Проектирование ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси ацетон - уксусная кислота, производительностью 6,0 кг/с по дистилляту

Подождите немного. Документ загружается.

Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт,

обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике и

направляется в емкость.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс

разделения бинарной смеми на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и

кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

3. Расчет тарельчатой ректификационной колонны.

3.1. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число.

Производительность колонны по дистилляту D и кубовому остатку W определим из

уравнений материального баланса колонны:

WWDDFF

WDF

xGxGxG

GGG





(1)

Отсюда находим:

)(

WFF

xxG







- массовый расход дистиллята (2)

)(

DFF

xxG







- массовый расход кубового остатка (3)

Мольная масса ацетона составляет

кмоль

кг

COCHCH

08.58

)(



, уксусной кислоты

кмоль

кг

COOHCH

00.60

)(



, следовательно,

пересчитаем составы фаз из мольных долей в массовые по соотношению:

МуксxМацx

Мацx







)1(

(4)

где

Мац

Мукс

– молекулярные массы соответственно ацетона и уксусной кислоты,

кмоль

кг

аналогично находим







)1(

DВАD

АD

xММx

Мx

см

кг

x 9484.0

)02.01(00.6095.0*05.58

08.58*95.0













)1(

WВАW

АW

xММx

Мx

см

кг

x 01937.0

)02.01(*00.6002.0*08.58

08.58*02.0













)1(

FВАF

АF

xММx

Мx

см

кг

x 1537.0

)158.01(*00.600158.*08.58

08.58*158.0







Рассчитаем массовые расходы дистиллята и кубового остатка:











)(

WFF

xxG







кг

8676.0

01937.09484.0

)01937.01537.0(*0.6







)(

WDD

xxG







кг

1324.5

01937.09484.0

)01937.09484.0(*8676.0







Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим

флегмовым числом R. Минимальное флегмовое число Rmin определяем по формуле:







min

(5)

где

- мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси

и дистилляте

смесикмоль

кмоль

;



- концентрация легколетучего компонента в паре,

находящемся в равновесии с исходной смесью,

смесикмоль

кмоль

0.3

1537.0356.0

356.09484.0

min 



R

Рабочее флегмовое число находим по уравнению [2, 352]:

3.0min3.1  RR

(6)

20.43.00.33.1 R

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны

11 







(7)

1827.08077.0

120.4

95.0

120.4

20.4









 xxy

1827,08077,0  xy

б) нижней (исчерпывающей) части колонны

y 











(8)

где F – относительный мольный расход питания

739.6

02.0158.0

02.095.0











02207.01037.201937.0

120.4

1739.6

120.4

739.620.4











 xxy

02207,01037,2  xy

Найдем точку пересечения рабочих линий, примем

xx 

, отсюда получим:

356.0

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны

определим из соотношений:

ВD

MRG





(9)

НD

MRG









(10)

где

- мольные массы дистиллята и исходной смеси;

- средние

мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно

равны:

)1(

.)(.)(

333

ВСРCOOHCHВСРCOCHCHВ

xMxMM 

(11)

)1(

.)(.)(

333

НСРCOOHCHНСРCOCHCHН

xMxMM 

(12)

где

ВСР

НСР

- средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и

нижней частях колонны:

смесикмоль

кмоль

ВСР

5540.0

158,095,0











смесикмоль

кмоль

НСР

0890.0

158.002,0











Тогда

кмоль

кг

94.58)554.01(60554.008.58 

кмоль

кг

83,59)0890.01(08.580890.000.60 

Средний массовый состав жидкости

ВСР

НСР

будет составлять:

смесикг

кг

ВСР

5459.0

1537,09484,0











смесикг

кг

НСР

0864.0

1537.001937,0











Мольная масса исходной смеси

кмоль

кг

70.59)158.01(00.60158.008.58 

кмоль

кг

18.58)9484.01(00.609484.008.58 

кмоль

кг

96.59)01937.01(00.6001937.008.58 

Подставив рассчитанные величины в формулы (9) и(10) получим:

кг

6915.3

1791.58

)9363.5820.48676.0(







кг

760.9

70.59

2509.58

333.8

18.58

)2509.58312.48676.0(







Средние массовые потоки пара в верхней

и нижней

частях колонны

соответственно равны:

ВD

MRG







)1(

(14)

НD

MRG







)1(

(15)

где



- средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

смесикмоль

кмоль

ВСР

6302.0

)(







смесикмоль

кмоль

НСР

1652.0

)(







Тогда

смесикмоль

кмоль

yМyMM

ВСРCOОHCHВСРCOCHCHB

79.58)1(

.)(.)(

333



смесикмоль

кмоль

yМyMM

HСРCOОHCHHСРCOCHCHH

68.59)1(

.)(.)(

333



Подставив значения в уравнения (14) и (15) получим:

кг

559.4

18.58

79.58)120.4(8676.0







кг

628.4

18.58

68.59)120.4(8676.0







3.2. Скорость пара и диаметр колонны.

Скорость пара в интервале устойчивой работы провальных тарелок может быть определена

с помощью уравнения [1, 204]:

eBY





где (18)

16.0

















Cэ

Fdg





8/1

4/1































Средние температуры пара и жидкости определяем по диаграмме t – x, y

Для пара:

а) при

5540.0



ВСР

XВ

 1.73

б) при

0890.0



НСР

XН

 5.108

Для жидкости:

а) при у

ср.в

= 0.6302

YВ

 4.90

б) при у

ср.н

= 0.1652

YН

 3.110

Плотности пара определим по формулe:









4.22



, где

KT 273



(19)

829

кг

ВX





913

кг

НX





Плотность физических смесей жидкостей подчиняется закону аддитивности:

972.1)4.01(9904.0730

кг

ВY





898.1)108.01(943108.0681

кг

НY





Так как плотности жидкостей близки, то примем:

871

кг

НХВХ









подставив в уравнение, получим:

433.0

3.911

191.1

557.4

412.4

8/14/1





























X

Ориентировочную скорость определим из соотношения:

yв

[

1.0 

где ρ

, ρ

- плотности жидкой и газовой смесей соответственно (см. прил. 2);

Подставляя значения для верхней и нижней частей колонны получим:

yв

71.1

972.1

829

1.0 

yн

66.1

898.1

913

1.0 

Ориентировочный диаметр колонны определяем из уравнения:





785.0

где

V 

объёмный расход газовой смеси (см. прил. 2);

Подставляя значения для верхней и нижней частей колонны получим:

смD

yв

/8167.0

71.1785.0

312.2







смD

yн

/8847.0

66.1785.0

438.2







Выберем стандартный диаметр колонны D=1м. По ходу расчётов диаметр был увеличен до

1.8 м, расчёты для диаметров 1.4м и 1.6м представлены в приложении 2, здесь будет

представлен только расчёт для колонны диаметром 1.8 м, который сошёлся.

Выписываем основные параметры колпачковой тарелки для выбранного диаметра колонны

исполнения 2, которое также было определено по диметру:

Относительное сечение перелива

=5.25%

Свободное сечение колонны S=1.54 (м

)

Относительное свободное сечение тарелки

ω=7.95%

Длина сливной планки

пл

=0.84м

Число клапанов

n=102

Рассчитываем рабочую площадь тарелки:

(1 2 ) 1.54 (1 2 0.0525) 1.378( )

ÐÀÁ n

S S ì



        

Рассчитываем рабочую скорость пара, т.е. скорость пара отнесённую к рабочей площади

тарелки в ВЧК и НЧК:

смw

/910.0

378.1

312.2



смw

/960.0

378.1

438.2



Теперь рассчитаем максимально допустимую рабочую скорость пара:

Для этого сначала произведём предварительные расчёты:

X Y

Y X



 

где

X Y

L è G 

массовые расходы жидкой и газовой смесей соответственно (см. прил. 2)

для ВЧК:

2.401 2.744

0.045

3.095 802.08

B   

для НЧК:

5.422 2.865

0.098

3.332 785.04

B   

Зная коэффициенты

найдём по приложению А [3, с. 30] коэффициент

при расстоянии

между тарелками 300 мм:

Получаем

0.0505

B 

;

0.0582

B 

Наконец посчитаем максимально допустимую рабочую скорость пара:

0.2

0.549

X Y

Ì ÀÕÐ

w B

 







   

где





поверхностное натяжение, мН/м (см. прил. 2);

для ВЧК:

смw

MAXPВ

/228.1)368.2616.770(4.09.0008.0' 

для НЧК:

смw

MAXPH

/295.1)698.2874.788(4.09.0008.0' 

Как видно,

ÐÂ Ì ÀÕÐÂ

w w

ÐÍ Ì ÀÕÐÍ

w w

, т.е. это условие выполняется.

Проверим теперь другое условие: 0.3<k=w/w

max

<0.6, где

Ì ÀÕ

соответственно скорость

пара в свободном сечении колонны и максимальная скорость пара в свободном сечении колонны.

Скорость пара в свободном сечении в ВЧК и НЧК рассчитывают по формулам:

смw

/960.0

0451,054,2

01083,0

/910.0

0451.054.2

00368.0











Максимальная скорость пара в свободном в ВЧК и НЧК рассчитывают по формуле:

1 2 3

0.1 ( 9.72 10 )

Ì ÀÕ

w k k h k q





 

       

 

где k

и k

- коэффициенты зависящие от типа тарелок, для клапанных k

=1.15

и k

=1.22,

- коэффициент, зависящий от давления, для колонн работающих под атмосферным давлением

принимается

=1; h – расстояние между тарелками, принято равным 0.3 м; q – линейная

плотность орошения.

Линейную плотность орошения рассчитывают по формуле:

ñï



для ВЧК:

сммq









/10136.3

04.1

1045296.4

для НЧК:

сммq









/10528.7

04.1

106900.10

Тогда:

для ВЧК:

смw

MAXB

/910.0)368.2616.770(4.09.0008.0' 

для НЧК:

смw

MAXH

/960.0)698.2874.788(4.09.0008.0' 

Коэффициенты k:

для ВЧК:

0.732

=0.608

1.205

Ì ÀÕÂ

 

для НЧК: