Ректификационная колонна

Принимаем для  паровой фазы модель идеального вытеснения.

 

5.2.10. Критерий Пекле для продольного перемешивания

 

3.10.1... Коэффициент η

h

h

 

3.10.2... Эффективность по Мэрфри

hhhh

 

h

 

 

3.11. Рассчитываем коэффициент массопередачи по жидкой  фазе

3.11.1. Объемный расход жидкости, отнесенные к средней ширине потока жидкости на тарелке

 

 

3.11.2. Коэффициент продольного перемешивания в жидкой фазе

 

- скорость пара, рассчитанная  на рабочую площадь тарелки

 

 

 

 

3.11.3. Высота запаса жидкости

 

 

3.11..4. Среднее время пребывания жидкости на тарелке

 

Определим коэффициент массопередачи:

 

Для нахождения определим тангенс угла наклона к линии равновесия по рис.17, аналогично как в пункте 5.3.6

, тогда 

 

3.11..5. Общее число единиц переноса

 

- средняя мольная масса паров,  кг/кмоль.

 

3.11.6. Локальная эффективность

Принимаем для  паровой фазы модель идеального вытеснения.

 

 

5.3.7.. Критерий Пекле для продольного перемешивания

 

5.3.8. Коэффициент η

h

h

5.3.9. Эффективность по Мэрфри

hhhh

h

 

4.. Высота колонны

 

4.1.. Общее число теоретических тарелок

Построим  диаграмму равновесия между паром  и жидкостью (y,x) при рабочем флегмовом числе R=4,8. При этом нужно рассчитать B:

 

Рис. 19. Определение числа теоретических тарелок при рабочем флегмовом числе

из рисунка 8 находим число тарелок в верхней части колонны , и в нижней

4.2. Общее число действительных тарелок

 

4.3. Высота колонны

 

 – расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны (10)

  – расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны

 

 

5. Определение числа и размеров колпачков

 

Согласно  выбранной колпачковой тарелки  типа ТСК - Р принимаем [21, с. 214]: диаметр парового патрубка колпачка d_п = 100 мм = 0,10 м

Количество  колпачков на тарелке:

 

Высота  части колпачка над паровым патрубком:

 

Расстояние  от нижнего края зубца колпачка до тарелки δ = 15 мм. Высота уровня жидкости над верхним обрезом прорезей колпачка h₁ = 30 мм.

Диаметр колпачка:

 

Высота  прорезей вычисляют из условий оптимального барбатажа, соответствующего полному  открытию прорезей для пара:

 

 

где ω₀ – скорость пара, соответствующая полному открытию прорезей, м/с;

ξ – коэффициент  сопротивления колпачковых тарелок, принимаем 1,75.

Средняя плотность пара и жидкости в колонне:

 

 

 

 

Количество прорезей в  колпачке:

 

где а – расстояние между  прорезями, равное 4 мм

 

Ширина прорезей в колпачке – 5 мм.

 

6.. Расчет гидравлического сопротивления

 

Общее гидравлическое сопротивление работы колонны:

ΔР = ΔР_сух + ΔР_σ + ΔР_ст

Гидравлическое  сопротивление неорошаемой тарелки  вычисляют:

 

где ρ_у – средняя плотность пара, кг/м³;

ξ – коэффициент  сопротивления сухой тарелки.

 

 

Гидравлическое  сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

 

где σ  – поверхностное натяжение жидкости, Н/м [21. ХХV];

d₀ – эквивалентный диаметр отверстия, м:

 

П – периметр прорези, м,

S - площадь поперечного сечения прорези, м² [3, с. 214].

 

Гидравлическое  сопротивление жидкостного слоя на тарелке:

 

где l – высота прорези, принимаем 70 мм;

k – относительная плотность пены, принимаем 0,5;

е – расстояние от верхнего края прорези до сливного порога, равное 20 мм;

ρ_x - плотность жидкости, кг/м³;

∆h – высота слоя над сливной перегородкой, м:

 

V_ж – объемный расход газовой смеси при рабочих условиях, м³/с:

        

П – периметр сливной перегородки, м

/с

 

 

/с

 

 

Для верхней  части колонны:

 

 

Для нижней части колонны:

 

Полное  гидравлическое сопротивление:

 

 

 

Минимальная скорость пара в отверстиях колпачковой  тарелке:

 

 

 

 тарелка работает всеми отверстиями.

Гидравлическое  сопротивление всех тарелок абсорбционной  колонны:

 

 

 

7. . Тепловой баланс колонны.

 

Расход тепла, отдаваемого охлаждающей воде в  дефлегматоре-конденсаторе, находим  по уравнению:

 

где r_D – удельная теплота конденсации смеси, Дж/кг. 
                                                                  (87)

где r_э-а, r_т - удельные теплоты конденсации этилацетата и толуола при 105 °С.                                                                                                                         [21, табл. XLV]

 

 

Расход тепла, получаемого в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению:

 

где Q_пот. – тепловые потери, принятые в размере 3 % от полезно затрачиваемого тепла;

c_Р, c_W, c_F – удельные теплоёмкости, взятые соответственно при t_Р = 103 °С,

t_W = 108 °С, t_F = 77,5 °С.                                                                          [21, рис. XI]

 

 

 

 

Расход тепла  в паровом подогревателе исходной смеси:

 

где t_нач. – начальная температура смеси, равная 20 °С;

1,05 показывает  тепловые потери, принятые в размере  5 %;

Расход тепла, отдаваемого охлаждающей воде в  водяном холодильнике дистиллята:

 

где t_кон. – конечная температура смеси, равная 25 °С;

 

Расход тепла, отдаваемого охлаждающей воде в  водяном холодильнике кубового остатка:

 

 

где t_кон. – конечная температура смеси, равная 25 °С;

 

Расход греющего пара, имеющего давление р_абс. = 4 ат. и влажность 5 %:

а) в кубе-испарителе:

 

где r_Г.П. – удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;    [1, табл. LVII]

 

x – степень сухости греющего пара.

 

б) в подогревателе  исходной смеси:

 

 

Всего:

Расход охлаждающей  воды при нагреве её на 20 °С:

а) в дефлегматоре:

 

где (t_кон. - t_нач.) = 20 °С;

с_В – удельная теплоёмкость воды при 20 °С,     [21, рис. XI]

ρ_В – плотность воды при 20 °С,      [2, табл. IV]     

 

б) в водяном  холодильнике дистиллята:

 

 

 

в) в водяном  холодильнике кубового остатка:

 

 

 

Всего:

Таким образом, наша ректификационная колонна работает эффективно. Производительность колонны исходной смеси равна 8,8 , производительность по дистилляту 0,92 , по кубовому остатку 7,9 . Производительность кубового остатка достаточно велика, что даёт преимущество нашей колонне, так как образуется большое количество чистого толуола, который применяется во многих отраслях промышленности.

Вывод: В результате расчета у нас получилось, что высота ректификационной колонны составляет 8000 мм, ее диаметр – 2000ммм, это означает, что затраты на оборудование будут небольшие. Рассчитав рабочее флегмовое число мы получили, что число тарелок в колонне составляет 11. Выбранные нами колпачковые тарелки работают эффективно и тсабильно. Таким образом, ректификационная колонна работает эффективно и стабильно (под атмосферным давлением). Она даёт большую производительность по кубовому остатку и требует небольших экономических затрат.

 

8. Расчёт аппарата на прочность.

 

8.1. Расчёт толщины стенки обечайки.

Выбираем  легированную сталь марки 03Х18Н11        [7, табл. 13.1].

Определим исполнительную толщину тонкостенной гладкой цилиндрической стенки обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением, по формуле:

 

Так как в  нашем случае D ≥ 200 мм, то должно соблюдаться условие:

где Р – избыточное давление, МПа;

 

 

D – диаметр колонны, мм;

 – допускаемое напряжение, МПа;

φ – коэффициент прочности сварных швов, φ = 1 (для бесшовных аппаратов);

С – прибавка к расчётным толщинам, мм.

 

где П – скорость коррозии, П = 0,1;

Т_А – срок службы аппарата, Т_А = 10 лет.

 

Определяем  допускаемое напряжение для выбранного материала по формуле:

h                                             

где η = 1 коэффициент (так как среда не взрыво- и пожароопасная);

σ^* = 133 МПа - нормативное допускаемое напряжение;

Определяем  толщину стенки ректификационной колонны:

 

Тогда по ГОСТу  толщина стенки обечайки S = 5 мм.

8.2. Расчёт толщины днища

Определим толщину  стенки эллиптического днища по формуле:

                                                                              (101)

где R – радиус кривизны в вершине днища;

 

где H – высота днища без учёта цилиндрической отбортовки, для эллиптических днищ с

 

 

Тогда принимаем  толщину стенки днища равной S = 5 мм.

8.3. Определение толщины тепловой изоляции

Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

 

 

где α_В = 9,3 + 0,058 ^. t_ст2 – коэффициент теплоотдачи от верхней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, ;

t_ст2 – температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха), для аппаратов, работающих в закрытом помещении, t_ст2 выбирают в интервале 35- 45 ⁰С, t_ст2 = 40 ⁰С;

t_ст1  – температура изоляции со стороны аппарата;

ввиду незначительного  термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим  сопротивлением слоя изоляции t_ст1 принимают равной температуре греющего пара t_Г.П., при давление греющего пара Р_{Г.П .}= 4 ат, тогда t_ст1 = 142,9 ⁰С;

t_В – температура окружающей среды (воздуха), ⁰С, t_В = 20 ⁰С;

λ_Н – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, .

α_В = 9,3 + 0,058 ^. 40 = 11,62 .

В качестве материала для тепловой изоляции выбираем совелит (85% магнезии + 15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности λ_Н = 0,098 .

 

Таким образом, для колонны, работающей под атмосферным  давлением, толщина стенки обечайки 5 мм и толщина днища 5 мм обеспечивают надёжность конструкции. Для исключения влияния температуры со стороны  окружающей среды на процесс, происходящий в колонне, применяем тепловую изоляцию, равную 43 мм.

 

 

 

 

 

 

 

9. Расчёт и выбор вспомогательного оборудования

 

9.1. Расчёт диаметра трубопроводов

1. Диаметр от первого насоса:

 

где M = F = 8,8 кг/с.

 

 

 

По ГОСТу  выбираем диаметр трубопровода d = 76 х 4,0 Мм [7].

2. Диаметр трубопровода на выходе из колонны в дефлегматор:

 

 

 

По ГОСТу  выбираем диаметр трубопровода d = 95 х 4 мм.

3. Диаметр трубопровода для подачи пара в подогреватель: