Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метиловый - этиловый спирт
Сопротивление, обусловленное действием си поверхностного натяжения:
гдеrгидр – гидравлический радиус отверстий, через которые пар выходит в жидкость, м.
гдеF0, П0 – площадь, м2 и периметр, м отверстий, через которые выходит пар, соответственно
Поверхностное натяжение рассчитываем по формуле:
σн = σА∙н.ср. + σВ∙(1- н.ср) ,
где σА, σВ – поверхностное натяжение метилового и этилового спиртов при tср.н [1 с. 526] ,
σн = 17,7∙10-3∙00,08 + 17,4∙10-3∙(1-0,08)= 17,42∙10-3 н/м.
Тогда сопротивление вызываемое силами поверхностного натяжения будет равно:
а) для верхней части колонны:
а) для нижней части колонны:
Сопротивление тарелки на верхней части колоны:
Сопротивление тарелки на нижней части колоны:
Общее сопротивление колонны:
гдеnв , nн – действительное число тарелок в верхней и нижней части колоны, соответственно. Определение действительного числа тарелок поведено в разделе 1,7
3. Тепловой расчет ректификационной колонны
Расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью от конденсирующего пара в кубе-испарителе колонны
,
где -расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, Вт;
-тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт;
-теплоемкость исходной смеси, дистиллята, кубовой жидкости, соответственно, Дж/кг·К.
Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:
,
где - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;
- массовые доли компонентов.
Температура кипения смеси tF=76,2оC, кубового остатка tW=77оC и дистиллята tD=65,5оC; теплоемкости метанола и этанола при этих температурах определяем по номограмме (ХI, с.562 [1]) (А-метиловый спирт, В- этиловый спирт)
Теплоемкости смесей:
;
;
.
Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара:
;
,
-удельная теплота конденсации дистиллята, Дж/кг;
,
где: , - удельная теплота конденсации компонентов А и В при температуре tD=65,5оC (табл. XLV стр.541 [1]).
.
Тепловые потери колонны в окружающую среду:
,
где -температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем ;
-температура воздуха в помещении, ;
α-суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(м2К),
;
.
-наружная поверхность изоляции колонны, определяем по формуле:
;
.
Потери тепла в окружающую среду:
;
.
Расход тепла в кубе колонны с учетом тепловых потерь:
Расход греющего пара в кипятильнике (давление р=4кгс/см2, влажность 5%):
,
.
Расход тепла в паровом подогревателе исходной смеси рассчитывается по формуле:
,
где С1 – теплоемкость исходной смеси при средней температуре, равной
;
,
где СА, СВ – теплоемкости метилового спирта и этилового спирта при температуре (с.562[1])
;
.
Расход греющего пара в подогревателе исходной смеси:
;
.
Общий расход пара:
Расход воды в дефлегматоре при нагревании ее на 200С:
;
.
Расход воды в холодильнике дистиллята при нагревании ее на 200С:
;
.
Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании ее на 200С:
;
.
Общий расход воды в ректификационной установке:
;
.
.
3.1 Расчет тепловой изоляции колонны
В качестве изоляции берем асбест (λиз=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 10-200С ниже средней температуры в колонне .
Определяем толщину изоляции:
;
.
Проверяем температуру внутренней поверхности изоляции:
;
.
расхождение: 61,1-61,3<1 °С.
4. Расчет вспомогательного оборудования
4.1 Расчет кипятильника
Температурные условия процесса.
Кубовый остаток кипит при 770С. Согласно заданию, температура конденсации греющего пара равна 1000С (р=1,03 кгс/см2).
Следовательно, средняя разность температур:
100-77=23оС.
Принимаем коэффициент теплопередачи К=300 Вт/(м2 К) (с.172[5]).
Тепловая нагрузка .
Площадь поверхности теплообмена
;
.
С запасом 15-20% принимаем по каталогу (табл.4.12 стр.215 [1]) теплообменник 4-х ходовой с F=464 м2.
Характеристика теплообменника:
Диаметр кожуха 1200мм;
Диаметр труб 252мм;
Длина труб 6,0м;
Количество труб 986.
4.2 Расчет дефлегматора
В дефлегматоре конденсируется метиловый спирт с небольшим количеством этилового спирта. Температура конденсации паров дистиллята tD=65,5оC.
Температуру воды на входе в теплообменник примем 180С, на выходе 380С.
Составляем температурную схему процесса и определяем движущую силу процесса теплопередачи:
65,50С 65,50С
18 0 С 380 С
Определим среднюю температуру воды
Расход теплоты
Где r1 - удельная теплота конденсации смеси при температуре конденсации t1=65,5, r1=1087 кДж/кг.
,
где: , - удельная теплота конденсации компонентов А и В при температуре tD=65,5оC (табл. XLV стр.541 [1]).
.
Расход воды
кг/с,
Где с2=4190 Дж/(кг К) – удельная теплоемкость воды при средней температуре t2=280 С
Объемный расход воды
м3/с,
Где ρ2= 995 кг/м3- плотность воды при t2=280 С,
G2 =17,5 кг/с - расход воды.
Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося пара органических жидкостей к воде. Кmin=300 Вт/(м2·К) (таблица 4.8 [1]). При этом
м2.
Для обеспечения турбулентного течения воды при Re>10000 скорость в трубах должна быть больше w1