ВВЕДЕНИЕ Ректификация широко распространена во многих отраслях промышленности и применятся для получения разнообразных продуктов в практически чистом виде путем разделения их жидких смесей, а также для получения чистых газов из сжиженных смесей. Получение чистых компонентов может быть осуществлено с помощью ректификации – процесса разделения растворов жидкостей на практически чистые компоненты путем испарения за счет возвращения в аппарат части получаемого продукта для осуществления многократного тепломассобмена между парами, движущимися противотоком, и жидкостью. Состав паров в процессе ректификации определяется различной летучестью компонентов при одной и той же температуре. Исходя из этого, различают низкокипящие (легколетучие) и высококипящие (труднолетучие) компоненты. Низкокипящий компонент имеет наибольшее давление паров при данной температуре по сравнению с давлением паров любого другого компонента смеси и соответственно наименьшую температуру кипения при одинаковом для всех компонентов давлении. Компонент, обладающий наименьшим давлением или наивысшей температурой кипения, называется высококипящим компонентом. Неиспарившаяся в результате ректификации высококипящая жидкость называется остатком, а низкокипящая жидкость, полученная в результате конденсации паров, - дистиллятом или ректификатом. Ректификационные установки по принципу действия делятся на периодические и непрерывные. В установках периодического действия разделяемую смесь загружают в куб одновременно и ректификацию проводят до получения продуктов заданного конечного состава. В установках непрерывного действия разделяемая сырая смесь поступает в ректификационную колонну и продукты разделения выводятся из нее непрерывно. Ректификационные установки могут применяться для разделения как бинарных, так и многокомпонентных смесей. В данном курсовом проекте рассчитывается ректификационная установка для разделения бинарной смеси метиловый спирт (C2H5OH) – вода (H2O). Поскольку температура кипения воды (tК = 100°С) выше температуры кипения метилового спирта (tК = 64,7°С), то в данной смеси высококипящим компонентом является вода, а низкокипящим - метиловый спирт. В ходе данного курсового проекта будет произведен выбор тепловой схемы установки, выполнены тепловые и конструктивные расчеты ректификационной колонны и теплообменников, механический расчет и расчет изоляции, произведен выбор дополнительного оборудования. Также в проекте будут рассмотрены тепловой контроль и основные приборы для его осуществления, охрана труда при обслуживании уст,новки4 основные правила эксплуатации установки и приведены технико-экономические показатели работы ректификационной установки. КР-2068195.205-02-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 4 1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ УСТАНОВКИ Основными типами аппаратов для проведения процесса ректификации являются тарельчатые, насадочные и роторные колонны. Роторные колонны достаточно сложны в исполнении, ограничены по своим конструктивным размерам и, кроме того, их использование влечет за собой высокие эксплуатационные расходы на привод ротора. Исходя из этого, использование в проектируемой установке роторной колонны нецелесообразно. Насадочные колонны очень просты в исполнении, но при наиболее эффективном режиме их работы орошающая жидкость задерживается в объеме колонны в максимальном количестве, образуя в проходах насадки газожидкостную смесь – плотную пену. Такой режим отличается тем, что небольшое увеличение скорости газа (пара) приводит к «захлебыванию» колонны вследствие преобладания сил трения над силами тяжести. Для данного курсового проекта выбирается тарельчатая колонна, которая совмещает простоту конструктивного исполнения с эффективностью работы. Внутри колонны горизонтально друг над другом располагаются ситчатые тарелки, они просты в исполнении, легко монтируются и ремонтируются, у них сравнительное низкое гидравлическое сопротивление и достаточно высокая эффективность. В данном курсовом проекте режим работы ректификационной колонны принимается постоянным, следовательно, жидкость удерживается на тарелках статическим напором пара, движущегося снизу вверх. Альтернативой ситчатым тарелкам могут служить колпачковые тарелки, но они отличаются более сложным исполнением, неудобном при монтировке и ремонте, однако они отличаются стабильностью работы. Но при ранее оговоренном условии постоянства режима работы установки в использовании колпачковых колонн нет необходимости. Схема конструкции ситчатой тарелки приведена на рисунке 1.1. 2 2 1 1 – основание тарелки; 2 – переливы. Рисунок 1.1 – Конструкция ситчатой тарелки со схемами газа и жидкости. Ректификационные колонны снабжаются соответствующей теплообменной аппаратурой: испарителем, подогревателями исходной смеси, конденсаторомдефлегматором, холодильниками дистиллята. Принципиальное значение для тепловой схемы ректификационной колонны имеет расположение дефлегматора и испарителя. В данном курсовом проекте дефлегматор устанавливается выше верха колонны, чтобы флегма стекала в колонну самотеком. Испаритель выносится за пределы колонны, так как в этом случае значительно облегчаются его ремонт и замена. Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рисунке 1.2. КР-2068195.205-02-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 5 5 6 3 исходная смесь 2 7 конденсат охлаждающая вода 8 дистиллят в холодильник кубовые остатки 2 4 1 конденсат греющий пар 1 – насос исходной смеси; 2 – подогреватели исходной смеси; 3 – ректификационная колонна; 4 – испаритель колонны; 5 – дефлегматор-конденсатор; 6 – сепаратор; 7 – холодильник готового продукта; 8 – насос охлаждающей воды. Рисунок 1.2 – Тепловая схема ректификационной установки. Исходную смесь подают в то место ректификационной колонны 3, в котором она соприкасается со встречным потоком пара с несколько большей концентрацией высококипящего компонента, чем в жидкой смеси. Место ввода исходной смеси, нагретой до температуры кипения в подогревателях 2, называется тарелкой питания. Она делит колонну на две части: верхнюю (укрепляющую) и нижнюю (исчерпывающую). В укрепляющей части происходит обогащение поднимающихся паров низкокипящим компонентом, а в исчерпывающей – удаление низкокипящего компонента. Тепло на кипение в колонне подводится к испарителю 4 куба колоны, который вынесен за пределы колонны в качестве самостоятельного теплообменника. В кубе колонны кипит жидкость. Пары ее поднимаются по колонне 3 вверх навстречу жидкости, вводимой в питательную тарелку. Из верхней части колонны богатые низкокипящим компонентом пары входят в конденсатор-дефлегматор 5, конденсируются, отдавая теплоту охлаждающей воде, и в виде парожидкостной смеси поступают в сепаратор 6. Из него часть жидкости, которая называется флегмой, возвращается в колонну. Другая часть, ректификатор, через холодильник 7 поступает сначала в конденсатор, где охлаждается до более низкой температуры, а затем – в сборник дистиллята. Процессы тепло- и массообмена в ректификационной колонне происходят на тарелках. Флегма из сепаратора 6 в колонне вступает в контакт с парами, образующимися в кубе колонны 3. При этом происходит частичная конденсация поднимающихся вверх паров и частичное охлаждение опускающейся жидкости. Таким образом, в процессе ректификации флегма вступает в тепло- и массобмен с парами. За счет теплоты конденсации паров высококипящего компонента из флегмы испаряется низкокипящий компонент, а сама флегма обогащается высококипящим компонентом; пары же, наоборот, КР-2068195.205-02-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 6 поднимаясь, обогащаются низкокипящим компонентом за счет испарений его из флегмы и объединяются с высококипящим компонентом. В результате массообмена производится глубокое разделение бинарной смеси. Давление в колонне атмосферное. В качестве греющего теплоносителя в испарителе колонны применяется пар, для получения которого устанавливается котел. Конденсат от испарителя колонны, имеющий высокую температуру, используется в качестве греющего теплоносителя во втором подогревателе исходной смеси, в первом подогревателе теплоносителем являются кубовые остатки. Охлажденные кубовые остатки и конденсат из подогревателей исходной смеси идут на собственные нужды предприятия. В качестве низкотемпературного теплоносителя для конденсатора-дефлегматора и холодильника готового продукта используется охлаждающая вода из оборотной системы водоснабжения. КР-2068195.205-02-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 7 2. ТЕПЛОВОЙ И КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ КОЛОННЫ 2.1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС КОЛОННЫ Материальный баланс колонны G f G w Gd , где Gf – расход свежей смеси; Gw – расход кубовых остатков; Gd – расход готовой продукции. Уравнение материального баланса для низкокипящего компонента : G f х f Gd х d G w х w , (2.1) (2.2) где х f - молярная концентрация исходной смеси в жидкой фазе; х d - молярная концентрация дистиллята в жидкой фазе; х w - молярная концентрация кубовых остатков в жидкой фазе. Составим систему уравнений из (2.1) и (2.2): 1 G d G w 1 0,2 G d 0,78 G w 0,04 Решив систему уравнений, получим: 18,5 G d 4 , Gd 0,2162 кг/с. G w 1 Gd 0,78387 кг/с. 2.2 МАССОВЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ НИЗКОКИПЯЩГО КОМПОНЕНТА Для двухкомпонентной смеси с компонентами А и Б с молекулярными весами компонентов A CH 3OH 32 Б Н О 18 массовые концентрации определяются: а) в исходной смеси 2 100 x f af Б 1 xf A (2.3) xf Б 100 0,2 18 af 30,7692 1 0,2 0,2 32 18 б) в готовом продукте 100 x d Б ad 1 xd x d A Б (2.4) КР-2068195.205-02-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 8 100 0,78 18 ad 86,307 1 0,78 0,78 32 18 в) в кубовом остатке 100 x w aw Б 1 xw A (2.5) xw Б 100 0,04 18 aw 6,8965 1 0,04 0,04 32 18 2.3 ФЛЕГМОВОЕ ЧИСЛО Флегмовое число предварительно может быть определено по формуле: Rопт 1,35 Rmin 0,35 , Минимальное флегмовое число: xd y f R min , yf xf (2.6) (2.7) где x d - молярная концентрация дистиллята в жидкой фазе; x f - молярная концентрация исходной смеси в жидкой фазе; y f - молярная концентрация исходной смеси в паровой фазе. 2.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ТАРЕЛОК Задаваясь значением температур в промежутке от tA до tB, из уравнения Антуана определяют давления насыщения низкокипящего компонента при данных температурах: lg( P B , ) A 133,3 (t C ) lg( P B ) A 133,3 T (2.6) где t – температура насыщения компонента смеси, оC; T – температура насыщения компонента смеси, К ; А, В, С – коэффициенты пропорциональности (для метилового спитра: А=8,349, В=1835; для воды А=8,07414, В=1733, С=233,84 [1]). Для температур t1=71,1 оC, t2=77,5 оC, t3=83,9 оC, t4=90,3 оC, t5=96,7 оC давления насыщения низкокипящего компонента по формуле (2.6) соответственно составят: P А1 10 8 , 349 P А 2 10 1835 344 , 25 8 , 349 133,3 139412,49 Па 1835 350 , 65 133,3 174072,5 Па КР-2068195.205-02-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 9 P А3 10 P А 4 10 P А5 10 8 , 349 8 , 349 8 , 349 1835 357 , 05 133,3 216019,98 Па 1835 363 , 45 133,3 266067,98 Па 1835 344 , 25 133,3 325356,3466 Па Задаваясь значением температур в промежутке от tA до tB определяют давления насыщения высококипящего компонента при данных температурах. Для температур t1=71,1 оC, t2=77,5 оC, t3=83,9 оC, t4=90,3 оC, t5=96,7 оC давления насыщения высококипящего компонента соответственно составят: P B1 10 8 , 07414 P B 2 10 P B 3 10 P B 4 10 P B 5 10 1733 ( 71,1 233 ,84 ) 8 , 07414 8 , 07414 8 , 07414 8 , 07414 133,3 32800,839 Па 1733 ( 77 , 5 233 ,84 ) 133,3 42924,79 Па 1733 ( 83 , 9 233 ,84 ) 133,3 55568,062 Па 1733 ( 90 , 3 233 ,84 ) 133,3 71205,725 Па 1733 ( 96 , 7 233 ,84 ) 133,3 90372,094 Па Мольные концентрации низкокипящего компонента в жидкой фазе определяются по формуле: xA = Pобщ - PB PA - PB , (2.7) где Pобщ – общее давление смеси, Па. Принимаем равным давлению при нормальных условиях 101325 Па. 101325 32800,839 X A1 0,6427 139412,49 32800,839 101325 42924,79 X A2 0,4453 174072,5 42924,79 101325 55568,062 X A3 0,285 216019,98 55568,062 101325 71205,725 X A4 0,15457 266067,98 71205,725 101325 90372,094 X A5 0,0466 325356,3466 90372,094 Используя закон Рауля, определяют концентрации низкокипящего компонента в паровой фазе в интервале температур от tA до tB: PA PA X A , P yA = A , Pобщ (2.8) (2.9) где PA – парциальное давление низкокипящего компонента при температуре ti, Па. Лист КП-2068195.205-70-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 10 PA1 139412 ,49 0,6427 89600 ,407 Па PA 2 174072 ,5 0,4453 77514 ,484 Па PA3 216019,98 0,285 61565,69 Па PA 4 266067 ,98 0,15457 41126 ,127 Па PA5 325356,3466 0,0466 15161,606 Па 89600,407 Y A1 0,884 101325 77514,484 YA2 0,765 101325 61565,69 Y A3 0,6076 101325 41126,127 YA4 0,4059 101325 15161,606 Y A5 0,1496 101325 Определяется теоретическое число тарелок, при котором обеспечивается полное физическое равновесие между стекающей с тарелки жидкостью и поднимающимся паром при равномерном распределении пара по сечению тарелки. Равновесные молекулярные доли жидкости (х) и пара (y) и температуры кипения смеси метилоый спирт – вода приведены в таблице 2.1. Таблица 2.1. – Молекулярные доли жидкости и пара смеси метиловый спирт – вода. t, C 100 96,3 91,9 87,5 83,3 79 64,7 0 x, % 0 5,27 12,56 20,85 29,88 40,47 100 y, % 0 16,71 34,7 50 62,44 73,18 100 Строим фазовую диаграмму и диаграмму равновесия бинарной смеси метиловый спирт-вода. КП-2068195.205-70-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 10 t 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 x,y Рисунок 2.1 – Фазовая диаграмма бинарной смеси метиловый спирт-вода 100y 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 x Рисунок 2.2 - Диаграмма равновесия бинарной смеси метиловый спирт-вода КР-2068195.205-02-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 10 На диаграмме равновесия отмечаются молярные концентрации компонентов в жидкой фазе x w 0,04; x f 0,2; xd 0,78 . Им соответствуют молярные концентрации компонентов в паровой фазе y w 0,11; y f 0,49; y d 0,94 . По (2.7) определяется минимальное значение флегмового числа: 0,78 0,49 Rmin 1,0 0,49 0,2 Определяется оптимальное флегмовое число по формуле: Rопт 1,3 Rmin 0,35 (2.10) Rопт 1,3 1,0 0,35 1,65 Уравнение рабочей линии верхней части колонны: y2 где B xp R 1 xp R x1 R 1 R 1 (2.11) - отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси ординат. 78 29,434 1,65 1 Уравнение рабочей линии нижней части колонны: B y1 где B1 R f f 1 x xw R 1 R 1 (2.12) f 1 - отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси ординат ниже нулевого R 1 уровня. Отмечается точка 2 (0,В) и через точки 1 и 2 проводится рабочая линия укрепляющей части колонны. На эту рабочую линию выносится значение концентрации низкокипящего компонента xF в исходной смеси и отмечается точка 3. Эта точка характеризует концентрацию низкокипящего компонента на питательной тарелке (рисунок 2.2). Следовательно, точка 3 является исходной точкой построения рабочей линии исчерпывающей части колонны. Используя допущение, что при испарении жидкости в кипятильнике не происходит изменения ее состава, то есть состав пара, образующегося в кипятильнике, соответствует составу кубового остатка ( yw xw ), значение концентрации низкокипящего компонента в жидкой фазе куба колонны выносится на диагональ и отмечается точка 4. Через точку 4 и точку 3 проводится рабочая линия исчерпывающей части колонны. На тарелке происходит процесс конденсации и парообразования. Количество таких ступеней до точки 3 определяет число теоретических тарелок в укрепляющей части колонны ( n т 3 тарелки). Количество ступеней от точки 3 до точки 4 дают число теоретических тарелок в исчерпывающей части колонны ( n т 5 тарелок). Лис Изм. т screens № докум. Подпись Дата КР 1232154544+454654564 Лист Количество реальных (дейстительных) тарелок: n nд т Где - КПД контактного устройства; =0,3 … 0,8 (2.12) Количество реальных (дейстительных) тарелок в укрепляющей части колонны: 3 nд 6 шт. 0,5 Количество реальных (дейстительных) тарелок в исчерпывающей части колонны: 5 nд 10 шт. 0,5 Построение диаграммы фазового равновесия h=f(x,y) В диапазоне температур кипения чистых компонентов определяют энтальпию кипящей жидкости по формуле, кДж/кг: h ' X A C pA (1 X A ) C pB t , (2.13) где C pA и C pB – изобарные теплоемкости низкокипящего и высококипящего компонентов соответственно, кДж/кг∙. Для метилового спирта C pA 2,47кДж / кг К , для воды C pB 4,187кДж / кг К . h 0' Xa 1 2,47 (1 1) 4,187 64,7 159 ,809 кДж / кг h1' Xa 0,6427 2,47 (1 0,6247 ) 4,187 71,1 221,433 кДж / кг h 2' Xa 0,4453 2,47 (1 0,4453 ) 4,187 77 ,5 265 ,237 кДж / кг h 3' Xa 0,285 2,47 (1 0,285 ) 4,187 83,9 310 ,233 кДж / кг h 4' Xa 0,15457 2,47 (1 0,15457 ) 4,187 90,3 354 ,121кДж / кг h 5' Xa 0,0466 2,47 (1 0,0466 ) 4,187 96,7 397 ,146 кДж / кг h 6' Xa 0 2,47 (1 0) 4,187 100 418 ,7 кДж / кг В диапазоне температур кипения чистых компонентов определяют энтальпию насыщенного пара по формуле, кДж/кг: h" X A C pA (1 X A ) C pB t X A rA (1 X A ) rB где rA , (2.11) rB - скрытая теплота парообразования, кДж/кг. Для метилового спирта rA 1102 кДж / кг и C pA 0,762кДж / кг К , для воды rB 2260 кДж / кг и C pB 1,965кДж / кг К . КП-2068195.205-70-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 12 h0" 1 0,762 (1 1) 1,965 64,7 1 1102 (1 1) 2260 1151,3кДж / кг h1" 0,6427 0,762 (1 0,6427) 1,965 71,1 0,6427 1102 (1 0,6427) 2260 1600,49кДж / кг h2" 0,4453 0,762 (1 0,4453) 1,965 77,5 0,4453 1102 (1 0,4453) 2260 1855,114кДж / кг h3" 0,285 0,762 (1 0,285) 1,965 83,9 0,285 1102 (1 0,285) 2260 2066,068кДж / кг h4" 0,1546 0,762 (1 0,1546) 1,965 90,3 0,1546 1102 (1 0,1546) 2260 2241,656кДж / кг h5" 0,0466 0,762 (1 0,0466) 1,965 96,7 0,0466 1102 (1 0,0466) 2260 2390,63кДж / кг h0" 0 0,762 (1 0) 1,965 100 0 1102 (1 0) 2260 2456,5кДж / кг h, кДж/кг 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 x,y 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Рисунок 2.3 – Диаграмма фазового равновесия h f (x ,y); h f (x ,y) КП-2068195.205-70-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 12 2.5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ТАРЕЛОК ГРАФИЧЕСКИМ ПУТЕМ Принимаем R 3,5 На диаграмме х у откладываем отрезок ОМ = В. xd 0,9 0,2 . R 1 3,5 1 MD – рабочая линия укрепляющей части колонны. Точку пересечения прямой MD с прямой x f 0,05 (точка F) соединяем с точкой W. B FW – рабочая линия исчерпывающей части колонны. Число тарелок определяется следующим построением. Для первой тарелки принимаем y1 x d 0,9 . По значению у1 находится на кривой равновесия (рисунок 2.2) значение концентрации х1 жидкости на первой тарелке. Для х1 на рабочей линии находится значение у 2 паров поднимающихся со второй тарелки и т.д., до тех пор, пока x n не будет меньше x w . Число n ступенек на диаграмме будет равно числу N т теоретических тарелок в колонне. По этому методу теоретическое число тарелок в колонне N т 9 . Действительное число тарелок в колонне можно определить пользуясь понятием КПД тарелки по формуле: N (2.14) Nд т , ср где ср – средний КПД тарелки, он лежит в пределах 0,2-0,9. ср w d f , (2.15) 3 где w , d , f - КПД исходной смеси, по готовому продукту и по кубовому остатку. При их определении можно пользоваться их зависимостью от летучести и вязкости смеси, представленной в формуле: 0 , 245 . (2.16) 0,49 Летучесть смеси определяется по формуле: у 1 х . (2.17) 1 у х Вязкость смеси определяется по формуле: lg x вода lg вода x мет . сп . lg мет . сп . (2.18) Для исходной смеси х f 0,05 у f 0,29 ; по [4] при температуре t 97 C вязкости мет . сп . 0,2475 сП вода 0,293 сП . КР-2068195.205-02-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 14 0,29 1 0,05 7,76 1 0,29 0,05 . lg f 0,9578 lg 0,293 0,0422 lg 0,2475 f 0,2909 сП f т 0,49(7,76 0,2909) 0, 245 0,4014 . Для готового продукта хd 0,9 у d 0,96 ; по [4] при температуре t 68 C вязкости мет . сп . 0,3266 сП вода 0,4174 сП . 0,96 1 0,9 2,67 1 0,96 0,9 . lg f 0,2362 lg 0,4174 0,7638 lg 0,3266 f 0,3461 сП f т 0,49(2,67 0,3461) 0, 245 0,4996 . Для готового продукта х w 0,01 у w 0,05 ; по [4] при температуре t 99 C вязкости мет . сп . 0,2425 сП вода 0,2868 сП . 0,05 1 0,01 5,21 1 0,05 0,01 . lg f 0,9877 lg 0,2868 0,0123 lg 0,2425 f 0,2862 сП f т 0,49(5,21 0,2862) 0, 245 0,4443 . Средний КПД тарелки: 0,4014 0,4996 0,4443 0,4484 . 3 Зная КПД можно определить действительное число тарелок по (2.14): 9 Nд 20,7 21 . 0,4484 В верхней части 9 тарелок, а в нижней 12. ср 2.6 КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ КОЛОННЫ Для определения размеров колонны надо вычислить среднее значение основных параметров паровой смеси и жидкости в колонне. Количество стекающей жидкости в укрепляющей части колонны равно количеству флегмы: (2.19) Gф G d R Gф 10 3,5 35 кг/с. Количество поднимающихся паров: G G d ( R 1) G 10 (3,5 1) 45 кг/с. Количество стекающей жидкости исчерпывающей части колонны: Gi Gф G f (2.20) (2.21) Gi 35 222,5 257,5 кг/с. Средняя молекулярная доля пара в верхней (укрепляющей) части колонны: уd y f (2.22) yy 2 0,96 0,29 yy 0,625 . 2 Средняя молекулярная доля пара в нижней (исчерпывающей) части колонны: КР-2068195.205-02-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 15 yи y f yw 2 0,29 0,05 yu 0,17 . 2 Средняя молекулярная доля пара в колонне: y y yu y ср 2 0,625 0,17 y ср 0,3975 . 2 КР-2068195.205-02-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата (2.23) (2.24) Лист 15 По фазовой t-x,y диаграмме находим, что величина у ср 0,3975 соответствует температуре пара t п 90,5 С . Средняя плотность пара при этой температуре и давлении р 10 4 Па по уравнению состояния составляет: ср P , (2.25) п RT где R – универсальная газовая постоянная, R=846; Т – абсолютная температура кипения при у ср 0,3975 ; ср – средняя молекулярная масса пара, имеющего концентрацию у ср . ср А х А Б (1 х А ) , (2.26) где х А – молекулярная доля метилового спирта при у ср 0,3975 , Б H 2O 18 , А CH OH 32 . 3 y ср 0,3975 32 хА 0,2707 ; у ср 1 y ср 0,3975 1 0,3975 32 18 А Б А ср 32 0,2707 18 1 0,2707 21,79 . Средняя плотность пара: 21,79 10 4 0,709 , кг/м3. 846 273 90,5 Объёмный расход пара: G Vn п (2.27) п 45 63,47 м3/с. 0 , 709 п Средняя молярная доля жидкости в верхней (укрепляющей) части колонны: х f xd xy 2 0,05 0,9 хy 0,475 . 2 Плотность жидкости в верхней части колонны: жв нк х y вк (1 х y ) , Vn G (2.28) (2.29) где нк вк – плотности низкокипящего (метиловый спирт) и высококипящего (вода) компонентов при температуре жидкости, соответствующей значению х y 0,475 t ж 77 С . По [4] нк 773 кг / м 3 вк 973,65 кг / м 3 . жв 773 0,475 973,65 (1 0,475) 878,34 кг/м3. Средняя молекулярная доля жидкости в нижней (исчерпывающей) части колонны: хu хw x f (2.30) 2 0,01 0,05 xu 0,03 . 2 КР-2068195.205-02-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 16 Плотность жидкости в нижней части колонны: жн нк хu вк 1 хu (2.31) xu 0,03 t ж 98 С . По [4] нк 716 ,2 кг / м вк 959 ,4 кг / м . 3 3 жн 716,2 0,03 959,4 (1 0,03) 952,104 кг/м3. Средняя плотность жидкости в колонне: жв ж жн 2 878,34 952,104 ж 915,2 , кг/м3. 2 Объемный расход жидкости в нижней и верхней части колонны: G V i ж V жн V жв Gi жн Gi жв 257,5 0,27 , м3/с; 952,104 257,5 0,29 , м3/с. 878,34 (2.32) (2.33) Согласно указаниям [3] принимаем: диаметр отверстий тарелок d отв 4 мм; толщина тарелки 0,75 d отв 0,75 4 3 мм; шаг отверстий на тарелке t 4 d отв 4 4 16 мм; высота сливной планки 30 мм; расстояние между тарелками Н 610 мм. Отверстия размещаются на тарелке по шестиугольнику. Скорость пара на тарелках: п С ж п , (2.34) где С - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колоне. По [4] принимаем С 0,089 . п 0,089 915 ,2 0,709 2,267 м/с. Площадь живого сечения отверстий: V Fотв n , отв где отв – скорость пара в отверстиях, по [3] принимаем 6 м/с, тогда: 63,47 10,58 м2. 6 Площадь живого сечения колонны: V Fк n (2.35) Fотв (2.36) п 63,47 Fк 28 м2. 2,267 Диаметр колонны: Dк 4 Vn п (2.37) КР-2068195.205-02-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 17 Dк 4 63,47 5,97 м. 3,14 2,267 Выбираем действительный диаметр колонны из стандартного ряда D к м. Тогда скорость пара: 4 Vп 4 56,6 п м/с. 2 3,14 Dк Расстояние между тарелками Н 610 м, тогда общая активная высота колонны будет равна: (2.38) Н к N д H Н куб Н сеп , где N д - действительное число тарелок; Н - расстояние между тарелками; Н куб - высота кубовой части колонны, по [3] принимаем Н куб 2,5 м; Н сеп - высота сепарационной части колонны, по [3] принимаем Н сеп 1,4 м. Н к 21 0,610 2,5 1,4 16,71 м. 2.7 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОЛОННЫ Гидравлическое сопротивление тарелки: п 0 ,12 G d р тар 0,85 п ж h ж отв , Gп т где отв - скорость пара в отверстиях тарелки отв 6 м / с ; 1, 28 отв 0 , 09 ж 0, 4 0 , 51 0 ,18 с (2.39) ж - поверхностное натяжение жидкости: для верхней части колонны из [4] при х у 0,475 t ж 77 С жв 41,63 10 3 Н / м , для нижней части колонны из [4] при х и 0,03 t ж 98 С жн 57 ,93 10 3 Н / м ; п - плотность пара п 0,709 кг / м 3 ; ж - плотность жидкости: для верней части колонны жв 878 ,34 кг / м 3 , для нижней части колонны жн 952 ,104 кг / м 3 ; hс - высота сливного порога hс 0,03 м ; d отв - диаметр отверстий d отв 0,004 мм ; т - толщина тарелки т 3 мм ; Gж - отношение массовых расходов жидкости и пара: Gп для верхней части колонны х у 0,475 у у 0,625 G Gж ф хв G ув Gп в хв А х у Б 1 х у (2.40) (2.41) ув А у у Б 1 у у (2.42) КР-2068195.205-02-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 18 хв 32 0,475 18 1 0,475 24,65 ув 32 0,625 18 1 0,625 26,75 Gж 35 24,65 0,716 п 0,135 G п в 45 26,75 для нижней части колонны хи 0,03 уи 0,17 Gж G i хн G п н G ун хн А хи Б 1 хи (2.43) (2.44) (2.45) ун А уи Б 1 уи хн 32 0,03 18 1 0,03 18,42 ун 32 0,17 18 1 0,17 20,38 Gж 257,5 18,42 5,17 п 0,3 45 20,38 Gп н Гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны: 0,004 р тар .в 0,85 6 41,63 10 0,709 878,34 0,03 0,716 0,003 Гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны: 0 ,12 0,004 0,003 0 ,12 1, 28 р тар .н 0,85 6 1, 28 3 0 , 09 3 0 , 09 57,93 10 0, 4 0,709 0, 4 0 , 51 952,104 0 , 51 0 ,18 0,03 0 ,18 92,05 Н / м 2 0 ,135 5,17 0,3 169,21 Н / м 2 Среднее гидравлическое сопротивление тарелки: р тар .в р тар .н р тар 2 92,05 169,21 р тар 130,63 Н / м 2 . 2 Полное гидравлическое сопротивление колонны: р к р тар.в пв р тар.н пн , (2.46) (2.47) где пв , пн - число тарелок в верхней и нижней части колонны пв 9 пн 12 . р к 92,05 9 169 ,21 12 2858 ,97 Н / м 2 . Проверим достаточность применяемого расстояния между тарелками: р тар , Н т 1,8 9,81 ж (2.48) где ж - средняя плотность жидкости по колонне ж 915 ,2 кг / м 3 . 130,63 0,026 м . 915,2 9,81 Это меньше принятого для расчёта расстояния между тарелками. Н т 1,8 2.8 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОЛОННЫ По фазовой диаграмме находим температуру кипения исходной смеси: х f 0,05 t f 97 С . Температура кипения дистиллята: КР-2068195.205-02-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 19 х d 0,9 t d 68 С . Температура кипения остатка: хw 0,01 t w 99 С Приход тепла: Количество тепла, вносимое начальной смесью: af 100 a f , Q1 G f C f t f G f t f C А CБ 100 100 (2.49) где С А , С Б - удельные теплоемкости метилового спирта и воды при t f 97 С , из [4] С А 0,69 ккал /(кг К ) 2,89 кДж /(кг К ) С Б 1 ккал /(кг К ) 4,19 кДж /(кг К ) . 8,56 100 8,56 Q1 222 ,5 97 2,89 4,19 88029 кДж / с . 100 100 Теплота, вносимая с флегмой: a 100 a d Q2 G d R c t d G d t d R C А d C Б , 100 100 (2.50) где С А , С Б - удельные теплоемкости метилового спирта и воды при t d 68 С , из [4] С А 0,655 ккал /(кг К ) 2,74 кДж /(кг К ) С Б 1, ккал /(кг К ) 4,19 кДж /(кг К ) . 94,12 100 94,12 Q 2 10 68 3,5 2,74 4,19 6724 ,12 кДж / с . 100 100 Количество тепла, вносимое в колонну греющим паром: Q3 D (i iк ) , (2.51) где i, iк – энтальпии водяного пара и его конденсата при атмосферном давлении, из [4] iк 2677,09 кДж / кг i 418,77 кДж / кг ; D – расход греющего пара. Расход тепла: Тепло, уносимое парами, поднимающимися с верхней тарелки в дефлегматор: a 100 а d а 100 a d Q4 G d ( R 1) rА d rБ (2.51) C А d CБ td , 100 100 100 100 где rА , rБ - скрытая удельная теплота парообразования метилового спирта и воды при t d 68 С , по [4] rА 1091,1 кДж / кг, rБ 2338,88 кДж / кг . 94,12 100 94,12 94,12 100 94,12 Q4 10(3,5 1) 1091,1 2338,88 4,19 2,74 68 100 100 100 100 61046,12 кДж / с . Тепло, уносимое кубовыми остатками: а 100 a w Q5 G w t w C А w C Б , 100 100 (2.52) где С А , С Б - удельные теплоемкости метилового спирта и воды при t w 99 С , из [4] С А 0,696 ккал /(кг К ) 2,92 кДж /(кг К ) С Б 1 ккал /(кг К ) 4,19 кДж /(кг К ) . КР-2068195.205-02-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 20 1,76 100 1,76 Q5 212 ,5 99 2,92 4,19 87676 ,89 кДж / с . 100 100 Потери в окружающую среду принимаем Q6 10% от всех потерь теплоты. Q6 (Q4 Q5 Q6 ) 0,1 Q6 Q 4 Q5 9 (2.53) 61046,12 87676,89 16524,79 кДж / с . 9 Уравнение теплового баланса для колонны: Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q6 (2.54) Q3 Q1 Q2 Q4 Q5 Q6 88029 6724,12 61046,12 87676,89 16524,79 70494,68 кДж / с . Расход греющего пара: Q3 D i iк 70494,68 D 31,22 кг / с . 2677,09 418,77 Сведем тепловой баланс колонны в таблицу 2.2: Таблица 2.2 – Тепловой баланс ректификационной колонны. Статьи баланса Обозначение кДж/с кДж/ч Приход тепла Q1 со свежей смесью 88029 316904400 Q2 с флегмой 6724,12 24206832 Q3 с паром 70494,68 253780848 ИТОГО 165247,8 594892080 Расход тепла Q4 в дефлегматор 61046,12 219766032 Q5 с кубовыми остатками 87676,89 315636804 Q6 в окружающую среду 16524,79 59489244 ИТОГО 165247,8 594892080 КР-2068195.205-02-2005 Изм. Лист № докум. Подпись Дата (2.55) % 53,27 4,07 42,66 100 36,94 53,06 10 100 Лист 21
