Расчет ректификационной колонны для разделения смеси "метиловый спирт - вода"

По данным табл.4.3 находится  значение оптимального флегмового числа R_опт=1,1 (см. рис. 4.4).

 

 

Определение оптимального флегмового числа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4.4

Уравнение рабочей линии  верхней части колонны для  R_опт имеет вид:

                       (17)

Уравнение рабочей линии  нижней части колонны имеет вид:

                             (18)

где  - относительный мольный расход сырья.

 

4.5. Определение расхода  пара и флегмы  в колонне

 

Сырье поступает в колонну  с долей отгона е=0, поэтому в  соответствии с уравнением (19)

                                              (19)

Массовый расход в верхней  части колонны рассчитывается по уравнению:

                                       (20)

 

Так как  все сырье поступает  в жидкой фазе, то в соответствии с уравнениями:

                                                 (21)

                                              (22)

Массовый расход флегмы g_п, поступающей в зону питания, рассчитывается по уравнению (23) :

                                         (23)

Массовый расход флегмы g, поступающей в нижнюю часть колонны, в соответствии с уравнением (24) :

                                          (24)

В соответствии с уравнениями (25) – (28) определяются массовые концентрации низкокипящего компонента во внутренних потоках колонны:

                                  (25)

                                              (26)

                                   (27)

                               (28)

Проверка:

 и 

 

4.6. Тепловой баланс колонны

Тепловой баланс колонны  осуществляется на основе закона сохранения энергии и может быть записан  в виде уравнения

                               (29)

где Q_куб - тепловой поток, передаваемый  теплоносителем в кипятильнике испаряющейся жидкости; Q_Д – тепловой поток,  передаваемый в дефлегматоре хладоагенту при конденсации и охлаждении флегмы и дистиллята; Q_пот – тепловые потери в окружающую среду; i_D , i_R – энтальпия жидких дистиллята и кубового остатка; i_F^’- энтальпия сырья.

Принимаем температуру холодного  испаряющегося орошения t_х=40°C. Тепловой поток, отводимый водой в дефлегматоре, рассчитывается по уравнению:

                                  (30)

где r_D – теплота конденсации паров, поступающих в дефлегматор [2, с.541]; с_D – теплоемкость жидкого дистиллята (флегмы)[2, с.562]; t_D , t_x – температуры верха колонны и флегмы, поступающей на орошение.

Средние значения удельной теплоты испарения и удельной теплоемкости находятся по правилу  аддитивности:

Энтальпия сырья, дистиллята, кубовой жидкости определяются по правилу  аддитивности при соответствующей температуре:

С учетом тепловых потерь, принятых равными 5% от полезно используемого  расхода теплоты, тепловой поток  в кипятильнике составит (уравнение (31))

                       (31)

В качестве теплоносителя  в кипятильнике колонны принимаем  сухой насыщенный пар с абсолютным давлением 0,294 МПа (3ат) и степенью сухости  φ=95%. Такой пар имеет температуру 132,9°C, энтальпию I_т.н=2730 кДж/кг; энтальпия конденсата I_т.к.=558,9кДж/кг [2,с.550]. Расход  водяного пара G_T в кипятильнике колонны согласно уравнению  (32):

                                    (32)

Принимаем, что вода в  дефлегматоре нагревается от t_н=25°C до t_к=40°C. Тогда расход воды в дефлегматоре (уравнение (33)):

                                   (33)

 

Массовый расход холодного  испаряющегося орошения g_x рассчитывается из уравнения (34):

                                                       (34)

где

Массовый расход горячего орошения g₁, стекающего с 1-й тарелки верхней части колонны,

Проверка:

Если молярные теплоты  испарения компонентов разделяемой  смеси отличаются незначительно, то приближенно можно считать, что  расход флегмы в верхней части  колонны не изменяется.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ  ТАРЕЛКИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ  КОЛОННЫ

 

5.1 Гидравлический расчет

 Гидравлический расчет ректификационной колонны включает[]:

- выбор типа и конструкции  контактного устройства;

- определение скорости  пара и диаметра колонны;

- определение основных  размеров контактных и переливных  устройств;

-расчет гидравлического  сопротивления контактных устройств;

- проверка работоспособности контактных устройств;

- определение эффективности  контактных устройств, включающее  расчет числа реальных тарелок  и общей высоты колонны.

 Средние мольная х_В и массовая х_В концентрации низкокипящего компонента в флегме в верхней части колонны:

Средние мольная х_н и массовая х_н концентрации низкокипящего компонента в флегме нижней части колонны:

Средние мольные концентрации низкокипящего компонента в паре находятся по уравнениям рабочих  линий колонны (17) – (18):

Для верхней части колонны 

Для нижней части колонны

Средние температуры пара в концентрационной t_в и в отгонной частях t_Н колонны определяются для средних концентраций пара у_в и у_н, как показано на рис. 4.2.

Средние молярные массы пара в верхней М_в и нижней М_н частях колонны:

Средние давления в верхней  нижней частях колонны:

Средние плотности пара в  верхней ρ_В и нижней ρ_Н частях колонны:

Средние плотности флегмы в верхней ρ_ф.в. и нижней ρ_ф.нчастях колонны:

, откуда

, откуда 

Максимально допустимая линейная скорость пара в верхней ω_{max в} и нижней ω_{max н} частях колонны определяется по уравнению (35):

                                         (35)

Принимаем расстояние между  ситчатыми тарелками h=0,4м [4, с.239]. Величину коэффициента С, входящего в уравнение (35), определяем по графику С=0,059 [2,с.323].

Средние объемные расходы  пара в верхней и нижней частях колонны:

Диаметр колонны верхней  D_в и нижней D_н частях рассчитывается по уравнению:

                                            (36)

Поскольку диаметры обеих  частей колонны близки, принимаем  диаметр колонны D одинаковым для всего аппарата. В соответствии с нормальным рядом диаметров колонн [1, с.17] принимаем D=2,2м.

Фактическая скорость пара в верхней ω _в и нижней ω _н частях колонны в соответствии с уравнением (37) составит:

                                            (37)

 

По ОСТ 26 – 805 – 73 принимаем  следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстий d₀=4мм, высота сливной перегородки h_п=40мм; свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) – 12% от общей площади тарелки; площадь, занимаемая двумя сегментными переливными устройствами – 20% от общей площади тарелки.

Расчет гидравлического  сопротивления тарелок производим отдельно для верхней и нижней частей колонны.

Верхняя часть колонны.

Скорость пара в отверстиях тарелок

Коэффициент сопротивления  неорошаемых ситчатых тарелок находится по уравнению (38) [6, с.10]

                                (38)

где S₀ – шаг между отверстиями,  S₀=0,015м.[6,21]

Тогда гидравлическое сопротивление  сухой тарелки.

Сопротивление, обусловленное  силами поверхностного натяжения

Периметр сливной перегородки  П=1,62 [2, рис 7.18].

Принимаем отношение плотности  парожидкостного слоя (пены) на тарелке  к плотности жидкости k^’=0,53.

Средний объемный расход флегмы в верхней части колонны

Высота слоя над сливной  перегородкой

Высота парожидкостного  слоя на тарелке

Сопротивление парожидкостного  слоя

Общее гидравлическое сопротивление  тарелки в верхней части колонны

Нижняя часть колонны

Скорость пара в отверстиях тарелки

Средний объемный  расход  флегмы в нижней части колонны

Общее гидравлическое сопротивление  тарелки в нижней части колонны

 

Для нормальной работы тарелок  при h=0,4м должно соблюдаться условие:

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Следовательно, вышеуказанное  условие соблюдается и расстояние между тарелками h=0,4м обеспечивает нормальную работу переливных устройств.

Минимальная скорость пара в отверстиях ω_{отв min}, достаточная для того, чтобы ситчатая тарелка работала со всеми отверстиями:

Для верхней части колонны

Для нижней части колонны

Фактические скорости в отверстиях тарелок незначительно отличаются от минимальных, следовательно, все  отверстия тарелок будут работать равномерно.

Величина межтарельчатого уноса жидкости е_у определяется по уравнению (40):

                                         (40)

где А, υ,ψ – коэффициенты; для h≥0,4м А=0,159, υ=0,95, ψ=0,9 [4,с.194]; h_x≈h_n=0,04м; ω – скорость пара в колонне; ε_эф – эффективная рабочая площадь тарелки, вычисляемая по графику [4, см. рис. III-7]; для отношения П/D=1,62/2,2=0,74, ε_эф=0,62.

Величина S определяется из уравнения

                            (41)

где σ,ρ_ж – поверхностное натяжение [2,c.556] и плотность жидкости; μ_п,ρ_п – вязкость и плотность пара [2,с.557].

Рассчитываем величину брызгоуноса е_у отдельно для верхней и нижней части колонны.

 

Верхняя часть колонны.

Средняя вязкость паров μ_п.в.:

                                  (42)

,

откуда μ_п.в.=0,0074мПа*с.

здесь М_нк.к, μ_нк.к – относительная молекулярная масса и вязкость паров метилового спирта; М_вк.к, μ_вк.к – относительная молекулярная масса и вязкость паров воды.

 

Нижняя часть колонны.

,

откуда μ_п.н.=0,011мПа*с.

_{Приближенно определяем коэффициент  полезного действия тарелок.}

 

_{Верхняя часть колонны.}

_{Коэффициент относительной летучести  для средней температуры  в верхней части  колонны в соответствии с уравнением (43) составляет:}

                                                       ₍₄₃₎

_{Рi – давление насыщенных паров каждого компонента [2,с.565];}

_{РK – давление насыщенного пара вкомпонента, принятого в качестве эталонного.}

Вязкость флегмы μ_ф.в.:

,

откуда  μ_ф.в=0,34мПа*с;

По графику [] определяем η_ср.в.=0,45

Число реальный тарелок в верхней n и нижней m частях колонны рассчитывается по формуле (44):

                                                    (44)

Нижняя часть колонны.

Коэффициент относительной  летучести: