Расчёт ректификационной колонны

(26)

где   - предельная скорость пара в критических точках, м/с; а – удельная поверхность насадки, м²/м³; ε – свободный объём насадки, м³/м³; μ_х – динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа∙с; и - массовые расходы жидкой и паровой (газовой) фаз, кг/с; и - плотность пара и жидкости соответственно, кг/м³; А и В -  коэффициенты.

Вязкость жидких смесей μ_х для верхней и нижней частей колонны находим по формуле:

  (27)

Выбираем керамические седла Берля:

Седла Берля 12,5 мм:

в: 

н:

Седла Берля 25 мм:

в: 

н:

 

Седла Берля 38 мм:

в: 

 

н: 

Рабочая скорость пара (газа) рассчитывается по соотношению:

 

 (28)

12,5 мм:

25 мм:

38 мм:

 

Для определения диаметра колонны  пользуются формулой:

 (29)

где - объёмный расход пара (газа) при рабочих условиях в колонне, м³/с.

12,5 мм:

25 мм:

38 мм:

Выбираем стандартный аппарат  с  диаметром 2 м для обеих частей колонны и уточняем рабочую скорость пара и

Уточнённую рабочую скорость проверяют  по графической зависимости Эдулджи,  где комплексы Y и X  имеют следующий вид:

 (30)

где – критерий Фруда рассчитывается по номинальному размеру насадки d (м); - критерий Рейнольдса (условный), также рассчитывается по номинальному размеру d; и - соответственно плотность воды и орошаемой жидкостью, кг/м³.

 (31)

где и - объёмные расходы жидкости и пара (газа), м³/с; U – плотность орошения.

Расчет плотности орошения производится по формуле:

  (32)

где U – плотность орошения, м³/(м²∙с); V_x – объёмный расход жидкости, м³/с; S – площадь поперечного сечения колонны, м².

Критерий Рейнольдса:

Критерий Фруда:

Рассчитаем комплексыY и X:

Точки (X_в,Y_в) и (X_н, Y_н) лежат ниже линии захлебывания, которая соответствует неустойчивому режиму работы. Это означает, что работа колонны устойчива и выбор диаметра колонны правильный.

Активная поверхность насадки  находится по формуле:

 (33) 

где ,  - критерий Рейнольдса для жидкости.

Рассчитаем критерий Рейнольдса:

 

Теперь вычислим m:

12,5 мм: 

25 мм: 

38 мм: 

Коэффициент смоченности насадки:

12,5 мм:  

25 мм: 

38 мм: 

Коэффициент определяем по графику зависимости коэффициента k^’ от плотности орошения U:

12,5 мм:   

25 мм:   

38 мм:   

Тогда  активная поверхность насадки  будет равна:

12,5 мм: 

25 мм: 

38 мм:  

При расчете были соблюдены  минимальные  допустимые значения , следовательно, были правильно выбраны диаметр колонны и размер насадки седла Берля 25 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1.4 Расчет высоты насадки и колонны.

Высоту насадки Н рассчитываем по модифицированному уравнению массопередачи.

 (34)

Общее число единиц переноса вычисляют  по уравнению:

                                      (35)

Обычно этот интеграл определяют численными методами или методами графического интегрирования. Используем численный метод трапеции. Для этого надо составить таблицу:

Нижняя часть: 

x	y	y*	y*-y
0,02 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25	0,042 0,1 0,18 0,26 0,34 0,41	0,041 0,0981 0,1651 0,2421 0,3192 0,3963	0,001 0,0119 0,0149 0,0179 0,0208 0,0137	500 84,03 67,114 55,87 48,07 72,99

 

Верхняя часть: 

x	y	y*	y*-y
0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95	0,41 0,48 0,55 0,61 0,67 0,71 0,75 0,79 0,83 0,86 0,89 0,91 0,93 0,95 0,98	0,373 0,4142 0,4554 0,4966 0,5378 0,579 0,6202 0,6614 0,7026 0,7438 0,785 0,8262 0,8674 0,9086 0,9498	0,037 0,0658 0,0946 0,1134 0,1322 0,131 0,129 0,1286 0,1274 0,1162 0,105 0,0838 0,0626 0,0414 0,0302	237,027 15,197 10,571 8,818 7,564 7,633 7,75 7,776 7,849 8,605 9,524 11,933 15,974 24,154 33,112

 

Находим общее число единиц переноса в верхней и нижней части колонны: 

Находим общую высоту единиц переноса:

 (36)

где  – тангенс угла  наклона  рабочей  линии или удельный расход жидкой фазы, . и - частные высоты единиц переноса по паровой и жидкой фазам, м.

Высота единицы переноса по паровой фазе:

 (37)

где - высота единицы переноса по паровой фазе, м; ψ- коэффициент, определяемый по рис; - диффузионный критерий Прандтля; - массовая плотность орошения, ; - массовый расход жидкости, ; D – диаметр колонны, м; z – высота насадки одной секции (z не должна превышать – 3 м), м; , - динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа∙с; ;

, и - поверхностное натяжение воды при и жидкости при средней температуре в колонные, .

 

 

 

 

 

Для колонн диаметра м рекомендуется показатель степени у величины , равным 1, вместо 1,11.

Высота единицы переноса  для жидкой фазы:

                           (38)

где - высота единиц переноса по жидкой фазе, м; Ф и с – коэффициенты, определяемые по рис. из учебных пособий; - диффузионный эффект Прандтля.

Выбранные коэффициенты из графика:

в:                              Ф =0,04        , с =0,83  , =61,5  , Pr_x =90,3.

н:                              Ф =0,0525   , с =0,83  , =61,5  , Pr_x =92,5.

Рассчитаем высоту чисел переноса по жидкости:

                                 .

                                 .

Тогда высота чисел переноса по пару равна:

Общая высота единиц переноса для  верхней и нижней частей колонны, согласно формуле (36):

Высота насадки для верха  и низа колонны:

Общая высота насадки колонны:

С учетом того, что высота слоя насадки  в одной секции 3 м, общее число секций составляет 3.

Общую высоту колонны определяют по формуле:

                     (39)

где - высота насадки одной секции, м; - число секций ( );  - высота промежутков между секциями, м; и - высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой, соответственно, м.

В соответствии с рекомендациями [7]:

Диаметр  колонны, м	, м	, м
1,2 – 2,2	1,0	2,0

 

Величина  зависит от размеров распределительных тарелок (ТСН-3) и при проектировании м.

Тогда общая высота колонны будет:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           

 

 

2.1.5 Ориентировочный расчет теплообменника для подогрева исходной смеси кубовым остатком.

 

Рассчитаем тепловую нагрузку аппарата:

 (40)

Для определения тепловой нагрузки для начала надо определить теплоёмкость кубового остатка при средней температуре процесса:

Определим тепловую  нагрузку:

Теперь определим примерную  величину конечной температуры исходной смеси из уравнения тепловой нагрузки:

Проведём  уточнение теплоёмкости для исходной смеси при средней  температуре процесса:

Ещё раз уточним конечную температуру  исходной смеси:

t       

 82,7

     Δt_б 1

     

      55,3

 

   35

                                 2                                                             Δt_м

                                                                                  17

 

1. кубовый остаток 
2. исходная смесь (питание)

Средняя движущая сила процесса равна:

 

Тогда средние температуры кубового остатка и исходной смеси равны:

 

Рассчитаем физические величины необходимые для расчета и :

при : 

                       

Найдем  :

теперь при  :

Рассчитаем  :

Рассчитаем ориентировочную поверхность теплообменника, воспользуемся формулой:

 (41)

Найдем коэффициент теплопередачи  K:

  (42)

Нейдем коэффициенты теплоотдачи:

 (43)

 (44)

Высчитаем значение критерия :

 (45)

Так как у нас два потока, надо определить площадь поперечного  сечения трубного  кольцевого пространства:

Питание направляем в кольцевое пространство, а кубовый остаток в межтрубное пространство.

Определим скорость потоков внутри каждого пространства:

Тогда:

Получим:

Тогда получим:

Получим поверхность теплообменника:

Рассчитаем поверхность одного элемента:

Тогда количество элементов будет n=18, но запас устойчивости очень мал, тогда увеличим количество элементов до 20.Получим поверхность теплообмена :

Тогда запас устойчивости будет  равен:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод

В данном курсовом проекте в результате проведённых инженерных расчетов была подобрана ректификационная установка для разделения бинарной смеси хлороформ – 1,2 дихлорэтан, с насадочной ректификационной колонной диаметром D = 2(м), высотой H = 44 (м), в которой применяется насадка седла Берля 25 мм. Расстояние между которыми h = 0,5 (м). Колонна работает в нормальном режиме.

Также были ориентировочно подобран теплообменник: для подогрева исходной смеси кубовым остатком.