Реферат: Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

--PAGE_BREAK--2. Технологический расчет


Основными задачами технологического расчёта процесса ректификации, являются определение основных геометрических размеров ректификационной колонны (её диаметра и высоты), а так же расхода греющего пара в кубе колонны и охлаждающей воды в дефлегматоре.
2.1 Материальный баланс


Целью составления и решения уравнения материального баланса является определение неизвестных материальных потоков.

Температуры кипения веществ при Р=760мм.рт.ст.:

Бензол Ткип=80,2 ˚С (НК);

Толуол Ткип=110,8 ˚С (ВК).

Молекулярные массы веществ:

Бензол Мr=78,11 кг/кмоль;

Толуол Мr=92,13 кг/кмоль.

Расчет проведем по методике, предложенной в [1].

Уравнение материального баланса имеет вид:
<img width=«189» height=«63» src=«ref-1_1495968663-669.coolpic» v:shapes="_x0000_i1025"> (1)
где F– расход исходной смеси, кг/с;

P– расход верхнего продукта, кг/с;

W– расход нижнего продукта, кг/с;

<img width=«87» height=«32» src=«ref-1_1495969332-294.coolpic» v:shapes="_x0000_i1026">– соответствующие массовые доли компонентов, кг/кг.


<img width=«177» height=«46» src=«ref-1_1495969626-915.coolpic» v:shapes="_x0000_i1027">

<img width=«343» height=«53» src=«ref-1_1495970541-1386.coolpic» v:shapes="_x0000_i1028"> <img width=«345» height=«52» src=«ref-1_1495971927-1424.coolpic» v:shapes="_x0000_i1029">

F=0.558+0.823 = 1.387 <img width=«36» height=«19» src=«ref-1_1495973351-119.coolpic» v:shapes="_x0000_i1030">

1.388*0.4=0.558*0.95 + 0.83*0.03

0.555 = 0.555

Для расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях, X. Mб = 78, Mт = 92– мольные массы бензола и толуола соответственно.
X=(хНК/ MНК)/(хНК/ MНК+(1-хНК)/ MВК)                                  (2)

XF= (0,4/78)/( 0,4/78+ (1 – 0,4)/92) = 0,0051 кмоль/кмоль смеси

XР = (0,95/78)/( 0,95/78+ (1 – 0,95)/92) = 0,012 кмоль/кмоль смеси

XW= (0,03/78)/( 0,03/78+ (1 – 0,03)/92) = 0,00038 кмоль/кмоль смеси.
Для перевода массовых расходов F
,
P
,
W(кг/с) в мольные достаточно каждый из них разделить на соответствующую мольную массу вещества потока, которую можно рассчитать по уравнению:
<img width=«243» height=«30» src=«ref-1_1495973470-541.coolpic» v:shapes="_x0000_i1031"> (3)
где <img width=«69» height=«31» src=«ref-1_1495974011-228.coolpic» v:shapes="_x0000_i1032">─ мольные доли компонента, кмоль/кмоль;

<img width=«71» height=«24» src=«ref-1_1495974239-191.coolpic» v:shapes="_x0000_i1033"> ─ мольные массы соответствующих компонентов, кг/кмоль;

<img width=«32» height=«24» src=«ref-1_1495974430-125.coolpic» v:shapes="_x0000_i1034">─ мольная масса потока, кг/кмоль.


МсмF= 78*0.0051+92(1-0.0051) = 91.928 кг/кмоль

Мсм
P
= 78*0.012+92(1-0.012) = 91.83 кг/кмоль

Мсм
W
= 78*0.00038+92(1-0.000038) = 91.99 кг/кмоль

<img width=«93» height=«53» src=«ref-1_1495974555-267.coolpic» v:shapes="_x0000_i1035">
 (4)

<img width=«91» height=«53» src=«ref-1_1495974822-268.coolpic» v:shapes="_x0000_i1036">
 (5)

<img width=«94» height=«50» src=«ref-1_1495975090-285.coolpic» v:shapes="_x0000_i1037"> (6)
где F
,
P
,
W─ массовые расходы, кг/с;

FN
,
PN
,
WN─ мольные расходы, кмоль/с.
<img width=«215» height=«154» src=«ref-1_1495975375-2326.coolpic» v:shapes="_x0000_i1038">
2.2 Построение фазовых диаграмм
С целью проведения дальнейших материальных расчётов требуется построение линий равновесия t-x-yдиаграммы.
Таблица 2.2.1 — Содержания низкокипящего и высококипящего компонентов при различных температурах и давлении <metricconverter productid=«760 мм» w:st=«on»>760 мм.рт.ст.


    продолжение
--PAGE_BREAK--2.3 Определение рабочего флегмового числа Определение флегмового числа
Атмосферное давление:
<img width=«167» height=«25» src=«ref-1_1495977701-488.coolpic» v:shapes="_x0000_i1039">
Давление в колонне:
<img width=«289» height=«25» src=«ref-1_1495978189-716.coolpic» v:shapes="_x0000_i1040">
Строим таблицу равновесного состава c помощью интерполяции [7, табл.XLVI и рис. XIV]:

<img width=«39» height=«28» src=«ref-1_1495978905-185.coolpic» v:shapes="_x0000_i1041">

<img width=«108» height=«25» src=«ref-1_1495979090-304.coolpic» v:shapes="_x0000_i1042">

<img width=«111» height=«25» src=«ref-1_1495979394-310.coolpic» v:shapes="_x0000_i1043">

<img width=«95» height=«52» src=«ref-1_1495979704-288.coolpic» v:shapes="_x0000_i1044">

<img width=«76» height=«47» src=«ref-1_1495979992-235.coolpic» v:shapes="_x0000_i1045">

80

760

300

<img width=«11» height=«19» src=«ref-1_1495980227-112.coolpic» v:shapes="_x0000_i1046">

<img width=«11» height=«19» src=«ref-1_1495980227-112.coolpic» v:shapes="_x0000_i1047">

84

852

333

0,823

0,922

88

957

379,5

0,659

0,83

92

1078

432

0,508

0,72

96

1204

492,5

0,376

0,596

100

1344

559

0,256

0,453

104

1495

625,5

0,155

0,304

108

1659

704,5

0,058

0,127

110

1748

760







По таблице находим состав пара равновесного с начальной смесью, с дистиллятом и кубовым остатком:


<img width=«80» height=«28» src=«ref-1_1495980451-364.coolpic» v:shapes="_x0000_i1048">;

<img width=«79» height=«25» src=«ref-1_1495980815-360.coolpic» v:shapes="_x0000_i1049">;

<img width=«85» height=«25» src=«ref-1_1495981175-381.coolpic» v:shapes="_x0000_i1050">.
Рабочее (оптимальное) флегмовое число Rопределяет нагрузки ректификационной колонны по пару и по жидкости и наряду с производительностью колонны обуславливает геометрические размеры колонного аппарата и затраты теплоты на проведение процесса.

Исходным при выборе рабочего флегмового числа является минимальное его значение Rmin.
Rminопределяется по формуле [Иоффе]:
<img width=«123» height=«61» src=«ref-1_1495981556-367.coolpic» v:shapes="_x0000_i1051"> (7)
где <img width=«22» height=«26» src=«ref-1_1495981923-103.coolpic» v:shapes="_x0000_i1052"> — мольная доля продукта, кмоль/кмоль.
<img width=«225» height=«57» src=«ref-1_1495982026-910.coolpic» v:shapes="_x0000_i1053">.
1. Принимаем коэффициент избытка флегмы:
<img width=«63» height=«23» src=«ref-1_1495982936-325.coolpic» v:shapes="_x0000_i1054">.
Рабочее флегмовое число:


<img width=«221» height=«25» src=«ref-1_1495983261-651.coolpic» v:shapes="_x0000_i1055">.
Координата точки b:
<img width=«209» height=«51» src=«ref-1_1495983912-811.coolpic» v:shapes="_x0000_i1056">.
Строим кривую равновесия:
<img width=«404» height=«417» src=«ref-1_1495984723-7919.coolpic» v:shapes="_x0000_i1057">
С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:
<img width=«65» height=«25» src=«ref-1_1495992642-268.coolpic» v:shapes="_x0000_i1058">.
Находим произведение:


<img width=«263» height=«28» src=«ref-1_1495992910-911.coolpic» v:shapes="_x0000_i1059">.
2. Принимаем коэффициент избытка флегмы:
<img width=«63» height=«23» src=«ref-1_1495993821-323.coolpic» v:shapes="_x0000_i1060">.
Рабочее флегмовое число:
<img width=«216» height=«25» src=«ref-1_1495994144-631.coolpic» v:shapes="_x0000_i1061">.
Координата точки b:
<img width=«201» height=«51» src=«ref-1_1495994775-766.coolpic» v:shapes="_x0000_i1062">.
Строим кривую равновесия:
<img width=«343» height=«354» src=«ref-1_1495995541-6186.coolpic» v:shapes="_x0000_i1063">


С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:
<img width=«64» height=«25» src=«ref-1_1496001727-256.coolpic» v:shapes="_x0000_i1064">.
Находим произведение:
<img width=«255» height=«28» src=«ref-1_1496001983-846.coolpic» v:shapes="_x0000_i1065">.
3. Принимаем коэффициент избытка флегмы:
<img width=«63» height=«23» src=«ref-1_1496002829-303.coolpic» v:shapes="_x0000_i1066">.
Рабочее флегмовое число:
<img width=«215» height=«25» src=«ref-1_1496003132-596.coolpic» v:shapes="_x0000_i1067">.
Координата точки b:
<img width=«203» height=«51» src=«ref-1_1496003728-769.coolpic» v:shapes="_x0000_i1068">.
Строим кривую равновесия:


<img width=«404» height=«417» src=«ref-1_1496004497-8058.coolpic» v:shapes="_x0000_i1069">
С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:
<img width=«63» height=«25» src=«ref-1_1496012555-258.coolpic» v:shapes="_x0000_i1070">.
Находим произведение:
<img width=«253» height=«28» src=«ref-1_1496012813-843.coolpic» v:shapes="_x0000_i1071">.
4. Принимаем коэффициент избытка флегмы:
<img width=«65» height=«23» src=«ref-1_1496013656-330.coolpic» v:shapes="_x0000_i1072">.
Рабочее флегмовое число:


<img width=«227» height=«25» src=«ref-1_1496013986-676.coolpic» v:shapes="_x0000_i1073">.
Координата точки b:
<img width=«208» height=«51» src=«ref-1_1496014662-778.coolpic» v:shapes="_x0000_i1074">.
Строим кривую равновесия:
<img width=«404» height=«417» src=«ref-1_1496015440-8084.coolpic» v:shapes="_x0000_i1075">
С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:
<img width=«63» height=«25» src=«ref-1_1496023524-202.coolpic» v:shapes="_x0000_i1076">.
Находим произведение:


<img width=«263» height=«28» src=«ref-1_1496023726-848.coolpic» v:shapes="_x0000_i1077">.
5. Принимаем коэффициент избытка флегмы:
<img width=«55» height=«23» src=«ref-1_1496024574-285.coolpic» v:shapes="_x0000_i1078">.
Рабочее флегмовое число:
<img width=«208» height=«25» src=«ref-1_1496024859-592.coolpic» v:shapes="_x0000_i1079">.
Координата точки b:
<img width=«187» height=«51» src=«ref-1_1496025451-690.coolpic» v:shapes="_x0000_i1080">.
Строим кривую равновесия:
<img width=«360» height=«371» src=«ref-1_1496026141-6620.coolpic» v:shapes="_x0000_i1081">


С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:
<img width=«64» height=«25» src=«ref-1_1496032761-269.coolpic» v:shapes="_x0000_i1082">.
Находим произведение:
<img width=«253» height=«28» src=«ref-1_1496033030-853.coolpic» v:shapes="_x0000_i1083">.
Строим зависимость Nm*(R+1)=f(R):
<img width=«310» height=«194» src=«ref-1_1496033883-3359.coolpic» v:shapes="_x0000_i1084">
Из графика видно, что оптимальным будет 2 вариант. Флегмовое число и число теоретических тарелок при этом будут:
<img width=«73» height=«52» src=«ref-1_1496037242-493.coolpic» v:shapes="_x0000_i1085">
2.4 Определение действительного числа тарелок
Относительная летучесть начальной смеси:
<img width=«331» height=«63» src=«ref-1_1496037735-1831.coolpic» v:shapes="_x0000_i1086">.


По [1, табл.IX] находим вязкости компонентов:
<img width=«111» height=«25» src=«ref-1_1496039566-406.coolpic» v:shapes="_x0000_i1087">;

<img width=«109» height=«25» src=«ref-1_1496039972-394.coolpic» v:shapes="_x0000_i1088">.
Вязкость жидкости на питательной тарелке:
<img width=«536» height=«51» src=«ref-1_1496040366-1769.coolpic» v:shapes="_x0000_i1089">.
Общий коэф-т полезного действия в тарелке:
<img width=«448» height=«32» src=«ref-1_1496042135-1460.coolpic» v:shapes="_x0000_i1090">.
Число действительных тарелок:
<img width=«211» height=«52» src=«ref-1_1496043595-861.coolpic» v:shapes="_x0000_i1091">.
Принимаем:
<img width=«67» height=«28» src=«ref-1_1496044456-299.coolpic» v:shapes="_x0000_i1092">.
    продолжение
--PAGE_BREAK--2.5 Определение геометрических размеров тарельчатых колонн


В определение геометрических размеров входят определение высоты и диаметра колонны.

2.5.1 Определение диаметра колонны
Диаметрколонныопределяетсяпоформуле :

<img width=«99» height=«60» src=«ref-1_1496044755-443.coolpic» v:shapes="_x0000_i1093"> (10)
где V– объёмный расход паров для верха и для низа колонны, м3/с;

ω— скорость пара для верхней и для нижней колонны, м/c;

π– геометрическая постоянная (π=3,14).
2.5.2 Определение объёмного расхода паров
Определение объёмного расхода паров производиться по формуле:
<img width=«151» height=«55» src=«ref-1_1496045198-538.coolpic» v:shapes="_x0000_i1094"> (11)
где P– мольный расход, кмоль/с;

R–оптимальное флегмовое число;

Mcp– средняя мольная масса пара, кг/кмоль;

ρ
п.ср– плотность пара для среднего сечения, кг/м2.

Средняя мольная масса пара определяетсяпоформуле :
<img width=«215» height=«29» src=«ref-1_1496045736-503.coolpic» v:shapes="_x0000_i1095"> (12)
где M
нк
, Мвк– мольные массы компонентов, кг/кмоль;;

y
ср– средний мольный состав пара, кмоль/кмоль.

Средняя плотность пара определяетсяпоформуле :


<img width=«158» height=«57» src=«ref-1_1496046239-604.coolpic» v:shapes="_x0000_i1096"> (13)
где Т˚=273К;

Р0=760 мм.рт.ст.

Тср– средняя температура кипения смеси в среднем сечении верхней части колонны в ˚С (определяется по t-x-yдиаграмме по значению yср)

Определение объёмного расхода паров в колонне производиться для верха и для низа колонны отдельно.
Среднее сечение верхней части колонны: Средний мольный состав пара определяетсяпоформуле :


<img width=«113» height=«51» src=«ref-1_1496046843-364.coolpic» v:shapes="_x0000_i1097"> (14)

где ypи yf-мольные доли компонентов (определяются по x-yдиаграмме).
<img width=«290» height=«47» src=«ref-1_1496047207-1015.coolpic» v:shapes="_x0000_i1098">

<img width=«32» height=«25» src=«ref-1_1496048222-128.coolpic» v:shapes="_x0000_i1099">= 92,13*0,795 + 78,11*(1-0,795) = 89,24 кг/кмоль

<img width=«33» height=«25» src=«ref-1_1496048350-120.coolpic» v:shapes="_x0000_i1100">= 89,24*273/22,4(273+92,2) = 2,97 кг/м3

V
=(0,006*(2,43+1)*89,24)/2,97 = 0,62 м3/сек
Среднее сечение нижней части колонны: Средний мольный состав пара определяетсяпоформуле [3]: <img width=«112» height=«50» src=«ref-1_1496048470-353.coolpic» v:shapes="_x0000_i1101"> (15)

где y
ци yf-мольные доли компонентов (определяются по x-yдиаграмме).
<img width=«275» height=«45» src=«ref-1_1496048823-549.coolpic» v:shapes="_x0000_i1102">

<img width=«32» height=«25» src=«ref-1_1496048222-128.coolpic» v:shapes="_x0000_i1103">= 92,13*0,34 + 78,11*(1-0,34) = 82,87 кг/кмоль

<img width=«33» height=«25» src=«ref-1_1496048350-120.coolpic» v:shapes="_x0000_i1104">= 89,24*273/22,4(273+105,95) = 2,66 кг/м3

V
=(0,006*(2,43+1)*82,87)/2,66 = 0,64 м3/сек
    продолжение
--PAGE_BREAK--2.5.3 Определение скорости пара
Расчет проведем по методике предложенной в [1].

Для колпачковых тарелок предельно допустимая скорость рассчитывается по уравнению:
<img width=«152» height=«59» src=«ref-1_1496049620-833.coolpic» v:shapes="_x0000_i1105">       (16)
где <img width=«21» height=«25» src=«ref-1_1496050453-109.coolpic» v:shapes="_x0000_i1106"> – диаметр колпачка, м; <img width=«20» height=«25» src=«ref-1_1496050562-109.coolpic» v:shapes="_x0000_i1107"> – расстояние от верхнего края колпачка до вышерасположенной колонны, м; <img width=«51» height=«28» src=«ref-1_1496050671-269.coolpic» v:shapes="_x0000_i1108"> – соответственно плотности жидкой и паровой фазы, кг/м3.

Верхняя часть аппарата:
<img width=«182» height=«54» src=«ref-1_1496050940-524.coolpic» v:shapes="_x0000_i1109"> (17)
где x
ср.нк– средний состав жидкости для верхней части колонны, кмоль/кмоль.


<img width=«131» height=«51» src=«ref-1_1496051464-398.coolpic» v:shapes="_x0000_i1110"> (18)

<img width=«265» height=«104» src=«ref-1_1496051862-1661.coolpic» v:shapes="_x0000_i1111">

<img width=«270» height=«79» src=«ref-1_1496053523-1643.coolpic» v:shapes="_x0000_i1112">

<img width=«229» height=«49» src=«ref-1_1496055166-611.coolpic» v:shapes="_x0000_i1113"> м/с

Нижняя часть аппарата:

<img width=«125» height=«49» src=«ref-1_1496055777-376.coolpic» v:shapes="_x0000_i1114"> (19)

<img width=«303» height=«103» src=«ref-1_1496056153-1891.coolpic» v:shapes="_x0000_i1115">

<img width=«303» height=«80» src=«ref-1_1496058044-1773.coolpic» v:shapes="_x0000_i1116">

<img width=«228» height=«49» src=«ref-1_1496059817-615.coolpic» v:shapes="_x0000_i1117"> м/с
Определим диаметр колонны для верха и для низа:



Верх.<img width=«244» height=«54» src=«ref-1_1496060432-1130.coolpic» v:shapes="_x0000_i1118">

Низ:<img width=«260» height=«54» src=«ref-1_1496061562-1175.coolpic» v:shapes="_x0000_i1119"> Примем D=1000мм


Примем стандартный диаметр колонны одинаковый для верхней и нижней части и равный <img width=«40» height=«17» src=«ref-1_1496062737-118.coolpic» v:shapes="_x0000_i1120"> м.

Параметры колпачковой тарелки типа ТСК-1 Свободное сечение колонны <img width=«68» height=«24» src=«ref-1_1496062855-169.coolpic» v:shapes="_x0000_i1121"> м2, длина линии барботажа <metricconverter productid=«9,3 м» w:st=«on»>9,3 м, периметр слива <img width=«59» height=«24» src=«ref-1_1496063024-151.coolpic» v:shapes="_x0000_i1122"> м, площадь слива <metricconverter productid=«0,05 м2» w:st=«on»>0,05 м2, площадь паровых патрубков <metricconverter productid=«0,073 м2» w:st=«on»>0,073 м2, относительная площадь прохода паров 9%, число колпачков 37, диаметр колпачка <img width=«59» height=«25» src=«ref-1_1496063175-291.coolpic» v:shapes="_x0000_i1123"> мм, шаг <img width=«55» height=«20» src=«ref-1_1496063466-241.coolpic» v:shapes="_x0000_i1124"> мм, <img width=«63» height=«25» src=«ref-1_1496063707-253.coolpic» v:shapes="_x0000_i1125"> мм, высота перелива <img width=«57» height=«25» src=«ref-1_1496063960-273.coolpic» v:shapes="_x0000_i1126"> мм. Расстояние между тарелками Ht=0,35[1].
2.5.4 Определение высоты колонны Определение высоты тарельчатой колонны производиться по следующему уравнению [1]:


<img width=«141» height=«31» src=«ref-1_1496064233-503.coolpic» v:shapes="_x0000_i1127"> (20)
где <img width=«126» height=«32» src=«ref-1_1496064736-379.coolpic» v:shapes="_x0000_i1128"> -высота тарельчатой (рабочей) части колонны, м;

h– расстояние между тарелками, м [1];

h1 — высота сепарационной части над верхней тарелкой, м;

h2 — расстояние от нижней тарелки до днища колонны, м.

Значения h1и h2выбрать в соответствии с практическими рекомендациями в зависимости от диаметра колонны [1]:


H=(16-1)*0.6+0.6+1.5=11.1 м



3. Тепловой расчет


В задачу теплового расчета входит определение расхода греющего пара в испарителе колонны и величину ее теплопередающей поверхности, а так же расхода охлаждающей воды в дефлегматор. Способ подвода и отвода тепла осуществляется за счет испарения части реакционной массы и за счет применения выносных поверхностей теплообмена.
3.1 Расчёт испарителя


Расход греющего пара в кубе колонны рассчитывается на основе составления и решения уравнения теплового баланса ректификационной колонны
<img width=«413» height=«29» src=«ref-1_1496065115-841.coolpic» v:shapes="_x0000_i1129"> (21)
где r
воды– удельная теплота парообразования, Дж/кг ;

Р– расход верхнего продукта, кг/с;

W– расход нижнего продукта, кг/с;

Ropt
– флегмовое число;

<img width=«67» height=«26» src=«ref-1_1496065956-164.coolpic» v:shapes="_x0000_i1130"> – энтальпии потоков, Дж/кг;

rcp
– средняя удельная теплота фазового перехода, кДж/кг;

Q
пот– тепловые потери (от 3% до 5% от тепла греющего пара) [1]:
<img width=«228» height=«32» src=«ref-1_1496066120-535.coolpic» v:shapes="_x0000_i1131">  (22)
где r–удельная теплота фазового перехода соответствующего компонента, Дж/кг [5];


tср = 95,4 ◦С ;

r
нк = 90

r
вк = 87

r
ср= 90*0,4+87*(1-0,4)= 88,2

r
ср= 88,2*4190 = 369558 Дж/кг.

<img width=«287» height=«92» src=«ref-1_1496066655-2234.coolpic» v:shapes="_x0000_i1132"> 
Таблица 3.1-Теплоёмкости компонентов при различных температурах [2].



<img width=«268» height=«30» src=«ref-1_1496068889-592.coolpic» v:shapes="_x0000_i1133">    (23)
где <img width=«29» height=«23» src=«ref-1_1496069481-116.coolpic» v:shapes="_x0000_i1134">– массовые доли компонентов, кг/кг;

Ср — теплоёмкости компонентов при различных температурах, Дж/кг*К.


F
:
Cp
см = 2077*0,4+2022*(1-0,4) = 1763,3 Дж/кг*К;

P
:
Cp
см = 1766*0,95+1766(1-0,95) = 2044 Дж/кг*К;

W
:
Cp
см = 2480*0,05+2422(1-0,05) = 2424,9 Дж/кг*К.

<img width=«84» height=«27» src=«ref-1_1496069597-189.coolpic» v:shapes="_x0000_i1135"> (24)
где I— энтальпии потоков, Дж/кг;
Т – температура компонентов, ˚C.


IF= 1763,6*81 = 142851,6 Дж/кг;

IP= 2044*95,4 = 194997,6 Дж/кг;

IW= 2424,9*109,6 = 265769,04 Дж/кг.

D
г.п.*(
I
г.п.-
i
к)= 0,558*(194997,6-142851,6) + 0,83(265769,04+142851,6) + +0,558*3,16*369558 = 1019886,829

D
г.п. = 1019886,829/(0,97*369558) = 2,84 кг/с.
Величину теплопередающей поверхности испарителя рассчитывают на основе уравнения теплопередачи [5]:

<img width=«144» height=«52» src=«ref-1_1496069786-403.coolpic» v:shapes="_x0000_i1136"> (25)
где Q
пот
– тепловые потери (от 3% до 5% от тепла греющего пара) [1];

D
г.п
(
I
г.п.
-
i
к
) – расход греющего пара, найденного по формуле (21);

K– коэффициент теплопередачи, выбирается по опытным данным в пределах от 300 до2500 Вт/м2*К;

ΔТср – средняя движущая сила процесса теплопередачи.

ΔТср определяется по разнице температур между температурой разделяемой смеси (в кубе колоны) и температурой насыщенного водяного пара при определённом давлении. Обычно средняя движущая сила процесса равна 30 ± 5ºС.

Температура кубового остатка равна Тw=109,6 ºС (см. выше).

Температура насыщенного водяного пара при давлении 3,0 кг/см2 составляет Т=135,9ºС .
<img width=«206» height=«32» src=«ref-1_1496070189-469.coolpic» v:shapes="_x0000_i1137"> (26)

∆
T
ср= 135,9 – 109,6 = 26,3 оС


<img width=«334» height=«175» src=«ref-1_1496070658-1652.coolpic» v:shapes="_x0000_s1027 _x0000_s1028 _x0000_s1029 _x0000_s1030 _x0000_s1031 _x0000_s1032 _x0000_s1033 _x0000_s1034 _x0000_s1035 _x0000_s1036">


ТºС ТºС
                                                                    ΔТср            
Рисунок 3.1 — Температурная диаграмма для определения средней движущей силы процесса теплопередачи.



<img width=«229» height=«50» src=«ref-1_1496072310-1182.coolpic» v:shapes="_x0000_i1138">


    продолжение
--PAGE_BREAK--3.2 Определение расхода воды в дефлегматоре


При расчёте теплового баланса дефлегматора принимается, что пары дистиллята подвергаются полной конденсации. Тогда расход охлаждающей воды составит [5]:

<img width=«199» height=«52» src=«ref-1_1496073492-524.coolpic» v:shapes="_x0000_i1139"> (27)
где P– мольный расход продукта, кмоль/с;

R– оптимальное флегмовое число;

M
см
p– мольная масса продукта, кг/кмоль;

rp– удельная теплота фазового перехода, кДж/кг;

Cp– теплоёмкость воды, кДж/кг*К [2];

Cp=4190 Дж/кг*К

T
к
,
T
н– конечная и начальная температура охлаждения воды, ˚C. Обычно принимается Tн=12˚CTк=45˚C


<img width=«205» height=«32» src=«ref-1_1496074016-501.coolpic» v:shapes="_x0000_i1140">             (28)
где rp–удельная теплота фазового перехода определённого компонента, кДж/кг [2];


rp= 90*0,95 + 88*(1-0,95) = 89,9*4190 = 376681 Дж/кг

M
см
p= 91,83 кг/кмоль

<img width=«361» height=«48» src=«ref-1_1496074517-809.coolpic» v:shapes="_x0000_i1141">
3.3 Расчет тепловой изоляции


Основной целью расчета тепловой изоляции является выбор теплоизоляционного материала и расчет его толщины для минимизации тепловых потерь в окружающую среду и обеспечения требований техники безопасности. Расчет тепловой изоляции проводят из условий заданной температуры наружного слоя изоляции, которая не должна превышать 45°С. Толщину слоя теплоизоляционного материала определяют по формуле:
<img width=«176» height=«55» src=«ref-1_1496075326-622.coolpic» v:shapes="_x0000_i1142"> (29)
где <img width=«11» height=«17» src=«ref-1_1496075948-84.coolpic» v:shapes="_x0000_i1143"> – температура внутреннего слоя изоляции tст.=45˚C.

<img width=«28» height=«29» src=«ref-1_1496076032-204.coolpic» v:shapes="_x0000_i1144">– теплопроводность слоя изоляции.

Примем температуру внутреннего слоя тепловой изоляции равной температуре среды в колонне. <img width=«75» height=«24» src=«ref-1_1496076236-178.coolpic» v:shapes="_x0000_i1145">.

Выберем в качестве теплоизоляционного материала асбест с <img width=«87» height=«25» src=«ref-1_1496076414-332.coolpic» v:shapes="_x0000_i1146"> Вт/м*К.


Величину тепловых потерь в окружающую среду <img width=«35» height=«25» src=«ref-1_1496076746-135.coolpic» v:shapes="_x0000_i1147"> рассчитаем по уравнению теплоотдачи [3]:
<img width=«156» height=«28» src=«ref-1_1496076881-481.coolpic» v:shapes="_x0000_i1148">,               (30)
где <img width=«193» height=«28» src=«ref-1_1496077362-669.coolpic» v:shapes="_x0000_i1149"> – суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/м2*К.
<img width=«213» height=«21» src=«ref-1_1496078031-347.coolpic» v:shapes="_x0000_i1150"> Вт/м2*К.

<img width=«224» height=«48» src=«ref-1_1496078378-525.coolpic» v:shapes="_x0000_i1151"> м.



4. Гидравлический расчет


Основной целью гидравлического расчета является определение гидравлических сопротивлений, которые возникают в процессе прохождения пара через ректификационную колонну из куба через контактные устройства в дефлегматор. Потери напора для всех ректификационных колонн позволяют рассчитать необходимое повышение температуры кипения смеси в кубе колонны.
<img width=«161» height=«24» src=«ref-1_1496078903-280.coolpic» v:shapes="_x0000_i1152"> (31)
где ΔРс – сопротивление сухой тарелки, Па;

ΔРж – сопротивление слоя жидкости, Па;

ΔРб – сопротивление за счёт поверхностного натяжения жидкости, Па; (незначительно можно пренебречь).
<img width=«144» height=«47» src=«ref-1_1496079183-345.coolpic» v:shapes="_x0000_i1153"> (32)
где ω. — скорость пара в горловине колпачка, м/с; определяется по объемному расходу пара и свободному сечению тарелки, м2/c.
<img width=«57» height=«51» src=«ref-1_1496079528-301.coolpic» v:shapes="_x0000_i1154"> (33)



Верхняя часть аппарата

<img width=«232» height=«99» src=«ref-1_1496079829-1436.coolpic» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1037">









Нижняя часть аппарата




<img width=«243» height=«97» src=«ref-1_1496081265-1454.coolpic» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1038">

Сопротивление слоя жидкости
<img width=«127» height=«21» src=«ref-1_1496082719-248.coolpic» v:shapes="_x0000_i1155">    (34)
где

h
б – высота барботажного слоя жидкости на тарелке, м;

ρж– плотность жидкости, кг/м3;

q– ускорение свободного падения (g=9,8м/с2).

hб=0,055м

Верхняя часть аппарата
<img width=«263» height=«58» src=«ref-1_1496082967-1368.coolpic» v:shapes="_x0000_i1156">



Нижняя часть аппарата

<img width=«256» height=«56» src=«ref-1_1496084335-1284.coolpic» v:shapes="_x0000_i1157">
Полное гидравлическое сопротивление для верха и для низа колонны составляет:

Верхняя часть аппарата <img width=«264» height=«25» src=«ref-1_1496085619-944.coolpic» v:shapes="_x0000_i1158">

Нижняя часть аппарата
<img width=«282» height=«25» src=«ref-1_1496086563-1097.coolpic» v:shapes="_x0000_i1159"> 


5. Механический расчет основного аппарата

Цель механического расчета ректификационной колонны является определение размеров отдельных частей и элементов колонны, которые удовлетворяли бы условиям технологической целесообразности, механической прочности и устойчивости.


    продолжение
--PAGE_BREAK--5.1           Расчет толщины стенок и опоры аппарата


Обечайка – это цилиндрический корпус аппарата, который работает, как правило, под избыточным внутренним или внешним давлением.

Опоры для аппаратов в химической промышленности выбираются из расчета максимальной нагрузки, которую опора должна выдержать, во время испытания. Материал опоры выбирается в зависимости от температуры рабочей среды, емкости аппарата и т.д. Выберем сталь В Ст3 сп3 ГОСТ 380-71.

Толщина стенки обечайки рассчитывается по уравнению:

<img width=«136» height=«48» src=«ref-1_1496087660-352.coolpic» v:shapes="_x0000_i1160">           (35)
где <img width=«17» height=«19» src=«ref-1_1496088012-95.coolpic» v:shapes="_x0000_i1161"> – давление в аппарате, МПа;

<img width=«20» height=«19» src=«ref-1_1496088107-98.coolpic» alt="*" v:shapes="_x0000_i1162"> – диаметр обечайки, мм;

<img width=«20» height=«18» src=«ref-1_1496088205-111.coolpic» alt="*" v:shapes="_x0000_i1163"> – предельно допускаемое напряжение для материала изготовления, МПа;

<img width=«16» height=«20» src=«ref-1_1496088316-189.coolpic» v:shapes="_x0000_i1164"> – коэффициент прочности сварного шва, примем равным единице;
<img width=«128» height=«25» src=«ref-1_1496088505-230.coolpic» v:shapes="_x0000_i1165"> – прибавка.


<img width=«20» height=«25» src=«ref-1_1496088735-104.coolpic» alt="*" v:shapes="_x0000_i1166"> – прибавка на коррозию и эрозию, примем <metricconverter productid=«1,0 мм» w:st=«on»>1,0 мм;

<img width=«23» height=«25» src=«ref-1_1496088839-106.coolpic» v:shapes="_x0000_i1167"> – прибавка на минусовое отклонение по толщине листа, примем 0,7мм;

<img width=«21» height=«25» src=«ref-1_1496088945-105.coolpic» alt="*" v:shapes="_x0000_i1168"> – технологическая прибавка, примем <metricconverter productid=«0,51 мм» w:st=«on»>0,51 мм.

Предельно допускаемое напряжение для данного материала равно <img width=«73» height=«24» src=«ref-1_1496089050-374.coolpic» v:shapes="_x0000_i1169"> МПа.
<img width=«289» height=«49» src=«ref-1_1496089424-1115.coolpic» v:shapes="_x0000_i1170"> мм.
По расчётам, толщина обечайки равняется 2,42, но по техническим требованиям толщина стенки должна составлять минимум <metricconverter productid=«10 миллиметров» w:st=«on»>10 миллиметров [4].

Для подбора опор необходимо определить массу и нагрузку аппарата.

Определение массы аппарата.

Масса корпуса:

<img width=«170» height=«29» src=«ref-1_1496090539-454.coolpic» v:shapes="_x0000_i1171"> (36)
где Н – высота аппарата, м;

π
– геометрическая постоянная (π=3,14);

D– диаметр колонны, м ;

s– толщина стенки, м [4];

ρ– плотность стали, кг/м2 [4].

<img width=«321» height=«26» src=«ref-1_1496090993-1080.coolpic» v:shapes="_x0000_i1172">кг.

Масса крышки и днища:
<img width=«147» height=«32» src=«ref-1_1496092073-422.coolpic» v:shapes="_x0000_i1173">         (37)


где D– диаметр колонны, м ;

s– толщина стенки, м [4];

ρ– плотность стали, кг/м3 [4].       
<img width=«246» height=«32» src=«ref-1_1496092495-814.coolpic» v:shapes="_x0000_i1174"> кг.
Масса тарелок:
<img width=«98» height=«29» src=«ref-1_1496093309-231.coolpic» v:shapes="_x0000_i1175"> (38)
где N– действительное число тарелок;

mm– масса одной тарелки, кг.
<img width=«166» height=«29» src=«ref-1_1496093540-623.coolpic» v:shapes="_x0000_i1176"> кг.
Масса воды при испытании:
<img width=«127» height=«27» src=«ref-1_1496094163-243.coolpic» v:shapes="_x0000_i1177">    (39)
где π– геометрическая постоянная (π=3,14);

D– диаметр колонны, м;

s– толщина стенки, м [4];

ρв– плотность воды, кг/м2 [2].       
<img width=«258» height=«27» src=«ref-1_1496094406-889.coolpic» v:shapes="_x0000_i1178"> кг.
Масса аппарата:


<img width=«240» height=«26» src=«ref-1_1496095295-415.coolpic» v:shapes="_x0000_i1179"> (40)

<img width=«361» height=«27» src=«ref-1_1496095710-1307.coolpic» v:shapes="_x0000_i1180">кг

<img width=«228» height=«28» src=«ref-1_1496097017-860.coolpic» v:shapes="_x0000_i1181">кг

<img width=«255» height=«27» src=«ref-1_1496097877-996.coolpic» v:shapes="_x0000_i1182">кг
Переведем в МН:
<img width=«92» height=«48» src=«ref-1_1496098873-442.coolpic» v:shapes="_x0000_i1183"> (41)
где Мап– масса аппарата, кг;

g– ускорение свободного падения (g=9,8м/с2).
<img width=«173» height=«48» src=«ref-1_1496099315-806.coolpic» v:shapes="_x0000_i1184"> МН
Подберем опору:
Таблица 5.1 — Основные размеры цилиндрических опор для колонных аппаратов [4]

Q, MH

Д
,
мм

D1
, мм

D2
, мм

D
б
, мм

S1
, мм

S2
, мм

S3
, мм

d2
, мм

d
б
, мм

Число болтов,
Z
б


0,4

1200

100

200

500

150

240

140

50

45

32

    продолжение
--PAGE_BREAK--