задача.Расчет тарельчатой ректификационной колонны. Задача. Дано Рассчитать ректификационную колонну для разделения смеси хлороформ бензол. Решение

• Название: Задача. Дано Рассчитать ректификационную колонну для разделения смеси хлороформ бензол. Решение
• Дата: 03.04.2022
• Размер: 0.52 Mb.
• Имя файла: задача.Расчет тарельчатой ректификационной колонны.doc
• Тип: Задача; #438035

Расчет тарельчатой ректификационной колонны

Задача.

Дано:



Рассчитать ректификационную колонну для разделения смеси хлороформ – бензол.

Решение:

1. Материальный баланс

кг/ч.

кг/ч.

Проверяем: ; .

Для дальнейших расчетов необходимо концентрации питания, дистиллята и кубового остатка выразить в молярных долях. Посчитаем молярные массы веществ участников реакции:

М_Х(CHCl₃) = 119,5 г/моль;

M_Б(C₆Н₆) = 78 г/моль.
Питание: .

Дистиллят: .

Кубовый остаток:

Относительный мольный расход питания:

.

Минимальное число флегмы:

,



где - мольная доля хлороформа в паре, равновесном с жидкостью питания, определяется по диаграмме y*-x

Рабочее число флегмы: R = 1,3*R_min + 0,3 = 1,3*0,221+ 0,3 = 0,58

Уравнение рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:



б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

2. Определение скорости пара и диаметра колонны.

Средние составы пара:

а) в верхней части колонны:

;

б) в нижней части колонны:

.

Средние составы пара находим по уравнениям рабочих линий:

а) в верхней части колонны:

= 0,85 + 0,130 =

б) в нижней части колонны:

= 1,35 - 0,0103 =

Средние температуры пара определяем по диаграмме t-y,x:



а) при = 0,671 = 96,5 ºС,

б) при = 0,222 = 105 ºС.

Средние мольные массы и плотности пара:

а) = *М_Х + (1- )*М_Б = 0,671*119,5 + (1- 0,671)*78 = 105,85 кг/кмоль

.

б) = *М_Х + (1- )*М_Б = 0,222*119,5 + (1- 0,222)*78 = 87,213 кг/кмоль

.

Средняя плотность пара в колонне:



Температура вверху колонны при Х_D = 0,969, t = 63 ºС, а в кубе–испарителе при Х_W= 0,011, t = 79º С.

Плотность хлороформа при t = 63 ºС p_х= 1405 кг/м³, а бензола при t = 79ºС – p_б = 823,5 кг/м³.
Средняя плотность жидкости в колонне:

Расстояние между тарелками h=300мм. Для ситчатых тарелок по графику находим с = 0,032.

Определим скорость пара в колонне по следующему уравнению:

м/с

Объемный расход, проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне:

⁰С.





Диаметр колонны:

м.

По каталогу-справочнику принимаем D = 3000мм

Тогда скорость пара в колонне будет равна:

м/с.
3. Гидравлический расчет тарелок.

Принимаем следующие значения ситчатой тарелки:

• 
  диаметр отверстия d₀ = 4 мм;
  
• 
  высота сливной перегородки h_п = 40 мм;
  
• 
  свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки;
  
• 
  площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки.
  

Сопротивление пароожиженного слоя на тарелке:

а) верхняя часть колонны. Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

,

где - коэффициент сопротивления тарелок со свободным сечение 8%; ω₀ = м/с – скорость пара в отверстиях тарелки.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

,

где σ = 20,6*10^-3 Н/м – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 96,6⁰ С;

d₀ = 0,004 м – диаметр отверстий тарелки.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

,

Высота парожидкостного слоя:

h_пж = h_п + ∆h

где величина ∆h – высота слоя над сливной перегородкой

V_ж – объемный расход жидкости, м³/с;

П – периметр сливной перегородки, м;

k = =0,5 – отношение плотности парожидкостного слоя к плотности

жидкости.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:



Объемный расход жидкости в верхней части колонны:



Периметр сливной перегородки П находим решая систему уравнений:

, где R = 1 м – радиус тарелки;

– приближённое значение площади сегмента.









Решение даёт: П = 1,14 м; b = 0,53 м.

Находим Δh:

м.

Высота парожидкостного слоя:



Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части:



б) нижняя часть колонны. Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:



Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

,

где σ = 19,8*10^-3 Н/м – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 105⁰ С;

d₀ = 0,004 м – диаметр отверстий тарелки.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

,

Высота парожидкостного слоя:

h_пж = h_п + ∆h = 0,04 + 0,0202 = 0,0602м.

где величина ∆h – высота слоя над сливной перегородкой

V_ж – объемный расход жидкости, м³/с;

П – периметр сливной перегородки, м;

k = =0,5 – отношение плотности парожидкостного слоя к плотности

жидкости.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:





Объемный расход жидкости в нижней части колонны:

.

Находим Δh:

0,0202м.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части:



4. Определение числа тарелок и высоты колонны.

а) наносим на диаграмму у – х рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число ступеней изменения концентрации п_т. Всего 9 ступеней. Число тарелок рассчитывается по уравнению:

п = .

Для определения среднего к.п.д. тарелок η находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов:

α = .

Динамическая вязкость хлороформа при 100 °С , бензола

.



Принимаем динамическую вязкость смеси исходного состава как среднее арифметическое значение:

Тогда . По таблице находим .

Длина пути, проходимого жидкостью по тарелке: ,

где b = 0,53.

По значению длины пути находим значение поправки на длину пути. Так как она очень мала, то ею можно пренебречь.
Средний КПД тарелок определяется по уравнению:

.

Для сравнения рассчитывают средний КПД тарелки по критериальной формуле:



В этой формуле безразмерные комплексы:



где w – скорость пара в колонне, м/с;

S_св – относительная площадь свободного сечения тарелки;

h_п – высота сливной перегородки, м;

ρ_п и ρ_ж – плотности пара и жидкости, кг/м³;

D_ж – коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси;

σ – поверхностное натяжение жидкости питания, Н/м.

Коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси:

.

, .

Молекулярный объем диффундирующего вещества равен:

К₁ =

.

Число тарелок определяется по наименьшему благоприятному значению :

а) в верхней части колонны:

; 11 + 2 = 13.

в) в нижней части колонны:

9 + 3 = 12.

Общее число тарелок n = 20. С запасом принимаем 25 тарелок, из них 13 тарелок в верхней части и 12 в нижней.

Высота тарельчатой части колонны:

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:




5. Тепловой расчет.

Тепловой поток, отдаваемый охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:

Q_Д = Вт = 580,02кВт.

Здесь ,

где R_Б, R_Х- удельная теплота конденсации CHCl₃ и C₆H₆.

Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара:


Здесь тепловые потери Q_пот приняты в размере 3%. Тепловой поток в паровом подогревателе исходной смеси:



Здесь тепловые потери Q_пот приняты в размере 5%, удельная теплоемкость смеси ккал/кг*К взята при средней температуре .

Тепловой поток, отдаваемый охлаждающей воде в холодильнике дистиллята:

.

где удельная теплоемкость дистиллята взята при средней температуре: .

Тепловой поток, отдаваемый охлаждающей воде в холодильнике кубового остатка:



где удельная теплоемкость кубового остатка взята при средней температуре: .

Расход греющего пара, имеющего давление p_абс=4 Па и влажности 5%:

а) в кубе-испарителе:



б) в подогревателе исходной смеси:



Общий расход греющего пара на установку:

.

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20⁰С:

а) в дефлегматоре

.

б) в водяном холодильнике дистиллята

.

в) в водяном холодильнике кубового остатка

.

Общий расход охлаждающей воды на всю установку

.

Вывод: Рассчитали ректификационную колонну непрерывного действия с ситчатыми тарелками

Список литературы.

1. Тынерский Ю.В.

Процессы и аппараты химической технологии. В 2-х кн. Часть 2.

Массообменные процессы и аппараты.- М.: «Химия», 1995 г.

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

Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов - Л.: «Химия», 1987 г.

3. Справочник химика. М.: «Химия», 1996г.

4. КасаткинА. Г.

Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.:

«Госхимиздат», 1961г.