Проектирование и автоматизированный расчёт ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси ацетон – этан

 

Гидравлическое сопротивление  газожидкостного слоя на тарелке  для нижней части колонны по формуле (3.70) равно

 

.

 

Гидравлическое сопротивление, обусловленное  силами поверхностного натяжения, определяется по формуле

 

,                                             (3.71)

 

где - эквивалентный диаметр, м.

Эквивалентный диаметр для колпачковой  тарелки определятся по формуле

 

,                                             (3.72)

 

где - площадь свободного сечения прорези, м²;

- периметр прорези, м.

Площадь свободного сечения прорези  определяется по формуле

 

,                                            (3.73)

.

 

Периметр прорези определяется по формуле 

 

,                                    (3.74)

.

 

Эквивалентный диаметр по формуле (3.72) равен

 

.

 

Гидравлическое сопротивление, обусловленное  силами поверхностного натяжения, для верхней части колонны по формуле (3.71) равно

 

.

 

Гидравлическое сопротивление  тарелки верхней части колонны  по формуле (3.68) равно

 

.

 

 

 

Гидравлическое сопротивление  тарелки нижней части колонны  по формуле (3.68) равно

 

.

 

Гидравлическое сопротивление  тарелок колонны определяется по формуле (3.67) равно

.

 

3.1.6 Тепловой расчет установки

 

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

 

                                             ,                                     (3.73)

 

здесь = ,

где и – удельные теплоты конденсации ацетона и этанола при ⁰C.

= .

 

Определим по формуле (3.73) расход теплоты

 

.

 

 

 

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

 

                          ,            (3.74)

Здесь тепловые потери приняты в размере 3 % от полезно затрачиваемой теплоты; удельные теплоемкости взяты соответственно при ⁰С; ⁰C; ⁰С; Температуры определены из t-x-y диаграммы.

Расход теплоты в паровом  подогревателе исходной смеси:

 

,                                   (3.75)

 

Здесь тепловые потери приняты в  размере 5 %, удельная теплоемкость исходной смеси взята при средней температуре.

Температурная схема процесса:

 

99,6 99,6 = t_конд

 20             66,7

 

∆t_б=99,6-20=79,6;

∆t_м=99,3-66,7=32,9.

 

где и - соответственно большая и меньшая разность температур, ^оС.

Средняя разность температур:

 

∆t_ср = ,                                             (3.76)

∆t_ср =

Средняя температура  питания:

 

,                                         (3.77)

.

 

Удельная теплоемкость:

 

,                                  (3.78)

 

Из уравнения (3.75 ) найдем:

 

.

 

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей  воде в водяном холодильнике дистиллята:

 

,                                       (3.79)

 

Температурная схема процесса:

 

58,6 25 = t_кон

                                      t_{кон.воды}=40                   20= t_{нач.воды}

 

 

∆t_б=58,6-40=18,6;

∆t_м=25-20=5.

 

Из уравнения (3.76) найдем среднюю разность температур

 

∆t_ср =

 

Средняя температура воды:

 

,                                 (3.80)

.

 

Средняя температура дистиллята:

 

,                                         (3.81)

.

 

Удельная теплоемкость дистиллята при средней температуре найдем по формуле (3.78)

.

 

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей  воде в водяном холодильнике дистиллята по формуле (3.79) равен

 

.

 

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

 

.                                    (3.82)

 

Температурная схема процесса:

 

77,1 25 = t_кон

                                      t_{кон.воды}=40                   20= t_{нач.воды}

 

 

;

.

Из уравнения (3.76) найдем среднюю разность температур

 

∆t_ср =

.

 

Найдем среднюю температуру кубового остатка по формуле (3.81)

 

t'_w=30+16,016=46,016.

 

Удельная теплоемкость кубового остатка при средней температуре по формуле (3.78)

 

.

 

 

 

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей  воде в водяном холодильнике дистиллята по формуле (3.82) равен

 

.

 

Расход греющего пара, имеющего Р_абс=0,1 мПа и влажность 5 %:

              в кубе испарителе:

 

,                                           (3.83)

,

 

где кДж/кг – удельная теплота конденсации греющего пара при t_конд=99,6 ⁰С.

       – сухость греющего пара.

                         в подогревателе исходной смеси по формуле (3.83)

 

.

 

В итоге расход греющего пара составит 0,977+0,195=1,171 кг/с или 4,2 т/ч.

Расход охлаждающей воды при нагреве её на 20 ⁰С:

              в дефлегматоре:

 

,                                           (3.84)

 

 

 м³/с.

 

где - теплоемкость воды, Дж/(кг К)

      - плотность воды, кг/м³

                         в водяном холодильнике дистиллята по формуле (3.84)

 

 м³/с.

 

                         в водяном холодильнике кубового остатка по формуле (3.84)

 

м³/с.

 

В итоге расход охлаждающей воды составит 0,0288 м³/с  или 104 м³/ч. 

 

3.2 Расчёт и подбор теплообменной аппаратуры

 

 

3.2.1 Подогреватель исходной  смеси

 

Рассчитаем теплообменный аппарат  для подогрева питающей смеси  перед подачей в колонну до температуры кипения. Нагрев производится греющим паром с абсолютным давлением 0,1 МПа. Расход питающей смеси 3,2 кг/с.

Для расчёта выберем  кожухотрубчатый теплообменник. Направим исходную смесь в трубное пространство, а греющий пар – в межтрубное пространство теплообменника. Примем для межтрубного пространства индекс «1», для трубного – «2».

Средняя температура подогреваемой  смеси t₂ = t’_f = 46,737 ⁰С. Средняя разность температур = 52,865. Температура конденсации греющего водяного пара t₁ = t_конд = 99,6 ⁰С. Расход теплоты на нагрев смеси Вт.

Объёмный расход питающей смеси  определяется по формуле

 

,                                             (3.85)

 

где - плотность питающей смеси при средней температуре, кг/м³.

Плотность чистого ацетона при 46,737 ^оС [3].

Плотность чистого этанола при 46,737 ^оС [3].

Плотность питающей смеси равна

 

,                                        (3.86)

.

 

Объёмный расход питающей смеси  по формуле (3.85) равен

 

.

 

Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Для этого можно использовать соотношение

 

.                                                (3.87)

 Минимальное значение коэффициента  теплопередачи в случае теплообмена от конденсирующегося водяного пара к органическим жидкостям Вт/(м²∙К) [3]

Максимальную величина площади поверхности теплообмена по формуле (3.87) равна

 

.

 

Для обеспечения турбулентного  течения жидкости при  скорость в трубах должна быть больше скорости , определяемой по формуле

 

,                                         (3.88)

 

где  - динамический коэффициент вязкости питающей смеси, Па∙с;

  - внутренний диаметр труб, м.

Динамический коэффициент вязкости ацетона при 46,737 ^оС кПа∙с.

Динамический коэффициент  вязкости этанола при 46,737 ^оС кПа∙с.

Динамический коэффициент вязкости питающей смеси по формуле (3.27) равен

 

.

 

Выберем диаметр труб теплообменника мм. Скорость в трубах по формуле (3.88) равна

 

.

 

Число труб , обеспечивающих объёмный расход смеси при Re=10000 определим по формуле

 

,                                       (3.89)

   

.

 

Условию n < 35,06 и F < 65,88 м² удовлетворяет двухходовой теплообменник с линзовым компенсатором диаметром 325 мм с числом труб на один ход трубного пространства n = 28 (общее число труб 56) и длиной труб L = 4 м [3]. Площадь тепообмена 17,5м²

Уточним значение критерия Рейнольдса по соотношению

 

,                                      (3.90)

.

Критерий Прандтля для питающей смеси определяется по формуле

 

,                                            (3.91)

 

где - коэффициент теплопроводности питающей смеси при 46,737 ^оС, Вт/(м∙К).

 

 

 

 

Коэффициент теплопроводности питающей смеси определяется по формуле

 

,                                    (3.92)

 

где - коэффициент теплопроводности компонента смеси, Вт/(м∙К);

Коэффициент теплопроводности питающей смеси по формуле (3.92) равен

.

 

Критерии Прандтля по формуле (3.91) равен

 

.

 

Расчётная формула для критерия Нуссельта имеет вид

 

,                         (3.93)

 

где    - критерий Прандтля при температуре стенки;

- коэффициент, вводимый, если  перед обогреваемым участком  нет участка гидродинамической  стабилизации.

Коэффициент принимаем равным 1 [3].

Отношение принимаем равным 1,09 с последующей проверкой.

 

Критерий Нуссельта по формуле (3.93) равен

 

.

 

Коэффициент теплоотдачи для питающей смеси определяем по формуле

 

,                                          (3.94)

    

.

 

Коэффициент теплоотдачи для греющего пара определим по формуле

 

.                       (3.95)

 

Коэффициент теплоотдачи для греющего пара по формуле (3.95) равен

 

.

 

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара Вт/(м²∙К) [3], со стороны питающей смеси Вт/(м²∙К) [3]. Коэффициент теплопроводности стали Вт/(м∙К) [3].

 

 

 

 

 

Сумма термических сопротивлений  стенки и загрязнений ( со стороны греющего пара и подогреваемой смеси) определим по формуле

 

,                                 (3.96)

 

где - толщина стенки, м.

Сумма термических сопротивлений  стенки и загрязнений по формуле (3.90) равна

 

.

 

Коэффициент теплопередачи определим  по соотношению

,                                    (3.97)

.

 

Поверхностная плотность теплового  потока определяется по формуле

 

,                                            (3.98)

.

 

Величина  определяется по формуле

 

,                                            (3.99)

.

 

Температура стенки определяется по формуле

 

,                                          (3.100)

.

 

Критерий Прандтля стенки определяется по формуле

 

,                                     (3.101)

 

где   - средняя удельная теплоёмкость питающей смеси при температуре стенки, Дж/(кг∙К);

 - динамический коэффициент вязкости питающей смеси при температуре стенки, Па∙с;

- коэффициент теплопроводности  питающей смеси при температуре стенки, Вт/(м∙К).

Средняя удельная теплоёмкость ацетона при 83,79 ^оС Дж/(кг∙К).