Расчет ректификационной колонны
Штуцер выхода кубового остатка:
,
(2.6)
При
плотность
воды
.
.
Принимаем
XW=0,5м/с,
Тогда
.
Стандартный размер трубы для изготовления штуцера по ГОСТ 9941-62, 95x4 (внутренний диаметр dвн=95-4·2=87мм=0,087м)
Скорость движения кубового остатка в штуцере:
.
Штуцер выхода паров из колонны:
,
(2.7)
.
Определяем среднюю плотность пара для верхней и нижней части колонны:
,
(2.8)
.
Принимаем
у=25
м/с.
.
Выбираем стальную электросварную прямошовную ГОСТ10704-81 630х16, внутренний диаметр которой равен dвн=630-16·2=598 мм. Следовательно, скорость паров в штуцере:
,
(2.9)
Для всех штуцеров выбираем стандартные фланцы тип 1[9]. Для штуцера подачи исходной смеси и флегмы выбираем фланец (ГОСТ 1235-54) с основными размерами dв=72мм, D1=130мм, D=160мм, b=11мм, D2=110мм, h=3мм, d=12мм, n=8шт. Фланец штуцера кубового остатка dв=97мм, D1=160мм, D=195мм, b=22мм, D2=138мм, h=4мм, d=16мм, n=8шт. Фланец штуцера для выхода паров из колонны dв=634мм, D1=740мм, D=770мм, b=11мм, d=24мм, n=20шт, (ГОСТ1255-54). Уплотнительный материал принимаем паронит марки ПОН (ГОСТ481-80).
3.1 Гидравлический расчёт
Цель гидравлического расчёта – определение величины сопротивлений различных участков трубопроводов и теплообменника и подбор насоса, обеспечивающего заданную подачу и рассчитанный напор при перекачке этанола.
Различают два вида сопротивлений (потерь напора): сопротивления трения (по длине) h1 и местные сопротивления hмс.
Для расчёта потерь напора по длине пользуются формулой Дарси-Вейсбаха.
,
(3.1)
где λ – гидравлический коэффициент трения;
l – длина трубопровода или тракта по которому протекает теплоноситель, м;
d – диаметр трубопровода, м;
- скоростной
коэффициент
напора, м.
Для расчёта потерь напора в местных сопротивлениях применяется формула Вейсбаха:
,
(3.2)
где ξ – коэффициент местных сопротивлений;
- скоростной
напор за местным
сопротивлением,
м.
3.1.1 Определение геометрических характеристик трубопровода
Гидравлическому
расчёту подлежит
схема на рис
1. Диаметр всасывающего
и напорного
трубопроводов
определим из
уравнения
расхода, принимая
скорость во
всасывающем
трубопроводе
вс
=1,0ч1,5м/с, в
напорном 1,5ч2,0м/с.
.
(3.3)
Рисунок 1— Расчетная схема
В выражении
(3.3)
- объёмный расход
питательной
смеси (этанол)
,
,
по ГОСТ 9941-62 выбираем трубу 95х4 (внутренний диаметр 87).
Скорость движения этанола на всасывающем участке трубы
,
(3.4)
,
Определяем режим движения на всасывающем участке трубопровода
,
(3.5)
где
-
кинематический
коэффициент
вязкости при
t=19°С.
,
—режим
движения
турбулентный.
Определяем
трубу для напорного
участка
н=1,5м/с
.
По ГОСТ выбираем трубу напорного трубопровода диаметром 70х3 (внутренний диаметр 64мм).
Скорость движения этанола на напорном участке трубы:
.
Режим движения на напорном участке трубопровода:
(3.7)
.
При данном числе Рейнольдса режим движения турбулентный.
Режим движения этанола на напорном участке трубопровода от теплообменника до ректификационной колонны:
(3.8)
где
- коэффициент
вязкости при
t=85°С
.
Следовательно, режим движения турбулентный.
Скорость движения этанола в трубках аппарата:
,
(3.9)
.
,
(3.10)
.
Режим движения турбулентный.
Расчёт сопротивлений на всасывающем участке трубопровода.
При турбулентном режиме движения гидравлический коэффициент трения λ может зависеть и от числа Рейнольдса, и от шероховатости трубы.
Рассчитаем гидравлический коэффициент трения λ для гидравлически гладких труб по формуле Блазиуса.,
.
(3.11)
Проверим трубу на шероховатость, рассчитав толщину вязкого подслоя δ и сравнив её с величиной абсолютной шероховатости.
,
(3.12)
где
- для стальных
бесшовных туб.
,
,
(3.13)
м.
Т.к. δ>∆, следовательно труба гидравлически гладкая λ=λгл =0,0276 на всех остальных участках трубопровода будем считать трубу так же гидравлически гладкой.
В соответствии с заданным вариантом Н=14м – максимальная высота подъёма, hвс=1,0м-высота всасывания, lвс=2,8 – длина всасывающего трубопровода, l΄н=12м – длина трубопровода от теплообменника до ректификационной колонны, lн=25м – длина нагнетательного трубопровода. Смесь подаётся по трубопроводу длиной l= lвс+ lн =1,0+2,8=3,8 м.
По формуле (3.1) определяем потери напора по длине
.
Согласно схеме насосной установки на всасывающей линии имеются следующие местные сопротивления: главный поворот на 90°, вход в трубу. Коэффициент местного сопротивления ξвх=1,0; ξпов=0,5, следовательно ∑ξ=0,5+1=1,5 по формуле Вейсбаха потери напора в местных сопротивлениях определяются как
,
(3.14)
где ξ
– коэффициент
местных сопротивлений;
- скоростной
напор за местным
сопротивлением,
м.
.
Суммарные потери напора на всасывающем участке трубопровода:
,
(3.15)
.
Расчёт сопротивлений на напорном участке трубопровода от насоса до теплообменника. Т.к. труба гидравлически гладкая, то гидравлический коэффициент трения λ рассчитываем по формуле Блазиуса (3.11):
,
.
Потери напора по длине:
,
(3.16)
.
Согласно расчётной схеме на напорном участке трубопровода от насоса до теплообменника имеется один вид местного сопротивления – главный поворот ξ=0,5
.
Суммарные потери напора на участке напорного трубопровода от насоса до теплообменника:
.
Расчёт сопротивления теплообменника
Определим напор теряемый в местных сопротивлениях теплообменника ( рис 1)
,
.
Предварительно вычисляем площади на различных участках.
Рисунок 2— Коэффициенты местных сопротивлений теплообменника
Площадь поперечного сечения штуцера
,
(3.18)
Площадь поперечного сечения крышки (свободного сечения аппарата)
,
(3.19)
.
Площадь поперечного сечения 28-и труб одного хода теплообменника:
,
(3.20)
.
Скорость и скоростной напор в соответствующих сечениях:
