Расчет ректификационной установки для разделения бинарной смеси этиловый спирт-вода
+ W
,
(9)
где
F,
,
– массовые
концентрации
НКК,
F = 5000,00 кг/ч – расход исходной смеси,
Р – расход дистиллята,
W – расход кубового остатка,
Прежде, чем находить расход дистиллята и кубовой жидкости, переведем мольные доли компонентов смеси в массовые:
xF=
0,1
F
= 0,22
xР=
0,75
= 0,82
xW=
0,01
= 0,025
Тогда
W
= F(
–
)/(
–
)
(10)
W = 5000,00Ч(0,82 – 0,22)/(0,82 – 0,025) = 3773,58 кг/ч
Р = F – W = 5000,00 – 3773,58 = 1226,42 кг/ч
3.2 Расчет оптимального флегмового числа и определение числа теоретических тарелок
Строим диаграмму равновесия между паром и жидкостью в системе этиловый спирт-вода (рис 5), используя данные по равновесию (таблица 2).
Таблица 2 – Равновесные данные системы этиловый спирт-вода
| х, %мол. | 0,00 | 1,90 | 9,66 | 16,61 | 26,08 | 39,65 | 50,79 | 57,32 | 67,63 | 74,72 | 89,43 |
| у, %мол. | 0,00 | 17,00 | 43,75 | 50,69 | 55,80 | 61,22 | 65,64 | 68,41 | 73,85 | 78,15 | 89,43 |
| T, єС | 100,0 | 95,50 | 86,70 | 84,10 | 82,30 | 80,70 | 79,80 | 79,3 | 78,64 | 78,41 | 78,15 |
Находим
значение
*=
0,44
Тогда минимальное флегмовое число:
Rmin = (xp – yF*)/(yF* - xF) (11)
Rmin = (0,75 – 0,44)/(0,44 – 0,1) = 0,91
Рабочее число флегмы:
R = 1,3·Rmin+0.3 (12)
R=1,3·0,91+0.3=1,48
Уравнения рабочих линий:
верхняя часть
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
Отложим по оси ординат 0,362 и нанесем рабочую линию АВ для верхней части колонны. Через точки А и С проводим рабочую линию АС для нижней части колонны.
нижняя часть
y = [(R+f)/(R+1)]x – [(f – 1)/(R + 1)]xW (14)
f = F / P (15)
f = 5000,00/1226,42 = 4,08
y = 2,24x – 0,012
Рис 5 – Х-Y-диаграмма. Зависимость между равновесными и рабочими составами фаз для смеси этиловый спирт-вода
Выполнив на диаграмме (рис 5) построение ломанной линии (начиная от т.В), находим необходимое число ступеней изменения концентрации: в верхней части оно составляет ~ 6, в нижней ~ 3; всего – 9.
3.3 Массовый поток пара в верхней и нижней частях колонны
Средние концентрации паров и их температуры (по t-x, y диаграмме):
yF = 0,362; yp = 0,738; yW = 0,011 (рис 5)
уср.в = 0,5(yF + yp) (16)
уср.в
= 0,5Ч(0,362 + 0,738) = 0,55
tср.в = 79,0°
С
уср.н = 0,5(yF + yW) (17)
уср.н
= 0,5Ч(0,362 + 0,011) = 0,19
tср.н = 82,5°
С
Средние молярные массы паров:
(18)
Мср.в = 0,55Ч46,10 + 0,45Ч18,00 = 33,46 кг/кмоль
Аналогично для Мср.н:
Мср.н = 0,19Ч46,10 + 0,77Ч18,00 = 23,34 кг/кмоль
Расход пара:
Gв = Р(R + 1)Мср.в /Мр (19)
Gв = 1226,42Ч(1,48+1)Ч33,46/39,10 = 2604,13 кг/ч
Gн = Р(R + 1)Мср.н /Мр (20)
Gн = 1226,42Ч(1,48+1)Ч23,34/39,10 = 1816,51 кг/ч
3.4 Массовые расходы жидкости в верхней и нижней части колонны
Средние концентрации жидкости:
хср.в = (хF + xр) / 2 (21)
хср.в = (0,1 + 0,75)/2 = 0,425
хср.н. = (хF + xW) / 2 (22)
хср.н = (0,1 + 0,01)/2 = 0,055
Средние молярные массы жидкости:
(23)
Мср.в = 0,425Ч46,1 + 0,575Ч18,0 = 29,943 кг/кмоль
(24)
Мср.н = 0,055Ч46,1 + 0,945Ч18,0 = 19,546 кг/кмоль
Расход жидкости:
Lв = PRMcр.в / Мр (25)
Lв = 1226,42Ч1,48Ч29,943/39,08 = 1390,73 кг/ч
Lн = PRMcр.н/Мр+FMcр.н /МF (26)
Lн = 1226,42Ч1,48Ч19,546/39,08 +5000,00Ч19,546/20,81 = 5604,13 кг/ч
4 Расчет диаметра колонны
4.1 Плотности компонентов
По диаграмме t - x, y* (рис 6), находим температуры исходной смеси, дистиллята и кубового остатка: tF = 86,80° C; tp = 77,50° C: tW = 96,0° C
Рис 6 – t-x,y диаграмма системы этиловый спирт – вода
Таблица 3 - Плотности компонентов при различных температурах, кг/м3
|
t, єC вещество |
86,80 | 77,50 | 96,0 |
| этанол | 739 | 732 | 727 |
| вода | 975 | 968 | 962 |
Плотность жидкости:
(27)
1/(0,22/732+0,78/968)
= 903,34 кг/м3
(28)
=
1/(0,82/739+0,18/975) = 772,20 кг/м3
(29)
=
1/(0,025/727+0,975/962) = 954,20 кг/м3
Средняя плотность жидкости в верхней и нижней части:
rвж = 0,5(rжF + rжр) (30)
rвж = 0,5Ч(903,34 + 772,20) = 837,77 кг/м3
rнж = 0,5(rжF + rжW) (31)
rнж = 0,5Ч(903,34 + 954,20) = 928,77 кг/м3
Плотность паров на питающей тарелке:
(32)
28,136Ч273/[22,4Ч(273+82,5)]
= 0,964 кг/м3
МпF = 0,362Ч46,1 + 0,638Ч18,0 = 28,136 кг/моль
Плотность паров в верхней части:
(33)
rпв = 29,94Ч273/[22,4Ч(273+79)] = 1,037 кг/м3
Плотность паров в нижней части:
(34)
rпн = 28,68Ч273/[22,4Ч(273+82,5)] = 0,983 кг/м3
4.2 Скорость пара в колонне
Скорость пара в верхней части колонны:
,
(35)
где С = 0,059 (при расстоянии между тарелками 400 мм) – коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузке колонны по жидкости (рис 7).
wпв = 0,059Ч[(837,70 – 1,037)/1,037]1/2 = 1,68 м/с
Рис 7 – Значение коэффициента С
А, Б – для колпачковых тарелок с круглыми колпачками; В – для ситчатых тарелок
Скорость пара в нижней части колонны:
,
(36)
wпн = 0,059Ч[(928,77 – 0,983)/0,983]1/2 = 1,81 м/с
4.3 Диаметр колонны
в верхней части:
(37)
DB= [0,723 /(1,037Ч0,785Ч1,68)]1/2 = 0,73 м
Gв= 2604,13/3600 = 0,723 кг/с
в нижней части:
(38)
DH= [0,505/(0,983Ч0,785Ч1,81)]1/2 = 0,61 м
Gн= 1816,5/3600 = 0,505 кг/с
После определения диаметра колонны по уравнениям (37)-(38) уточним его в соответствии с имеющимися нормалями. Принимаем диаметр колонны 600 мм, тогда действительная скорость пара составит:
в верхней части
wпв = 1,68Ч(0,73/0,6)2 = 1,044 м/с;
в нижней части
wпн = 1,81Ч(0,61/0,6)2 = 1,84 м/с.
4.4 Характеристика тарелки (рис 8,9)
Принимаем тарелки типа ТС (ОСТ 26-01-108-85):
Исполнение I – неразборное;
Диаметр тарелки – 580,00 мм (рис 9);
Высота тарелки – 40мм;
Свободное сечение колонны – 0,28 м2;
Рабочее сечение тарелки – 0,165 м2;
Свободное сечение тарелки – 0,51 м2;
Относительное свободное сечение тарелки (при dотверстий=5 мм) – 7,23%;
Шаг между отверстиями принимаем 13 мм;
Периметр слива – 0,570 м;
Сечение перелива – 0,012 м2;
Относительная площадь перелива – 4,1%;
Масса – 16,0 кг;
Расстояние между тарелками – 300 мм;
Высота сливного порога – 30 мм;
Высота царги – 900 мм;
Число тарелок в царге – 3.
Рис 8 – Устройство ситчатых тарелок
Рис 9 – Основание тарелки по ОСТ 26-01-108-85
5 Расчет числа тарелок
5.1 Средний КПД тарелки
Вязкость жидкости на питающей тарелке:
lnm = хЧlnmA + (1 – x)ЧlnmB (39)
где mА = 0,44 мПаЧс – вязкость этанола;
mВ = 0,31 мПаЧс – вязкость воды;
lnmж = 0,22Чln0,44 + (1 – 0,22)Чln0,31.
Откуда m = 0,33 мПаЧс.
Коэффициент относительной летучести:
a = рА/рВ (40)
a=1120/525 = 2,13
где рА = 1120 мм рт.ст. – давление насыщенного пара этанола;
рВ = 525 мм рт.ст. – давление насыщенного пара воды.
Произведение am = 2,13Ч0,33 = 0,704
По диаграмме для приближенного определения КПД тарелки (рис 10) находим значение h=0,56.
h
am
Рис 10 – Диаграмма для приближенного определения КПД тарелки
Тогда число тарелок:
в верхней части колонны
nв = nвТ/h (41)
nв = 6/0,51 = 12;
в нижней части колонны
nн = nнТ/h (42)
nн = 3/0,51 = 6.
5.2 Высота колонны
Принимаем расстояние между тарелками Нт = 300 мм, тогда высота нижней и верхней части составит:
Нн = (Nн – 1)Нт (43)
Нн = (6 – 1)Ч0,3 = 1,5 м;
Нв = (Nв – 1)Нт (44)
Нв = (Nв – 1)Нт = (12 – 1)Ч0,3 = 3,3 м.
Толщина тарелки – 0,04 м;
Высота сепарационного пространства – 0,7 м;
Высота кубового пространства – 2,3 м;
Высота опоры – 1,2 м;
Общая высота колонны:
Н = 1,2 + 2,3 + 0,7 + 18·0,04+ 3,3 + 1,5 =9,6 м
6 Гидравлический расчет колонны
6.1 Гидравлическое сопротивление сухой тарелки
DРс = xwп2 rп / (2j2) (45)
где j = 0,10 – относительное свободное сечение тарелки;
x = 1,5 – коэффициент сопротивления тарелки (Приложение Е).
нижняя часть:
DРсн = 1,5Ч1,682Ч1,037 / (2Ч0,1002) = 219,51 Па
верхняя часть:
DРсв = 1,5Ч1,812Ч0,983 / (2Ч0,1002) = 241,53 Па
6.2 Гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения
s = 0,5(sА + sВ) (46),
где sА = 0,017 Н/м - поверхностное натяжение этанола;
sВ = 0,059 Н/м – поверхностное натяжение воды.
s = 0,5Ч(0,017 + 0,059) = 0,038 Н/м
DРб = 4s/dэ (47)
где dэ = 0,005 м – диаметр отверстий.
DРб =4Ч0,038/0,005 = 30,4 Па
6.3 Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя
DРсл = grжh0 (48)
где h0 –высота светлого слоя жидкости на тарелке.
h0 = 0,787q0,2hп0,56wТm[1 – 0,31exp(– 0,11m)](sж/sи)0,09 (49)
где q = L/rП – удельный расход жидкости;
П = 0,57 м – периметр сливного устройства;
hП = 0,03 м – высота сливного порога;
wт = wпSк/Sт – скорость пара отнесенная к рабочей площади тарелки;
sв = 0,059 Н/м – поверхностное натяжение воды
m – показатель степени m = 0,05 – 4,6hп = 0,05 – 4,6Ч0,03 = – 0,088
нижняя часть:
hон = 0,787Ч[1,56/(928,77Ч0,57)]0,2Ч0,030,56Ч(1,81Ч0,502/0,41) – 0,088ґ
ґ[1 – 0,31Чexp(– 0,11Ч0,33)]Ч(0,038/0,059)0,09 = 0,022 м
верхняя часть:
hов = 0,787Ч[0,39/(837,77Ч0,57)]0,2Ч0,030,56Ч(1,68Ч0,502/0,41) – 0,088ґ
ґ[1 – 0,31Чexp(– 0,11Ч0,33)]Ч(0,038/0,059)0,09 = 0,017 м
DРн.сл = 928,77Ч9,8Ч0,022 = 198,49 Па
DРв.сл = 837,77Ч9,8Ч0,017 = 139,57 Па
6.4 Полное сопротивление тарелки
DР = DРс + DРб· + DРсл (50)
DРн =219,51 + 30,40 + 198,49 = 448,40 Па
DРв = 241,53 + 30,40 + 139,57 = 411,5 Па
6.5 Суммарное гидравлическое сопротивление рабочей части колонны
DРк = 448,40Ч6 + 411,5Ч12 =7629,6 Па
7 Тепловой расчет колонны
7.1 Расход теплоты отдаваемой воде в дефлегматоре
Qд = Р(1 + R)rр (51)
Qд = 0,34Ч(1+1,8) 1173,24 = 1116,92 кВт
где rр – теплота конденсации флегмы
rр
= rA
+ (1 –
)rв
(52)
rр = 0,82Ч882 + (1 – 0,82)Ч2500 = 1173,24 кДж/кг
где rA = 882 кДж/кг – теплота конденсации этанола, кДж/кг
rв = 2500 кДж/кг–теплота конденсации воды, кДж/кг
В качестве охлаждаемого агента принимаем воду с начальной температурой 20°С, и конечной 30°С, тогда средняя разность температур составит:
Dtб = 77 – 20 = 57° С
Dtм = 77 – 30 = 47° С
Dtcр = (Dtб + Dtм) / 2 (53)
Dtcр = (57 + 47) / 2 = 52,0° С
Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи:
К = 400 Вт/(м2ЧК), тогда требуемая поверхность теплообмена
F = Qд / (KDtср) (54)
F = 1116,92Ч103/(400Ч52,0) = 54 м2
Принимаем стандартный кожухотрубчатый конденсатор с диаметром кожуха 600 мм и длиной труб 4 м, для которого поверхность теплообмена равна 63 м2 (Приложение Д).
Расход охлаждающей воды
Gв = Qд / [св(tвк – tвн)] (55)
Gв = 1116,92/[4,19Ч102·(30 – 20)] = 0,27 кг/с
7.2 Расход теплоты в кубе испарителе
Qк = 1,03(Qд + Рсрtр + Wcwtw – FcFtF) (56)
где ср – теплоемкость дистиллята, кДж/(кгЧК); сw – теплоемкость кубового остатка, кДж/(кгЧК); сF– теплоемкость исходной смеси, кДж/(кгЧК); 1,03 – коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду.
сp = xp сА + (1 – xp ) сВ; (57)
сА – теплоемкость этилового спирта, кДж/(кг °C) (Приложение Г);
сВ – теплоемкость воды, кДж/(кг °C) (Приложение Г).
сp=0,82·0,71·4,19+0,18·4,19= 3,19 кДж/(кгЧК).
Аналогично находим сF =3,27 кДж/(кгЧК) и сw =4,16 кДж/(кгЧК).
Qк = 1,03(1116,92 + 0,34Ч3,19Ч77 + 1,05Ч4,16Ч99,1 – 1,39Ч3,27Ч68) = 1362,52 кВт
7.3 Расход греющего пара
Принимаем пар с давлением 0,3 МПа, для которого теплота конденсации
r = 2171 кДж/кг, тогда
Gп = Qк/r (58)
Gп = 1362,52 / 2171 = 0,63 кг/c
Средняя разность температур в кубе испарителе
Dtср = tп – tw (59)
Dtср = 167 – 99 = 68° C
Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи
К = 300 Вт/(м2ЧК), тогда требуемая поверхность теплообмена.
F = Q / (KDtср) (60)
F = 1362,52Ч103/(300Ч68) = 66 м2
Принимаем стандартный кожухотрубчатый теплообменник с диаметром кожуха 600 мм и длиной труб 4 м, для которого поверхность теплообмена равна 75 м2 (Приложение Д).
8 Конструктивный расчет
Корпус колонны диаметром до 1000 мм изготовляют из отдельных царг (Приложение Б), соединяемых между собой с помощью фланцев.
Толщина обечайки:
S > pD/(2[s]j – p) + c (61)
где [s] = 138 МПа – допускаемое напряжение для стали [3c394];
j = 0,8 – коэффициент ослабления сварного шва;
с = 0,001 мм – поправка на коррозию [3с394].
S > 0,1Ч0,8/(2Ч138Ч0,8 – 0,1) + 0,001 = 0,003 м
Принимаем толщину обечайки s=8мм
Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78.
Толщину стенки днища (рис 11) принимаем равной толщине стенки обечайки sд = s = 8 мм.
Рис 11 – Днище колонны
Характеристика днища:
h = 40 мм – высота борта днища;
Масса днища mд = 16,9 кг.
Объем днища Vд = 0,086 м3.
Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 (рис 12).
Рис 12 – Фланец
Подсоединение трубопроводов к аппарату осуществляется с помощью штуцеров.
Диаметр штуцеров
(62)
где wшт – скорость среды в штуцере.
Принимаем скорость жидкости wшт=1 м/с, газовой смеси wшт=25 м/с
Штуцер для входа исходной смеси
d1,2 = (1,39/0,785Ч1·903,34)0,5 = 0,044 м
принимаем d1 = d2 = 50 мм
Штуцер для входа флегмы
d3 = (1,8Ч0,34/0,785Ч1Ч772,20)0,5 = 0,033 м
принимаем d3 = 40 мм
Штуцер для выхода кубового остатка
d3 = (1,05/0,785Ч1Ч954,2)0,5 = 0,037 м
принимаем d4 = 40 мм
Штуцер для выхода паров
d3 = (0,72/0,785Ч25Ч1,037)0,5 = 0,188 м
принимаем d5 = 200 мм
Штуцер для входа паров
d6 = (0,5/0,785Ч25Ч0,983)0,5 = 0,17 м
принимаем d4 = 200 мм
Все штуцера должны быть снабжены плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80. Конструкция фланца приводится на рисунке 13, а размеры в таблице 4.
Рис 13 – Фланец штуцера
Таблица 4 – Размеры приварного фланца штуцера
| dусл | D | D2 | D1 | h | n | d |
| 40 | 130 | 100 | 80 | 13 | 4 | 14 |
| 50 | 140 | 110 | 90 | 13 | 4 | 14 |
| 200 | 315 | 280 | 258 | 18 | 8 | 18 |
Расчет опоры
Аппараты вертикального типа с соотношением Н/D > 5, размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочными цилиндрическими опорами, конструкция которых приводится на рисунке 14.
Рис 14 – Опора юбочная
Ориентировочная масса аппарата.
Масса обечайки
mоб = 0,785(Dн2-Dвн2)Нобρ (63)
где Dн = 0,616 м – наружный диаметр колонны;
Dвн = 0,6 м – внутренний диаметр колонны;
Ноб = 9,6 м – высота цилиндрической части колонны
ρ = 7900 кг/м3 – плотность стали
mоб = 0,785(0,6162-0,62)9,6·7900 = 952,55 кг
Масса тарелок
mт = mn (64)
mт = 18·16,0 = 288,0 кг
m = 16,0 кг – масса одной тарелки
Общая масса колонны
Принимаем, что масса вспомогательных устройств (штуцеров, измерительных приборов, люков и т.д.) составляет 10% от основной массы колонны, тогда
mк = mоб + mт + 2mд (65)
mк = 1,1(952,55 + 288,0 +2·16,9) = 1401,79 кг≈1402 кг
Масса колонны заполненной водой при гидроиспытании
Масса воды при гидроиспытании:
mв = 1000(0,785D2Hц.об + 2Vд) (66)
mв = 1000(0,785·0,62·9,6 + 2·0,086) = 2884,96 кг≈2885 кг
ректификационный колонна ситчатый этанол вода
Максимальный вес колонны
mmax = mк + mв (67)
mmax = 1402 + 2885 = 4280 кг = 0,042 МН
Принимаем внутренний диаметр опорного кольца D1 = 0,55 м, наружный диаметр опорного кольца D2 = 0,8 м.
Площадь опорного кольца
А = 0,785(D22 – D12) (68)
А = 0,785(0,82 – 0,552) = 0,27 м2
Удельная нагрузка опоры на фундамент
s = Q/A (69)
s= 0,042/0,27 = 0,16 МПа < [s] = 15 МПа –