Расчет ректификационной установки

  

  Уравнение рабочей линии:

  

  

 

3.3 Расчёт высоты  ректификационной  колонны

  

  Высота  ректификационной колонны определяется числом действительных тарелок или  ступеней изменения концентраций. До настоящего времени нет точного  и простого теоретического метода расчёта  числа тарелок, поэтому надёжные результаты при проектировании могут  быть получены опытными методами. Если опытные данные отсутствуют, то высоту колонны можно рассчитать только приближенно. Из существующих методов  расчёта числа рабочих тарелок  наиболее распространены следующие  методы:

  метод теоретической тарелки, рекомендуется  применять при наличии сведений о средних КПД колонны;

  метод кинетической кривой, рекомендуется  использовать при наличии данных о КПД тарелок. Этот метод даёт более надёжные результаты определения  числа тарелок.

 

3.3.1 Исходные данные  для расчёта размеров  колонны

  Физические  величины по высоте колонны переменны, поэтому для расчёта вычисляют  их средние значения. При этом для  жидкой смеси определяют:

  · средние составы в верхней  и нижней частях колонны

  

  

  · средние температуры жидкостей: t_{ср. в} и t_{ср. н} для Х_{ср. в} и Х_{ср. н} по диаграммеt-x,y

  

  Средние плотности жидкостей   для Х_{ср. в} и   для Х_{ср. н} по формуле при условии аддитивности объёмов:

   .

  Таким образом,

  

  Средний объёмный расход жидкости для верхней  и нижней части колонны:

  

  

  Для смеси паров: средние составы  пара в верхней части колонны   и в нижней части   находят по соответствующим уравнениям рабочих линий по Х_{ср. в} и Х_{ср. н}.

  

  Средние температуры пара в верхней и  нижней части колонны t_{ср. в} и в нижней частиt_{ср. н} находят по диаграмме t-x,y: 

  Средние молекулярные массы 

  

  Средние плотности пара   находим по формуле:

  

  где Т₀ - температура потока при нормальных условиях,

  р - давление потока, Па, р₀ - давление потока при нормальных условиях 

     

3.3.2 Расчёт диаметра  ректификационной  колонны

  Ориентировочный диаметр ректификационной колонны  определяют из уравнения расхода  по среднему массовому потоку пара:

   , либо  , где

   - диаметр ректификационной колонны,

   - расход пара, л/с,

   - скорость пара, м/с,

  V₀ - объёмный расход пара, м³/с,

    - средняя плотность жидкости  в колонне.

  

  Скорость  движения паров по колонне для  колечковых тарелок выбираются по графику   в зависимости от расстояния между тарелками.

  

3.3.3 Построение кинетической  кривой

  Для построения кинетической кривой по диаграмме x-y проводят произвольно вертикальные отрезки между равновесной и рабочими линиями. Эти отрезки делят в отношении, равном коэффициенту обогащения тарелки С_y:

  

  где n_оу - число единиц переноса, рассчитываемое по уравнению:

  

  Коэффициент  , где F_Т - рабочая площадь тарелки, F_К - площадь сечения колонны.

  В среднем φ принимают равным 0,8¸0,9.  

  V (С₆Н₅Cl) = 6∙14,8 + 5∙3,7 + 24,6 = 131,9;

  V (С₆Н₅CН₃) = 6∙14,8 + 5∙3,7 + 14,8 + 3∙3,7 = 133,2.

  По  известному значению С_y определяют и откладывают на диаграмме отрезки ВС. Через полученные точки В проводят кинетическую кривую  . Затем в пределах концентраций  производят ступенчатое построение ломаной линии. Число ступеней этой линии даёт число тарелок для верхней и нижней частей колонны N.

  При выражении движущей силы через жидкую фазу между равновесной и рабочей  линиями проводят ряд горизонтальных отрезков, которые делят также  в отношении С_y. Дальнейшее построение осуществляется способом, описанным выше.

  Для определения С_y необходимо рассчитать коэффициент массопередачи К_у (кмоль/м²с):

   ,

  где m - коэффициент распределения, определяющий тангенс угла наклона равновесной линии:

  

  Коэффициент пароотдачи в паровой фазе:

  

  Критерий  Рейнольдса вычисляют по формуле

   ,

  где  - вязкость парового потока, Па∙с.

  Коэффициент масоотдачи в жидкой фазе

   .

  Критерий  Прандтля:

  

  

  

  Далее,

  

  Расчёт А:

  

     

  Z действительных тарелок = 28.

3.3.4 Высота тарельчатой  части колонны  

   ,

  Где h - расстояние между тарелками, мЖ

  N - число действительных тарелок. Таким образом,   

  Н_Т = 0,6 (28-1) = 16,2 м.

 

3.3.5 Общая высота колонны

   ,

  где

  Н_{к. в.,} Н_{к. н.} - высота цилиндрической части колонны над и под тарелками.

     

3.4 Тепловой расчёт

  Эта часть расчёта содержит: определение  расхода греющего пара на куб колонны, расчёт поверхности теплопередачи  и размеров подогревателя кубы колонны, толщины слоя изоляции.

3.4.1 Определение расхода  греющего пара

  Составляем  тепловой баланс колонны.

  Приход  тепла: с исходной смесью  где

  

  

  Расход  тепла: с паром, направляющимся из колонны  в дефлегматор

  

     

3.4.2 Определение поверхности  теплоотдачи испарителя

  Поверхность нагрева испарителя определяется из основного уравнения теплоотдачи. В это уравнение в этом случае подставляются:

     

3.4.3 Определение толщины  слоя изоляции

  Толщину слоя изоляции определяют по упрощённому  уравнению для плоской стенки

  

     

3.5 Конструктивный расчёт  тарельчатых ректификационных  колонн

  Колпачковая тарелка включает в себя следующие основные детали: паровые патрубки, колпачки, сливные патрубки или переточные пороги.

  При определении количества паровых  патрубков, колпачков и количества сливных патрубков вначале производят проверочный расчёт, а затем по нормалям НИИХИММАШа выбирают их окончательные размеры и число. Живое сечение φ₀ всех паровых патрубков на тарелках принимается равным 10-20% от живого сечения колонны. Диаметры паровых патрубков по нормалям НИИХИММАШа рекомендуется брать при изготовлении их из углеродистых сталей 57/3,5 и 70/4 и из нержавеющих сталей 57/3 и 70/3 мм.

  Задавшись диаметром парового патрубка, определяют их количество на тарелке:

  

  где F_n - общее сечение паровых патрубков, м²;

  ƒ_n - сечение одного патрубка, м².

  Скорость  пара в паровом патрубке должна быть в пределах 3-8 м/с. Поэтому необходимо делать проверочный расчёт и определить фактическую скорость пара. Если она не лежит в допустимых пределах, необходимо задаться новым диаметром патрубка и сделать перерасчёт.

  Диаметр колпачка вычисляют из условия равенства  скорости пара в патрубке и в кальциевом сечении между паровым патрубком  и колпачком:

  

  где d_n - толщина стенки патрубка (1¸3 мм).

  Возвышение  колпачка над паровым патрубком, мм:

  

  Возвышение  нижнего края зубца колпачка под  тарелкой S_к = 5 мм. Возвышение уровня жидкости над верхним обрезом прорезей колпачков h_ср = 15-40 мм.

  Размеры прорезей в колпачках лежат в  пределах:

  l - высота - 10-50 мм;

  b - ширина - 2-7 мм.

  Расстояние  между прорезями - 3-4 мм.

  При размещении колпачков на вершинах правильных треугольников минимальный шаг  колпачков рассчитывают по зависимости:

  

  где l₂ - минимальный зазор между колпачками (12,5¸0,25 мм),

  d_к - толщина стенки колпачка (1¸3 мм).

  Диаметр сливного патрубка, мм:

  

  где w_сл - скорость жидкости в сливном патрубке, м/с (можно принять 0,1-0,2 м/с).

  Высота  уровня жидкости над сливным патрубком:

  

  Расстояние  от нижнего торца сливного патрубка до тарелки:  

  S₁ = 0,25∆h

  Возвышение  верхнего торца сливного патрубка над  тарелкой:

  

  Расстояние  от оси сливного патрубка до оси  ближайшего колпачка: