Ректификационная колонна

Рис. 19. Определение числа теоретических тарелок при рабочем флегмовом числе

из рисунка 8 находим число тарелок в верхней части колонны , и в нижней

4.2. Общее число действительных тарелок 

4.3. Высота колонны 

 – расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны (10)

  – расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны 
 

     5. Определение числа и размеров колпачков 

     Согласно  выбранной колпачковой тарелки  типа ТСК - Р принимаем [21, с. 214]: диаметр парового патрубка колпачка d_п = 100 мм = 0,10 м

     Количество  колпачков на тарелке: 

     Высота  части колпачка над паровым патрубком: 

     Расстояние  от нижнего края зубца колпачка до тарелки δ = 15 мм. Высота уровня жидкости над верхним обрезом прорезей колпачка h₁ = 30 мм.

     Диаметр колпачка: 

     Высота  прорезей вычисляют из условий оптимального барбатажа, соответствующего полному  открытию прорезей для пара: 
 

     где ω₀ – скорость пара, соответствующая полному открытию прорезей, м/с;

     ξ – коэффициент сопротивления  колпачковых тарелок, принимаем 1,75.

     Средняя плотность пара и жидкости в колонне: 
 

     

       
 

     Количество  прорезей в колпачке: 

     где а – расстояние между прорезями, равное 4 мм 

     Ширина  прорезей в колпачке – 5 мм. 

     6.. Расчет гидравлического сопротивления 

Общее гидравлическое сопротивление работы колонны:

     ΔР = ΔР_сух + ΔР_σ + ΔР_ст

Гидравлическое  сопротивление неорошаемой тарелки  вычисляют: 

где ρ_у – средняя плотность пара, кг/м³;

ξ –  коэффициент сопротивления сухой  тарелки. 
 

     Гидравлическое  сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения: 

     где σ – поверхностное натяжение  жидкости, Н/м [21. ХХV];

d₀ – эквивалентный диаметр отверстия, м: 

     П – периметр прорези, м,

     

S - площадь поперечного сечения прорези, м² [3, с. 214]. 

Гидравлическое  сопротивление жидкостного слоя на тарелке: 

     где l – высота прорези, принимаем 70 мм;

k – относительная плотность пены, принимаем 0,5;

е –  расстояние от верхнего края прорези до сливного порога, равное 20 мм;

ρ_x - плотность жидкости, кг/м³;

     ∆h – высота слоя над сливной перегородкой, м: 

     V_ж – объемный расход газовой смеси при рабочих условиях, м³/с:

             

     П – периметр сливной перегородки, м

     /с 
 

     /с 
 

     Для верхней части колонны:

       
 

     Для нижней части колонны: 

     Полное  гидравлическое сопротивление: 
 
 

     Минимальная скорость пара в отверстиях колпачковой  тарелке: 
 
 

      тарелка работает всеми отверстиями.

     Гидравлическое  сопротивление всех тарелок абсорбционной  колонны: 
 
 

7. . Тепловой баланс колонны. 

Расход  тепла, отдаваемого охлаждающей  воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению: 

где r_D – удельная теплота конденсации смеси, Дж/кг. 
                                                                  (87)

где r_э-а, r_т - удельные теплоты конденсации этилацетата и толуола при 105 °С.                                                                                                                         [21, табл. XLV] 
 

Расход  тепла, получаемого в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению:

 

где Q_пот. – тепловые потери, принятые в размере 3 % от полезно затрачиваемого тепла;

c_Р, c_W, c_F – удельные теплоёмкости, взятые соответственно при t_Р = 103 °С,

t_W = 108 °С, t_F = 77,5 °С.                                                                          [21, рис. XI] 
 
 
 

Расход  тепла в паровом подогревателе  исходной смеси: 

где t_нач. – начальная температура смеси, равная 20 °С;

1,05 показывает  тепловые потери, принятые в размере  5 %;

Расход  тепла, отдаваемого охлаждающей  воде в водяном холодильнике дистиллята: 

где t_кон. – конечная температура смеси, равная 25 °С; 

Расход  тепла, отдаваемого охлаждающей  воде в водяном холодильнике кубового остатка: 
 

где t_кон. – конечная температура смеси, равная 25 °С; 

Расход  греющего пара, имеющего давление р_абс. = 4 ат. и влажность 5 %:

а) в  кубе-испарителе: 

где r_Г.П. – удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;    [1, табл. LVII] 

x – степень сухости греющего пара. 

б) в  подогревателе исходной смеси: 
 

Всего:

Расход  охлаждающей воды при нагреве  её на 20 °С:

а) в  дефлегматоре: 

где (t_кон. - t_нач.) = 20 °С;

с_В – удельная теплоёмкость воды при 20 °С,     [21, рис. XI]

ρ_В – плотность воды при 20 °С,      [2, табл. IV]       

б) в  водяном холодильнике дистиллята: 
 
 

в) в  водяном холодильнике кубового остатка: 
 
 

Всего:

     Таким образом, наша ректификационная колонна работает эффективно. Производительность колонны исходной смеси равна 8,8 , производительность по дистилляту 0,92 , по кубовому остатку 7,9 . Производительность кубового остатка достаточно велика, что даёт преимущество нашей колонне, так как образуется большое количество чистого толуола, который применяется во многих отраслях промышленности.

Вывод: В результате расчета у нас получилось, что высота ректификационной колонны составляет 8000 мм, ее диаметр – 2000ммм, это означает, что затраты на оборудование будут небольшие. Рассчитав рабочее флегмовое число мы получили, что число тарелок в колонне составляет 11. Выбранные нами колпачковые тарелки работают эффективно и тсабильно. Таким образом, ректификационная колонна работает эффективно и стабильно (под атмосферным давлением). Она даёт большую производительность по кубовому остатку и требует небольших экономических затрат. 

8. Расчёт аппарата на прочность. 

8.1. Расчёт толщины стенки обечайки.

Выбираем  легированную сталь марки 03Х18Н11        [7, табл. 13.1].

     Определим исполнительную толщину тонкостенной гладкой цилиндрической стенки обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением, по формуле: 

Так как  в нашем случае D ≥ 200 мм, то должно соблюдаться условие:

где Р – избыточное давление, МПа; 
 

D – диаметр колонны, мм;

  – допускаемое  напряжение, МПа;

φ – коэффициент прочности сварных швов, φ = 1 (для бесшовных аппаратов);

С – прибавка к расчётным толщинам, мм. 

где П – скорость коррозии, П = 0,1;

Т_А – срок службы аппарата, Т_А = 10 лет. 

Определяем  допускаемое напряжение для выбранного материала по формуле:

h                                             

где η = 1 коэффициент (так как среда не взрыво- и пожароопасная);

σ^* = 133 МПа - нормативное допускаемое напряжение;

Определяем  толщину стенки ректификационной колонны: 

Тогда по ГОСТу толщина стенки обечайки S = 5 мм.

8.2. Расчёт толщины днища

Определим толщину стенки эллиптического днища  по формуле:

                                                                              (101)

где R – радиус кривизны в вершине днища; 

где H – высота днища без учёта цилиндрической отбортовки, для эллиптических днищ с  
 

Тогда принимаем толщину стенки днища  равной S = 5 мм.

8.3. Определение толщины тепловой изоляции

Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду: 
 

где α_В = 9,3 + 0,058 ^. t_ст2 – коэффициент теплоотдачи от верхней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, ;

t_ст2 – температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха), для аппаратов, работающих в закрытом помещении, t_ст2 выбирают в интервале 35- 45 ⁰С, t_ст2 = 40 ⁰С;

t_ст1  – температура изоляции со стороны аппарата;

ввиду незначительного термического сопротивления  стенки аппарата по сравнению с термическим  сопротивлением слоя изоляции t_ст1 принимают равной температуре греющего пара t_Г.П., при давление греющего пара Р_{Г.П .}= 4 ат, тогда t_ст1 = 142,9 ⁰С;