Расчет ректификационной колонны

Расчет нижней части колонны проводится аналогично расчету верхней части колонны:

= = 10,7 м/с;

= = 104,2 Па;

= = 22,0 Па.

= = 0,0052 м /с;

= = 0,03 м;

= 0,04+0,03 = 0,07 м;

= = 415,9 Па.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:

= 104,2+22,0+415,9 = 542,1 Па.

Проверим, соблюдается ли при h=0,4 м необходимое условие для нормальной работы тарелок по формуле:

 

h 1,8 ;                                                              (16)

 

для тарелок  верхней части колонны:

 

0,4 = 0,09 м;

 

для тарелок  нижней части колонны:

0,4 = 0,11 м.

Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается, и расстояние между тарелками h = 0,4 м обеспечивает нормальную работу переливных устройств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Тепловой расчет ректификационной колонны

 

Расход теплоты, получаемой жидкостью от конденсирующего пара в кубе-испарителе колонны

 

Q_K= Q_d+ G_dс_dt_d+ G_wс_wt_w – G_fс_ft_f+Q_пот,

 

где Q_d– расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, Вт; Q_пот – тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт; с_f,с_d,с_w – теплоёмкости исходной смеси, дистиллята, кубовой жидкости, соответственно, Дж/кгК.

Значения теплоёмкостей, необходимые для расчета, находим  по формуле:

 

с_f = с_А·

f + с_В· (1– _f),

 

где: с_А, с_В– теплоемкости уксусной кислоты и воды, определенные при t_f=88 ºС (с. 562 [2]);

 

с_w = с_б·

w + с_т· (1– _w),

 

где: с_А, с_В– теплоемкости уксусной кислоты и воды, определенные при t_w=97 ºС (с. 562 [2]);

 

с_d = с_б·

d + с_т· (1– _d),

 

где: с_А, с_В– теплоемкости ацетона и этанола, определенные при  t_d=69 ºС(с. 562 [2]).

Теплоемкости смесей,Дж/(кг К) :

 

с_f = 2,85·10³ · 0,1 + 4,19· 10³ (1– 0,1) = 4056;

с_w =2,74 · 10³· 0,7 + 4,19 · 10³ (1 – 0,7) = 1531;

с_d = 2,91 · 10³·0,02 + 4,6 · 10³ (1 – 0,02) = 4566.

 

Расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, Вт:

 

Q_d = G_d (R + 1)r_d,

 

где  r_d– удельная теплота конденсации дистиллята, кДж/кг, определяется по формуле

 

,

где r_А, r_В – удельная теплота конденсации ацетона и этанола при  t_d=69 ºС (с. 541 [2]).

 

Q_d= 0,18 (4,31 + 1)· 460,58· 10³ = 13,96· 10⁵.

 

Тепловые потери колонны  в окружающую среду, Вт:

 

Q_пот= α · F_н (t_ст.н – t_возд),

 

где t_ст.н – температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем t_ст.н= 40°С; t_возд – температура воздуха в помещении, t_возд= 20°С;

α – суммарный коэффициент  теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(м²·К), определяется по формуле:

 

α =9,3+0,058 t_ст.н = 9,3+0,058·40 = 11,62.

 

F_н – наружная поверхность изоляции колонны, м², определяем ее по формуле:

 

F_н = π·D·H + 2·0,785·D² = 3,14·0,5·9,9 + 2·0,785·0,5² = 15,94.

 

Потери тепла в окружающую среду, кВт:

 

Q_пот = 11,62 · 15,94(40 – 20) = 3698,08.

 

Расход тепла в кубе колонны с учетом тепловых потерь, Вт:

 

.

 

Расход греющего пара в кубе колонны, кг/с, (давление p_абс=6,303 ат, влажность 5%):

 

,

 

где r_гр.п. = 2089 ·10³ Дж/кг – удельная теплота парообразования (с. 549 [2]);

х – степень сухости.

Расход воды в дефлегматоре при нагревании ее на 20 °С, кг/с:

 

.

Расход воды в холодильнике дистиллята при нагревании ее на 20 °С, кг/с:

.

 

Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании ее на 20 °С, кг/с:

 

.

 

Общий расход воды в ректификационной установке,кг/с :

 

G_B = G'_B + G''_B + G'''_B=16,66+0,128+4,82=21,608.

 

4.1 Расчет тепловой  изоляции колонны

 

В качестве изоляции берем  асбест (λ_из=0,151 Вт/м·К). Исходя из упрощенного соотношения (для плоской стенки) имеем:

 

,

 

где -толщина изоляции, м; -температура внутренней поверхности изоляции, принимаем ее ориентировочно на 10-20⁰С ниже средней температуры в колонне .

Определяем толщину  изоляции, мм:

 

 

Проверяем температуру  внутренней поверхности изоляции, ⁰С:

 

;

 

расхождение: 84–83,94=0,06 ⁰С<1°С.

 

 

 

 

 

 

 

5 Расчет вспомогательного оборудования

 

5.1 Кипятильник (куб – испаритель)

 

Рассчитаем среднюю  температуру смеси:

t₂ = 0,5∙(37+100) = 68,5°C

При этой температуре  исходная смесь будет иметь следующие  физико-химические показатели:

c₂ = 3222,2 Дж/кг·К - теплоемкость

ρ₂ = 986,2 кг/м³- плотность

μ₂ = 0,000531 Па·с – вязкость

λ₂ = 0,413 Вт/м·К – теплопроводность

Pr₂ = 6,5

     Для подогрева  использовать насыщенный водяной  пар давлением 0,4 Мпа. Температура  конденсации t₁ = 143,62°C.

При этой температуре  конденсат имеет следующие характеристики:

r₁ = 2133800 Дж /кг - удельная массовая теплота испарения (конденсации)

ρ₁ = 924,1 кг/м³- плотность

μ₁ = 0,000186 Па·с – вязкость

λ₁ = 0,686 Вт/м·К – теплопроводность

Pr₁=1,17

 Рассчитаем тепловую  нагрузку аппарата:

 

Q = 1,05·G₂·c₂·( t_2к - t_2н) = 1,05·0,5·3222,2· (100-37) = 562712,12 Вт

 

Рассчитаем расход пара для подогрева исходной смеси:

 Рассчитаем среднюю  разность температур:

 

 

Примем коэффициент  теплопередачи равной  K_ор= 1000 Вт / м²∙К.

Рассчитаем площадь  поверхности передающей тепло:

пластины f = 0,2 м²; число пластин N = 34.

Определим запас площади  теплообменника:

Δ = (F-F_ор)·100/ F_ор= (6,3-5,32)·100/5,32=18,4%

Таким образом, выбранный  теплообменник подходит с запасом 18,4%

Выбор конструкции.

Кипятильники ректификационных колонн непрерывного действия по устройству сходны с кипятильниками выпарных аппаратов. При небольших поверхностях теплообмена куб колонны обогревается змеевиком или горизонтальной трубчаткой, пересекающей нижнюю часть колонны; при этом греющий пар пропускается по трубам.

При больших поверхностях теплообмена применяют выносные кипятильники, которые устанавливают  ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

Определяем ориентировочно максимальную величину площади теплообмена. По (табл. 4.8 стр. 172 [2]) для данного случая теплообмена (от конденсирующегося водяного пара к кипящей жидкости) принимаем значение минимального коэффициента теплопередачи К_min=300Вт/м²К.

Тогда максимальная поверхность теплообмена, м²:

 

 

Предварительно выбираем для расчета выносной кипятильник кожухотрубчатый теплообменник с трубами диаметром 25×2 мм, длина труб 4,0 м. (стр. 533 [2]).

5.1.1Определение коэффициента теплопередачи

 

Принимаем среднее значение тепловой проводимости загрязнений  стенок со стороны конденсирующегося  водяного пара , со стороны кубового остатка .

Теплопроводность стали  λ=46,5Вт/м·К.

Таким образом, термическое сопротивление стенки и ее загрязнений равно:

 

.

 

Коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К), со стороны конденсирующегося водяного пара определяем по формуле:

 

,

где  λ-коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/м·К;Н-высота кипятильных труб, м;p -плотность конденсата, кг/м³; r-удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; μ-динамический коэффициент вязкости конденсата, Па*с.

Значение коэффициентов  теплопроводности, динамической вязкости, плотности определяем по (табл. XXXIXстр. 537 [2]).

 

.

 

Коэффициент теплоотдачи, Вт/м² К, для кипящей уксусной кислоты находим по формуле:

 

,

 

где - коэффициенттеплопроводности кипящей уксусной кислоты при t_W=97 ⁰С (стр. 561 [2]); - плотность кипящей уксусной кислоты (стр. 512 [2]); - динамической коэффициент вязкости кипящей уксусной кислоты при t_W=97 ⁰С (стр. 556 [2]); - поверхностное натяжение уксусной кислоты (стр. 526 [2]).

Коэффициент b определяется по формуле:

 

,

 

где ρ – плотность паров, кг/м³, при t_W=97 ⁰С рассчитывается по формуле:

 

,

 

где ρ₀ – плотность паров этанола при нормальных условиях,равна ,

где М – мольная  масса воды; Т₀ – температура при нормальных условиях, К; Т – температура кипения этанола, К; Р, Р₀ – давление в кипятильнике при рабочих и нормальных условиях.

 

.

 

.

Коэффициент теплопередачи для кипящей уксусной кислоты равен:

 

;

 

.

 

Коэффициент теплопередачи:

 

.

 

Удельная тепловая нагрузка

 

.

 

Откуда

 

.

 

Это уравнение решаем графически, задаваясь значениями q(рис 1,2), у– левая часть уравнения.

при q=50000 Вт/м2 у = 2,3

при q=53000 Вт/м2 у = –1,15

при у=0 находим q=52000 Вт/м2

Рисунок.2,1 графическое определение удельного расхода тепла

 

Коэффициент теплопередачи, Вт/м²К:

 

.

 

Площадь поверхности  теплообмена, м²:

 

.

 

С запасом 15-20% принимаем по каталогу (стр.533 [2]) одноходовой теплообменник.

Характеристика теплообменника

 

Поверхность теплообмена……………………………………………244м²;

Диаметр кожуха……………………………………............................800мм;

Диаметр труб……………………………………………………….25 2мм;

Длина труб……………………………………………………………….4м;

Количество труб…………………………………….................................783.

 

Расчеты остальных теплообменников выполняются. Задаваясь ориентировочными значениями коэффициентов теплопередачи [2].

 

2. . Дефлегматор

 

Удельная теплота конденсации  смеси r₁= 611700 Дж/кг,

температура конденсации t_k = 100°С.

Физико-химические свойства конденсата при температуре конденсации:

 

l₁ = 0,681 Вт/м·К;

r₁ = 958 кг/м³;

m₁ = 0,000284 Па·с.

 

Тепло конденсации отводить водой с начальной температурой t_2н= 17°С.

Примем температуру  воды на выходе из конденсатора t_2к= 42°С.

 

1. Рассчитаем среднюю  температуру воды:

t₂ = 0,5·(17+42) = 29,5°C

При этой температуре  исходная смесь будет иметь следующие  физико-химические показатели:

c₂ = 4183,8 Дж/кг·К

ρ₂ = 995,15 кг/м³- плотность

μ₂ = 0,000811 Па·с – вязкость

λ₂ = 0,614 Вт/м·К – теплопроводность

Pr₂ = 5,5

 

2. Рассчитаем тепловую  нагрузку аппарата:

 

Q = G₁·r₁ = 0,6·611700 = 367020 Вт 

 

3. Рассчитаем расход  воды:

 

 

 

4.  Рассчитаем среднюю  разность температур:

 

Примем K_ор= 600 Вт/м²·К.

 

5. Рассчитаем  ориентировочное  значение требуемой поверхности теплообмена:

 

 

 

6. Задаваясь числом Re₂= 15000, определим соотношение n /z  для конденсатора из труб диаметром d_н= 20´2 мм:

 

 

где n – общее число труб;

      z – число ходов по трубному пространству:

      d – внутренний диаметр труб, м.

 

 В соответствии  с табличными значениями соотношение n /z принимает наиболее близкое к заданному значению у конденсаторов с диаметром кожуха D = 400 мм, диаметром труб 20´2 мм, числом ходов z = 2 и общим числом труб n = 166.