Полный расчет ректификационной колонны
Тогда:
2.2 Гидравлический расчет насадочной колонны аппарата
бор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давление, рабочую скорость можно принять на 20% ниже скорости захлёбывания:
(26)
где
- скорость
захлебывания
пара, м/с;
– удельная
поверхность
насадки, м2/м3;
Vсв –
свободный объём
насадки, м3/м3;
μж – динамический
коэффициент
вязкости жидкости,
мПа∙с;
и
- массовые расходы
жидкой и паровой
фаз, кг/с;
и
- плотность
пара и жидкости
соответственно,
кг/м3.
Выбираем в качестве насадки - стальные кольца Рашига:
Кольца Рашига 25 мм:
в:
н:
Тогда рабочая скорость в верхней и нижней части колонны равна:
По рабочей скорости определяем диаметр колонны:
,
где
объемный
расход пара
при рабочих
условиях в
колонне, м3/с.
;
;
Выбираем стандартный аппарат с диаметром 2.2 м, с кольцами Рашига диаметром 25мм и уточняем рабочую скорость по формуле:
Плотность орошения для верхней и нижней части колонны определяют по формуле:
,
где U – плотность орошения, м3/(м2.с);
-
объемный расход
жидкости, м3/с;
S – площадь поперечного сечения колонны, м2.
,
где D – диаметр колонны, м.
так как плотность орошения меньше допустимых значений, то необходимо выбрать кольца Рашига с меньшим диаметром.
Кольца Рашига 50 мм:
в:
н:
Тогда рабочая скорость в верхней и нижней части колонны равна:
По рабочей скорости определяем диаметр колонны:
,
где
объемный
расход пара
при рабочих
условиях в
колонне, м3/с.
;
;
Выбираем стандартный аппарат с диаметром 2 м, с кольцами Рашига диаметром 50мм и уточняем рабочую скорость по формуле:
Плотность орошения для верхней и нижней части колонны определяют по формуле:
,
где U – плотность орошения, м3/(м2.с);
-
объемный расход
жидкости, м3/с;
S – площадь поперечного сечения колонны, м2.
,
где D – диаметр колонны, м.
Так как плотность орошения удовлетворяет допустимым значениям, то в дальнейших расчетах используем кольца Рашига диаметром 50 мм.
Активную
поверхность
насадки
находят по
формуле:
,
где U – плотность орошения, м3/(м2.с);
- удельная
поверхность
насадки, м2
/м3;
p, q – постоянные, зависящие от типа и размера насадки.
Для выбранных колец Рашига с диаметром 50 мм:
p=0.024, q=0.012.
Определим активную поверхность насадки в нижней и верхней части колонны:
Одной из важных характеристик аппарата является гидравлическое сопротивление насадки, который зависит от режима движения пара (газа). Для расчета необходимо определить число Рейнольдса:
,
где
- вязкость пара.
Определяем значения числа Рейнольдса для нижней и верхней части колонны:
Определяем коэффициент сопротивления для верхней и нижней части колонны:
Так как число Reп>40, то
Определяем гидравлическое сопротивление для верхней и нижней части колонны:
,
где H=1 м – высота слоя.
Па/м
Па/м
,
где b- коэффициент, для колец Рашига 50 мм: b= 47.10-3.
=375.61
Па/м
=1093.32Па/м
2.3 Расчет высоты колонны
Определим коэффициент диффузии газа для нижней и верней части колонны по формуле:
,
где T – температура газа, К; p- давления газа, кгс/см2; MA,MB- мольные массы газов A и B;
vA,vB- мольный объемы газов А и В, определяемые, как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав газа.
Пусть А – ацетон (МА=58 кг/кмоль);
В- четыреххлористый углерод (МВ=154кг/кмоль).
см3/атом
см3/атом
м2/с;
м2/с;
Определим коэффициент диффузии в разбавленных растворах для верхней и нижней части колонны:
,
где М – мольная масса растворителя;
v- мольный объем диффундирующего вещества;
T –температура, К;
-
динамический
коэффициент
вязкости
растворителя,
мПа.с;
-
параметр, учитывающий
ассоциацию
молекул растворителя
(А=В=1).
Пусть А растворяется в В (В- растворитель):
м2/с;
м2/с.
Пусть В растворяется в А (А- растворитель):
м2/с;
м2/с.
Определим коэффициент диффузии смеси жидкостей для верхней и нижней части колонны по формуле:
м2/с;
м2/с.
По диаграмме «Равновесное состояние жидкости и пара» определяем коэффициенты распределения нижней и верхней частей колонны:
Через xн, xв определяем углы α и β соответственно (приложение 2).
Определяем число единиц переноса графическим методом интегрирования для нижней и верхней части колонны:
yw=xw=0.06
yD=xD=0.8
| x | y* | y | y*-y |
|
|
6.00 8.70 17.9 26.4 37.4 45.1 48.00 52.55 56.90 69.6 76.2 80.0 |
20.25 27.10 40.75 48.95 56.55 61.25 63.00 65.50 70.65 75.60 79.85 82.00 |
6.00 10.0 21.0 31.5 42.5 54.0 56.9 61.0 66.5 72.0 77.0 80.0 |
14.25 17.10 19.75 17.45 14.05 7.25 6.10 4.50 4.15 3.60 2.85 2.00 |
7.02 5.84 5.06 5.73 7.12 13.79 16.39 22.22 24.01 27.78 35.09 50.00 |
.102
По данным
таблицы строим
график зависимости
и
определяем
площадь под
графиком с
помощью метода
трапеций для
нижней и верхней
части колонны,
равную числу
единиц переноса
(приложение
4):
n0yн=3.029
n0yв=5.51
Определим высоту единиц переноса с помощью сведущих формул:
а) критерий Рейнольдса для пара и жидкости в верхней и нижней части колонны:
б) критерий Прандтля для пара и жидкости в верхней и нижней части колонны:
в) приведенная толщина жидкой пленки для верхней и нижней части колонны:
г) высота единиц переноса в газовой фазе для верхней и нижней части колонны:
м
м
д) высота единиц переноса в жидкой фазе для верхней и нижней части колонны:
м
м
Тогда высота единиц переноса равна:
м
м
Определим высоту слоя насадки по формуле:
Тогда общую высоту аппарата определим по формуле:
2.4 Ориентировочный расчет теплообменников
Произведем ориентировочные расчеты пяти теплообменников: куба-испарителя, подогревателя, дефлегматора и двух холодильников (дистиллята и кубового остатка).
2.4.1 Куб-испаритель
Исходные данные: Qk=3924.32кВт, tw=71ْC
Δt=tгп-tw
Пусть Δt=30ْC, тогда:
tгп= Δt+ tw=101ْC,
при tгп= 101ْC,
pгп=1.0728кгс/см2, rгп=2257.6 кДж/кг
пусть коэффициент теплопередачи Кор=800Вт/(м2.К)
Определим поверхность теплообмена по формуле:
м2
По ориентировочной поверхности теплообмена выбираем стандартный куб-испаритель с внутренним диаметром кожуха D=1000 мм, числом труб n=747, с поверхностью теплообмена F=176 м2 и длиной труб l=3м.
2.4.2 Подогреватель
Исходные
данные:
кг/с,
xF=0.48,
tF=58.4
ْC,
tнач=20
ْC,
.
Определим среднюю температуру:
Δtм=tгп-tF=101-58.4=42.6 ْC
Δtб=tгп-tнач=101-20=81 ْC
ْC
tср=tгп- Δtср=41.23 ْC
Определим вязкость смеси:
мПа.с
мПа.с
мПа.с
Определим теплоемкость смеси:
Определим количество теплоты в подогревателе:
Вт
Пусть Кор=300Вт/(м2.К), тогда
м2
м
м
0.01161<Sтр<0.0232
Исходя из сделанных расчетов можем выбрать стандартный четырехходовой подогреватель с внутренним диаметром кожуха D=600 мм, числом труб n=334, длиной труб l=3м, проходным сечением одного хода Sт=1.6.10-2м и числом рядов труб nр=18.
Определим расход греющего пара по формуле:
кмоль/с
2.4.3 Дефлегматор
Исходные данные: QD=3703,486 кВт, tD=56 ْC, tвнач=15 ْC, tвкон=40 ْC
Определим среднюю температуру:
Δtм=tD-tвкон=16 ْC
Δtб=tD-tвнач=41 ْC
ْC
tср=tD- Δtср=29.32 ْC
Определим теплофизические свойства воды при tср=29.32 ْC:
λ =0.6167Вт/(м.К)
μ=0.8125 мПа.с
ρ=996.14кг/м3
β=3.12.10-4 1/К
с=4189Дж/кгК
Пусть Кор=500Вт/(м2.К), тогда
м2
кг/с
