Проектирование ректификационной колонны непрерывного действия

1. Технологический расчет

ректификационный колонна баланс

Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса колонны:

Отсюда находим:

Переводим массовые концентрации в мольные доли:

здесь

М₁=58 кг/кмоль — мольная масса ацетона;

М₂=18 кг/кмоль — мольная масса воды.

Относительный мольный расход питания:

По данным строим равновесную кривую на рис. 1и находим там точку .

Минимальное флегмовое число:

Для определения оптимального флегмового числа производим следующее:

Пусть в=1,2 — коэффициент избытка флегмы, тогда рабочее флегмовое число R=в? R_min=1,2?0,154=0,156

Уравнение рабочей прямой верхней части колонны:

строим на рис.1

Пусть в=1.5, тогда R=в? R_min=1,5?0,154=0,231

строим на рис.2

Пусть в=2, тогда R=в? R_min=2?0,154=0,307

строим на рис.3

Пусть в=2.5, тогда R=в? R_min=2,5?0,154=0,384

строим на рис.4

Пусть в=3, тогда R=в? R_min=3?0,154=0,461

строим на рис.5

Полученные результаты сводим в таблицу 1 :

По данным таблицы строим график зависимости R от N (R+1) cм. Рис. 7.

Определяем оптимальное рабочее флегмовое число R=0,3 тогда уравнения рабочих прямых:

строим их на рис.6

Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют из соотношений:

LВ = Р? R?МВ/МР;

LН = Р? R?МН/МР + F· МН/МF, здесь МР = хр· М1 + (1 — хр)· М2 = 0,882 · 58 + (1 — 0,882) · 18 = 53,265 кг/кмоль — мольная масса дистиллята;

МF = хF · М1 + (1- хF) · М2 = 0,171· 58 + (1−0,171) · 18 = 24,857 кг/кмоль — мольная масса исходной смеси;

МВ, МН — средние мольные массы жидкости для верхней и нижней частей колонны:

МВ = хсрв · М1 + (1 — хсрв) · М2

МН = хсрн · М1 + (1 — хсрн) · М2, здесь средние концентрации:

xсрв = (хF + хР) / 2 = (0,171 + 0,882) / 2 = 0,527 кмоль/кмоль

xсрн = (хF + хW) / 2 = (0,882 + 0,003) / 2 = 0,087 кмоль/кмоль МВ = 0,527 · 58 + (1 — 0,527) · 18 = 39 кг/кмоль МН = 0,087 · 58+ (1 — 0,087) · 18 = 21,5 кг/кмоль, тогда

LВ = 1,14 · 0,3 · (39/53,265) = 0,251кг/с

LН = 1,14 · 0,3 · (21,5/53,265) + 2,778 · (21,5/24,857) = 2,54 кг/с Средние массовые потоки пара в верхней GВ и нижней GН частях колонны:

GВ = Р· (R + 1) М’В /МР

GН = Р· (R + 1) М’Н /МР, здесь М’В, М’Н — средние мольные массы паров в

верхней и нижней частях колонны М’В = yсрв · М1 + (1 — yсрв) · М2

М’Н = yсрн · М1 + (1 — yсрн) · М2, здесь средние концентрации паров определяем из уравнений рабочих прямых:

yсрв = 0,231 · хсрв + 0,678 = 0,231 · 0,527 + 0,678 = 0,8 кмоль/кмоль

yсрн = 4,246 · хсрн — 0,01 = 3,813 · 0,087 — 0,009 = 0,362 кмоль/кмоль М’В = 0,8 · 58 + (1 — 0,8) · 18 = 50 кг/кмоль М’Н = 0,362 · 58 + (1 — 0,362) · 18 = 32,472 кг/кмоль, тогда

GВ = 1,14 · (0,3 + 1) · 50/53,265= 1,391кг/с

GН = 1,14 · (0,3 + 1) · 32,472/53,265 = 0,904кг/с

2. Скорость пара и диаметр колонны

Расчет скорости пара для ситчатых тарелок выполняется по уравнению:

Определяем средние температуры паров и жидкости по данным равновесия литературы [рис.1]:

При y_срв=0, 8 кмоль/кмоль t_yв=65єС При y_срн=0,362 кмоль/кмоль t_yн=85єС При x_срв=0,527 кмоль/кмоль t_xв=60єС При x_срн=0,087 кмоль/кмоль t_xн=70єС су — плотность паров;

Плотность пара для верхней части колонны:

Средняя плотность жидкости:

здесь концентрации в объемных долях, при 60єС и 70єС

плотности компонентов: с₁=746кг/м³-ацетон, с₂=977 кг/м³-вода.

Скорость пара:

м/с Диаметр колонны в верхней части колонны:

в нижней части колонны:

Принимаем стандартный диаметр колонны 1000 мм

При этом рабочая скорость пара :

Для колонны диаметром 1000 мм выбираем ситчатую однотопочную тарелку ТС-Р диаметром 1000 мм со следующими конструктивными размерами[1 c.217]:

Свободное сечение тарелки F_с = 13,6%

Высота переливного порога h_пер=30 мм;

Рабочее сечение тарелки S_т=0,713 м²;

Ширина переливного порога b=0,8 (L_c) м;

Шаг между отверстиями t=10 мм;

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

W_Т=w· 0,785· d²/ S_т=1,6· 0,785·1,0²/0,713=1,124м/с.

2.3 Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержание барботажного слоя[1,с.239−240]

Для ситчатых тарелок высоту слоя жидкости hО находим по формуле для верхней части колонны:

h_ов=0.787· q_в ^0.2· h_пер^0.56·w_Т^m·[1−0.31exp (-0.11µ_x)](у_x /у_в)^0,09

для нижней части колонны:

h_он=0.787· q_н ^0.2· h_пер^0.56·w_Т^m·[1−0.31exp (-0.11µ_x)](у_x /у_н)^0,09

здесь

h_пер = 0,03м — высота сливной перегородки;

qВ = L_в / (с_x · b) = 0,251/(861,5· 0,8)=0,36 мІ/с — удельный расход

жидкости на 1 метр ширины сливной перегородки в верхней части колонны;

qн = L_н / (с_x· b) = 2,54/(861,5· 0,8) = 0,368мІ/с — удельный расход

жидкости на 1 метр ширины сливной перегородки в нижней части колонны;

где bширина сливной перегородки, м;

у_в, у_н — поверхностное натяжение воды при средней температуре в верхней и нижней части колонны;[2,с.526]

m=0.05−4.6· h_пер=-0.088

Вязкость жидких смесей µ_x находим по уравнению:

lg µ_x =x_ср· lg µ_xа+(1-х_ср) · lg µ_х.в ,

где µ_xа и µ_xв-вязкость ацетона и воды при температуре смеси. 2 с.556]

lg µ_xв=0,527· lg0.22+(1 — 0.527)· lg0.5= - 0.489

lg µ_xн=0.087 · lg0.21+(1 — 0.087)· lg0.4= - 0.422

µ_xв=0,325МПа· с µ_xн=0,378 МПа· с

Тогда, для верхней части колонны :

h_ов=0.787· 0,36 ^0.2· 0,03^0.56·1,124^-0.88·[1−0.31exp (-0.11·0.325)]·

· (0,059 /0,058)^0,09=0.016 м

Для нижней части колонны:

h_он=0.787· 0,368^0.2·0,03^0.561,124^-0.88·[1−0.31exp (-0.11·0.378)]·

· (0,059 /0,058)^0,09=0.025 м

Паросодержание барботажного слоя е находят по формуле:

___ ___

е =? Fr / (1+ v Fr), где Fr = WІт/ (gho), тогда для верхней части колонны:

Fr_в = 1,124І/(9.81· 0.0016)=8,191

_____ _____

ев = v 8,191/(1 + v 8,191) = 0,741

для нижней части колонны:

Fr_н = 1,124І/(9.81· 0.0025)=5,143

_____ ____

ен = v 5,143 /(1 + v 5,143) = 0,694

2.4 Коэффициенты диффузии и вязкости паров Коэффициенты диффузии в жидкости для верхней части колонны:

здесь Тут мХВ = м₁^xсрв · м₂ ^(1-xсрв) =0,35^0,527 · 1^(1−0,527)= 0,575мПа· с мХН = м₁^xсрн · м₂ ^(1-xсрн) = 0,35^0,087 · 1^(1−0,087)= 0,912 мПа· с здесь вязкости ацетона м₁ и воды м₂ взяты при 20єС.

здесь плотности ацетона и воды взяты при 20єС.

здесь, А = 4,7, В =1,15, v1, v2 -мольные обьемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см³/моль. ;[2,с.288]

Тогда Аналогично коэффициент диффузии в жидкости для нижней части колонны:

Коэффициент диффузии паров в верхней части колонны:

Коэффициент диффузии паров в нижней части колонны:

2.5 Коэффициенты массопередачи и высота колонны Коэффициент массопередачи в жидкости для верхней части колонны:

Коэффициент массопередачи в жидкости для нижней части колонны:

Коэффициент массопередачи в паровой фазе для верхней части колонны:

Коэффициент массопередачи в паровой фазе для нижней части колонны:

Коэффициент вязкости паров в верхней части колонны:

Коэффициент вязкости паров в нижней части колонны:

здесь взяты вязкости паров ацетона и воды при средней температуре в верхней и нижней частей колонны.

Переводим полученные коэффициенты массопередачи в нужную размерность на кмоль/мІ· с:

в_xв = 0,0037? с _x / М_в= 0,0037? 855,5 / 39 = 0,0881кмоль/мІ?с в_xн = 0,017? с _x / М_н = 0,017? 855,5/ 21,491 = 0,663кмоль/мІ?с в_yв = 1,265? с _yв / М_в^' = 1,265? 1,802/ 50= 0,046кмоль/мІ?с в_yн = 1,267? с _yн / М_н^' = 1,267? 1,105/ 32,472= 0,043кмоль/мІ?с Расчет КПД методом Мерфи.

Пусть х = 0,2. Коэффициент распределения компонента по фазам (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке) m = 0,45

Коэффициент массопередачи:

Общее число единиц переноса на тарелку:

Локальная эффективность:

Фактор массопередачи:

л = m?(R+1)/R =0,45(0, 3+1)/0, 3 = 1,95

Доля байпасирующей жидкости:

Для ситчатых тарелок и = 0,1

Число ячеек полного перемешивания:

_____ _________

S = (vdІ - bІ)/L = (v1І - 0,8І)/0,35 = 1,714,

здесь L = 0,35м — длина пути жидкости соответствующая одной ячейке перемешивания.

Коэффициент m, который влияет на унос жидкости с тарелки определяется

Комплекс, по которому определяем унос жидкости с тарелки при H = 0,5м — расстояние между тарелками, унос по [1, с. 242]: е_в=0,12кг/кг

Так как, то Аналогичные расчеты проводим и для других точек результаты сводим в таблицу.

По данным таблицы строим кинетическую линию на рис.6(обновленный рисунок представлен ниже) и определяем действительное число тарелок:

N_в=6 шт. — в верхней части колонны;

N_н=8 шт. — в нижней части колонны.

Всего 14 тарелок.

Высота тарельчатой части колонны определяется по формуле:

H=h•(n-1)+Zв+Zн=0,5•(14−1)+1+2=9,5 м, здесь

Z_в=1 м — высота сепарационного пространства;

Z_н=2 м — высота кубовой части.

3. Конструктивный расчет

Диаметр штуцера для ввода исходной смеси:

_________ ________________

dF = v4? F/(р?сF?W) = v4?2,778/(3,14?928,6?1,5) = 0,05 м примаем 50 мм,

здесь W=1,5м/с — скорость потока жидкости при подачи насосом [Иоффе, с.26],

сF — плотность исходной смеси при t_f=63:

Диаметр штуцера для вывода паров из колонны:

__________ ___________________

dn = v4? Gn/(р?су?W) = v4· 1,391/(3,14?1,802?20) = 0,222 м, принимаем 250 мм, здесь су =1,802 кг/мі - плотность паров в верхней части колонны;

W = 20 м/с — скорость потока насыщенных паров [Иоффе, с.26].

Диаметр штуцера для ввода флегмы:

dф = v 4? Ф/(р?сф?W) = v4?1,642/760,7?3,14?1,5 = 0,043 м, принимаем 50 мм, здесь Ф = Р· R = 1,14?1,44 =1,642 кг/с — расход флегмы;

W = 1,5 м/с — скорость при перекачивании насосом [Иоффе, с.26];

сф — плотность смеси при t_р=58:

Диаметр штуцера для ввода паров из кипятильника:

___________ _________________

dк = v 4? G_н/(р?су?W) = v4?0,904/1,105?3,14?20 = 0,228 м, принимаем 250 мм, здесь

W = 20 м/с — скорость насыщенных паров [Иоффе, с.26];

Диаметр штуцеров для слива кубового остатка и жидкости из куба для подачи в кипятильник:

___________ _________________

dW = v 4? W/(р?сw?щ) = ?4?1,637/(959,26?3,14?0,5) = 0,066 м, принимаем 70 мм, где

щ = 0,5 м/с — скорость потока при движении самотеком [Иоффе, с.26];

сw =959,26 кг/м³ — плотность воды:

4. Гидравлический расчет

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны ДРк определяют по формуле:

ДРк = ДРв? Nв + ДРн? Nн,

где ДРв и ДРн гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны, Па.

Полное гидравлическое сопротивление тарелки складывается из трех слагаемых:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

здесь ж = 1,5 — коэффициент сопротивления сухой ситчатой тарелки

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелках различно для верхней и нижней частей колонны:

ДРnв = сх? g· hов = 861,5?9,81?0,016 = 135,22 Па ДРnн = сх? g· hон = 861,5?9,81?0,025 = 211,28 Па Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

ДРу = 4у/dэ = (4?0,059)/0,008 =2 9,5 Па Тогда полное гидравлическое сопротивление одной тарелки верхней и нижней частей колонны равно:

ДРв = 74,46+ 135,22+2 9,5 = 239,18 Па ДРн = 74,46 + 211,28 + 29,5 = 315,24 Па Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны:

ДРк = 239,78? 17+ 315,24? 13 = 8164 Па

5. Механический расчет

Толщина стенки обечайки:

S? , здесь

D = 900 мм — диаметр обечайки;

р = 0,1 МПа — давление;

ц = 1,0 — коэффициент сварного шва [1, с. 395];

с = П · Та = 0,1 · 10 = 1 мм — прибавка на коррозию, где П = 0,1 мм/год — скорость коррозии;

Та = 10 лет — срок службы аппарата;

[у] = з · у — допускаемое напряжение;

з = 1,0 — коэффициент [1, с. 394];

у = 152 МПа — допускаемое нормативное напряжение для стали 12×18Н10Т [7, с. 11], тогда

S? , по [1, с. 211], принимаем S = 10 мм.

Толщина стенки днища:

Sg? ,

принимаем Sg = 10 мм (см. выше); здесь R=D для исполнения днища эллиптическим.

Расчет фланцевого соединения Выбираем прокладку из паронита ПОН-1 [6, с. 521]: Dсп = 959 мм

D1 =929 мм

S = 3 мм Расчетная нагрузка, действующая от внутреннего избыточного давления:

Qg = 0,789? Dсп? Р = 0, так как избыточного давления нет.

Усилие, возникающее от разности температур фланца и болта Qt:

Y=0,04

n=52 — число болтов

— площадь сечения болта.

— модуль упругости стали

— коэффициент линейного температурного расширения для стали 12Х18Н10Т;

— коэффициент линейного температурного расширения для Сталь 20

Расчетное осевое усилие для болтов принимают большим из следующих трех значений:

РБ1 = р? Dсп? b0? q

РБ2 = ж (б? Qg + Rn)=0

РБ3 = Qg + Rn + Qt= Qt, здесь Rn = 0 так как избыточного давления нет.

ж = коэффициент.

для прокладки из паронита ПОН-1 [1, с. 402]:

m = 2,5

q = 20 МПа

b — эффективная ширина прокладки;

b = - действительная ширина прокладки;

При b > 0,015 м

b 0 = 0,12· b^0,5= 0,12· 0,015^0,5=0,016 м Тогда Условие прочности:

где МПа — для Ст 20 [1, с. 394];

условие выполняется.

Расчет опоры Расчет ведем по [6, с. 691]:

Для колонных аппаратов используют цилиндрические опоры тип I [6, с. 672]

Определим вес аппарата при гидроиспытании:

Gмах = g · (Mоб + Мж+N?M_Т), определяем ориентировочно.

Mоб = р · D · S · H · сст = 3,14 · 0,9 · 0,01 · 14,5 · 7850? 3800 кг — масса обечайки.

Мж = 0,785 · · H · сж = 0,785 · 0,9 І · 14,5 · 10і? 17 000 кг — масса жидкости при гидроиспытании;

N=30 шт — число тарелок;

M_Т=91 кг — масса тарелки;

Gмах = 9,81 · (3800 +17 000+30?91) = 0,22 МН Принимаем толщину стенки цилиндрической опоры S = 14 мм. Напряжение сжатия в этой стенке с учетом наличия в ней отверстия для лаза d = 0,5 м при максимальной нагрузке от силы тяжести аппарата:

Отношение:

Rc = 0,052 рис. 15.8 [3]

Кс = 875

Допускаемое напряжение на сжатие в обечайке опоры:

Условие ус < усд выполняется.

Максимальное напряжение на сжатие в сварном шве, соединяющем цилиндрическую опору с корпусом аппарата при коэффициенте сварного шва цш = 0,7:

где

F = 0,785 · (DІ1 — DІ2) = 0,785 · (1,128І - 0,84І) = 0,681 мІ - площадь опорного кольца;

D1 = D + 2 · S + 0,2 = 0,9 + 2 · 0,014 + 0,2 = 1,128 м — наружный диаметр опорного кольца;

D2 = D — 0,06 = 0,9 — 0,06 = 0,84 м — внутренний диаметр опорного кольца;

Максимальное напряжение на сжатие опорной поверхности кольца:

Номинальная расчетная толщина опорного кольца при L = 0,1 м:

Sк = 1,73 L ·, с учетом прибавок Sк = 10 мм.

Расчетная нагрузка на один болт:

где Z = 6 — число фундаментных болтов принимаем.

Расчетный внутренний диаметр резьбы болтов:

d'1 =

принимаем М24.

Пособие по проектированию «Основные ПАХТ» под ред. Ю. И. Дытнерского, 2-е издание, переработанное и дополненное;

М.: Химия, 1991. — 496 с.

К.Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков «Примеры и задачи по курсу ПАХТ» Учебное пособие для ВУЗов / Под ред. чл. — корр. АН СССР П. Г. Романкова. — 9-е издание, перераб. и доп. — Л.: Химия, 1981. — 560 с.

Коган В.Б., Фридман В. М., Кафаров В. В. Равновесие между жидкостью и паром. Кн. 1−2, М.-Л.:Наука. 1966. 640+786с.

Н.Б. Варгафтик «Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей». М.:Физматгиз, 1963. — 708 с.

И.А.Александров «Ректификационные и абсорбционные прцессы» М.: химия, 1978. — 280 с.

А.А. Лащинский, А. Р. Толчинский «Основы расчета и конструирования химической аппаратуры» М.: Физматгиз, 1970 .- 725с.