Технологический расчет ректификационной установки непрерывного действия

где Δpсух - сопротивление сухой тарелки;

Δpб - сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения;

Δpгж - сопротивление газожидкостного слоя на тарелке.

А) в верхней (укрепляющей) части колонны:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

 

где ζ = 4,5 - коэффициент сопротивления для колпачковых тарелок;  

- скорость газа в прорезях колпачка, м/с;

 

Где Fc – относительная площадь для прохода паров, м2;

Pг – плотность газа, кг/м3.

В соответствии с [3] D = 1.8 м => Fc = 0.107 м2, Pг = 1,54 кг/м3

.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

 

где  σ = 20.17 Н/м- поверхностное натяжение смеси при средней температуре в верхней части колонны 73 °С[2];

dэ , м - эквивалентный диаметр отверстий тарелки [3].

 

 

где ƒ – площадь свободного сечения прорези, м.

П – периметр прорези, м.

 

где S = 2.54 м2 – свободное сечение колонны [3].

.

 

 

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

 

Где g – ускорение свободного падения, м/с2;

k=0,5 – относительная плотность газожидкостного слоя пены[2];

рж – плотность жидкости, кг/м3;

l= 30 мм – расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога;

e = 30 мм – высота прорези;

Δh - высота уровня жидкости над сливным порогом, м.

Величина Δh определяется по формуле истечения через водослив с учетом плотности пены:

 

где Vж - объемный расход жидкости, м3/с;

П = 1,419 м - периметр сливной перегородки[3];

рЖ = рСМ = 780 кг/м3.

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

 

где Мср - средняя мольная масса жидкости, кг/кмоль;

МD - мольная масса дистиллята, кг/кмоль;

МF – мольная масса жидкости питания, кг/кмоль.

Мср = 0,685*32,04+0,315*78,11 = 68,81 кг/кмоль;

.

.

.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:

.

Б) в нижней части колонны:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

 

где ζ = 4,7 - коэффициент сопротивления для колпачковых тарелок;  

- скорость газа в  прорезях колпачка, м/с;

 

Где Fc – относительная площадь для прохода паров, м2;

Pг – плотность газа, кг/м3.

 

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

 

где  σ = 19,5* Н/м- поверхностное натяжение смеси при средней температуре в верхней части колонны 79,5°С[2];

dэ , м - эквивалентный диаметр отверстий тарелки [3].

.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

 

Где g – ускорение свободного падения, м/с2;

k=0,5 – относительная плотность газожидкостного слоя пены[2];

рж – плотность жидкости, кг/м3;

l= 30 мм – расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога;

e = 30 мм – высота прорези;

Δh  - высота уровня жидкости над сливным порогом, м.

Величина Δh  определяется по формуле истечения через водослив с учетом плотности пены:

 

где Vж - объемный расход жидкости, м3/с;

П = 1,419 м - периметр сливной перегородки[3];

рЖ = рСМ = 780 кг/м3.

Объемный расход жидкости в нижней части колонны, рассчитывается по формуле:

 

где Мср - средняя мольная масса жидкости, кг/кмоль;

МD - мольная масса дистиллята, кг/кмоль;

МF – мольная масса жидкости питания, кг/кмоль.

Мср = 0,265*32,04+0,735*78,11 = 65,9 кг/кмоль;

.

.

.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:

.

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h = 0,5 м необходимое условие для нормальной работы тарелок:

 

 

 

Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается.

Проверим равномерность работы тарелок - рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях , достаточную для того, чтобы колпачковая тарелка работала всеми отверстиями:

 

 

.

Рассчитанная скорость ; следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IV. Определение числа тарелок и высоты колонны

Наносим на диаграмму y- x рабочие линии верхней и нижней части колонны (приложение 1, рис.2) и находим число ступеней изменения концентрации nT  . В верхней части колоны части , всего 14 ступеней.

Число тарелок рассчитываем по уравнению [2]:

 

Для определения среднего к.п.д. тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов , и динамический коэффициент вязкости исходной смеси µ при средней температуре колонне =73°C.

Динамический коэффициент вязкости исходной смеси[2]:

=0,33 сП.

=0,33*1,5*=0,5

По графику 7.4[2] находим =0,58.

Длина пути жидкости на тарелке:

L=D-2b.

По теореме Пифагора:

L==1,1 (м)

По графику 7.5 [2] найдем значение поправки на длину пути, Δ=0.

Средний КПД тарелок:

.

Число тарелок в верхней части колонны:

/=6/0,58=10

Число тарелок в нижней части колонны:

/=8/0,58=14

Общее число тарелок =24, с запасом =28, из них в верхней части колонны 12 тарелок и в нижней части 16 тарелка.

Высота тарельчатой части колонны:

HT = (n-1)h= (28-1)0,4=10,4 м.

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

=667,3*12+717,1*16 = 91481,2 Па ≈ 0,93кгс/см2.

 

 

 

 

 

 

 

V. Тепловой расчет установки

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе вычисляем по формуле:

 

 

-удельная теплота конденсации  хлороформа при 73

-удельная теплота конденсации  бензола при 73

Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара:

 

-3 % от полезно затрачиваемой  теплоты;

1,03(3047*+0,93*0,66*73*4190+2,22*0,46*79,5*4190-3,15*0,67*76,8*4190) = 2982640,85 Вт

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

Q=1,05**(=1,05 * 3,15*0,67*4190*(76,8-20)=527396,2 Вт

Здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси – 0,67

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

Q=*(=0,93*0,66*4190*(73-25)=123447,5 (Вт)

Расход теплоты,отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

Q=*(=2,22*0,46*4190*(79,5-25)=233196,1 (Вт)

Расход греющего пара, имеющего давление и влажность 5 %:

а)в кубе-испарителе

=2982640,85 /(2141**0,95)=1,47кг/с

-удельная теплота конденсации  греющего пара

б)в подогревателе исходной смеси

=0,26 кг/с

Всего: 1,47+0,26=1,73 кг/с

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 5

а)в дефлегматоре

 

б)в водяном холодильнике дистиллята

 

в)в водяном холодильнике кубового остатка

 

Всего: 0,162 или 583,2

 

 

 

 

 

 

 

. Тепловой расчет установки (Подогреватель)

В данном случае происходит теплообмен от водяного пара к  смеси органических веществ (бензол – метанол). В трубах находится смесь, а в межтрубном пространстве водяной пар. Принимаем для межтрубного пространства индекс «1», для трубного – «2».

Греющий водяной насыщенный пар имеет абсолютное давление ρ=0,9кгс/см2. Температура конденсации водяного пара равна 96,2 (таблица LVII [2]).

Температурная схема:

Водяной пар 96,2 – 96,2

Смесь             15 – 75

 

Средняя разность температур:

 

Средняя температура смеси:

 

Расход смеси G2 = 3,15кг/с.

 

Здесь =812,7 - плотность смеси при 46,6 (табл. IV [2]).

Найдем расход теплоты на нагрев смеси:

 

где с2 = 0,52*4190 Дж/(кг*К) – средняя удельная теплоемкость смеси (рис. X [2]).

Расход сухого греющего пара с учетом 8% потерь теплоты:

.

Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. По табл. 4.8 [2] минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующего водяного пара к органическим жидкостям (подогреватели Kмин = 120 Вт/(м2·К)).

 

Расчет для ламинарного режима (Re2<2300).

Составляем схему процесса теплопередачи по типу рис. 4.23[2].

Для течения смеси при Re2<2300 скорость в трубах должна быть меньше  :

 

Где Па·с – динамический коэффициент вязкости смеси при температуре 46,6°С (табл. IX) [2].

=812,7 плотность смеси при температуре 46,6°С (табл. IV) [2].

А число труб на один ход трубного пространства должно быть больше 

 

Условию удовлетворяет (табл. 4.12) [2] теплообменник одноходовый площадью 61 с числом труб на один ход трубного пространства n =257 (общее число труб 257)

1. Коэффициент теплоотдачи для  смеси.

Уточняем величину критерия Рейнольдса:

 

Ориентировочное значение (Gr2Pr2) для смеси (физические величины по табл. IV, IX, XXXII) [2]:

В величину критерия Gr2 входит величина :

=0,75 *

t=

 

 

(Gr2Pr2)=

Здесь

Pr2=0,51*4190*0,49·10-3/0,13 = 8,05

Принимаем длину трубы L=3м, тогда:

 

 

/м2К.

 

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара.

Число труб 257. Число рядов труб по вертикали nв=17 (табл. 4.12) [2], то

Длина труб L=3м.

Вт/(м2К).

-коэффициент, зависящий от содержания воздуха в паре(рис.4.9[2])=0,3

=1010 (по табл. 4.6. [2])

Коэффициент теплопередачи при L=3 (предварительный):

 

 

- тепловая проводимость  загрязнений со стороны смеси (5800 )

- коэффициент теплопроводности  стали (46,5)

Уточнение принятых величин:

а) разность температур по расчету

 

б) определяющая температура

t=t2+(Δ t2/2)=46,6+(37,2/2) =65,2°С.

в) уточнение

 Вт/(м2·К).

г) уточненное значение коэффициента теплопередачи при L=2м:

 

Расчетная площадь поверхности теплообмена при L=3 м:

 

Аппарат с L=3м имеет площадь поверхности теплообмена:

 м2.

Запас площади поверхности обмена: .

Запас площади поверхности обмена положительный. Принимаем одноходвой кожухотрубчатый теплообменник с внутренним диаметром кожуха 600 мм, числом труб 257 и длиной труб L = 3м.

Определяем tст.1 и tст.2:

-поверхностная плотность теплового  потока

 

 

tст.1 = 96,2- 4,4= 91,8 °C.

 

tст.2 =46,6+ 41,5 = 88,1 °C.

 

 

 

Заключение

В ходе работы была рассчитана ректификационная установка   с требуемыми техническим заданием характеристиками.

На основе материального расчета рассчитаны материальные потоки в колонне и определен диаметр ректификационной колонны – 1800 мм. Найдено оптимальное флегмовое число R = 2,45. Рассчитано действительное число тарелок: 28 в верхней 12 и 16 в нижней части колонны. На основе теплового расчета выбран подогреватель (одноходовой, диаметр кожуха 600 мм, длина труб 3 м, поверхность теплообмена 61 м2).

 

 

 

Список используемой литературы

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов. - М.:ООО ИД «Альянс», 2009 - 753 с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. – М.:ООО ИД «Альянс», 2007 - 576 с.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по    проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. – М.:ООО ИД «Альянс», 2010 - 4966 с.