Ректификационна колонна

, , .

Найдем удельную теплоту конденсации  паров дистиллята по формуле:

где - теплоты испарения метанола и воды при температуре дистиллята , .

Определим тепловую нагрузку дефлегматора по формуле

 (35)

Определим теплоёмкости смеси:

,

 

Тогда:

Расход теплоты в паровом  подогревателе исходной смеси

 (36) ,

Здесь тепловые потери взяты  в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси с_F=(0,5∙0,43+0,5∙0,42)=0,815 ккал/(кг∙°С) взята при средней температуре (76+18)/2=47 °С.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей  воде в водяном холодильнике дистиллята

 (37)

,

где удельная теплоемкость дистиллята =0,61 ккал/(кг∙°С) взята для средней температуры (66+25)/2=45,5 °С.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей  воде в водяном холодильнике кубового остатка:

 (38)

_{где удельная теплоемкость кубового остатка  cW=1,0 ккал/(кг∙°С) взята при средней температуре (98+25)/2=61,5 °С.}

_{Расход греющего пара, имеющего давление рабс=1300 мм рт.ст. и влажность}

_5%:

_{а) в кубе-испарителе}

 (39)

_{где rг.п.=2264∙10³ Дж/кг – удельная теплота конденсации греющего пара[2].}

_{б) в  подогревателе  исходной смеси}

_{Всего 0,2+0,01=0,21 кг/с или 0,8 т/ч.}

_{Расход охлаждающей  воды при нагреве  ее на 20°С:}

_{а) в дефлегматоре}

 (40)

 (41)

_{б) в водяном  холодильнике дистиллята:}

_{в) в водяном  холодильнике кубового остатка} 

_{Всего 0,0062 м³/с или 22,32 м³/ч.}

3.8 Расчет дефлегматора

Рассчитаем и подберем нормализованный вариант конструкции дефлегматора.

Данные для расчета:

Q=Q_д=456000 Вт – тепловая нагрузка аппарата,

G₁=G_D=0,238 кг/с – расход смеси,

G₂=G_в=5,44 кг/с - расход воды,

t_конд=80°С – температура конденсации смеси,

μ=0,351∙10^-3 Па∙с - коэффициент динамической вязкости метанола при t_cp=(18+25)/2=21,5 °С,

μ₂=0,96∙10^-3 Па∙с – коэффициент динамической вязкости воды при t_cp.

1. Определение среднелогарифмической разности температур:

 (42)

2.  Ориентировочный выбор теплообменника.

Примем К_ор =600 Вт/(м²∙К) [1, c.47].

Задаваясь числом Re₁=15000, определим соотношение n/z для конденсатора из труб диаметром d_н=252 мм:

 (43)

_{где n – общее число труб, z – число ходов по трубному пространству, d – внутренний диаметр трубы, м.}

При этом ориентировочное  значение поверхности:

 

3.  Уточненный расчет поверхности теплопередачи. В соответствии с таблицей 2.3[1, с.51] соотношение принимает наиболее близкое к заданному значение у конденсаторов с диаметром кожуха D=325 мм, диаметром труб 25 , числом ходов z=2 и общим числом труб n=56.

_{По  таблице принимаем  наиболее близкие  значения L=3,0 м и F=13,0 м².}

Действительное  число равно [1, с.67]:

Коэффициент  теплоотдачи к воде определим по формуле [2, с.162]:

(44)

 

где – поправочный множитель, учитывающий влияние труб по вертикали[2, рисунок 4.7].

Коэффициент теплоотдачи от пара определим по уравнению [1, с.53]:

(45)

 

Сумма термических сопротивлений  стенки труб из стали и загрязнений  со стороны воды и пара равна [1, с.75]:

 

Коэффициент теплопередачи

 
Требуемая поверхность теплопередачи

 

Как видно из таблицы 2.3[1], подходит дефлегматор с длиной труб 3,0 м и поверхностью 13,0 подходит с запасом:

 

4 Гидравлическое  сопротивление рассчитываем следующим образом:

 

 

Скорость воды в трубах:

(46)

 

Коэффициент трения равен:

(47)

где е=∆/d, принимаем ∆=0,2∙10^-3 м и d=0,021м.

Получаем

 

Скорость воды в штуцерах:

(48)

 

Гидравлическое сопротивление [1, с.69]:

  (49)

 

 

3.9 Расчет парового подогревателя исходной смеси

Рассчитаем и подберем нормализованный кожухотрубчатый подогревателя исходной смеси до температуры, близкой к температуре кипения. Исходная смесь в количестве подогревается от до . Исходная смесь при средней температуре имеет следующие физико-химические характеристики [2]: ; .

1. Определение тепловой нагрузки:

 

2.  Определение среднелогарифмической разности температур:

 

3.  Ориентировочный выбор подогревателя

Задаваясь числом определим соотношение для подогревателя из труб диаметром

 

Примем  [1,с.47]

При этом ориентировочное  значение поверхности:

 

4.  Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В соответствии с таблицей 2.3[1, с.51] соотношение принимает наиболее близкое к заданному значение у конденсаторов с диаметром кожуха D=159 мм, диаметром труб 25 , числом ходов z=1 и общим числом труб n=13. Наиболее близкую к ориентировочной поверхность теплопередачи имеют нормализованные аппараты с длиной труб   и

Действительное число равно [1, с.67]:

 

 

Коэффициент  теплоотдачи  к воде определим по формуле [1, с.50]:

 

Коэффициент теплоотдачи  от пара, конденсирующегося  на пучке  вертикально расположенных труб, определим по уравнению [1, с.53]:

 

Сумма термических сопротивлений  стенки труб из стали и загрязнений  со стороны воды и пара равна [1, с.531]:

 

Коэффициент теплопередачи

 

Требуемая поверхность  теплопередачи

 

Как видно из таблицы 2.3[1] ,подходит подогреватель с длиной труб 1,0 м и поверхностью 3,0 подходит с запасом:

 

5 Гидравлическое  сопротивление рассчитываем следующим образом:

Скорость воды в трубах:

 

Коэффициент трения равен:

 

 

Скорость воды в штуцерах:

 

где [1, таблица 2.6],

Гидравлическое сопротивление  [1, с.69]:

(50)

 

 

3.10 Гидравлический расчет и подбор насоса

Рассчитаем  гидравлическое сопротивление и  подберем насос для перекачивания исходной смеси.

Данные  для расчета:

G=G_F=0,477 кг/с – количество исходной смеси,

h₁₌6,0 м – высота подъема смеси,

l₁=5 м,

l₂=8 м

l₃=7 м

 

 

4.1 Расчет гидравлического сопротивления

Для всасывающего и нагнетательного  трубопровода примем одинаковую скорость течения исходной смеси, равную 2 м/с. Тогда диаметр трубопровода рассчитаем по формуле

 ₍₅₁₎

_{где ρ  – плотность смеси  при 18°С}

_{ρ=794 кг/м³ – плотность метанола при 18°С,}

_{ρ=998,2 кг/м³ – плотность воды при 18°С.}

_{Принимаем трубу стальную диаметром  20 2 мм [1, c.16]}

_{Внутренний  диаметр трубы  будет равен}

_{dвн=20-2∙2=16 мм}

_{Фактическая скорость смеси в  трубе}

 ₍₅₂₎

_{Примем, что коррозия трубопровода незначительна.}

_{Определим потери давления на трение и местные сопротивления.}

_{1 На линии всасывания ( участке от емкости с исходной смесью до насосов Е1-Н1-2}

 ₍₅₃₎

- потери давления на преодоление сопротивления трения,

- потери давления на создание  скорости потока,

-  потери давления на преодоление  местных сопротивлений,

- затрата  давления на подъем жидкости.

Потери давления на преодоление сопротивления трения:

, (54)

_{λ – коэффициент трения.}

_{Рассчитаем  Re}

 ₍₅₅₎

_{где μ – коэффициент динамической вязкости смеси при 18°С.}

_,

_{где μ=0,603 мПа∙с – коэффициент динамической вязкости метанола при 18°С , μ=1,056 мПа∙с – коэффициент динамической вязкости воды при 18°С}

_{Значит λ будем рассчитывать по формуле[2, c.24]:}

 ₍₅₆₎

Потери давления на создание скорости потока:

 (57)

Потери давления на преодоление местных сопротивлений:

 (58)

где ξ - сумма коэффициентов местных сопротивлений.

  (59)

На всасывающей линии:

1) Вход в трубу (принимаем с острыми краями):

2) Отводы под углом : коэффициент A=1, коэффициент B=0,15; ;

3) Вентиль прямоточный при полном открытии при Re=49413: ξ=0,88, умножая на поправочный коэффициент  получим .

 

 

Потери давления на подъем жидкости:

 (60)

.

_{2 На линии нагнетания}

_{а) на участке трубопровода от насосов до подогревателя (Н1-2-П).}

_{Плотность смеси при 18°С}

_,

_{где ρ=794 кг/м³ – плотность метанола при 18°С,}

_{ρ=998,2 кг/м³ – плотность воды при 18°С.}

_{Фактическая скорость смеси в  трубе}

_{Определим потери на трение и  местные сопротивления.}

Потери давления на преодоления сопротивления трение:

, (61)

_{λ – коэффициент трения.}

_{Коэффициент динамической вязкости смеси при 18°С:}

_,

_{где μ=0,603 мПа∙с – коэффициент динамической вязкости метанола при 18°С , μ=1,056 мПа∙с – коэффициент динамической вязкости воды при 18°С}

 

_{Потери  давления на создание скорости потока:}

 (61)

Потери давления на преодоление местных сопротивлений:

 (62)

∆р – потери давления в подогревателе,

где ξ - сумма коэффициентов местных сопротивлений.

  (63)

Для нагнетательной линии:

1) Отводы под углом : A=1 ; B=0,15; 

2) Вентиль прямоточный при полном открытии при Re=49413: ξ=1, умножая на поправочный коэффициент  получим .

3) Выход из трубы:

 

.

 

б) на участке от подогревателя до входа в колонну.

Из  подогревателя смесь выходит  с температурой равной t_кип=64,7°С метанола.

Следовательно

_,

_{где ρ=751,3 кг/м³ – плотность метанола при 64,7°С,}

_{ρ=980,4  кг/м³ – плотность воды при 64,7°С.}

_{Фактическая скорость смеси в  трубе}

_{Примем, что коррозия трубопровода незначительна.}

_{Определим потери давления на трение и местные  сопротивления} 

 ₍₆₄₎

Потери давления на преодоление сопротивления трения:

, (65)

_{λ – коэффициент трения.}

_{Рассчитаем  Re}

 ₍₆₆₎

_{где μ – коэффициент динамической вязкости смеси при 18°С.}

_{μ=0,3367 мПа∙с – коэффициент динамической вязкости метанола при 64,7°С , μ=0,4374 мПа∙с – коэффициент динамической вязкости воды при 64,7°С.}

_{λ будем рассчитывать по формуле[2, c.24]:}

 ₍₆₇₎

_{Потери  давления на создание скорости потока:}

 (68)

Потери на местные сопротивления:

 (69)

где ξ - сумма коэффициентов местных сопротивлений.

 

Коэффициенты сопротивления:

1) Вход в трубу (принимаем с острыми краями):

2) Отводы под углом : коэффициент A=1, коэффициент B=0,15; ;

3) Вентиль нормальный  при полном открытии при d=16 мм: ξ=9,6.

 

4.2 Подбор насоса

_{Рассчитаем требуемую  мощность насоса}

, (70)

η – к.п.д. насоса, принимаем равным η=0,89.

,