Ректификационная колонна непрерывного действия

где и   - мольные массы метанола и воды;

      и - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:

         

Тогда:

         

Мольная масса исходной смеси:

Тогда:

Средние массовые потоки пара в верхней  и нижней частях колонны соответственно равны:

где  и - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

 

Тогда:

Подставив численные  значения получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ТАРЕЛЬЧАТЫХ  КОЛОНН

 

Средняя температура паров в колонне:

Вверху колонны при              

Внизу колонны при 

Определим среднюю плотность паров  внизу и вверху колонны:

Средняя плотность пара в колонне:

Определим плотность жидкости, находящейся в колонне:

Вверху колонны при 

Внизу колонны при 

Средняя плотность жидкости в колонне:

Предельную фиктивную  скорость пара, при которой происходит захлебывание насадочных колонн, определяют по уравнению:

Вязкость жидких смесей находим  по уравнению:

Тогда вязкость жидкости вверху колонны при температуре 65,1⁰с:

Вязкость жидкости внизу  колонны при температуре 97,8⁰с:

Предельная скорость паров в верхней части колонны:

откуда 

Предельная скорость паров в нижней части колонны:

откуда  .

Примем рабочую скорость на 30% ниже предельной:

Диаметр ректификационной колонны  находим по уравнению:

 

Отсюда диаметры верхней и нижней частей колонны:

Рационально принять стандартный  диаметр обечайки d=0,6м одинаковым для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне:

 

 

2.2 Определение высоты насадки

 

Высоту насадки Н рассчитывают по модифицированному уравнению массопередачи:

где - общее число единиц переноса по паровой фазе;

      - общая высота единицы переноса, м.

Общее число единиц переноса вычисляют  по уравнению:

Общее число единиц переноса определяют численными методами. Решим  его методом графического интегрирования:

где - площадь, ограниченная кривой, ординатами y_w и y_p и осью абсцисс;

- масштабы осей координат.

 

Данные для графического изображения функции  приведены ниже:

 

 

 

 

 

 

 

y	y*-y
0,017 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,385 0,4 0,5 0,6 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,985	0,148 0,19 0,305 0,355 0,38 0,38 0,37 0,35 0,335 0,33 0,28 0,23 0,175 0,15 0,125 0,095 0,06 0,01	6,76 5,26 3,28 2,82 2,63 2,63 2,70 2,86 2,98 3,03 3,57 4,34 5,71 6,67 8,0 10,53 16,6 100

 

По данному рисунку  находим общее число единиц переноса в верхней и нижней частях колонны

Общую высоту единиц переноса определим по уравнению аддитивности:

где и - частные высоты единиц переноса соответственно в жидкой и паровой фазах;

       m — средний коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колонны.

Отношение нагрузок по пару и жидкости G/L, кмоль/кмоль, равно:

для верхней части колонны

для нижней части колонны

где

Высота единицы переноса в жидкой фазе

где с и Ф — коэффициенты, определяемые по рис. 6.6[2], а и б ;                           

— критерий Прандтля для жидкости;

Z — высота слоя насадки одной секции, которая из условия прочности опорной решетки и нижних слоев насадки, а также из условия равномерности распределения жидкости по насадке не должна превышать 3 м. Зададимся значением Z=2м.

Высота единицы переноса в паровой фазе

где — коэффициент, определяемый по рис. 6.6, а;

— критерий Прандтля для пара;

—массовая плотность орошения, кг/(м²-с);

d —диаметр колонны, м

 

Вязкость паров в  колонне

Для верха колонны

Для низа колонны

Коэффициент диффузии при  средней температуре равен:

Коэффициент диффузии в  жидкости при 20⁰с равен:

- вязкость жидкости при 20⁰с.

Температурный коэффициент b определяем по формуле:

где и принимают при 20⁰с.

Отсюда

Аналогично для нижней части колонны находим:

коэффициент диффузии в  паровой фазе:

- средняя температура в соответствующей  части колонны, К;

- абсолютное давление в колонне,  Па.

Аналогично для нижней части колонны находим:

Таким образом для  верхней части колонны

Для нижней части колонны

Находим общую высоту единицы переноса для верхней и нижней частей колонны:

2.3 Определение высоты колонны

 

Высота насадки в колонне:

Общая высота насадки  в колонне:

Н=1,636+0,944=2,58м

С учетом того, что высота слоя насадки в одной секции Z=2м, общее число секций в колонне составляет 2 (1 секция в верхней части и 1 – в нижней).

Общую высоту ректификационной колонны определяют по уравнению:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ

Гидравлическое сопротивление  насадки  находят по уравнению:

Гидравлическое сопротивление  сухой неорошаемой насадки  рассчитывают по уравнению:

Критерий Рейнольдса для газа в верхней и нижней частях колонны соответственно равен:

 

Следовательно, режим  движения турбулентный.

Для турбулентного движения коэффициент сопротивления сухой  насадки в виде беспорядочно засыпанных колец Рашига находят по уравнению:

Для верхней и нижней частей колонны соответственно получим:

Гидравлическое сопротивление  сухой насадки в верхней и  нижней частях колонны равно:

Плотность орошения в  верхней и нижней частях колонны  находим по уравнению:

Подставив численные  значения, получим:

Гидравлическое сопротивление  орошаемой насадки в верхней  и нижней частях:

Общее гидравлическое сопротивление колонны:

 

4. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

 

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению:

Здесь

где  и - удельные теплоты конденсации метанола и воды при 86,6^ос.

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

 

 

 

Здесь тепловые потери приняты  в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты; удельные теплоемкости взяты соответственно при ; температура кипения исходной смеси определена по рис.2 (см. приложение).

Расход теплоты в  паровом подогревателе исходной смеси:

Здесь тепловые потери приняты  в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси  взята при средней температуре (87,3+12)/2=49,7^ос.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

где удельная теплоемкость дистиллята  взята при средней температуре (65,1+10)/2=37,68 ^ос.

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

где удельная теплоемкость дистиллята  взята при средней температуре (97,8+10)/2=53,9 ^ос.

Расход греющего пара, имеющего давление и влажность 5%:

А) в кубе-испарителе

где - удельная теплота конденсации греющего пара.

Б) в подогревателе  исходной смеси

Всего: 0,44+0,21=0,65 кг/с или 2,34 т/ч

Расход охлаждающей  воды при нагреве ее на 20 ^ос:

А) в дефлегматоре

Б) в водяном холодильнике дистиллята

В) в водяном холодильнике кубового остатка

Всего: 0,010+0,0004+0,005=0,0154м³/с или 55,44 м³/ч.

 

 

4.1 Расчет поверхности теплопередачи

 

4.1.1 Расчет поверхности теплопередачи подогревателя исходной смеси

 

Исходная смесь поступает в теплообменный аппарат с  и подогревается в нем до температуры кипения смеси . Для нагрева используем водяной пар с и давлением 4,5атм.

Выбираем противоточный  режим движения теплоносителей.

Температурная схема: 

 

 

 

 

 

Определяем среднелогарифмическую  разность температур:

 

Тепловая нагрузка нагрева исходной смеси определена выше и составляет . Принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи . Тогда ориентировочная поверхность теплообмена составит:

 

4.1.2 Расчет поверхности теплопередачи дефлегматора

 

Пары, выходящие верхом колонны, сначало необходимо сконденсировать, а потом охлаждать до необходимой  нам температуры.

Температура паров, выходящих  верхом колонны  . Пары будем охлаждать до 30⁰с. Дефлегматор охлаждается водой с . Вода нагревается на 20⁰с.

I. Конденсация паров смеси

 

 

 

 

 

 

II. Охлаждение конденсата смеси

 

 

 

 

 

Определяем среднелогарифмическую  разность температур:

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе . Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята . Принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи , . При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:

 

Тогда общая поверхность  теплообмена составит:

 

4.1.3 Расчет поверхности теплопередачи  ребойлера-кипятильника

 

Жидкость, выходящая из куба колонны  необходимо перевести в пар для  подддержания температуры низа колонны. Для нагрева используем водяной  пар с 

 

 

 

 

 

Определяем среднелогарифмическую  разность температур:

Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара . Принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи . Тогда ориентировочная поверхность теплообмена составит:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ  ИЗОЛЯЦИИ

 

Целью расчета тепловой изоляции является определение толщины  слоя теплоизоляционного материала, покрывающего наружную поверхность теплообменника с целью снижения тепловых потерь и обеспечения требований безопасности и охраны труда при обслуживании теплоиспользующих установок. С этой точки зрения температура поверхности слоя изоляции не должна превышать 45. Расчет толщины теплоизоляционного слоя материала можно проводить по упрощенной схеме, используя следующее уравнение:

где - коэффициент теплопроводности изоляционного слоя; - температура наружной стенки корпуса; - температура поверхности изоляционного слоя; - коэффициент теплоотдачи, определяющий суммарную скорость переноса теплоты конвекцией и тепловым излучением.

где

В качестве материала  изоляции выбираем совелит с  Температуру стенки - принимаем равной 95°C (близкой к средней температуре в кубе колонны). Температуру изоляционного слоя примем равной 45°C.

Т.к. наиболее горячая  часть колонны это куб, то для  всей остальной колонны можно  принять ту же толщину слоя изоляции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. КОНСТРУКТИВНО-МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

 

В задачу конструктивно-механического  расчета входит определение необходимых  геометрических размеров отдельных  деталей и узлов, которые определяют конструкцию колонны, ее механическую прочность и геометрические размеры.

 

6.1 Расчет толщины обечайки

 

Толщина обечайки рассчитывается по формуле:

где - наружное давление,

Т.к. среда является агрессивной  и токсичной, то принимаем материал стали 12х18Н10Т, для которой .