Расчёт ректификационной колонны, числа теоретических тарелок и других параметров в колонне

     (26)

Проверка:

0,26 > 0,255 > 0,25;

0,39 = 0,39.

1.6 Тепловой  баланс колонны

 

 

Принимаем температуру  холодного испаряющегося орошения t =40 ⁰С. Теплофизические свойства воды и уксусной кислоты представлены в таблице 1 приложении Б.

Тепловой поток, отводимый  водой в дефлегматоре, рассчитывается по уравнению:

,        (28)

при этом средние значения удельной теплоты испарения r_D и удельной теплоемкости с_D находятся по правилу аддитивности:

r_D =0,04

2152+0,96 374,9=446 кДж/кг;         (29)

с_D =0,04

4,18+0,96 2,2=2,3    кДж/кг;              (30)

Энтальпия сырья i_F дистиллята i_D, кубовой жидкости i определяются по правилу аддитивности при соответствующей температуре:

i_F =(0,75

4,18+0,25 2,2) 60= 219 кДж/кг ;   (31)

i_D =(0,96

4,23+0,04 2,33) 100= 419 кДж/кг;    (32)

 i_W =(0,01 4,23+0,99 2,4) 120= 290 кДж/кг.     (33)

С учетом тепловых потерь, принятых равными 5% от полезно используемого расхода теплоты, тепловой поток в кипятильнике, исходя из уравнения теплового баланса, составит:

 

;     (34)

В качестве теплоносителя  в кипятильнике колонны принимаем  насыщенный водяной пар с абсолютным давлением 0,294 МПа (3 атм) и степенью сухости =95%. Такой пар имеет температуру 132,9⁰С, энтальпию I =2730 кДж/кг; энтальпия конденсата I =558,9 кДж/кг. Расход водяного пара G_Т в кипятильнике колонны согласно уравнению (35) составит:

                     

   (35)

Принимаем, что вода в  дефлегматоре нагревается от t = 25 ⁰С до t_к = 38 ⁰C. Тогда расход воды в дефлегматоре:

               (36)

Массовый расход холодного  испаряющегося орошения :

    

,                                           (37)

где I - энтальпия пара, поступающего в дефлегматор при температуре t_D; i -энтальпия флегмы при температуре t_Х.

Энтальпии определяем по правилу аддитивности:

It_D =0,04

(2152+4,18 60) +0,96 (374,9+2,2 60)= 582,6 кДж/кг;     (38)

it_D =(0,04

4,18+0,96 2,1) 40=88,6 кДж/кг;                                    (39)

 кг/ч.

Массовый расход горячего орошения , стекающего с 1-ой тарелки верхней части колонны(4):

 кг/ч   (40)

 

 

 

 

 

1.7 Гидравлический расчет

 

 

Гидравлический расчет ректификации колонны включает:

1. выбор типа и конструкции контактного устройства (тарелки или насадки);
2. определение скорости пара и диаметра колонны;
3. определение основных размеров контактных и переливных устройств;
4. расчет гидравлического сопротивления контактных устройств;
5. проверку работоспособности контактных устройств;
6. определение эффективности контактных устройств, включающее расчет числа реальных тарелок и общей высоты колонны.

 

 

Определение линейной скорости паров.

Средние мольная  _В и концентрации низкокипящего компонента в флегме в верхней части колонны:

Средние мольная  и концентрации низкокипящего компонента в флегме нижней части колонны:

Средние мольные концентрации низкокипящего компонента в паре находятся по уравнениям рабочих линий колонны:

Средние температуры  пара в концентрационной t_В и отгонной t_Н частях колонны определяются для средних концентраций пара у_В и у_Н по Изобарным температурным кривым кипения и конденсации смеси вода-уксусная кислота (рисунок2):

t = 101,5 ⁰С; t_Н = 110,3 ⁰С.

Средние молярные массы  пара в верхней М_В и нижней М_Н частях колонны:

Средние давления в верхней  и нижней частях колонны:

Средние плотности пара в верхней  и нижней частях колонны:

Средние плотности флегмы в верхней  и нижней частях колонны:

, откуда

, откуда.

Принимаем расстояние между тарелками h = 0,4 м. Значение коэффициента С, входящего в уравнение, определяем по графику /4, стр 314/.

Средние объемные расходы  пара в верхней V_в и нижней V_н частях колонны:

V_в

м /с;

V_в

м /с.

W_maxB

= 1,9 м/с;     (41)

W_maxН

= 1,5 м/с.           (42)

Диаметр колонны в  верхней D_В и нижней D_Н частях рассчитывается по уравнениям:       

      D_B     м;       (43)

     D_B

м.      (44)

Поскольку диаметры обеих  частей колонны близки, принимаем  диаметр колонны D одинаковым, для всего аппарата. В соответствии с нормальным рядом диаметров колонн (ГОСТ 9617-76) принимаем D = 1,8 м.

Фактическая скорость пара в верхней  и нижней частях колонны составит:

        w_B

м/с;    (45)

           w_н

    м/с.   (46)      

По ГОСТ 26-01-108-85 принимаем следующие размеры клапанной тарелки: диаметр отверстий d₀ = 5 мм, высота сливной перегородки h_n = 30 мм; свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) - 15 % от общей площади тарелки; площадь, занимаемая двумя сегментными переливными устройствами - 20 % от общей площади тарелки /5/.

 

Расчет верхней  части колонны.

Скорость пара в отверстиях тарелок:

 W_отв м/с.        (47)

Коэффициент сопротивления  неорошаемых клапанных тарелок = 3,6 . Тогда гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

                

  Па.     (48)

Сопротивление, обусловленное  силами поверхностного натяжения:

 Па.                 (49)

Периметр сливной перегородки П = 1,28 м [ГОСТ 26-01-108-85]. Принимаем отношение плотности парожидкостного слоя (пены) на тарелке к плотности жидкости = 1,15.

Средний объемный расход флегмы в верхней части колонны:

м /ч .      (50) 

Высота слоя над сливной перегородкой:

 м.         (60)

Высота парожидкостного  слоя на тарелке:

        

м.      (61)

Сопротивление парожидкостного слоя:

      

Па.      (62) 

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:

Па.       (63)

 

 

 

Расчет нижней части колонны.

Скорость пара в отверстиях тарелки:

W_отв

м/с;       (64)

Па;        (65)

Па.          (66)

Средний объемный расход флегмы в нижней части колонны:

 м /с;           (67)

 м;                  (68)

м;              (69)

Па.            (70)

Общее гидравлическое сопротивление  тарелки в нижней части колонны:

  Па.            (71)   

Проверим, соблюдается  ли при h=0,3 м  необходимое условие для нормальной работы тарелок:

- в верхней и нижней  частях колонны:

      

;          (72)

 - для тарелок верхней части колонны:

м;

- для тарелок нижней  части колонны:

м.

Следовательно, вышеуказанное  условие соблюдается, и расстояние между тарелками h = 0,3 м обеспечивает нормальную работу переливных устройств.

Расчет скорости пара.

Рассчитаем минимальную  скорость пара в отверстия, достаточную  для того, чтобы тарелка работала всеми отверстиями:

 - для верхней части колонны:

                 W_{отв min}

м/с;      (73)

- для нижней части колонны:

        м/с.                     (74)

Фактические скорости в  отверстиях тарелок  _отв и _отв больше минимальных и , следовательно, все отверстия тарелок будут работать равномерно.

 

Расчет величины брызгоуноса.

Величина межтарельчатого  уноса жидкости е_у определяется по уравнению:

 

,    (75)

где A, , - коэффициенты; h - глубина барботажа, ; -скорость пара в колонне; - эффективная рабочая площадь тарелки.

Для отношения  - = 0,63.

 h h =0,02 м; при h 0,4 м, А = 0,159, = 0,95, = 0,9 /5/.

Величина S определяется из уравнения:

        

       (76)

где , - соответственно поверхностное натяжение и плотность жидкости; -соответственно вязкость и плотность пара.

Средняя вязкость паров :

  

       (77)

где M_HKK, _HKK - соответственно относительная молекулярная масса и вязкость паров воды; М_вкк, _вкк - соответственно относительная молекулярная масса и вязкость паров уксусной кислоты.

откуда =0,006 МПа×с.

;

е

кг жидкости/ кг пара.

Аналогично для нижней части колонны найдена величина брызгоуноса

 е_у = 0,0003 кг жидкости/кг пара.

 

Определение реального  числа тарелок.

Коэффициент относительной  летучести для средней температуры  в верхней части колонны составляет:

  

           (78)

Вязкость флегмы :

Находим по графику  = 0,48.

Аналогично находится  коэффициент полезного действия в нижней части колонны  = 0,50.

Число реальных тарелок  в верхней n и нижней m частях колонны:

       

         (79)

Определение высоты колонны.

Число реальных тарелок  и расстояние между ними определяет высоту тарельчатой части колонны:

       (80)

Высота зоны питания  и расстояние от крышки до первой тарелки  концентрационной части определяются конструктивно:

Расстояние от днища  до первой тарелки отгонной части  рассчитывается исходя из условия запаса для 15 - 20 - минутной работы насоса, откачивающего кубовую жидкость, а случае прекращения поступления сырья в колонну:

Высота опоры колонны  рассчитывается в зависимости от диаметра колонны:

Общая высота колонны:

м.      (81)

 

 

 

1.8 Определение диаметров  штуцеров

 

 

Плотности жидких продуктов  холодного орошения _х, сырья и кубового остатка рассчитываются в зависимости от температуры и состава:

=962,5 кг/м ;

= 943,4 кг/м ;

r_w = 961,5 кг/м

.

Плотности паров, поступающих  из кипятильника колонны , и паров, уходящих с верха колонны , рассчитываются при соответствующих температурах и давлениях:

кг/м ;

кг/м .

Диаметр щтуцера зависит  от допустимой скорости потока:

           (82)

где V_n - объемный расход потока в трубопроводе.