x, кмоль/кмоль суміші
|
y, кмоль/кмоль суміші
|
T, °C
|
0
|
0
|
100
|
0.02
|
0.134
|
96.4
|
0.04
|
0.23
|
93.5
|
0.06
|
0.304
|
91.2
|
0.08
|
0.365
|
89.3
|
0.1
|
0.418
|
87.7
|
0.15
|
0.517
|
84.4
|
0.3
|
0.665
|
78
|
0.4
|
0.729
|
75.3
|
0.5
|
0.779
|
73.1
|
0.6
|
0.825
|
71.2
|
0.7
|
0.87
|
69.3
|
0.8
|
0.915
|
67.5
|
0.9
|
0.958
|
66
|
0.95
|
0.979
|
65
|
1
|
1
|
64.5
|
За даними табл. 1побудуємо діаграму рівноваги x,y:
Рисунок 4.1 - Діаграма рівноваги між паром (у) и рідиною(х)
при постійному тиску.
З рисунка 1 бачимо: yF = 0.643
Побудуємо діаграму залежності концентрацій у паровій та рідкій фазі від
температури :
Рисунок 4.2 - Діаграма залежності концентрацій у паровій та
рідкій фазі від температури.
З рисунка 2 температура у середній частині колони дорівнює tF
= 790C, що відповідає (хF=0.273 кмоль/кмоль суміші),
у верхній частині температура дорівнює tP=64,80C (хР=0.87
кмоль/кмоль суміші) и у нижній частині температура дорівнює tW=98,10C
(хW=0.0085 кмоль/кмоль суміші).
.2.3 Мінімальне флегмове число
.2.4 Робоче флегмовое число R
,
где в - коефіцієнт надлишку флегми (беремо довільно) [3, c.250, 9.18]
= в·Rmin = 1.75·0.61 = 1.13= xp/(R+1) =
0.87/(1.13+1) = 0.40
Побудуємо діаграми рівноваги x, y. На діаграмах відкладемо значення В,
потім побудуємо робочі лінії зміцнювальної і вичерпної частини колони і
нанесемо лінії, які позначають теоретичні тарілки. За кількістю піків,
визначимо число теоретичних тарілок (Nт).
Рис. 4.3 - Діаграма рівноваги між паром (х) та рідиною (у)
при флегмовому числі R = 1,13.
Теоретичне число тарілок дорівнює 7.
.3 Тепловий баланс
.3.1 Теплоємність суміші, дистиляту та кубового залишку
с=с1+4190·(1 - );
p
= 2700·0.92+4200·0.08 = 2547 Дж/(кг·К)W = 2917·0.015+4200·0.985 =
4174 Дж/(кг·К)F = 2780·0.4+4200·0.6 = 3630 Дж/(кг·К)
.3.2 Теплота утворювання флегми
Ф =r1 - r2(1-);
Ф
= 1100.8·0.92+2347.5·(1 - 0.92) = 1200.5·103 Дж/кг.
.3.3 Энтальпія пара
П
= rФ+сР·tP;
П
= 1200.5·103+2347.5·67 = 1 357 282.5 Дж/кг
.3.4 Витрата теплоти в кубі колони з урахуванням теплових втрат
=W(cwtw - cFtF)+PRrФ+P(IП
- cFtF)+Qпот.;
= 0.9·(4174·99-3630·78)+0.7·1.13·1200.5·103+0.7·(1357282.5-363078)
+0.03Q;= 1.875·106 Вт.
.3.5 Витрати гріючого пара
Г.П.
=
.3.6 Витрати води: в дефлегматорі
’ = P(R+1)rp/(cВДt) = 0.7·(1+1.13) ·1200.5·103/(4190·20)
= 21.35 кг/с.
В холодильнику дистиляту
’’ = PcP(tp1 - tp2)/(cВДt)
= 0.7·2547·(67 - 30) /(4190·20) = 0.84 кг/с.
В холодильнику кубового залишку
’’’ = Wcw(tw1 - tw2)/(cВДt)
= 0.9·4174·(99-30) /(4190·20) = 3 кг/с.
.3.7 Сумарні витрати води дорівнюютьВ = 21.353+0.84+3=25.3
кг/с.
.4 Технологічний розрахунок
.4.1Середній мольний склад рідині у верхній та нижній частинах колони
хср.в.=(хР + хF) = (0.87+0.273)/2 =
0.57 кмоль/кмоль суміші;
хср.н.=(хF + хW) = (0.273+0.0085)/2 =
0.141 кмоль/кмоль суміші.
4.4.1 Середній масовий склад рідини у верхній та нижній частинах колони
.4.2 Середній мольний склад рідини у верхній та нижній частинах колони
МВ = 32· хср.в +18·(1 - хср.н.)=32·0.57+18·0.43=
26 кг/кмоль;
МН = 32· хср.н. +18·(1 - хср.н.)=32·0.141+18·0.859=
19.97 кг/кмоль.
Мольна маса дистиляту, вихідної суміші та кубового залишку:
МР = 32· хP. +18·(1 - хP
)=32·0.87+18·0.13= 30.2 кг/кмоль
МF = 32· хF +18·(1 - хF.)=32·0.273+18·0.727=
21.82 кг/кмоль
МW = 32· хW +18·(1 - хW.)=32·0.0085+18·0.9915=
18.12 кг/кмоль
.4.3 Середній масовий склад пару у верхній та нижній частинах колони
З рисунка 2 знаходимо: p=0.87 кмоль/кмоль суміші;w=0.0085
кмоль/кмоль суміші;
ср.в.=(yР
+ yF) = (0.87+0.643)/2 = 0.76 кмоль/кмоль суміші;ср.н.=(yF
+ yW) = (0.643+0.0085)/2 = 0.33 кмоль/кмоль суміші.
4.4.4 Середні мольні маси пара у верхній та нижній частинах колони
МВ = 32· yср.в +18·(1 - yср.н.) =
32·0.76+18·0.24= 28.64 кг/кмоль;
МН = 32· yср.н. +18·(1 - yср.н.) =
32·0.33+18·0.67= 22.62 кг/кмоль.
.4.5 Середня щільність рідини у верхній та нижній частинах колони
сВ = 743.6· хср.в +977·(1 - хср.в) =
743.6·0.66+977·0.34= 823 кг/м3;
сН = 727· хср.н. +966·(1 - хср.н.) =
727·0.275+966·0.725=900.3 кг/м3,
де:
.6 и 977 - щільність метилового спирту та води при tср=
(67+78)/2=72.50С. [1, IV]
и 966 - щільність метилового спирту та води при tср=
(99+78)/2=88.50С. [1, IV]
.4.6 Середня щільність пара у верхній та нижній частинах колони
сср.=
сср.в. = (28.64·273)/(22.4·(273+72.5))=1 кг/м3;
сср.н. = (22.62·273)/(22.4·(273+88.5))=0.76 кг/м3.
.4.7 Масові витрати рідини у верхній та нижній частинах колонив=0.7·1.13·26/30.2=0.67
кг/с;н=0.7·1.13·19.97/30.2 +1.6·20/21.82 = 2 кг/с;
4.4.8 Масові витрати пару у верхній та нижній частинах колони
В
= 0.7· (1.13+1) ·28.64/30.02 = 1.4 кг/с;Н = 0.7· (1.13+1)
·22.62/30.02 = 1.11. кг/с.
.4.9 Розрахунок швидкості пара и діаметра колони
Гранична швидкість пара для верхній та нижній частин колони:
щср.в.= 0.05·(сж.в./ сг.в.)0.5=0.05·(823\1)0.5=
1.43 м/с;
щср.н.= 0.05·(сж.н./ сг.н.)0.5=0.05·(900.3\0.76)0.5=
1.72 м/с.
Робоча швидкість пара у верхній та нижній частинах колони:
щр.в.= 0.85· щср.в.= 1.21 м/с;
щр.н.= 0.85· щср.н.= 1.46 м/с;
Приймаємо ректифікаційної колони з діаметром у верхній і нижній частині
1200 мм. При цьому дійсна робоча швидкість пара при середній робочій швидкості
парів (1.21 +1.46) / 2 = 1.33 м / с дорівнює:
щр.=1.33·(1.08/1.2)2=1.12 м/с.
За ОСТ 26-01-66-86 для колони діаметром 1200 мм вибираємо ковпакову
однопоточну тарілку ТК-Р з наступними конструктивними розмірами: вільний
перетин колони - 1.13м2, відносний вільний перетин тарілки - 11.4%,
відносний перетин переливу - 8.2%, периметр зливу - 825 мм, діаметр ковпачка dк=1000
мм,
кількість ковпачків на тарільці - 39шт, висота прорізу ковпачка hк=15
мм.
Швидкість пари в робочому перетині тарілки:
щГ = щр·S/ST
=1.1·0.785·1.22/1.01=1.34 м/с.
.4.10 Розрахунок висоти колони
Для вибору значення к.к.д. скористаємося узагальненим
досвідченим графіком залежності к.к.д. від твору відносної летючості б на
в'язкість м суміші, що пере ганяється [1, c.333].
Суміш в нижній частині колони:tW = 990C;
мCH3OH = 0.23·10-3 Па·с;
рCH3OH = 2100 мм.рт.ст.;
мН2О = 0.25·10-3 Па·с;
рН2О = 750 мм.рт.ст.;
б1 = рCH3OH/ рН2О = 2100/750
= 2.8;
мсм = 0.0085 lg 0.23·10-3 +
(1 - 0.0085) lg 0.25·10-3 = 4.396.
мсм = 0.248·10-3 Па·с.
При б1· мсм = 2.8·0.248·10-3
= 0.695·10-3, з1 = 0.53.
Вихідна суміш:W = 780C;
мCH3OH = 0.28·10-3 Па·с;
рCH3OH = 1000 мм.рт.ст.;
мН2О = 0.36·10-3 Па·с;
рН2О = 320 мм.рт.ст.;
б1 = рCH3OH/ рН2О = 1000/320
= 3.13;
мсм = 0.273 lg 0.28·10-3 +
(1 - 0.273) lg 0.36·10-3 = 4.522.
мсм = 0.332·10-3 Па·с.
При б1· мсм = 3.13·0.332·10-3
= 1·10-3, з1 = 0.5.
Суміш у верхній частині колони:W = 640C;
мCH3OH = 0.33·10-3 Па·с;
рCH3OH = 650 мм.рт.ст.;
мН2О = 0.45·10-3 Па·с;
рН2О = 190 мм.рт.ст.;
б1 = рCH3OH/ рН2О = 650/190
= 3.42;
мсм = 0.87 lg 0.33·10-3 + (1
- 0.87) lg 0.45·10-3 = 4.524.
мсм = 0.334·10-3 Па·с.
При б1· мсм = 3.42·0.334·10-3
= 0.695-3, з1 = 0.49
Средний к.п.д. тарелки:
зср = (0.53+0.5+0.49)/3 = 0.51.
Дійсне число тарілок: Nд = 7/0.51 = 13.7. Приймаємо число
тарілок 14, з яких 7 буде в нижній частині, а 7 - у верхній.
Для колонних апаратів діаметром 1200 мм відстань між
тарілками будемо вважати 500 мм. Беручи відстань від верхньої тарілки до кришки
h1 = 2420 мм і від нижньої тарілки до днища - 3000 мм, визначимо висоту колони:
Нк=(14-1)·0.5+2.42+3=11.92 м.
За ОСТом 26-01-66-86
обираємо колону з наступними даними:
Діаметр колони, D = 1200 мм, вільний перетин колони, 0.78 м2,
відносний вільний перетин тарілки, 10.6 %, відносний перетин переливу, 8.1 %,
периметр зливу 685 мм, іаметр ковпачка, dк =80 мм, ковпачків на
тарілці, 43 шт, висота прорізу ковпачка, hк = 15 мм.
5. ГІДРАВЛІЧНИЙ РОЗРАХУНОК
Гідравлічний опір тарілки можна визначити як суму опорів [2,
c.207, 209, 210]:
где опір
сухої тарілки, Па;
опір,
обумовлене силами поверхневого натягу, Па (тому його значення зневажливо мало в
проектувальних розрахунках його не враховують);
опір
паро рідинного шару (барботажного), Па.
Опір сухої тарілки визначається по рівнянню:
ДР1 = ж·ссм·щ2/2,
где швидкість
газу (пара) у вільному перетині тарілки; коефіцієнт ж опору ж для шліцеві
тарілок приймають рівним от 4 до 5.
ДР1в = 5·0.823·1.432 /2 = 4.207 Па,
ДР1н = 5·0.900 ·1.72/2 = 6.66 Па.
Опір газорідинного (барботажного) шару приймають рівним
статичному тиску шару:
ДР3 = ссм·g·h0,
где ссм - щільність рідини,
висота
світлого шару рідини, м.
h0 = 0.0419+0.19hпер - 0.0135щ· ссм0.5+2.46q.=Q/Lc=
0.0018/0.825=0.0022 м3/м·с.
0в
= 0.0419+0.19·0.2 - 0.0135·1.43· 0.8320.5+2.46·0.22 = 0.068 м,0н
= 0.0419+0.19·0.2 - 0.0135·1.72· 0.9000.5+2.46·0.22 = 0.064 м
ДР3в = 832·9.8·0.068 = 554 Па,
ДР3н = 900,3·9.8·0.064 = 564 Па.
Знайдемо середній опір для верхній та нижній тарілок:
ДРТв = (4.20+554)/2 = 279 Па,
ДРТв
= (6.66+564)/2 = 285 Па,
Гідравлічний
опір колони для
процесу ректифікації в простій повної колоні визначають за формулою:
где гідравлічний
опір тарілки відповідно верхній і нижній частині колони, Па; число
реальних тарілок (ступенів) у верхній і нижній частинах колони.
ДРк = (279+285)·14 = 7.9 кПа.
6. РОЗРАХУНОК І ВИБІР ПІДІГРІВАЧА
Необхідно підібрати апарат для нагрівання 1,6кг/с вихідної
суміші від 20 до 100 0C за допомогою насиченої водяної пари
абсолютним тиском 2 атмосфери. Температура конденсації водяної пари Тк =119,60C
[1, с. 520, табл. XXXIX].
Температурная схема при протитечі теплоносіїв:
Знаходимо середню різницю температур:
Теплове навантаження підігрівача
П = G2·с2·(tк - tн)=1.6·3470·(78.8
- 20)=323892 Вт.
Витрати гріючого пару
G1=
Орієнтовна площа і попередній вибір підігрівача вихідної суміші:
Коефіцієнт теплопередачі в пластинчастих теплообмінниках вище, ніж у
кожухотрубчастих, тому приймемо
Розглянемо розбірний пластинчастий підігрівач вихідної суміші з
симетричною двухпакетною схемою компонування пластин (за ГОСТом 15518-83) із:
поверхнею теплообміну , поверхнею пластини ,
кількістю пластин , поперечним перерізом каналу , эквівалентним діаметром каналу , товщіною пластин та
наведенною довжиною каналу .
7. РОЗРАХУНОК НАСОСНОЇ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОДАННЯ ВИХІДНОЇ СУМІШІ
ДО ПІДІГРІВАЧА НА ЕОМ
.1 ПОСТАНОВА ЗАДАЧІ
Розрахувати і підібрати відцентровий насос для подачі 0.00176
м3/с вихідної суміші із ємності, яка знаходиться під атмосферним
тиском до підігрівача, який працює під надлишковим тиском 0.3 МПа. Геометрична
висота під’єму 11.92 м.
.2 РОЗРАХУНОК У СЕРЕДОВИЩІ MATHCAD
Витрати вхідної суміші
Висота колони
Щільність суміші , кг/м3
Напір визначається за формулою :
Корисна потужність на переміщення рідини :
Потужність при сталому режимі роботи:
Потужність, спожована двигуном від мережі :
Потужність із можливим запасом на перенавантаження :
.4
АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ
Було проведено розрахунок та обрано відцентрового насосу марки Х 8/30 з
наступною характеристикою: продуктивність 8 ·10-3 м3/с;
напір 30 м; насос забезпечений електродвигуном 4А100S2 з номінальною потужністю
4 кВт і частотою обертання вала 0.860 об·с-1.
ВИСНОВКИ
колона тарілчастий пластинчастий підігрівач
В результаті курсової роботи розрахована і спроектована
колона безперервної дії для розділення суміші метилового спирту і води при
атмосферному тиску. Тип ректифікаційна колони - тарілчаста, тарілки ковпакові
типу ТК-Р, висота колони - 11.92 м, діаметр - 1.2 м.
Також у якості допоміжного обладнання було підібране
розбірний пластинчастий підігрівач вихідної суміші, з симетричною двухпакетною
схемою компонування пластин, в якому для підігріву використовується насичена
водяна пара. Приведена його поверхня 5 м2, загальним числом пластин
28 та довжиною каналу 0.518 м.
На ЕОМ був розрахований насос для подачі вихідної суміші до
підігрівача.
БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК
1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А.:
Приклади та задачі за курсом процесів і апаратів хімічної технології:
Навчальний посібник для вузів під ред. чл. - Кор. АН Росії П.Г Романкова. -
Дев’яте видання, перероблене та доповнене. - Л.: Хімія, 1981. - 560., іл.
. Основні процеси та апарати хімічної
технології. Посібник з проектування: Г.С. Борисов, В.П. Бриків, Ю. Дитнерській
та ін. під ред. Ю.І. Дитнерського, друге вид., перероблене та доповнене.
М.:Хімія, 1991. - 496 с.
. Іоффе І.Л. Проектування процесів і апаратів
хімічної технології: Підручник для технікумів. Л.: Хімія, 1991. - 352 с.