Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

пример расчета колонны

.pdf
Скачиваний:
141
Добавлен:
04.01.2017
Размер:
707.24 Кб
Скачать

РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

Рис.1. Ректификационная колонна с кипятильником и конденсатором.

В ректификационную колонну непрерывного действия поступает1 = 2000 кг⁄ч бинарной смеси метанол – вода с абсолютной концентрацией 1 = 0,50 кг⁄кг. Концентрация метилового спирта в дистилляте должна составлять 2 = 0,98 кг⁄кг, а в кубовом остатке 0 = 0,05 кг⁄кг. Коэффициент избытка флегмы = 1,25. Средний коэффициент полезного действия тарелки принять равным

= 0,65. Давление греющего пара гр = 1,5 ата. Температура воды на входе в конденсатор в= 18 , на выходе - в′′ = 30 .

Коэффициенты теплопередачи в конденсаторе и в кипятильнике

соответственно равны конд = 600 Вт⁄(м2 ∙ К) икип = 950 Вт⁄(м2 ∙ К).

Определить:

1)число теоретических и реальных тарелок в колонне и высоту тарельчатой части колонны тар;

2)расходы греющего пара и охлаждающей воды ( гр и в);

3)поверхности теплообмена кипятильника кип и конденсатора

конд;

4) диаметр колонны к;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подготовка к расчету

 

 

а) Перевод величин в систему СИ:

 

 

 

=

2000

 

= 0,556 кг⁄с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

3600

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) Перевод массовых концентраций в мольные:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, где и – молярные массы метанола и воды.

 

 

 

1−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ в

 

 

 

 

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

0,98

 

 

3,06∙10−2

 

кмоль метанола

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

32

 

 

 

 

 

2

=

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

=

 

= 0,965

 

.

 

 

 

 

1−

0,98 0,02

3,6∙10−2+0,11∙10−2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

кмоль смеси

 

 

 

 

 

+

 

32 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в

 

18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

0,5

 

= 0,360 кмоль.

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

32

 

 

 

 

 

 

 

 

0,5 0,5

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

кмоль

 

 

 

 

 

 

 

+

 

32+18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0,05

 

кмоль

0 =

 

 

 

=

32

= 0,0288

 

 

 

 

.

 

 

1−

0,05 0,95

 

 

0

 

0

 

 

 

кмоль

 

 

+

 

32 + 18

 

 

 

в

 

 

 

в) Построение диаграммы t – x, y и y – x (по данным фазового равновесия системы метанол – вода при атмосферном давлении).

Мол. % метанола

 

В жидкости

В паре

 

х

у

 

2

13,4

96,4

4

23,0

93,5

6

30,4

91,2

10

41,8

87,7

20

57,9

81,7

30

66,5

78,0

40

72,9

75,3

50

77,9

73,1

60

82,5

71,2

70

87,0

69,3

80

91,5

67,5

90

95,8

66,0

95

97,9

65,0

100

100

64,5

1. Определение числа тарелок в колонне и высоты тарельчатой части колонны тар.

Порядок расчета: построение рабочей линии укрепляющей части колонны ( , = ∙ , отрезок, отсекаемый на оси ординат,

2 и точка пересечения рабочей линии укрепляющей колонны с

+1

диагональю с абсциссой 2); построение рабочей линии отгонной части колонны ( 1и 0); определение числа теоретических тарелок в укрепляющей ут и отгонной от (может быть дробным) колоннах; определение числа реальных тарелок с учетом к.п.д. тарелки.

Расчет числа тарелок в колонне проводим при условии полной конденсации паров в конденсаторе (рис. 1). Тогда 2 = 2.

1.1. Строим рабочую линию укрепляющей части колонны. Минимальное флегмовое число

 

=

21

= 0,965−0,705

= 0,754, где

– концентрация

 

 

 

1 1

0,705−0,360

1

 

 

 

 

 

метилового спирта в паре, равновесном жидкости состава 1.

Рабочее флегмовое число

= ∙ = 1,25 ∙ 0,754 = 0,942.

Отрезок, отсекаемый на оси ординат, равный

2

 

=

0,965

= 0,497.

+ 1

0,942 + 1

 

 

Проводим рабочую линию укрепляющей колонны через точки А и В (рис.2).

Рис.2. К расчету числа тарелок.

1.2. Рабочая линия отгонной колонны соединяет точки С и Д. Находим число теоретических тарелок по диаграмме у – х построением числа ступенек (рис.2):

вукрепляющей части ут = 9.

вотгонной части от = 4.

1.3. Число реальных тарелок:

в укрепляющей части у =

ут

=

9

 

= 13,85 ≈ 14.

 

0,65

 

 

 

в отгонной части о =

от

=

4

 

= 6,15 ≈ 7.

 

0,65

 

 

 

Всего тарелок = у + о = 14 + 7 = 21.

1.4. Высота тарельчатой части колонны.

тар = ( − 1) ∙ = 20 ∙ 0,4 = 8,0 м, где - расстояние между тарелками, принято равным 0,4 м.

2. Определение материальных потоков.

Количество кубового остатка

′ ′ 2 1 0,98 − 0,500 = 1 2 0 = 0,556 0,98 − 0,05 = 0,287 кг⁄сек.

Количество дистиллята

′ 1 0 0,50 − 0,05 П = 1 2 0 = 0,556 0,98 − 0,05 = 0,269 кг⁄сек.

3. Определение тепловых нагрузок кипятильника и конденсатора, а также расходов греющего пара гр и охлаждающей воды в.

3.1. Расход

тепла в

 

кипятильнике

(в кубе

колонны)

равен

+ П

(

+ 1

)(

+ 2

)

 

2 2.

 

кип = 0 0 0

1 1 1

 

2 2

 

− П

 

Температуры 0, 1 и 2

при соответствующих значениях 0, 1 и 2

равны

95,0 ,

 

 

 

76,2

 

 

 

и

64,8 .

Теплоемкости 0, 1 и 2, теплота парообразования 2 определяются

по

 

 

правилу

аддитивности:

=

∙ +

∙ (1 − ),

где

и – теплоемкости компонентов

 

 

 

 

 

смеси при температуре смеси (определяются по графику на рис.3).

Причем, теплоемкости 0, 1 и 2, теплота парообразования 2

отнесены к 1 кг массы, поэтому при расчете используются массовые потоки 0, 1, П, в кг/c.

2 = ∙ 2 + в(1 − 2) = 2,72 ∙ 0,98 + 4,18 ∙ 0,02 = 2,75 кДжкг∙К.1 = ∙ 1 + в(1 − 1) = 2,79 ∙ 0,5 + 4,20 ∙ 0,5 = 3,50 кДжкг∙К.0 = ∙ 0 + в(1 − 0) = 2,90 ∙ 0,05 + 4,22 ∙ 0,95 = 4,16 кДжкг∙К.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

теплоемкость

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

воды

 

метанола

 

 

 

 

 

 

 

ккал

 

 

кДж

 

ккал

 

 

кДж

 

 

 

 

 

 

 

кг град

 

 

 

 

кг град

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кг град

 

кг град

 

60

 

 

 

1,001

 

4,19

 

 

 

 

 

 

 

 

64

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,65

 

 

2,72

 

 

80

 

 

 

1,004

 

4,20

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

1,010

 

4,23

 

0,70

 

 

2,93

 

 

=

2

+

(1 −

2

)

= 1100 ∙ 0,98 + 2350 ∙ 0,02 = 1125 кДж.

2

 

 

 

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кип =0,287·4,16·95─0,556·3,50·76,2+0,269(0,942+1)·(2,75·64,8+ +1125)─0,269·0,942·2,75·64,8=113,4−148,3+680−45,16=600 кВт.

3.2. Тепловая нагрузка в конденсаторе

 

= П( + 1)

= 0,269(0,942 + 1)1125 = 588 кВт.

конд

2

 

 

 

3.3. Расход греющего пара в кипятильнике

гр =

 

кип

=

600

= 0,268 кг⁄сек.

 

гр кондТгр

2698 − 465

 

 

 

 

Для греющего пара с давлением гр = 1,47 ∙ 105Па энтальпия пара

 

 

 

ж = кондТгр = 465

гр = 2698 кДж кг и энтальпия конденсата

 

 

 

 

 

 

 

кДж кг.

 

 

 

 

 

 

 

3.4. Расход охлаждающей воды в конденсаторе

 

конд

 

588

= 11,72 кг⁄сек.

в =

 

=

 

( ′′ )

4,18(30 − 18)

 

в в

в

 

 

 

30+18

 

 

теплоемкость воды при ее средней (

 

= 24 ) температуре

 

 

 

 

2

 

 

в = 4,18 кДж⁄(кг ∙ К).

Рис.3. Зависимости теплоемкостей от температуры.

Рис.4. Зависимости теплот парообразования от температуры.

4. Определение необходимых поверхностей теплообмена кипятильника и конденсатора.

4.1. Поверхность теплообмена кипятильника

кип

=

кип

 

 

кип ∙ ∆ кип

 

 

Средняя разность температур:

кип = Тгр 0

= 110,8 − 95,0 = 15,8 0 .

 

=

600 ∙ 103

= 40,0 м2.

 

кип

 

950 ∙ 15,8

 

 

 

 

 

 

4.2. Поверхность теплообмена конденсатора

конд =

конд

конд ∙ ∆ конд

 

Средняя по поверхности разность температур теплоносителей:

 

 

=

1 − ∆2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

конд

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

∆ =

= 64,8 − 18 = 46,8 .

1

 

2

 

 

в

 

 

 

 

 

 

 

=

′′

= 64,8 − 30 = 34,8 .

2

 

2

 

 

в

 

 

 

 

 

 

 

конд

=

46,8 − 34,8

=

12

= 40,5 .

 

 

0,296

 

 

 

 

 

 

46,8

 

 

 

 

 

 

 

 

34,8

 

 

 

 

 

 

=

588 ∙ 103

 

= 24,2 м2.

 

 

конд

 

 

600 ∙ 40,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2. Расчет диаметра колонны.

Целесообразно рассчитывать диаметр колонны в нескольких сечениях (верхнее, нижнее, в месте подачи исходной смеси) и принимать диаметр колонны по наибольшему значению.

Рассчитываем

 

диаметр

 

 

в

верхнем

сечении.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= √

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Объемный

 

расход

пара

в

верхнем

сечении

=

 

=

П( + 1)

=

0,269(0,942 + 1)

= 0,466 м3⁄сек,

 

 

 

 

 

 

 

 

1,099

 

 

 

 

 

 

п

 

 

 

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где п – плотность пара в верхнем сечении колонны.

 

 

=

2

=

 

2

 

=

 

105 ∙ 31,5

= 1,121 кг⁄м3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п

 

 

унТ2

 

8314(273 + 2) 8314(273 + 64,8)