Проектирование ректификационной установки для разделения бинарной смеси ацетон-вода, производительностью по исходной смеси 12 т/ч

Для предварительного расчета  величины предельной скорости принимаем  ω=0,15; В=6; d_экв=0,008м, тогда

=0.913 м/с

Рабочая скорость пара в  колонне определяется по формуле:

По рабочей скорости определяем диаметр колонны:

,

Выбираем стандартный  аппарат с диаметром 1 м и корректируем рабочую скорость по формуле:

 

С учетом найденной рабочей  скорости пара корректируем коэффициент  В по формуле:

где В₁ – предварительно принятое значение коэффициента при соответствующих значениях предельной скорости пара w_пр1 и свободного сечения тарелки ω₁; w – скорость пара для выбранной стандартнойколонны, м/с; ω – относительное свободное сечение тарелки для выбранной стандартной колонны.

_{Это удовлетворяет  условию 2,95<B<10.}

Плотность орошения (приведенная  скорость жидкости) находится по формуле:

,

где - объемный расход жидкости, м³/с;

S – площадь поперечного сечения колонны, м².

Критерий Фруда (оптимальный) находится по формуле:

Коэффициент С определяется по соотношению:

Скорость пара в щелях  определяется по уравнению:

Высота газожидкостного (барботажного) слоя рассчитывается по формуле:

Высота светлого слоя жидкости определяется по формуле:

где ε – величина газосодержания, которая рассчитывается по формуле:

Брызгоунос рассчитывается по формуле:

где h_c-высота сепарационного пространства, м; k – поправочный коэффициент.

_{Т.к. величина брызгоуноса удовлетворяет условию , то выбранная колона с диаметром D=1000мм, и расстоянием между тарелками hт=400мм удовлетворяет условиям проведения данного процесса.}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_{6. Расчет высоты колонны.}

_{6.1Определение кинетических параметров (коэффициентов массоотдачи, числа единиц переноса)}

_{Коэффициент массотдачи по газовой  фазе βуf можно рассчитать по следующему соотношению:}

_{где Реу – диффузионный критерий Пекле, wр – рабочая скорость пара в колонне, hг-ж – высота барботажного слоя}

_{Где Dy – коэффициент диффузии для паровой фазы, м²/с}

_{Коэффициент массотдачи для жидкой фазы βхf можно рассчитать по следующему соотношению:}

_{где Рех – диффузионный критерий Пекле, U – плотность орошения,  hг-ж – высота барботажного слоя}

_{Где Dх – коэффициент диффузии для жидкой фазы, м²/с}

_{где D20.i – коэффициент диффузии бинарной смеси при 20°С}

_{Температурный коэффициент определяется по эмпирической формуле:}

_{Частные числа единиц переноса по паровой и жидкой фазе определяем по формулам:}

_{Общее число единиц переноса можно рассчитать по уравнению:}

_{где m и l - тангенсы угла наклона соответственно равновесной и рабочей линий.}

_{Примем, что процесс протекает  по модели «идеального  вытеснения», тогда  локальная эффективность  тарелки определяется по формуле:}

_{6.2 Расчет числа реальных тарелок методом кинетической кривой.}

_{Расчет  производим с помощью  ЭВМ: N = 11}

_{Общая высота колонны определяется по формуле:}

_H=HT+Zв+Zн

_{где  Zв и Zн – расстояния между верхней тарелкой и крышкой колонный и между днищем и нижней тарелкой, м.}

_{Н= 11 *0,4+0,6+1,5= 6.5 м}

_{6.3 Гидравлическое сопротивление колонны.}

Для решётчатых тарелок гидравлическое сопротивление считается по следующим  формулам:

 

 

  

 Где  - доля площади, занятая стекающей жидкостью

  - безразмерный комплекс; 

=1.4-коэффициент сопротивления  сухой тарелки     

=0.62-коэффициент истечения жидкости;

-скорость газа в щелях тарелки;

- поверхностное натяжение жидкости, - плотность паровой фазы

_{Гидравлическое  сопротивление колонны  определяется по формуле:}

 

 

 

 

 

7. Тепловой  баланс установки

Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением:

 

где Q_K – количество теплоты, получаемое кипящей жидкостью в кубе колонны при конденсации греющего пара, кВт

Q_д –количество теплоты, отдаваемое охлаждающей воде в дефлегматоре, кВт;

Q_D – количество теплоты, отводимое с парами дистиллята, кВт

Q_w – количество теплоты, отводимое с кбовым остатком, кВт

Q_F – количество теплоты,, вносимое с питанием, кВт

Q_пот – тепловые потери колонны в окружающую среду (5%);

1. Количество теплоты, отводимое с парами дистиллята находим по формуле:

Где С_D – теплоемкость дистиллята, t_D –температура дистиллята

_{Теплоемкости  ацетона и воды находим по номограмме:}

_{Своды=4190 Дж/кг*К}

_{Сацетона=2304.5 Дж/кг*К}

 

2. Тепловую нагрузку дефлегматора находим по формуле:

где r_D – удельная теплота конденсации паров дистиллята

Найдем удельную теплоту конденсации  паров дистиллята по аддитивной формуле:

где - теплоты испарения ацетона и воды при температуре дистиллята , . Находим интерполяцией табличных данных

3. Количество теплоты, уносимое с кубовым остатком находим по формуле:

Где С_W – теплоемкость кубового остатка, t_W –температура кубового остатка

_{Теплоемкости  ацетона и воды находим по номограмме:}

_{Своды=4320 Дж/кг*К}

_{Сацетона=2472.1 Дж/кг*К}

 

4. Количество теплоты, вносимое с питанием находим по формуле:

Где С_F – теплоемкость кубового остатка, t_F –температура кубового остатка

_{Теплоемкости  ацетона и воды находим по номограмме:}

_{Своды=4190 Дж/кг*К}

_{Сацетона=2350.6 Дж/кг*К}

Тогда:

 

 

 

 

 

 

8. Приблизительный расчет теплообменников.

Произведем ориентировочные  расчеты пяти теплообменников: куба-испарителя, подогревателя, конденсатора (воздушного) и двух холодильников (дистиллята и кубового остатка).

8.1. Куб-испаритель (паровой).

Исходные данные:. В кубе кипит кубовый остаток при температуре t_w=99,01^°C и конденсируется греющий пар при избыточном давлении Р=0,5изб.; Q_k=1021.9 кВт

при давлении Р=0,5 изб (1,5 атм) t_гп= 110,7^°C, удельная теплота парообразования r_гп =2232 кДж/кг

Среднюю разность температур в кубе-испарителе находим по формуле:

Δt_ср=t_гп-t_w

Δt=110,7-99,01=11.69 ^°C

пусть коэффициент теплопередачи  К_ор=2500Вт/(м^2.К)

Определим поверхность теплообмена  по формуле:

м²

Ориентировочный расход пара в теплообменнике:

По ориентировочной поверхности  теплообмена выбираем стандартный  одноходовой куб-испаритель с диаметром труб 25^x2, с внутренним диаметром кожуха D=400мм, числом труб n=111, с поверхностью теплообмена F=40 м² и длиной труб l=5м, площадью проходного сечения одного ходы S_т=8.9*10^-2м².

8.2 Подогреватель исходной смеси (паровой).

Исходные данные: В подогревателе нагревается исходная смесь от  t_нач=20 ^°C до t_F=69,6 ^°C и конденсируется греющий пар при избыточном давлении Р=0,5изб., кг/с, x_F=0.103, .

при давлении Р=0,5 изб (1,5 атм) t_гп= 110,7^°C, удельная теплота парообразования r_гп =2232 кДж/кг

Определим среднюю температуру в теплообменнике:

Δt_м=t_гп-t_F=110,7-69,6=41.1 ^°C

Δt_б=t_гп-t_нач=110,7-20=90,7 ^°C

  ^°C

Тогда средняя температура  теплоносителя в теплообменнике:

t_ср=t_гп- Δt_ср=110,7-62,78=47,92^°C

Определим теплоемкость смеси при t_ср= 47,92^°C:

 

Определим количество теплоты  в подогревателе:

Вт

Пусть К_ор=1500 Вт/(м^2.К), тогда

м²

По ориентировочной поверхности  теплообмена мы можем выбрать стандартный подогреватель типа «труба в трубе» c диаметром кожуховой трубы 89^x5 и диаметром теплообменной трубы 57^x5, числом элементов n=7, (поверхностью теплообмена F=1.06*7=7.42м²),  длиной трубы l=6м, площадью проходного сечения одного хода внутри теплообменной трубы S_т=17.3^.10^-4м.

Ориентировочный расход пара в теплообменнике:

8.3. Холодильник дистиллята (водяной).

Исходные данные: В холодильнике дистиллята охлаждается дистиллят от температуры t_D=58,8 ^°C до  t_кон=30 ^°C, охлаждающая вода нагревается от t_внач=20 ^°C до t_вкон=30 ^°C _, кг/с.

Определим среднюю температуру в теплообменнике:

Δt_м=t_кон-t_внач=30-20=10 ^°C

Δt_б=t_D –t_вкон=58,8-30=28,8 ^°C

  ^°C

Тогда средняя температура  теплоносителя в теплообменнике:

t_{ср.воды}=(t_вкон+t_внач)/2=(20+30)/2=25 ^°C

t_{ср. дист.}= t_{ср.воды} + Δt_ср=25+17,79=42,79^°C

Определим теплоемкость дистиллята при t_{ср. дист}:

 

Вт

Пусть К_ор=800Вт/(м^2.К), тогда

м²

По ориентировочной поверхности  теплообмена мы можем выбрать стандартный холодильник типа «труба в трубе» c диаметром кожуховой трубы 89^x5 и диаметром теплообменной трубы 57^x5, числом элементов n=5, (поверхностью теплообмена F=1.06*5=5.3м²),  длиной трубы l=6м, площадью проходного сечения одного хода внутри теплообменной трубы S_т=17.3^.10^-4м.

Ориентировочный расход воды в теплообменнике:

8.4. Холодильник кубового остатка (водяной).

Исходные данные: В холодильнике кубового остатка охлаждается кубовый остаток от температуры t_w=99,01 ^°C до  t_кон=30 ^°C, охлаждающая вода нагревается от t_внач=20 ^°C до t_вкон=30 ^°C _, кг/с.

Определим среднюю температуру в теплообменнике: