Расчет ректификационной колонны

 Па.

Сопротивление газожидкостного  слоя принимаем равным:

,                                            (1.34)

где hпж – высота парожидкостного  слоя, м; ; k — отношение плотности  пены к плотности чистой жидкости, принимаем к=0,5; h— высота уровня жидкости над сливным порогом, м. По таблице 3 [7] h=0,01м.

Подставив, полученные значения получим гидравлическое сопротивление:

 Па.

Сопротивление всех тарелок  колонны:

,                                                             (1.35)

где п— число тарелок.

 Па.

1.7 Проверка расстояния  между тарелками

Минимальное расстояние между  тарелками должно обеспечить работу гидравлического затвора на тарелке. Проверим, соблюдено ли при расстоянии Н=0,3 м - необходимое для нормальной работы тарелок условие:

,                                               (1.36)

.

Так как 0,3>0,0846 условие выполняется, расстояние подобрано верно.

1.8 Тепловые расчеты

Целью расчета является определение  расхода греющего пара на обогрев  колонны. По диаграмме t- x- y  находим температуру кипения и соответствующую ей удельную теплоемкость:

Исходной смеси:

tF=85°  C

с в=4357,6 Дж/(кг·К)

с э=3289,2 Дж/(кг·К)

Дистиллята:

tD=79°  C

с в=4231,9 Дж/(кг· К)

с э=3226,3 Дж/(кг· К)

Кубового остатка:

tW=99°  C

с в=4609 Дж/(кг·К)

с э=3477,7 Дж/(кг·К)

Для расчета удельных теплот испарения смесей этанола с водой  принимаем следующие значения чистых веществ [6]:

rвF=1961·103 Дж/кг

rэF=822·103 Дж/кг

rвD=2009·103 Дж/кг

rэD=844·103 Дж/кг

rвW=1936·103 Дж/кг

rэW=815·103 Дж/кг

Расчет ведем на массовые количества:

,                                      (1.37)

.                                    (1.38)

Для исходной смеси при  =28 %:

 Дж/(кг·К),

Для дистиллята при  =86 %:

 Дж/(кг·К),

Дж/кг

Для кубового остатка  =0.5%:

cw=3477.7·0.005+4609(1-0.005)=4603 Дж/(кг·К),

Расход теплоты на испарение  исходной смеси определяем по формуле:

,                                                  (1.39)

где GД – расход дистиллята, кг/с.

кВт.

Расход теплоты на испарение  дистиллята определяем по формуле:

                                  (1.40)

кВт.

Расход теплоты на нагревание остатка определяем по формуле:

                                      (1.41)

кВт.

Общий расход теплоты в  кубе колонны (без учёта потерь в  окружающую среду):

                                  (1.42)

 кВт.

С учётом 3% потерь в окружающую среду общий расход теплоты:

 кВт.                                              (1.43)

Давление греющего пара P=300 кПа, (3 атм) по табл LVII [4] соответствует  удельная теплота конденсации rгр=2171·103 Дж/кг

Расход греющего пара:

,                                                               (1.44)

 кг/с.

1.8.1 Расчёт и  выбор теплообменного аппарата  для подогрева исходной смеси

Необходимые для расчета  заданные параметры:

GF=3,06 кг/с;

tсм=20°C;

аF=28%;   tF=95,6°C;

P=300кПа.

Целью теплового расчёта  является определение необходимой  площади теплопередающей поверхности, соответственно при заданных температурах оптимальными гидродинамические условия  процесса и выбор стандартизованного теплообменника.

Из основного уравнения  теплопередачи:

                                                (1.45)

где F – площадь теплопередающей  поверхности, м2;

Q – тепловая нагрузка  аппарата;

К – коэффициент теплопередачи  Вт, (м2·к);

∆tср средний температурный  напор, °К.

Определяем тепловую нагрузку:

,                                       (1.46)

где Gхол – массовый расход этанола, кг/с;

схол – средняя удельная теплоёмкость этанола Дж/кг·с;

t2, t1 – конечная и начальная  температуры этанола, °С,

X= 1.05 – коэффициент учитывающий  потери тепла в окружающую  среду.

Средняя температура этанола:

,                                          (1.47)

.

Этому значению температуры  этанола соответствует значение теплоёмкости С=2933 Дж/кг·К:

Q=3,06·2933·(95,6-20) ·1,05=712·103 Вт.

Расход пара определяем из уравнения:

Q=D·r,                                                         (1.48)

D – расход пара, кг/с;

r – средняя теплота  конденсации пара Дж/кг.

Из формулы (1.48) следует, что 

,

.

Расчёт температурного режима теплообменника.

Цель расчёта – определение  средней разности температур ∆tср  и средних температур теплоносителей tср1 и tср2.

Для определения среднего температурного напора составим схему  движения теплоносителей (в нашем  случае схема противоточная)

Тн=132,7 пар Тн =132,7°С

∆tм = Тн - tк =132,7-85=47,7

∆tб = Тн – tн =132,7-20=112,7

.

tк=85 этиловый спирт tн  =20°С 

∆tм = 47,7

∆tб = 112,7

Тн выбираем по табл. XXXIX [4]

tср1 = Тн=132,7 °С, т.к. температура  пара в процессе конденсации  не меняется.

т.к  , то

                    (1.49)

,

∆ tср= tср1-tср2=132,7-75,8=56,9°С.

Температура одного из теплоносителей (пара) в аппарате не изменяется, поэтому  выбор температурного режима окончателен.

Ориентировочный расчёт площади  поверхности аппарата. Выбор конструкции  аппарата и материалов для его  изготовления.

Ориентировочным расчётом называется расчёт площади теплопередающей  поверхности по ориентировочному значению коэффициента теплопередачи К, выбранному из [4]. Принимаем  К=900 Вт/(м2К), тогда ориентировочное значение площади аппарата вычислим по формуле (1.45):

                                       (1.50)

,

Учитывая, что в аппарате горячим теплоносителем является пар, для обеспечения высокой интенсивности  теплообмена со стороны метанола необходимо обеспечить турбулентный режим  движения и скорость движения метанола в трубах аппарата 2= 1,0 м/с [4].

Для изготовления теплообменника выбираем трубы стальные бесшовные  диаметром 25х2мм. необходимое число  труб в аппарате n, обеспечивающее такую  скорость, определим из уравнения  расхода:

                     (1.51)

.

Такому числу труб в  одном ходе n=12 шт, и площади поверхности  аппарата F=13,9≈14 м2 по ГОСТ15118-79 и ГОСТ 15122-79 наиболее полно отвечает двухходовой  теплообменник диаметром 325 мм, с  числом труб 56 (в одном ходе 28 шт.), длинной теплообменных труб 4000 мм и площадью поверхности F=13м2.

1.8.2 Расчет дефлегматора

Тепловую нагрузку дефлегматора определим из теплового баланса.

Таблица 2— Тепловой баланс для дефлегматора

Приход теплоты	Расход теплоты
1. С паром из колонны 2. С охлаждающей водой	3. С дистиллятом 4. С охлаждающей водой

Приход теплоты

Расход теплоты

1. С паром из колонны

2. С охлаждающей водой

3. С дистиллятом

4. С охлаждающей водой

Потерями теплоты в  окружающую среду пренебрегаем.

Тепловой баланс:

,                                                 (1.52)

,                       (1.53)

откуда расход охлаждающей  воды на дефлегматор:

.                                             (1.54)

Количество паров, поднимающихся  из колонны:

,                                                        (1.55)

 кг/с.

Скрытую теплоту конденсации  паровой смеси в дефлегматоре определяем по формуле:

,                                                 (1.56)

где rДэ=852·103 Дж/кг,  rДв=2307·103 Дж/кг при  tД=79ْ С.

 Дж/кг.

Принимаем температуру охлаждающей  воды на входе в дефлегматор tн=9ْ  С, на выходе tк=29ْ С, тогда расход воды на дефлегматор составит:

 кг/с.

 

1.8.3 Выбор холодильника  дистиллята

Расход воды на холодильник  определяем из уравнения теплового  баланса

Таблица 3—Тепловой баланс

Приход теплоты	Расход теплоты
1. С дистиллятом 2. С охлаждение волы	3. С охлажденным дистиллятом 4. С охлаждающей водой

Приход теплоты

Расход теплоты

1. С дистиллятом

2. С охлаждение волы

3. С охлажденным дистиллятом

4. С охлаждающей водой

Тепловой баланс:

                           (1.57)

Подставляя в последнее  уравнение вместо , выражения из теплового баланса и решая его относительно расхода охлаждающей воды, имеем:

                            (1.58)

где сд – теплоёмкость дистиллята при его средней температуре. Дано tод охлаждения дистиллята t=35,0°С.

.

Теплопроводность дистиллята при этой температуре 

,                                     (1.59)

где ;  

,

,

(начальные конечные температуры  принимаем такими же, как в  дефлегматоре)

1.8.4 Холодильник  кубового остатка

Таблица 4—Тепловой баланс для холодильника кубового остатка

Приход теплоты	Расход теплоты
1. С кубовым остатком 2. С охлаждение волы	3. С охлажденным кубовым  остатком 4. С охлаждающей водой

,   .60)

Подставим в это уравнение  вместо , выражение  теплового  баланса и, решая его относительно расхода охлаждающей воды, получим:

,                (1.61)

где  - теплоёмкость кубового остатка при его средней температуре tхиср,

.

Конечная температура  кубового остатка задана 45°С:

,

1.8.5 Кипятильник  колонны

Тепловая нагрузка кипятильника колонны определялась ранее Q=5590,6 кВт, средняя разность температур в кипятильнике – разность между температурой греющего пара при Р=0,3МПа и температурой кипения кубового остатка:

При ориентировочно принятом значении коэффициента в кипятильнике к=1500 Вт(м3к) площадь поверхности  теплообменника составит:

                              (1.62)

 

2. Конструктивный  расчёт ректификационной колонны

2.1 Расчёт диаметров  штуцеров, подбор фланцев

Рассчитаем диаметры основных штуцеров, через которые проходят известные по величине материальные  потоки, а именно: штуцер подачи  исходной смеси, штуцеры выхода паров из колонны, штуцер выхода кубового остатка.

Независимо от назначения штуцера его диаметр рассчитывают из уравнения расхода:

,                                (2.1)

где V – объёмный расход среды  через штуцер, м3/с;  – скорость движения среды в штуцере, м/с;

;

Штуцер подачи исходной смеси

                                                    (2.2)

,

при

 

;

,

.

Принимая  XF=1,5м/с, получим:

.

Стандартный размер трубы  для изготовления штуцера по ГОСТ 9941-62, 70x3 (внутренний диаметр dвн=70-3·2=64мм).

Скорость движения питательной  смеси в штуцере:

,                                                           (2.3)

.

Штуцер подачи флегмы:

 ,                                                        (2.4)

При

.

Принимаем XR=1,0м/с,

Тогда

Стандартный размер трубы  для изготовления штуцера по ГОСТ 9941-62, 70x3 (внутренний диаметр dвн=70-3·2=64мм).

Скорость движения флегмы в штуцере:

                                     (2.5)

Штуцер выхода кубового остатка:

,                                                                (2.6)

При

плотность воды .

.

Принимаем XW=0,5м/с,

Тогда

.

Стандартный размер трубы  для изготовления штуцера по ГОСТ 9941-62, 95x4 (внутренний диаметр dвн=95-4·2=87мм=0,087м)

Скорость движения кубового остатка в штуцере:

.

Штуцер выхода паров из колонны:

,                             (2.7)

.

Определяем среднюю плотность  пара для верхней и нижней части  колонны:

,                              (2.8)

.

Принимаем у=25 м/с.

.

Выбираем стальную электросварную прямошовную ГОСТ10704-81 630х16, внутренний диаметр которой равен dвн=630-16·2=598 мм. Следовательно, скорость паров в штуцере:

,                              (2.9)

Для всех штуцеров выбираем стандартные фланцы тип 1[9]. Для штуцера  подачи исходной смеси и флегмы выбираем фланец (ГОСТ 1235-54) с основными размерами dв=72мм, D1=130мм, D=160мм, b=11мм, D2=110мм, h=3мм, d=12мм, n=8шт. Фланец штуцера кубового остатка dв=97мм, D1=160мм, D=195мм, b=22мм, D2=138мм, h=4мм, d=16мм, n=8шт. Фланец штуцера для выхода паров  из колонны  dв=634мм, D1=740мм, D=770мм, b=11мм, d=24мм, n=20шт, (ГОСТ1255-54). Уплотнительный материал принимаем паронит марки ПОН (ГОСТ481-80).

3.1 Гидравлический  расчёт

Цель гидравлического  расчёта – определение величины сопротивлений различных участков трубопроводов и теплообменника и подбор насоса, обеспечивающего  заданную подачу и рассчитанный напор  при перекачке этанола.

Различают два вида сопротивлений (потерь напора): сопротивления трения (по длине) h1 и местные сопротивления hмс.

Для расчёта потерь напора по длине пользуются формулой Дарси-Вейсбаха.

,                               (3.1)

где λ – гидравлический коэффициент трения;

l – длина трубопровода  или тракта по которому протекает  теплоноситель, м;

d – диаметр трубопровода, м;

 - скоростной коэффициент напора, м.

Для расчёта потерь напора в местных сопротивлениях применяется  формула Вейсбаха:

,                                (3.2)

где ξ – коэффициент  местных сопротивлений;

 - скоростной напор за местным  сопротивлением, м.

3.1.1 Определение  геометрических характеристик трубопровода