Розрахунок і проектування ректифікаційної колони

   Знаходимо значення *= 0,44

Тоді мінімальне флегмове число:

         Rmin = (xp – yF*)/(yF* - xF)     

Rmin = (0,75 – 0,44)/(0,44 – 0,1) = 0,91

Робоче число флегми:

R = 1,3·Rmin+0.3       R=1,3·0,91+0.3=1,48

Рівняння робочих ліній:

Верхня частина

y = [R/(R+1)]x + xp / (R+1) (13)

у = 0,597x + 0,302

хF =0,1 уF*= 0,597·0,1+0,302=0,362

         Відкладемо по осі ординат 0,362 і нанесемо робочу лінію АВ для верхньої частини колони. Через точки А і С проводимо робочу лінію АС для нижньої частини колони.

Нижня частина

y = [(R+f)/(R+1)]x – [(f – 1)/(R + 1)]xW   

f = F / P        

f = 5000,00/1226,42 = 4,08

y = 2,24x – 0,012

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.1. - Х-Y-діаграма. Залежність між рівноважними і робочими складами фаз для суміші етиловий спирт-вода

Виконавши на діаграмі (мал. 4.1.) побудову ламаної лінії (починаючи від т.В), знаходимо необхідне число ступенів зміни концентрації: у верхній частині воно складає ~ 6, у нижній ~ 3; всього - 9.

 

4.1.3 Масовий потік пари у верхній і нижній частинах колони

Середні концентрації парів і їх температури (по t-x, y діаграмі):

yF = 0,362; yp = 0,738; yW = 0,011 (рис.4.1.)

уср.в = 0,5(yF + yp)        

уср.в = 0,5×(0,362 + 0,738) = 0,55 tср.в = 79,0° С

уср.н = 0,5(yF + yW)       

уср.н = 0,5×(0,362 + 0,011) = 0,19 tср.н = 82,5° С

Середні молярні маси парів:

    

Мср.в = 0,55×46,10 + 0,45×18,00 = 33,46 кг/кмоль

Аналогічно для Мср.н:

Мср.н = 0,19×46,10 + 0,77×18,00 = 23,34 кг/кмоль

Витрата пари:

Gв = Р(R + 1)Мср.в /Мр      

Gв = 1226,42×(1,48+1)×33,46/39,10 = 2604,13 кг/год

Gн = Р(R + 1)Мср.н /Мр      

Gн = 1226,42×(1,48+1)×23,34/39,10 = 1816,51 кг/год

 

4.1.4 Масові витрати рідини у верхній і нижній частині колони

Середні концентрації рідини:

хср.в = (хF + xр) / 2       

хср.в = (0,1 + 0,75)/2 = 0,425

хср.н. = (хF + xW) / 2       

хср.н = (0,1 + 0,01)/2 = 0,055

Середні молярні маси рідини:

     

Мср.в = 0,425×46,1 + 0,575×18,0 = 29,943 кг/кмоль

     

Мср.н = 0,055×46,1 + 0,945×18,0 = 19,546 кг/кмоль

Витрата рідини:

Lв = PRMcр.в / Мр       

Lв = 1226,42×1,48×29,943/39,08 = 1390,73 кг/год

Lн = PRMcр.н/Мр+FMcр.н /МF     

Lн = 1226,42×1,48×19,546/39,08 +5000,00×19,546/20,81 = 5604,13 кг/год

 

 

4.2 Тепловий розрахунок колони

4.2.1 Витрата теплоти, що віддається воді в дефлегматорі

Qд = Р(1 + R)rD      

Qд = 0,34×(1+1,8) 1173,24 = 1116,92 кВт

  де rD– теплота конденсації флегми

  rD = rA + (1 – )rв      

rD = 0,82×882 + (1 – 0,82)×2500 = 1173,24 кДж/кг

         де rD = 882 кДж/кг – теплота конденсації  етанолу, кДж / кг

rв = 2500 кДж/кг– теплота конденсації води, кДж / кг

В якості охолоджуваного агента приймаємо воду  з  початковою температурою  20 ° С, і кінцевою 30 ° С, тоді  середня  різниця  температур складе:

Dtб = 77 – 20 = 57° С

Dtм = 77 – 30 = 47° С

Dtcр = (Dtб + Dtм) / 2      

Dtcр = (57 + 47) / 2 = 52,0° С

Орієнтовне значення коефіцієнта теплопередачі:

         К = 400 Вт/(м2×К), тоді  необхідна поверхня  теплообміну

F = Qд / (KDtср)      

F = 1116,92×103/(400×52,0) = 54 м2

Приймаємо стандартний  кожухотрубний  конденсатор з  діаметром кожуха  600 мм і  довжиною труб 4 м, для якого поверхню теплообміну дорівнює 63 м2 (Додаток А).

Витрата  охолоджуючої води

Gв = Qд / [св(tвк – tвн)]     

Gв = 1116,92/[4,19×102·(30 – 20)] = 0,27 кг/с

 

 

 

4.2.2 Витрата теплоти в кубі випарнику

Qк = 1,03(Qд + Рсрtр + Wcwtw – FcFtF)  

де  ср - теплоємність дистиляту, кДж / (кг × К);

  СW - теплоємність кубового залишку, кДж / (кг × К); 

  СF-теплоємність вихідної суміші, кДж / (кг × К); 1,03 - коефіцієнт, що враховує втрати в навколишнє середовище.

         сp = xp сА + (1 – xp ) сВ;     

сА – теплоємність етилового  спирту, кДж / (кг ° C) (Додаток Б);

сВ – теплоємність води, кДж / (кг ° C) (Додаток Б).

сp=0,82·0,71·4,19+0,18·4,19= 3,19 кДж/(кг×К).

         Аналогічно знаходимо

сF =3,27 кДж/(кг×К) і сw =4,16 кДж/(кг×К).

Qк = 1,03(1116,92 + 0,34×3,19×77 + 1,05×4,16×99,1 – 1,39×3,27×68) =    1362,52 кВт

 

4.2.3 Витрата гріючої пари

Приймаємо пар  з тиском  0,3 МПа, для якого  теплота конденсації

r = 2171 кДж/кг, тоді

Gп = Qк/r (58)

Gп = 1362,52 / 2171 = 0,63 кг/c

Середня  різниця температур в  кубі випарнику

Dtср = tп – tw       

Dtср = 167 – 99 = 68° C

Орієнтовне  значення  коефіцієнта теплопередачі

11К = 300 Вт/(м2×К), тоді  необхідна поверхня теплообміну.

F = Q / (KDtср)       

F = 1362,52×103/(300×68) = 66 м2

Приймаємо  стандартний кожухотрубний  теплообмінник  з  діаметром кожуха 600 мм і довжиною  труб 4 м,  для якого поверхню  теплообміну дорівнює 75 м2 (Додаток А).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Гідравлічний  розрахунок  колони

5.1. Гідравлічний опір сухої тарілки

DРс = xwп2 rп / (2j2)      

де j = 0,10 – відносно вільний перетин тарілки;

x = 1,5 – коефіцієнт опору тарілки (Додаток В).

нижня частина

DРсн = 1,5×1,682×1,037 / (2×0,1002) = 219,51 Па

верхня частина

  DРсв = 1,5×1,812×0,983 / (2×0,1002) = 241,53 Па

5.2. Гідравлічний опір обумовлений силами поверхневого натягу

 

s = 0,5(sА + sВ) (46),

          де sА = 0,017 Н/м - поверхневий натяг етанолу  

         sВ = 0,059 Н/м – поверхневий натяг води.

         s = 0,5×(0,017 + 0,059) = 0,038 Н/м

         DРб = 4s/dэ      

         де dэ = 0,005 м – діаметр отворів.

         DРб =4×0,038/0,005 = 30,4 Па

5.3. Гідравлічний опір газорідинного шару

DРсл = grh0

де h0 – висота світлого шару рідини на тарілці.

h0 = 0,787q0,2hп0,56wТm[1 – 0,31exp(– 0,11m)](sж/sи)0,09  

де q = L/rП – питома витрата рідини;

П = 0,57 м  – периметр зливного пристрою;

hП = 0,03 м – висота зливного порога;

wт = wпSк/Sт – швидкість пара віднесена до робочої площі тарілки;

sв = 0,059 Н/м – поверхневий натяг води.

m – показник ступеня

 m = 0,05 – 4,6hп = 0,05 – 4,6×0,03 = – 0,088

нижня частина

hон = 0,787×[1,56/(928,77×0,57)]0,2×0,030,56×(1,81×0,502/0,41) – 0,088´

´[1 – 0,31×exp(– 0,11×0,33)]×(0,038/0,059)0,09 = 0,022 м

верхня  частина

          hов = 0,787×[0,39/(837,77×0,57)]0,2×0,030,56×(1,68×0,502/0,41) – 0,088´

´[1 – 0,31×exp(– 0,11×0,33)]×(0,038/0,059)0,09 = 0,017 м

DРн.сл = 928,77×9,8×0,022 = 198,49 Па

DРв.сл = 837,77×9,8×0,017 = 139,57 Па

5.4. Опір тарілки

DР = DРс + DРб· + DРсл

нижня частина

DРн =219,51 + 30,40 + 198,49 = 448,40 Па

верхня  частина

         DРв = 241,53 + 30,40 + 139,57 = 411,5 Па

5.5. Сумарний гідравлічний опір робочої частини колони

 

DРк = 448,40×6 + 411,5×12 =7629,6 Па

 

 

6. Конструктивний розрахунок

6.1. Густина компонентів

По діаграмі t - х, у (рис. 6.1), знаходимо температури вихідної суміші, дистиляту і кубового залишку: tF = 86,80° C; tp = 77,50° C: tW = 96,0° C

 

Рис. 6.1 – t-x,y діаграма системи етиловий спирт - вода

 

Таблиця 6.1

Густина компонентів при різних температурах, кг/м3

t, ºC речовина	86,80	77,50	96,0
этанол	739	732	727
вода	975	968	962

 

Щільність рідини:

                

1/(0,22/732+0,78/968) = 903,34 кг/м3

      

= 1/(0,82/739+0,18/975) = 772,20 кг/м3

      

= 1/(0,025/727+0,975/962) = 954,20 кг/м3

 

Середня щільність рідини у   верхній і нижній частині:

rвж = 0,5(rжF + rжр)       

rвж = 0,5×(903,34 + 772,20) = 837,77 кг/м3

rнж = 0,5(rжF + rжW)       

rнж = 0,5×(903,34 + 954,20) = 928,77 кг/м3

 

            Щільність парів на живильнії тарілці:

        

28,136×273/[22,4×(273+82,5)] = 0,964 кг/м3

МпF = 0,362×46,1 + 0,638×18,0 = 28,136 кг/моль

 

Щільність парів у верхній частині:

         

rпв = 29,94×273/[22,4×(273+79)] = 1,037 кг/м3

 

Щільність парів в нижній частині:

        

rпн = 28,68×273/[22,4×(273+82,5)] = 0,983 кг/м3

 

6.2. Швидкість пари  в колоні

Швидкість пари у верхній частині колони:

,      

 

Де С = 0059 (при відстані між тарілками 400 мм) - коефіцієнт, що залежить від конструкції  тарілок, відстані між тарілками, робочого тиску в колоні,навантаженні колони по рідини (рис 6.2).

wпв = 0,059×[(837,70 – 1,037)/1,037]1/2 = 1,68 м/с

 

Рис. 6.2 – Значенння коефіцієнта С

А, Б - для ковпачкових тарілок з круглими ковпачками, В - для сітчатих тарілок.

Швидкість пари в нижній частині колони:

, (36)

wпн = 0,059×[(928,77 – 0,983)/0,983]1/2 = 1,81 м/с

6.3. Діаметр колони

 

в верхній частині:

       

DB= [0,723 /(1,037×0,785×1,68)]1/2 = 0,73 м

Gв= 2604,13/3600 = 0,723 кг/с

 

 

 

в нижній частині:33

               

DH= [0,505/(0,983×0,785×1,81)]1/2 = 0,61 м

Gн= 1816,5/3600 = 0,505 кг/с

 Після визначення діаметра колони за рівняннями, уточнимо його відповідно до наявних нормаль. Приймаємо діаметр колони 600 мм, тоді дійсна швидкість пари складе:

в верхній частині

         wпв = 1,68×(0,73/0,6)2 = 1,044 м/;

         в нижній частині

wпн = 1,81×(0,61/0,6)2 = 1,84 м/с.

6.4. Характеристика тарілки

Приймаємо тарілки типу ТС (ОСТ 26-01-108-85):

Виконання I - нерозбірне;

Діаметр тарілки – 580,00 мм (Рис. 6.3);

Висота тарілки – 40мм;

Вільний перетин колони – 0,28 м2;

Робочий перетин тарілки – 0,165 м2;

Вільний перетин тарілки – 0,51 м2;

Відносно вільний перетин тарілки (при dотворів=5 мм) – 7,23%;

Крок між отворами приймаємо 13 мм;

Периметр зливу – 0,570 м;

Перетин переливу – 0,012 м2;

Відносна площа переливу – 4,1%;

Маса  – 16,0 кг;

Відстань між тарілками – 300 мм;

Висота зливного порога – 30 мм;

Висота цапфи – 900 мм;

Число тарілок в царзі – 3.

Вибраний  тип тарілок, придатний для розділення суміші етиловий спирт-вода представлений  на рис. 6.3. Переваги тарілок типу ТС (ОСТ 26-01-108-85): Найбільш поширеними ректифікаційними установками є колони з різними типами тарілок: ковпачковими, сітчаті, провальні і т.п. Добре зарекомендували себе апарати з сітчатими тарілками, що відрізняються простотою конструкції і легкістю в обслуговуванні. При виборі типу контактих пристроїв зазвичай керуються такими основними показниками: продуктивністю, гідравлічним опором, коефіцієнтом корисної дії, діапазоном робочих навантажень,матеріаломісткістю. Сітчасті тарілки мають відносно низький гідравлічний опір,  підвищену продуктивність, більш вузький робочий діапазон в порівнянні з ковпачковими тарілками. Застосовуються переважно у вакуумних колонах. Кращими показниками по гідравлчному опору володіють тарілки сітчасті і S-подібні з клапанами. При виборі конкретного типу тарілок з безлічі варіантів слід віддати перевагу тій конструкції, основні показники ефективності якої найбільшою мірою задовольняють поставленим вимогам. Колони з сітчастими тарілками для поділу суміші етиловий спирт вода набагато простіше по влаштуванню і дешевше, ніж колони з ковпачковими тарілками. Колони з сітчастими тарілками складаються з вертикального циліндричного корпуса з горизонтальними тарілками, в яких рівномірно по всій поверхні значне число дрібних отворів. Для зливу рідини і регулювання її рівня на тарілці є переливні трубки нижні кінці трубок занурені у склянки, що знаходяться на лежачих нижче тарілках, і утворюють гідравлічні затвори. Газ (пар) проходить в отвори тарілки і розподіляється в рідині у вигляді дрібних цівок, лише на деякій відстані від дна тарілки утворюється шар піни та бризок - основна область масообміну на тарілці. У певному діапазоні навантажень сітчасті тарілки мають досить велику ефективність. Для того, щоб ККД тарілки не зменшувалося різко, тиск і швидкість газу (пара), що проходить через отвори тарілки, повинні бути достатнім для того, щоб подолати тиск шару рідини на тарілці і запобігти тим самим стікання рідини через отвори. Крім того, протікання рідини через отвори збільшується із збільшенням діаметру тарілки і при відхиленні від строго горизонтального положення. Тому діаметр і число отворів слід підбирати такими, щоб рідина утримувалася на тарілках і не захоплювалася механічною парою. Зазвичай беруть діаметр отворів сітчастих тарілок 0,8-3 мм.Очищення, промивання і ремонт сітчастих тарілок проводять зручно і легко.