Расчет ректификационной колонны

 

где L – периметр слива, L=0.665 м [с. 215,1]

Фактическая нагрузка не превышает  допустимую (65 м³(м*ч)) и это должно обеспечить равномерное распределение пара по сечению тарелки.

Проверяем, будет ли обеспечено полное открытие прорезей , необходимое для  равномерного режима работы тарелок.

Скорость, необходимую для полного  открытия прорезей, определим по формуле 

 

                                                                      (16)

 

где  ξ –коэффициент сопротивления тарелки, принимаем

             ξ=5;

       h_пр – высота прорези, принимаем h_пр =0.02 м;

       ρ_п – средняя плотность пара в нижней части колонны,

             ρ_п =0,9 кг/м³

       ρ_ж – средняя плотность жидкости в нижней части колонны

             ρ_ж=860,5 кг/м³

 

Подставляя эти значения в формулу(16), получим

 

Площадь сечения всех прорезей определим по формуле

                                                     (17)

где n_кол – количество колпачков на тарелке, принимаем

                n_кол=34;

      n_пр – число прорезей в колпачке, принимаем n_пр=36;

S_пр – площадь прорези, принимаем S_пр=0,00008 м²

Подставляя эти значения в формулу(17), получим

 

 

Отношение площади сечения  прорезей к площади поперечного  сечения колонны определим по формуле

 

                                                      (18)

где F_k – площадь поперечного сечения колонны, определим по формуле

 

 

Подставляя значения в формулу (18), получим

 

 

Фактическая скорость пара в прорезях определим по формуле

 

                                                       (19)

 

где ω – скорость пара в колонне, ω=2,3м/с

 

Подставляя  значения в формулу (19), получим

 

 

Полностью  открытие прорезей будет обеспечено, так как

 

 

Гидравлическое сопротивление колонны определим по формуле

 

                                      (19а)

где n – число тарелок, n=13;

∆p_T - гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки, определим по формуле

 

                         (19б)

где ∆р_сух.н – сопротивление сухой тарелки нижней части колонны, определим по формуле

 

 

где ∆р_σ.н – сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, определим по формуле

где σ – поверхностное напряжение жидкости при средней температуре в нижней части колонны  71.3^oC определим по формуле

 

                            (20)

где σ_э.с – поверхностное натяжение метилового спирта при температуре 71.3^oC, σ_м.с=18,2*10^-3Н/м;

σ_воды – поверхностное натяжение воды при температуре 71.3^oC, σ_воды=63,6*10^-3Н/м (с. 525[5]);

 

- средняя концентрация жидкости  в нижней части колонны,  =0,73

Подставляя эти значения в формулу (20), получим

 

 

d₀ – эквивалентный диаметр отверстий тарелки определим по  формуле

 

                                              (21)

где П – периметр прорези, определим по формуле 

                                        (22)

где h_пр,b -  высота и ширина прорези, h_пр=0,02 м, b=0.004 м.

Подставляя эти значения в формулу (22), получим:

Подставляя значения в формулу ( 21), получим

Подставляя значения в формулу, получим

∆р_ст – сопротивление столба жидкости на колпачковой тарелке, определим по формуле

                               (23)

 

 

где g – ускорение свободного падения, g=9.8м/с²;

      k – относительная плотность пены, принимаем k=0.5;

      ρ_ж -  плотность жидкости, ρ_ж= 860,5 кг/м³;

      l – расстояние от верхнего края прорези до сливного порога, принимаем l=0.02м;

      ∆h -  высота уровня жидкости над сливным порогом, определим по формуле

 

 

где К – коэффициент, учитывающий увеличение скорости и  сужение потока жидкости в результате сжатия его стенками при подходе  к сливной перегородке, принимается  в пределах 1,01-1,05, принимаем К=1,025;

 

Подставляя значения в формулу (23), получим

Подставляя значения в формулу (19б), получим

 

Подставляя значения в формулу (19а), получим

 

Проверим, соблюдается  ли при расстоянии между тарелками h=0.45м необходимое для нормальной работы тарелок условие

В нашем случае

0,45>0,22

следовательно, вышеуказанное  условие соблюдается.

 

3 Тепловой расчет колонны

 

Расход теплоты, получаемый кипящей жидкостью от конденсирующего пара в кубе-испарителе колонны , Вт, определяется по формуле

 

,     (24)

 

где

-расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от             конденсирующихся в дефлегматоре паров, Вт;

       - тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт;

     , , - теплоемкость исходной смеси, дистиллята, кубовой

                                   жидкости , соответственно, Дж/кг К;

      , , - температура исходной смеси, дистиллятора, кубовой

                                жидкости, соответственно, t ⁰C.

 

Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле

 

    (25)

 

где С_м.с,С_воды – теплоёмкости метилового спирта и воды, определенные при t_f=79^oC(c.562  [5]);

           

                    (26)

где С_м.с,С_воды – теплоёмкости метилового спирта и воды, определенные при t_w=92.1^oC(c.562  [5]);

            

                     (27)

где С_м.с,С_воды – теплоёмкости метилового спирта и воды, определенные при t_d=66.8^oC(c.562  [5]);

 

Подставляя соответствующие  значения в формулу(25;26;27), получим

 

Расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, Q_d определим по формуле

где r_d – удельная теплота конденсации дистиллята, определим по формуле

где r_м.с,r_воды – удельные теплоты конденсации метилового спирта и воды, соответственно, при t_d=66.8^oC, r_м.с=1111 кДж/кг, r_в=2360 кДж/кг (c.541 [5]);

 

Тепловые потери колонны в окружающую среду, Q_потерь, определим по формуле

                        

                           (28)

где t_cт.н – температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем t_cт.н=40^oC;

       t_воз – температура воздуха в помещении, принимаем  t_воз=20 ^oC;

       α  – суммарный коэффициент теплоотдачи  конвекцией и излучением, определим  по формуле 

 

F_н – наружная поверхность изоляции колонны, определим по формуле

Подставляя значения в формулу (28 ), получим

 

Подставляя значения в формулу (24), получим

 

Расход греющего пара в кубе колонны определим по формуле

где r_гр.п. – удельная теплота парообразования при р=1 атм.,

                r_гр.п.=2264 кДж/кг (с. 549 [5]);

х – степень сухости, принимаем х=0,95;

 

Расход тепла в подогревателе  исходной смеси

 

где С_f – теплоемкость смеси определенная при температуре

(с. 562 [5]).

Расход греющего пара в подогревателе равен

 

 

Общий расход греющего пара равен

 

 

Расход воды в дефлекторе при нагревании ее на 20^оС определим по формуле

 

 

 

         Расход воды в дефлекторе при  нагревании ее на 20^оС определим по формуле

 

где С_d – теплоемкость дистиллята при средней температуре в холодильнике равной 

 

 

 

Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании ее на 20^оС определим по формуле

 

 

где С_w – теплоемкость кубового остатка при средней температуре

 

Общий расход воды в ректификационной установке

 

 

 

4 Расчет вспомогательного оборудования

 

4.1 Расчет дефлегматора 

 

В дефлекторе конденсируется метиловый спирт с небольшим  количеством воды. Температура конденсации  паров дистиллята t_d=78.5^oC.

Температура воды на входе  принимаем 16^оС, на выходе 36^оС.

        Температурная схема процесса:

66,8                  66,8

36                    16

                                            ∆t_м=30,8                 ∆t_б=50,8

 

Движущая сила процесса

 

 

Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара органических веществ к воде находиться в пределах 240-870 Вт/м²∙К [2.с,172]. Принимаем ориентировочное значение коэффициент теплопередачи К_ор=340 Вт/(м²∙К).

Количества тепла, отнимаемого  охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара: = 1412,1*10³ Вт.

Поверхность дефлегматора определим по формуле

 

 

С запасом принимаем  двухходовой теплообменник с  поверхностью

 

Характеристика теплообменника:

поверхность теплообмена  – F=226 м²

диаметр кожуха – D=1000 мм

диаметр труб – d=25х2 мм

длина трубы – l=4 м

количество труб – n=718

(Приложение А4)

 

4.2 Расчет холодильника  для дистиллята

В холодильнике происходит охлаждение дистиллята от температуры  конденсации до 30 ⁰С. Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи:

66,8                  30

36                    16

                                            ∆t_м=30,8                 ∆t_б=14

 

Принимаем коэффициент  теплопередачи К=250 Вт/(м²*К)(с.172[5]).

       Количество  тепла, отнимаемого охлаждающей  водой от кубовой жидкости  определим по формуле

    Поверхность  теплообмена холодильника для  кубового остатка определим по  формуле

 

 

С запасом поверхности 15-20% принимаем четырехходовой теплообменник  с поверхностью

 

Характеристика теплообменника:

поверхность теплообмена  – F=157 м²

диаметр кожуха – D=1000 мм

диаметр труб – d=25х2 мм

длина трубы – l=3 м

количество труб – n=666

(Приложение А4)

 

 

4.3 Расчет холодильника  для кубового остатка

 

В холодильнике происходит охлаждение дистиллята от температуры  конденсации до 30 ⁰С. Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи:

92.1                  30

36                    16

                                            ∆t_м=56.1                 ∆t_б=14

 

Принимаем коэффициент  теплопередачи К=250 Вт/(м²*К)(с.172[5]).

       Количество  тепла, отнимаемого охлаждающей водой от кубовой жидкости определим по формуле

    Поверхность  теплообмена холодильника для  кубового остатка определим по  формуле

 

С запасом поверхности 15-20% принимаем четырехходовой теплообменник с поверхностью

Характеристика теплообменника:

поверхность теплообмена  – F=157 м²

диаметр кожуха – D=1000 мм

диаметр труб – d=25х2 мм

длина трубы – l=3 м

количество труб – n=666

(Приложение А4)

 

 

4.4 Расчет кипятильника

 

Кубовой остаток кипит  при 97 ⁰С.

Принимаем давление греющего пара Р=2ат, температура греющего пара t₁=120. Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи:

 

120→120

97→97

 

           ⁰С

 

Принимаем коэффициент  теплопередачи К = 300 Вт/(м²∙К) (с.172[5]).