Лабораторная работа. Исходной смеси,% масс. пропан 10 изобутан 15 нбутан 20 изопентан 30 нпентан 25. Заданное

Название	Исходной смеси,% масс. пропан 10 изобутан 15 нбутан 20 изопентан 30 нпентан 25. Заданное
Анкор	Лабораторная работа
Дата	27.01.2022
Размер	7.21 Mb.
Формат файла
Имя файла	413717.rtf
Тип	Реферат #343921
страница	4 из 5

1 2 3 4 5

7. Определение расхода греющего пара
Для расчета тепловых составляющих материального баланса ректификационной колонны используется таблица материального баланса, представленного в таблицах 1,7. Теплофизические свойства всех компонентов смеси [3, с.269-350] для расчета теплового баланса колонны представлены в таблице 12.

Уравнение материального баланса ректификационной колонны имеет следующий вид [4, c. 48]:
_{Qф + QF + Qкип = Qv + Qw + Qпотери} (34)
_{где QF – тепловой поток, поступающий в колонну с питанием, Вт;}

_{Qкип - тепловой поток, поступающий в колонну из кипятильника, Вт;}

_{Qv - тепловой поток, поступающий в колонну с дистиллятом, Вт;}

_{Qw - тепловой поток, поступающий в колонну с кубовой жидкостью, Вт;}

_{Qф - тепловой поток, поступающий в колонну сфлегмой, Вт.}
В свою очередь каждое слагаемое рассчитывается по формулам:

Количество тепла, поступающего в колонну с парожидкостным питанием, рассчитывают по формуле [1, с. 46]:
Q_F=

, (35)
где

- массовый расход i – го компонента в питании, кг/ч;

– удельная теплоемкость жидкости i – го компонента в питании, кДж/кг ·К;

– температура питания, °С.

Количество тепла приходящее в колонну с флегмой:
Q_ф=

(36)
где

- массовый расход i – го компонента в дистилляте, кг/ч;

– удельная теплоемкость жидкости i – го компонента,кДж/кг ·К;

– температура флегмы, °С;

R – реальное флегмовое число.

Количество тепла, уходящего из колонны с кубовой жидкостью:
Q_w=

(37)
где

- массовый расход i – го компонента в кубовой жидкости, кг/ч;

– удельная теплоемкость жидкости i – го компонента в кубовой жидкости, кДж/кг ·К;

– температура кубовой жидкости, °С.

Количество тепла, уходящего из колонны с парами с верха колонны:
Q_v=

(38)
где

- массовый расход i – го компонента в дистилляте, кг/ч;

– удельная теплоемкость жидкости i – го компонента, кДж/кг ·К;

– температура верха колонны, °С;

R – реальное флегмовое число;

- удельная теплота парообразования i-го компонента, кДж/кг.

Питание поступает в жидком виде. Количество тепла Q_F, поступающего в колонну с питанием по формуле (35) при температуре питания 112,16 °С:

Q_F = (2800 · 112,16 · 0,2628 + 1400 · 112,16 · 3,4599 + 1400 · 112,16 · 2,9359 + 4200 · 112,16 · 2,9458+ 4200 · 112,16 · 2,6954) / 3600 = 1040,04 кВт.
Количество тепла Q_ф, приходящее в колонну с флегмой, рассчитывается по формуле (35) при температуре 60,65 °С:
Q_ф = (2743,87 · 60,65 · 3,4573 · 1,61 + 30,52 · 60,65 · 2,7376 · 1,61+ 0· 60,65· 2,5223 · 1,61 + 0 · 60,65 · 2,5608 · 1,61 + 0 · 60,65 · 2,4259 · 1,61) / 3600 = 260,05 кВт.
Таблица 12 – Теплофизические свойства веществ [3, с.269-350]

Вещества	Теплоёмкость жидкости, кДж/(кг · °С)			Теплоём-кость пара, кДж/(кг °С) при температуре верха колонны (61,14°С)	Теплота парообразования, кДж/кг при температуре верха колонны (61,14°С)
Вещества	при темпера-туре питания (112,16 °С)	при температуре конца конденсации (60,65 °С)	при температуре куба колонны (166,70 °С)
пропан	0,2628	3,4573	2,3826	2,6617	255,2091
н-бутан	3,4599	2,7376	0,3228	1,8585	320,7517
изопентан	2,9359	2,5223	4,3518	1,8266	312,5042
н-пентан	2,9458	2,5608	3,9555	1,8401	338,1097
н-гептан	2,6954	2,4259	3,043	2,6461	342,7420

Количество тепла Q_w, уходящего из кубовой части колонны с жидкостью, рассчитывают по формуле (36) при температуре 166,70 °С:
Q_w = (56,13 · 166,70 · 2,3826+ 1369,52 · 166,70 · 0,3228 +1403,20 · 166,70 · 4,3518 + 4198,38 · 166,70 · 3,9555 + 4198,38 · 166,70 ·3,0430) / 3600 = 1669,95 кВт
Количество тепла Q_v, уходящего с парами верха колонны, рассчитывают по формуле (37) при температуре 94,05 °С.

Тогда количество тепла, уходящего из верхней части колонны вместе с парами, составит:
Q_v = (2743,87 · (1,61 + 1) · (61,14 · 2,6617 +255,21) + 30,52 · (1,61 +

+ 1) · (61,14, · 1,8585+ 38320,75) + 0· (1,61 + 1) · (61,14 ·1,83 + 312,50) +

+ 0 · (1,61 + 1) · (61,14 · 1,84 + 338,11) + 0 · (1,61 + 1) · (61,14 · 2,65+ 343,74)) / 3600 = 841,99 кВт.
Из формулы (34) находим количество тепла, поступающее в колонну из кипятильника. Оно составит:
_{Qкип = Qv + Qw - QF - Qф}

841,99 + 1669,95 – 260,05 – 1040,04 = 1211,85 кВт.
Расход греющего пара рассчитывают по формуле:

(39)
где r - удельная теплота парообразования водяного пара, кДж/кг.

Согласно пункту 3.4 она равняется 2024 кДж/кг.

Тогда расход греющего пара по формуле (39) составит:
G_гр.п = 1211,85 · 3600 / 2024 = 2155,46 кг/ч.
8. Определение диаметра колонны и расстояния между тарелками
Укрепляющая часть

Рассчитывают плотность пара, для укрепляющей и исчерпывающей части, по формуле [4, с. 13]:
ρ_п=

, (40)
где

среднее давление в колонне, МПа;

температура в колонне, °С;

молекулярная масса i-го компонента смеси, кг/кмоль;

P₀ – давление газа при нормальных условиях, МПа.

Среднее давление в укрепляющей и исчерпывающей частях колонны находят, соответственно, по формулам:

(41)

(42)
где

– давления, соответственно, в дистилляте, питании и кубовой части колонны, МПа.

2,0685 МПа,Р_ср.исч. = 2,078 МПа.
Для пропана плотность пара в укрепляющей части, согласно формуле (40), составит:

=44,0 · 273 · 2,0685 / (22,4 · (273 + 86,65) · 0,1013) = 30,842 кг/м³.
Расчёт плотности пара для остальных компонентов в укрепляющей и исчерпывающей части аналогичен. Результаты представлены в таблице 13.

Плотность смеси паров в укрепляющей и исчерпывающей части рассчитывают по формуле [4, с. 13]:
ρ_см= у₁ · ρ₁ + у₂ · ρ₂ + …, (43)
где у₁, у₂, … – массовые доли компонентов газовой смеси;

ρ₁, ρ₂, … – плотности соответствующих компонентов смеси.
Таблица 13 – Результаты расчета плотности паров компонентов смеси в укрепляющей и исчерпывающей части. Средняя температура укрепляющей части колонны 86,65 °С. Средняя температура исчерпывающей части колонны 139,43 °С

Вещества	Плотность паров, кг/м³
Вещества	в укрепляющей части	в исчерпывающей части
пропан	30,842	27,013
н-бутан	40,656	35,608
изопентан	50,469	44,203
н-пентан	50,469	44,203
н-гептан	70,096	61,393

Для укрепляющей части плотность смеси по формуле (42) составит:

0,9890 · 30,842+ 0,0110 · 40,656 + 0,0000 · 50,469 +

+ 0,0000 · 50,469 + 0,0000 · 50,469 = 30,950 кг/м³.
Для исчерпывающей части плотность смеси по формуле (37) составит:

0,0050 · 27,013 + 0,1220 · 35,608 + 0,1250 · 44,203 +

+ 0,3740 · 44,203 + 0,3740 · 61,393 = 49,497 кг/м³.
Объемные расходы пара для укрепляющей и исчерпывающей частей колонны рассчитывают по формулам [1, с. 47]:

(44)

(45)
где

удельная теплота парообразования смеси в кубе колонны, кДж/кг;

расход дистиллята, кг/ч;

реальное флегмовое число;

плотность пара, соответственно, в верхней и нижней частях, кг/м³.

Для верха колонны объёмный расход пара по формуле (44) составит:

2774,39 · (1,61 + 1) / (11,184 · 3600) = 0,07 м³/с.
Для того чтобы рассчитать

необходимо, рассчитать удельную теплоту парообразования смеси в кубе колонны по формуле [4, с. 11]:

(46)
где

– удельная теплота парообразования i-го компонента смеси, кДж/кг;

– концентрация i-го компонента в кубовой части колонны, масс. дол.

Результаты расчёта удельной теплоты парообразования смеси в кубе колонны представлены в таблице 14.
Таблица 14 – Результаты расчета удельной теплоты парообразования смеси компонентов в исчерпывающей части колонны при температуре 139,43 °С

Компоненты	Удельная теплота парообразования компонентов смеси, , кДж/кг		Удельная теплота парообразования смеси, , кДж/кг
пропан	70,800	0,354	241,592
н-бутан	141,590	17,274
изопентан	215,320	26,915
н-пентан	238,600	89,236
н-гептан	288,270	107,813

Объёмный расход пара в кубе колонны по формуле (45) составит:

1211,85 / (241,592 · 49,497) = 0,10 м³/с
Рассчитывают плотность смесей жидкостей, в укрепляющей и исчерпывающей частях колонны по формуле [4, с. 12]:

, (47)

где x₁, x₂, …, x₅ – концентрация компонентов смеси, масс. дол.
Данные для расчёта плотности смеси жидкостей, а так же полученные результаты, для каждой части колонны, представлены в таблице 15.

Таблица 15 – Результаты расчёта плотности смесей жидкостей в укрепляющей и исчерпывающей части колонны

Компоненты	Укрепляющая часть		Исчерпывающая часть
Компоненты	Плотность компонентов смеси, , кг/м³	Плотность смеси,ρ_см, кг/м³	Плотность компонентов смеси, , кг/м³	Плотность смеси,ρ_см, кг/м³
пропан	373,5	373,50	293,13	293,13
н-бутан	483,7		363
изопентан	545,55		464,2
н-пентан	554,35		478,7
н-гептан	624,92		571,1

Объёмный расход жидкости через данное сечение колонны, для укрепляющей и исчерпывающей части, рассчитывается по формулам [1, c. 47]:
L_укр =

, (48)

L_исч =

, (49)
где

расход питания, кг/ч;

расход дистиллята, кг/ч;

R – реальное флегмовое число;

ρ_ж- плотность жидкости в соответствующих частях колонны, кг/м³;

ρ_п- плотность пара в соответствующих частях колонны, кг/м³.

Объемный расход жидкости для укрепляющей части колонны по формуле (48) равен:
L_укр = 2774,39 · 1,61 / 373,50 = 11,98 м³/ч.
Объемный расход жидкости для исчерпывающей части колонны по формуле (49) равен:

L_исч = (14000 + 2774,39 · 1,61) / 293,13 = 63,03 м³/ч.
Диаметр ректификационной колонны рассчитывают по максимально допустимой скорости паров в сечении колонны и объемному расходу паров в данном сечении колонны по формуле [1, с. 178]:
D =

, (50)
где D – диаметр колонны, м;

V – объемный расход пара, м³/с;

– максимальная скорость паров, м/с.

Максимальная скорость паров рассчитывается по формуле Саудерса-Брауна [1, c. 179]:

(51)
где C_max– коэффициент, который определяется по формуле [1, c. 179]:
C_max = к₁ · с₁ – с₂ · (λ – 35), (52)
где

коэффициенты, зависящие от типа контактных устройств;

коэффициент, зависящий от расстояния между контактными устройствами;

λ – коэффициент, определяемый по формуле [1, c. 179]:
λ =

, (53)

где

жидкостная нагрузка, м³/ч;

число потоков на ступенях контакта;

V – расход пара, м³/с;

к₁ – коэффициент, зависящий от типа контактного устройства;

коэффициент, зависящий от расстояния между ступенями контакта.

Для дальнейших расчетов выбираем клапанные тарелки. Для клапанной тарелки коэффициенты к₁ = 1,15 и с₂ = 4,00 [1, с. 179]. Принимают расстояние между тарелками равным 400 мм, тогда коэффициент с₁ будет равен 480 [1, c. 180]. Для того, чтоб значение величины λ_исч получилась не больше 65, принимают поточность тарелки (

) равную одному. Тогда коэффициент λ по формуле (53) для верха и низа колонны составит:
λ_укр= 21,973;

λ_исч= 75,636.
Значение величины λ_исч получилась не больше 65, то поточность тарелки оставляют равную одному [1, с. 179]. Рассчитывают коэффициент C_maxдля каждой части колонны по формуле (52):

1,15 · 480 - 4 · (21,973 – 35) = 604,107;

1,15 · 480 - 4 · (75,636 – 35) = 389,458;
Тогда максимальная скорость паров в верхней и нижней части колонны по формуле (51) составит:

8,47 · 10^-5 · 604,107 ·

= 0,988 м/с;

8,47 · 10^-5 · 389,458 ·

= 0,564 м/с.

Рассчитывают диаметр колонны для верхней и нижней части колонны по формуле (50):
D_укр =

= 0,290 м;
Для укрепляющей части колонны принимаем ближайшее стандартное значение диаметра D = 1,0 м.
D_исч =

= 0,479 м.
Для исчерпывающей части колонны принимаем ближайшее стандартное значение диаметра D = 1,2 м.

1 2 3 4 5