Ректификационная колонна (Тарельчатая)

 

            (3.1)

 

              

 

По формуле находим рабочее флегмовое число R:

 

R = R_min · β   

 

R = 2 ·(1,2: 2,5) = 4       (3.2)

 

Точка (в), необходимая для построения графика, находится по формуле:

 

    

 

               (3.3)

 

               

 

4 Материальный баланс

 

4.1 Условные обозначения

 

F – ввод исходной смеси, кг/с;

Р – выход продукционного дистиллята, кг/с;

W – выход кубовой жидкости;

Ф – выход флегмы, кг/с;

G – выход паров в верхней части колонны, кг/с;

D – расход греющего пара, кг/с;

а_f, а_р, а_w – массовые доли низкокипящего компонента в потоках;

х_f, х_р, х_w  – мольные доли высококипящего компонента;

y_f, y_р, y_w – мольные доли низкокипящего компонента в парах над жидкостью:

t_f, t_р, t_w – температуры кипения в потоках, °С;

R – рабочее флегмовое число;

R_тiп – минимальное флегмовое число;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2 Расчетная часть

 

Переведем массовый расход исходной флегмы в кг/с:

                 (4.1)

  кг/с      

 

Переведем  мольные  доли  низкокипящего  компонента в  жидкой  фазе  в

массовой:

В исходной смеси:

(4.2)

   

 

В кубовой жидкости:

(4.3)

      

 

В дистилляте:

(4.3)

  

 

Выход продукционной кубовой  жидкости (высококипящего вещества):           (4.4)

 кг/с

 

Продукционный выход дистиллята:

 

(4.5)

  _кг/c 

 

Массовый расход исходной флегмы:

(4.6)

кг/с

 

Выход паров в верхней  части колонны:

(4.7)

кг/с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Тепловой баланс

 

5.1 Условные обозначения

 

Q – количество тепла, отданное греющими парами, Вт;

Q₁ – количество тепла, пришедшее с исходной смесью, Вт;

Q₂ – количество тепла, поступившее с флегмой, Вт;

Q₃ – количество тепла, поступившее с паром с верхней части колонны, Вт;

Q₄ – количество тепла, ушедшее с кубовой жидкостью, Вт;

С_р – удельная теплоемкость, Дж/кг · К;

R – массовый расход греющего пара, кг/с;

q – массовый расход охлаждающей воды, °С;

t₁ – температура исходной воды, °С;

t₂ – температура воды на выходе из дефлегматора, °С;

D’ – общий расход греющего пара на процесс ректификации, кг/с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2 Расчетная часть

 

Рассчитываем приход тепла:

Q₁ = F’ · c_f · t_f           (5.1)

 

Для этого найдем значение c_f :

c_f = c_н.к. · a_f + c_в.к. · (1 – a_f)        (5.2)

c_f = 996*0,4+2300*(1-0,4) = 1778,4 Дж/кг · К

 

Таким образом, находим Q₁ :

Q₁ = 2,6*1778,4 *25 = 115596 Вт

Q₂ = Ф · c_ф · t_ф              (5.3)

 

Для этого найдем значения c_ф и t_ф :

c_ф = c_p = c_н.к. · a_p + c_в.к. · (1 – a_p)        (5.4)

c_ф = c_p = 996*0,9+2300*(1-0,9) = 1126,4 Дж/кг · К

t_ф = +(10÷15)°C             (5.5)

t_ф = 40,9+15=55,9°С

 

Таким образом, находим Q₂ :

Q₂ = 4,32*1126,4*55,9 = 272012,08 Вт

 

Рассчитываем расход тепла  Q₃ :

Q₃ = G · I_p            (5.6)

 

Для этого рассчитаем энтальпию  пара I_p :

I_p = r_p + c_p · t_p            (5.7)

r_p = r_н.к. · a_p + r_н.к. · (1 – a_p)        (5.8)

r_p = 116000*0,9+516000*(1-0,9)=156000 Дж/кг

I_p = 156000+1126,4*40,9=202069,7 Дж/кг

 

Таким образом, находим Q₃ :

Q₃ = 1,08 · 8927604,8 = 9641819,18 Вт

 

Рассчитываем расход тепла:

Q₄ = W · c_w · t_w           (5.9)

 

Для этого найдем значение c_w :

c_w = с_н.к. · a_w + с_в.к. · (1 – a_w)        (5.10)

c_w = 996*0,04+2300*(1-0,04)= 2247,84 Дж/кг

 

Q₄ = 1,52*2247,8*52=177666,1 Вт

 

 

Рассчитаем расход греющего пара на процессе ректификации D’ :

          (5.11)

   

 

Q₁ = G · r_p            (5.12)

Q₂ = G · C_p · (t_p – t_ф)         (5.13)

Q_общ = Q₁ + Q₂          (5.14)

Q’ = g · C_в · (t₂ – t₁)         (5.15)

Q _общ = Q’

(5.16)

t₁ = 15 °С

t₂ = 22 °С

C_в = 4190 Дж/кг · К

 

Q₁ = 5,4*2260000=12204000 Вт

Q₂ = 5,4*1126,4*(40,9-55,9)=13906617,7 Вт

Q_общ =12204000+13906617,7 = 26110617,7 Вт

 кг/с 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Конструктивный расчет

 

6.1 Условные обозначения

 

Д – диаметр колонны; м

W_o – оптимально допустимая скорость паров в колонне; м/с

ρ_р – плотность дистиллята в жидком состоянии; кг/м³

V – объемный расход паров; м³/с

R – постоянная Больцмана; Дж/моль · К

P – давление; Па

Т – температура дистиллята; ^oC

М_ср – средняя молекулярная масса; моль

V_П – объемный расход пара в колонне; м³/с

F_P – рабочая площадь тарелки; м²

h_cл – относительный унос жидкости паром; м

h_пар – высота сливного порога; м

w_ж.сл – скорость жидкости в сливном устройстве; м

λ_э – эквивалентный коэффициент сопротивления перетоку жидкости;

L_ж – длина пути жидкости на тарелке; м

ΔP_сух – сопротивление сухой тарелки; Па

ξ – коэффициент сопротивления для колпачка;

H – общая высота колонны; м

M_ап – общая масса аппарата; кг

m_обеч – масса обечайки; кг

m_дн – масса днища; кг

m_кр – масса крышки; кг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.2 Расчетная часть

Определение диаметра колонны

 

Находим объемный расход пара в верхней части колонны:

, где               (6.1)

R = 8314 Дж/моль · К

P = 1 · 10⁵ Па

T = 40,9 + 273 = 313,9 К        (6.2)

 

М_ср = М_н.к.· y_p + М_в.к.· (1 – y_p)        (6.3)

М_ср = 76*0,82+58(1-0,82)=72,76 моль

м³/с

 

Определим оптимальную допустимую скорость пара в колонне:

          (6.4)

Находим значение коэффициента с = 0,075. Выбираем колпачковые тарелки и принимаем расстояние между тарелками H_T = 0,4 мм.

 м/с

 

Определим внутренний диаметр  колонны:

(6.5)

 м

Принимаем стандартный диаметр  колонны 1000 мм.            
Гидравлический расчет

 

Предварительно принимаем  расстояние между тарелками H_T = 0,3 м и коэффициент вспениваемости φ = 0,8. Скорость пара в рабочем сечении колонны ровна:

W_p = φ · W_o            (6.6)

W_p = 0,8 · 2,61 = 2,088 м/с

Объемный расход пара в  колонне равен:

(6.7)

 м³/с

Рабочая площадь тарелки  составит:

            (6.8)

 м²

 

По данным таблицы выбираем тарелку типа ТСК-Р для колонны  диаметром D_k = 1000 мм; периметр слива П = 1,42 м; площадь слива F_cл = 0,334 м²; площадь прихода пара F_o = 0,272 м²; длину пути жидкости на тарелке             l_ж = 1,096 м; зазор под сливным стаканом a = 0,06 м; количество колпачков          Т = 43; диаметр колпачка d_k = 100 мм.

 

В дальнейшие расчеты входит определение высоты сливного порога h_пар , подпора жидкости над сливным порогом h_сл , высоты прорезей колпачка h_пр , если необходимо сопротивление тарелки ΔP. Из ранее произведенных расчетов имеем:

 

Определим относительный  унос жидкости паром:

            (6.9)

(6.10)

  м³/с

 м    

Для определения высоты сливного порога рассчитаем высоту прорезей в  колпачках. Примем колпачок с прямоугольными прорезями шириной             b = 4 мм. Количество прорезей в одном колпачке z = 26. Общее количество колпачков на тарелке m = 86.

        (6.11)

 м

Принимаем высоту прорези h_пр = 30 мм. В этом случае пар будет проходить через полностью открытые прорези и частично через нижнюю кромку колпачка. Для обеспечения этого примем высоту установки колпачка h_y = 10 мм, глубина барботажа при абсолютном давлении p = 98100 Па, h_р.б. = 0,05 м. Найдем высоту сливного порога:

h_пар = h_y – h_сл + h_пр + h_y          (6.12)

h_пар = 0,05-0,0016+0,03+0,01=0,09 м

 

Высота пены, образующаяся на тарелке находиться по уравнению:

 

      (6.13)

 м

Величина относительного уноса жидкости, согласно уравнению, равна:

 

           (6.14)

 

0,02 < 0,1 – следовательно, расстояние между тарелками выбрано правильно. Рассчитываем действительную нагрузку сливного устройства по жидкости:

           (6.15)

  м³/с

 

 

Действительная величина подпора жидкости над сливным  паром:

(6.16)

 м 

Действительная величина подпора жидкости – 0,004 м малоотрывистая от ранее рассчитанной – 0,0016 м.

Проверим работоспособность  сливного устройства. Для этого, по уравнению (6.19), рассчитываем скорость жидкости в сливном устройстве:

           (6.17)

м/с

В соответствии с зависимостью комплекс равен:

K₅H_T^D2 = 0,225 · 0,4^0.8  = 0,108

Следовательно, условие соблюдается, и захлебывания сливного устройства не произойдет.

 

Скорость жидкости в зазоре между основанием тарелки и нижней кромкой сливного устройства (стакана) рассчитываем по уравнению:

< 0,45 м/с          (6.18)

 = 0,0003 м/с

Из произведенных расчетов следует, что выбранная однопоточная тарелка обеспечит нормальную работу сливных устройств.

 

Определим сопротивление  сухой тарелки:

           (6.19)

Перепад уровня жидкости на тарелки по пути ее движения Δh, рассчитывается по формуле:

 , где         (6.20)

λ_э – эквивалентный коэффициент сопротивления перетоку жидкости на тарелке;

L_ж – длина пути жидкости на тарелке, равная 1,096 м;

 м 

 

 

Сопротивление слоя на тарелке:

        (6.21)

 Па

ξ – коэффициент сопротивления для колпачка, равный 3,1;

w_o – скорость пара в паровых трубках, рассчитывается по формуле:

            (6.22)

 м/с

 Па

Общее сопротивление тарелки  равно:

 Δρ = Δρ_сух + Δρ_ж           (6.23)

 Δρ = 211,44 + 6497045,97 =6497257,41 Па

Определим количество тарелок в колонне:

           (6.24)

Общая высота колонны:

H = (h_т – 1) · H_т + H_сеп + H_куб         (6.25)

H = (8 – 1) · 0,4 + 1 + 2,5 = 6,3 м

Принимаем стандартный диаметр  колонны 600 мм

Общая масса аппарата:

M_ап = m_обеч + m_дн + m_кр          (6.26)

m_обеч = π · D_к · ρ · ρ_ст · H         (6.27)

m_обеч = 3,14 · 1 · 0,01 · 7850 · 5,7 = 1552,88 кг

m_дн = m_кр = 74 кг

M_ап = 1552,88 + 74 + 74 = 1700,88 кг

M_загр = (V_кр + V_дн + V_к) · ρ_ср           (6.28)

           (6.29)

 кг/м³

V_кр = V_дн = 162 · 10^-3

           (6.30)

 м³

M_загр = (0,162 + 0,162 + 5) · 1027,5 = 5470,41 кг  

Масса загрузки на опору  с учетом запаса нагрузки – 20 %

(6.31)

 Па       

Подбор стандартных конструктивных элементов. Расчет штуцеров

 

Рассчитываем диаметр  штуцеров по формуле:

(6.32)

 

Чтобы рассчитать диаметр  штуцеров, нужно рассчитать объем, а  для того, чтобы найти объем, необходимо рассчитать плотность:

ρ_f = ρ_нк · a_f + ρ_вк · (1 – a_f)         (6.33)

ρ_f = 1263*0,44+792*(1-0,44)=999,24 кг/м³

ρ_w = ρ_нк · a_w + ρ_вк · (1 – a_w)         (6.34)

ρ_w= 1263*0,04+792*(1-0,04) = 810,84 кг/м³

ρ_ф= ρ_нк · a_p + ρ_вк · (1 – a_p)         (6.35)

ρ_ф= 1263*0,9+792*(1-0,9)=1215,9 кг/м³

ρ_G = ρ_{нк пар} · a_p + ρ_{вк пар} · (1 – a_p)        (6.36)

ρ_G = 2,93*0,9+2,2*(1-0,9)=2,85 кг/м³

Находим объем исходной смеси:

            (6.37)

 м³

Находим объем кубового остатка:

            (6.38)

 м³

Находим объем флегмы:

            (6.39)

 м³

Находим объем выхода паров  в верхней части колонны:

            (6.40)

 м³

 

 

 

 

 

 

Рассчитываем диаметры штуцеров по формуле (6.34):

 м