкой фазы в верхней и нижней частях колонны:

- мольные составы х_Ав и х_Ан определяют как среднеарифметические:

х_Ав=(х_F+x_D)/2=0,692

х_Ан=(х_F+x_W)/2=0,212

где А - легколетучий компонент;

- массовые составы х_Ав и х_Ан­ определяют по уравнению

х_Ai=M_Ax_Ai/M_xi,*

где М_xi - мольная масса смеси;

х_Aв=0,402 х_Aн=0,0747

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

- мольные массы М_xв, М_xн определяют по формуле:

M_xi=M_Ax_Ai + M_В(1-х_Аi) , (**)

где М_A , М_В - мольные массы исходных веществ, кг/кмоль;

М­­­­_хв=30.9 М_хн=51.1

- средние температуры t_хв , t_xн определяют по диаграмме t-х,y при соответствующих значениях х_Ав и х_Ан;

-плотности _хв, _хн определяют по уравнению:

1/_xi = х_Аi/_Ai + x_Вi/_Вi ,

где _Ai , _Вi -плотности легколетучего и труднолетучего компонентов при соответствующих температурах, кг/м³;

_хв =955 _хн =941

-динамические коэффициенты вязкости _хв , _хн рассчитывают по уравнению:

lg_xi = x_Ailg_Ai + x_Вilg_Вi ;

_хв=0,322 мПа.с _хн=0,376 мПа.с

- коэффициенты диффузии D_хв , D_хн рассчитывают по приближенной формуле:

D_xi = D_20,i[1+b_i(t_xi – 20)] ,

где D_20,i - коэффициент диффузии бинарной смеси при t=20 С, м²/с.

При 20 С D_хв = 0,984.10^-9м²/с D_хн = 0,942.10^-9 м²/с

При 100.1С D_хв = 2,64.10^-9 м²/с D_хн = 2.74.10^-9 м²/с

Температурный коэффициент b_i в предыдущем уравнении может быть определен по эмпирической формуле:

b_i = 0,2 _xi/ _xi

где _xi - динамический коэффициент вязкости жидкости при t=20 С, мПа.с;

_xi - плотность жидкости при t=20 С, кг/м³.

b_в = 2,046.10^-2 b_н = 2,124.10^-2

Коэффициент диффузии D_20,i рассчитывают по приближенной формуле:

D_20,i=1.10^-6/ AB _xi (v_A^1/3 + v_B^1/3)² . 1/M_A+ 1/M_B ,

где _xi - динамический коэффициент вязкости жидкости при t=20 С,мПа с;

М_A и М_B- мольные массы исходных веществ ,кг/кмоль; v_A ,v_B - мольные объемы растворенного вещества и растворителя, см³/моль; А и В – коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя.

D_20,в= 2,68м²/с D_20,н= 2,91м²/с

Значения коэффициентов А и В, а также атомные объемы приведены в Приложении. (А=4,7 В=1,27)

- поверхностные натяжения _в, _н определяют по уравнению:

1/_i = x_Ai/_Ai + x_Bi/_Bi ,

где _Ai , _Bi - поверхностные натяжения исходных веществ при соответствующих температурах, Н/м.

_в =36.2 мН/м _н =21.9 мН/м

Для органических веществ значения _Ai , _Bi ,как правило, близки и величины _i могут быть определены как среднеарифметические.

- удельные теплоемкости питания, кубового остатка и дистиллята определяют по аддитивным формулам:

c_F = x_AF c_AF + x_BF c_BF=2.732

c_W = x_AW c_AW + x_{BW Cbw}=2.473

c_D = x_AD c_AD + x_BD c_BD=4.084

-мольные расходы L_xв , L_хн рассчитывают по уравнениям:

L_хв = G_DR = 0.197

L_хн = G_DR + G_F =0.299

где G_D ,G_F -мольные расходы питания и дистиллята, кмоль/с; R – флегмовое число.

- массовые расходы L_xв , L_хн рассчитывают по уравнениям:

L_xв = G_DRM_хв /M_D = 6.1кг/с

L_хн = G_DRM_хн /M_D + G_FM_хн /M_F =15.33кг/с ,

где G_D ,G_F - массовые расходы питания и дистиллята, кг/с;

- объемные расходы V_хв , V_хн (в м³/с) рассчитывают по соотношению:

V_xi = L_xi /_xi

V_хв= 0,006 м³/с V_хн= 0,0163 м³/с

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

- мольные составы y_Aв, y_Aн определяют по уравнениям рабочих линий при подстановке в них соответственно х_Ав, х_{Ан ;}

- мольные массы М_yв,М_yн определяют по уравнению (**) при соответствующих значениях y_Aв, y_Aн ;

- массовые составы y_Aв, y_Aн определяют по уравнению:

y_Ai = M_Ay_Ai / M_yi ;

y_Aв= 0,464 y_Aн= 0,096

- средние температуры t_yв, t_yн определяют по диаграмме t-x,y при соответствующих значениях y_Aв, y_Aн ;

t_yв =103.0 C t_yн = 111,0 C

- плотности _yв , _yн рассчитывают по уравнению :

_yi = y_Ai_Ai + y_Bi_Bi ,

где _{Ai ,} _Bi -плотности паров веществ А и В при соответствующих температурах, кг/м³;

_yв =0.933 _yн = 1,555

- динамические коэффициенты вязкости _yв , _yн рассчитывают по приближенной формуле :

M_yi/_i = y_AiM_A/_Ai + y_BiM_B/_Bi

_yв =1,11.10^-5 Па.с _yн =1,04. 10^-5 Па.с

- коэффициенты диффузии D_yв, D_yн рассчитывают по приближенной формуле :

D_yi = 4,3.10^-7.T_i^3/2 /p(v_A^1/3 + v_B^1/3)² 1/M_A+1/M_B ,

где T_i – средняя температура пара , К; р – среднее давление в колонне, ат; остальные обозначения смотри ранее ;

D_yв = 1,90.10^-5 м²/с D_yн = 1,96.10^-5 м²/с

- удельная теплота конденсации паров дистиллята рассчитывается по аддитивной формуле :

r_D = y_Dr_A + (1-y_D)r_B ,

где r_A , r_B – удельные теплоты конденсации паров веществ А и В при температуре дистиллята t_D , кДж/кг; y_D – массовая доля легколетучего компонента в парах дистиллята (при использовании дефлегматора y_D = x_D);

r_D = 2110.2 кДж/кг

- мольный расход пара, который принимается постоянным по высоте колонны, определяется по уравнению (в кмоль/с):

G_yi = G_D(R+1)/M_D = 0,239 кмоль/с

где G_D – массовый расход дистиллята, кг/с;

- массовые расходы G_yв, G_yн определяют по уравнению:

G_yi = G_D(R+1)M_yi/M_D

G_yв =6.9 кг/с G_yн 11,74 кг/с

- объемные расходы пара V_yв , V_yн (в м³/с) рассчитывают по соотношению :

V_yi = G_D(R+1). 22,4T_ip₀/M_DT­₀p ,

или по формуле:

V_yi = G_yi/_см,i ,

где _см,i - плотность смеси паров компонентов, кг/м³.

V_yв = 7,39 м³/с V_yн = 7,55 м³/с

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А.

Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.

10-е изд. Л:Химия, 1987.576 с.

2. Романков П.Г., Фролов В.Ф., Флисюк О.М., Курочкина М.И

Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии

(примеры и задачи)/. СПб:Химия, 1993,496 с.

8