Расчет ректификационной колонны

 

Где ζ – коэффициент сопротивления  тарелки равен 5[2];

      - высота прорези, м.

Тогда:

 

Площадь сечения всех прорезей рассчитаем по формуле:

 

Где – общее число колпачков на тарелке;

       – число прорезей в колпачке;

      – площадь прорези, м².

 

Отношения площади сечения прорезей к площади  поперечного сечения колонны:

 

Где – площадь поперечного сечения колонны.

 

Фактическая скорость пара в прорезях:

 

Полное  открытие прорезей будет обеспечено, так как 

 

3.5 Гидравлический расчет колонны

Гидравлическое  сопротивление колонны рассчитывается по формуле:

 

Где – действительное число тарелок;

       – гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки, Па.

Гидравлическое  сопротивление колпачковой тарелки найдем как:

 

Где – сопротивление сухой тарелки, Па;

       – сопротивление, вызванное силами поверхностного натяжения, Па;

       – статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке, Па.

Находим значение каждого из составляющих гидравлического сопротивления тарелки . Расчет ведем для нижней части колонны, имеющей максимальную нагрузку по жидкости.

Сопротивление сухой тарелки:

 

Сопротивление сил поверхностного натяжения:

 

Где * – поверхностное натяжение жидкости, Н/м;

       – эквивалентный диаметр отверстия, м.

Для колпачковых тарелок:

 

Где П – периметр прорези П=2(h_пр+b)=2(0,02+0,004)=0,048м (3.5.6)

        h_пр,b – высота и ширина прорези, м.

 

 

Сопротивление столба жидкости на колпачковой тарелке:

 

Где g – ускорение свободного паления, м/с²;

       к – относительная плотность  пены ( принимаем равное 0,5 [2]);

       l – расстояние от верхнего края прорези до сливного порога ( принимаем равное 0,02м [2]);

       ∆h – высота уровня жидкости над сливным порогом, м.

 

Где К – коэффициент учитывающий увеличение скорости и сужение потока жидкости в результате его стенками при подходе к сливной перегородке. Определяем по рис.12 [стр.46 -2]. К=1,03.

Тогда высота уровня жидкости:

 

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

 

Общее сопротивление тарелки:

 

Сопротивление всей тарельчатой части колонны:

 

Минимальное допустимое расстояние между тарелками, необходимое для нормальной работы тарелок:

 

 

Принятое  расстояние между тарелками h_м.т=450мм вполне обеспечит нормальную работу гидрозатвора в переливном устройстве тарелки.

3.6 Тепловой расчет ректификационной  колонны

Расход  тепла получаемый кипящей жидкостью от конденсирующегося пара в кубе-испарителе колонны:

 

Где – расход тепла, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, Вт;

       - тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт;

   – теплоемкость дистиллята, кубового остатка и исходной смеси, соответственно, Дж/кг*К.

 

Значение  теплоемкостей находим по формуле:

 

Где - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;

- массовые доли компонентов.

Температура смеси t_F=64,1°C, кубового остатка t_W=75,9°C и дистиллята t_D=36,9°C. Теплоемкости пентана и циклогексана определяем по номограмме XI [1].

Теплоемкости:

 

 

 

Количество  тепла, отнимаемого охлажденной  водой от конденсирующегося в  дефлегматоре пара:

 

Где – удельная теплота конденсации дистиллята:

 

 

Тепловые  потери колонны в окружающую среду:

 

Где – температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем равную 40°С [2],

       – температура воздуха в помещении , принимаем равную 20°С[2];

       α – суммарный коэффициент  теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/м²*К.

 

F_н. – наружная поверхность изоляции колонны, м².

 

 

Расход  тепла в кубе колонны с учетом тепловых потерь:

 

Расход  греющего пара при влажности 4%:

 

Расход  воды в дефлегматоре при нагревании ее на 20°С:

 

Где – теплоемкость воды.

Расход  воды в холодильнике дистиллята при  нагревании ее на 20°С:

 

Расход  воды в холодильнике кубового остатка  при нагревании ее на 20°С:

 

Общий расход воды в ректификационной установке:

 

или

 

3.7 Расчет тепловой изоляции  колонны

В качестве изоляции берем асбест (λ_из=0,151 Вт/(м*К)). Исходя из упрощенного соотношения (для плоской стенки) имеем:

 

Где – толщина изоляции, м;

       - температура внутренней поверхности изоляции, принимаем ее ориентировочно на 10-20°С ниже чем средняя температура в колонне =58°С.

Определяем  толщину изоляции:

 

Проверяем температуру внутренней поверхности  изоляции:

 

Расхождение: 58-57,97=0,03°С < 1°С.

При расхождении более чем на один градус расчет необходимо повторить, задаваясь  другими значениями температуры  внутренней поверхности изоляции.

 

4. Расчет  вспомогательного оборудования

Далее производим расчет всех теплообменников  ректификационной установки. Расчет одного теплообменника проводится в полном объеме, остальные по упрощенной схеме, с использованием ориентировочных  значений коэффициентов теплопередачи, приведенных в таблице 4.10 [1].

В качестве примера полного расчета  теплообменника приводим расчет дефлегматора для конденсации пара в верхней  части ректификационной колонны.

 

4.1. Расчет дефлегматора 

   В дефлегматоре конденсируется  пентан с небольшим количеством  циклогексана. Температура конденсации  паров дистиллята t_D=36,9. Температуру воды на входе примем 15°С, на выходе 25°С.

Составим  температурную схему процесса и  определим движущую силу процесса теплопередачи:

36,9                  36,9                                  

15                     25

 

Рассчитаем  максимальную поверхность дефлегматора при К=300:

 

Расход  воды в дефлегматоре:

 

Скорость  воды в трубах для условия Re > 10⁴:

 

Число труб диаметром 25×20 для условия Re > 10⁴ при заданном расходе воды:

 

Предварительно  принимаем четырехходовой дефлегматор с F=190м², L=6м, n=404 и D=800мм [стр.194].

Определим значение критерия Рейнольдса для принятого дефлегматора:

 

Рассчитаем  критерий Нусельта, приняв :

 

Определим коэффициент теплоотдачи для  воды

 

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося  пара к наружной поверхности труб (при разнице температур ∆t=2):

 

Плотность теплового потока:

 

Определяем  температуру стенки:

 

 

Проверяем отношение  при полученной температуре стенки, по номограмме [1] определяем значения критерия Прандтля стенки, получаем отношение , расхождение менее 5%, мы можем использовать полученную температуру стенки в дальнейших расчетах.

Коэффициент теплопередачи (по таблице XXVI [1] принимаем ) :

 

Рассчитываем  поверхность дефлегматора:

 

Таким образом для обеспечения заданных условий процесса турбулентного режима  течения воды может быть принят кожухотрубчатый четырехходовой дефлегматор с числом труб 404, длиной 3м и диаметром кожуха 800мм, а также площадью теплообменной поверхности равной 95 м².

Запас теплообменной поверхности составляет:

 

4.2 Расчет поверхности подогревателя 

В подогревателе исходная смесь нагревается  греющим паром до температуры  t_F.

Определим расход греющего пара в подогревателе:

100                 100                                           

20                  64

 

Где - тепло отнимаемое исходной смесью в подогревателе:

 

Где – теплоемкость исходной смеси:

 

Тогда:

 

 

 

Теплота греющего пара:

 

Поверхность подогревателя рассчитаем по следующей  формуле, принимая коэффициент теплопередачи  равный К=200 [1]:

 

Принимаем стандартный двухходовой подогреватель, с числом труб 442, диаметром кожуха 800мм, высотой 4м и поверхностью теплообмена 139м².

4.3 Расчет кипятильника 

Температурные условия процесса: кубовый остаток  кипит при 75,9°С. Согласно заданию  температура конденсации греющего пара равна 100°С. Следовательно средняя разность температур:

 

Тепловая  нагрузка:

 

По  таблице 4.10 [1] принимаем коэффициент теплопередачи равный 300 Вт/м²К, тогда поверхность кипятильника из основного уравнения теплопередачи:

 

Принимаем стандартный одноходовой кипятильник с поверхностью теплообмена 150 м², выстой 4м, диаметром кожуха 800мм и числом труб 473.

4.4 Расчет холодильника для дистиллята

В холодильнике происходит охлаждение дистиллята от температуры конденсации до 20°С.

36,9                20                               

25                   15

Количество  тепла, отнимаемого охлаждающей  водой от дистиллята в дефлегматоре:

 

Коэффициент теплопередачи принимаем равным 300 Вт/м²К.

Поверхность холодильника для дистиллята:

 

Принимаем стандартный одноходовой холодильник  с поверхностью теплообмена 9,5 м², диаметром кожуха 325 мм, высотой 1,5 м, числом труб 100 и диаметром труб 20×2мм.

4.5 Холодильник для кубового  остатка

В холодильнике кубового остатка происходит охлаждение кубовой жидкости от температуры  кипения до 30°С.

 

75,9               30                                      

25                  15

Количество  тепла, отнимаемого охлаждающей  водой от кубовой жидкости:

 

Принимаем коэффициент теплопередачи равный 250 Вт/м²К.

Поверхность холодильника:

 

Принимаем стандартный одноходовой холодильник  с поверхностью теплообмена 32м², диметром кожуха 400мм, высотой 3м, числом труб 111 и диаметром труб 25×2мм.

 

 

5. Расчет диаметров штуцеров колонны

                                                     1     G'

                                                                                     3

                                                                              G_ф

                             G_F

                                                4

                                                                             5

                                G’’                                            G_W

                                 2                                         

Рис1. – Схема расположения штуцеров на колонне

5.1 Выход паров дистиллята

Объемный  расход паров дистиллята определяется по формуле:

 

Где – массовый расход дистиллята;

       – мольная масса дистиллята.

Диаметр штуцера определяется как:

 

Где - скорость паров дистиллята. Принимаем равной 10м/с [2].

 

 

Стандартный значения принимаем по каталогу [ 3 – стр. 16-17 ].

Значение  стандартного диаметра штуцера для  выхода паров дистиллята 377×10мм.

5.2 Вход паров высококипящего  компонента

Объемный  расход паров ВК:

 

Где – массовый расход дистиллята;

        – мольная масса кубовой части.

Диаметр штуцера определяется как:

 

Где - скорость паров дистиллята. Принимаем равной 10м/с [2].

 

 

Значение  стандартного диаметра штуцера для  паров ВК 377×10 мм.

5.3 Вход флегмы

Массовый  расход флегмы:

 

Где – флегмовое число;

       – массовый расход дистиллята.

Диаметр штуцера для фхода флегмы рассчитываем по формуле:

 

Где – плотность НК при t_D;

       – скорость потока флегмы, принимаем равной 0,4 м/с [2].

 

Стандартный диаметр штуцера для входа  флегмы равен 108×5 мм.

5.4 Вход исходной смеси

Диаметр штуцера:

 

Где – массовый расход исходной смеси;

        - скорость потока исходной смеси, принимаем равной 1,8 м/с [2].

        - плотность исходной смеси при t_F. Рассчитаем по формуле:

 

 

 

Стандартный диаметр штуцера для исходной смеси равен 70×3мм.

5.5 Выход кубового остатка

Диаметр штуцера рассчитаем по формуле:

 

Где – массовый расход кубового остатка;

        – скорость потока кубового остатка, принимаем равной 0,4 м/с [];

        – плотность циклогексана при t_W=75,9°С.

 

Стандартный диаметр штуцера для выхода кубового остатка равен 133×4 мм.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В процессе расчета курсового были рассчитаны и подобраны: ректификационная колонна (D=1400мм, Н=11350мм) и дополнительное оборудование.

Дополнительное  оборудование включает в себя:

1. Дефлегматор ( четырехходовой теплообменник с поверхностью теплообмена F=95м² и диаметром кожуха D=800мм).
2. Холодильник для дистиллята (одноходовой теплообменник с поверхностью теплообмена F=9,5м² и диаметром кожуха D=325мм).
3. Холодильник для кубового остатка ( одноходовой теплообменник с поверхностью теплообмена F=32м² и диаметром кожуха D=400мм).
4. Кипятильник ( одноходовой теплообменник с поверхностью теплообмена F=150м² и диаметром кожуха D=800мм).
5. Подогреватель (двухходовой теплообменник с поверхностью теплообмена F=139м²  и диаметром кожуха D=800мм).