Ректификационная колонна непрерывного действия

Вверху колонны при              

Внизу колонны при 

Определим среднюю плотность паров  внизу и вверху колонны:

₍₈₎

Средняя плотность пара в колонне:

₍₉₎

Определим плотность жидкости, находящейся  в колонне:

Вверху колонны при 

Внизу колонны при 

Средняя плотность жидкости в колонне:

₍₁₀₎

2.1. Определение скорости пара и диаметра колонны.

 

Фиктивную скорость пара (она же предельно - допустимая) можно рассчитать по различным  методикам, изложенным в справочной литературе. При этом, скорость рассчитывается по формуле:

             (11)                        

здесь w₀  - скорость пара в м/с; Где С₀-коэфициэнт пропорциональности.

_{Диаметр вычисляется  по формуле:}

 

₍₁₂₎ 

_{Определим объемный расход:}

_{Для верха:}

₍₁₃₎

 

     _{Для низа:}

₍₁₄₎

_{Gн и Gв- средние массовые потоки пара.}

_{Рассчитаем коэффициент  пропорциональности:}

 

_{Верх колонны:}

₍₁₄₎

_{Низ колонны:}

_{Где К1,К2,С1,С2 при расстояние между тарелками H≥0.35м[3].}

 

_{λ рассчитывается по формулу:}

  

 

 

_{Где L расход жидкости для верха и низа:}

 

 

_{Где f :}

_{Расчет фиктивной  скорости:}

_{Для верха:}

 

 

_{Для низа:}

 

_{Определяем диаметр  веха и низа колоны:}

_Верх:

 

 

_Низ:

 

Исходя из табл. 2.9 [6] примем D=2200мм.

 

 

 

2.2 Определение действительного числа тарелок.

Действительное число тарелок  определяется по формулу:

.

Для определения КПД воспользуемся вспомогательный график, приведенный на рисунке 1.7[3.ст.11].

Для определения среднего КПД тарелок  находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов, и динамический коэффициент вязкости исходной смеси при средней температуре в колонне, равной 92.2^ос.

Рассчитываем средний коэффициент  относительной летучести:

 

 

Где и соответственно равновесные составы паровой и жидкой фаз на соответствующих тарелках.

 

Рассчитаем средний коэффициент  вязкости:

₍₂₁₎

Lgμ_см=-3.526

 

 

 

μ=0.3*10^-5Па учитывая что 1мПа≈1сП.

Из графика 1.7[6.ст11] определяем что η=0.5

Из графика 1.8 [6.ст12] водим поправку ₍₂₂₎;

 

;

 

Определим действительное число тарелок:

 

;

 

 

2.3 Определение высоты колонны

 

Определение высоты колонны проводится по следующему уравнению:

  (24)                                     

здесь Н_г=(N_g-1)×Н (25) -высота тарельчатой (рабочей ) части колонны, м;

          Z_в- высота сепарационный части над верхней тарелкой, м

         Z_Н-расстояние от нижней тарелки до днища колонны, м.

При диаметре колонны 

Тогда общая высота колонны составит:

                               3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ.

 

Гидравлическое сопротивление  тарелок колонны  определяется по формуле:

где  и - полное гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей, Па.

Полное гидравлическое сопротивление тарелки складывается из трех частей:

₍₂₅₎

где  -  гидравлическое сопротивление сухой тарелки;

       - гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке;

       - гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения. Сопротивление за счет поверхностного натяжения жидкости DР_s для колпачковых тарелок незначительно и им допускается пренебречь.

Гидравлическое  сопротивление сухой тарелки  рассчитывается по формуле:

₍₂₆₎

         - средняя скорость движения паров в колонне, м/с;

         - средняя плотность паров в колонне, кг/м³;

Тогда:

1. В верхней части колонны при Т=96:

2. В нижней части колонны при Т=98:

4. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

 

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

Здесь

где  и - удельные теплоты конденсации этанола и воды при 90^ос.

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

Расход теплоты в паровом подогревателе  исходной смеси:

Здесь тепловые потери приняты в  размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси  взята при средней температуре 61^ос.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей  воде в водяном холодильнике дистиллята:

где удельная теплоемкость дистиллята  взята при средней температуре (59+10)/2=34 ^ос.

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

где удельная теплоемкость дистиллята  взята при средней температуре (96+10)/2=53 ^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: 12.94+0,35=13.29 кг/с

Расход охлаждающей воды при  нагреве ее на 20 ^ос:

А) в дефлегматоре

Б) в водяном холодильнике дистиллята

В) в водяном холодильнике кубового остатка

Всего: 0,031+0,0014+0,00024=117.5 м³/ч.

 

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  [2].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.

 

                       Расчет теплообменного аппарата.

В основе расчета теплообменного аппарата лежит методическое указание процессы и аппараты химической технологии «основы гидравлики, теплопередача» Табличные значения взяты из[1].

Целью теплового расчета дефлегматора является определение поверхности   теплопередачи и подбор стандартного ( по ГОСТу) теплообменника.

Запишем уравнение теплопередачи:

    

Определяем  :

    

Определим температуру со стороны  горячего теплоносителя:

 

при конденсации горячего теплоносителя  теплоотдача от пара к стенке трубы  осуществляется через стекающую  жидкую пленку:

Рассчитаем среднюю температуру  раствора:

 

 

 

 

Рассчитываем тепловую нагрузку аппарата, для это составляем теловой баланс:

 

 

 

 

Составим таблицу 3 теплофизических величин для горячего и холодного теплоносителей:

Таблица 3.

Параметр	Размерность	Величина
		Для холодного  теплоносителя	Для горячего теплоносителя
ρ	кг/м3	905	790
μ	мПа*с	0.828	0.288
Cp	кДж/кг*К	4.19	2.03
λ	Вт/м*К	61.8*10-2	12.6*10-2

Теплофизические величины

Проводим ориентировочный  расчет поверхности теплообменника.

Для расчета принимаем коэффициент  теплопередачи:

Рассчитываем ориентировочные  Fmax и Fmin: 
           

В результате получаем интервал поверхности  теплопередачи:

Рассчитываем  число труб 1-го хода теплообменника.

Примем число Re в трубчатой зоне теплообменника 15000:

Определяем число труб:

Выбираем теплообменник [4.табл.11] D=600 мм, общее число труб z=198, длина труб L=3 м , поверхность теплообмена F=46 м².

Проводим уточненный расчет поверхности теплопередачи:

Для проведения уточненного расчета, сначала записываем уравнение теплоотдачи, рассчитываем коэффициент К.

 

_{Уточним значение критерия Re:}

;

 

 

n- число труб.

 

 

Критерий Прандтля характеризующий  поле теплофизических свойств:

 

 

Рассчитаем t_ст2:

 

 

 

При этой температуре С_р=4.19*10³Дж/(кг*К);

                                       ;

                                       ;

Рассчитаем Pr_ст:

 

 

 

 

 

Рассчитаем критерий Nu:

         Рассчитаем  α₂;

 

;

 

Уточненное значение К рассчитаем:

 

 

 

 

-  сумма  термических сопротивлений;

 

;

 

 

 

Где , , - примем из указаний[4.ст 27-28].

 

 

Определение минимальной расчетной  поверхности теплопередачи F_р:

 

Определим действительную поверхность  теплопередачи:

;

 

 

 

основные характеристики рекомендуемого теплообменника. Табл.4.

Диаметр кожуха(внутренний),мм	600
Общее число труб	198
Число труб на один ход	33
Длина труб, м	3
Поверхность теплообмена, м2	46
Тип аппарата	КН.КК

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                        

                                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                            Заключение.

Был произведен материальный и тепловой расчет ректификационной колонны непрерывного действия. Диаметр обечайки 2200 мм, ориентировочная высота колонны 6 м, тип тарелок – колпачковая, общее число тарелок -8.

 Рассчитана изоляция колонны, её толщина составляет 13 мм (в качестве изоляции был выбран совелит), а также произведен гидравлический расчет колонны.

Контроль процесса осуществляется: термометрами сопротивления, манометрами  и расходомерами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков  А.А. Примеры и задачи по  курсу процессов и аппаратов  химической технологии. -Л.: Химия, 1987.-576 с.

1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для ВУЗов.-Изд. 2-е. В 2-х кн.: Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические процессы и аппараты.-М.: Химия, 1995.-400 с.