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

Вязкость флегмы μ_ф.н.:

,

откуда  μ_ф.в=0,31мПа*с;

По графику [2,с.323] определяем η_ср.в.=0,48

Число реальных тарелок:

Рассчитанные значения гидравлического  сопротивления тарелок ΔР_в=399,2Па и ΔР_н=563,2Па незначительно отличаются от принятых вначале расчете (соответственно 350 и  520 Па). Также близки значения рассчитанного (9+8=17) и принятого (9+9=18) числа реальных тарелок в колонне.

Высота колонны определяется в соответствии с уравнением (45):

                        (45)

Расстояние между тарелками  определяет высоту тарельчатой части  колонны h_т.н. и h_т.в.

                            (46)

 Высота зоны питания  h_з.п. и расстояние от крышки до первой тарелки концентрационной части h_в определяются конструктивно;

                                       (47)

                                         (48)

Расстояние от днища до первой тарелки отгонной части h_н. рассчитывается исходя из условий запаса для 5-10 минутной работы насоса, окачивающего кубовую жидкость, в случае прекращения поступления сырья в колонну

                                    (49)

Высота опоры колонны  h₀ рассчитывается в зависимости от диаметра колонны:

                                     (50)

Общая высота колонны:

5.2. Определение диаметров  штуцеров

Диаметры штуцеров (см. рис.5.1) рассчитываются по уравнению (51), при  этом допустимые скорости потоков ω_доп принимаются в соответствии с табл.5.1 [1, с.19].

                                   (51)

где V_п – объемный расход потока в трубопроводе.

 

 

 

Таблица 5.1

Допустимая скорость потока в трубопроводе

Поток	ωдоп, м/с
Скорость жидкостного  потока: На приеме насоса и в  самотечных трубопроводах На выкиде насоса	0,2 - 0,6 1-2
Скорость парового потока: В шлемовых трубах и из кипятильника в колонну (при атмосферном давлении) В шлемовых трубах вакуумных колонн При подаче сырья в колонну	10-30 20-60 30-50
Скорость парожидкостного  потока сырья в колонну в пересчете  на однофазный жидкостной поток	0,5-1,0

 

Определение высоты колонны. Назначение штуцеров.

Рис. 5.1. А – выход паров  с верха колонны в шлемовую трубу; В – ввод флегмы; С – ввод сырья; Е – ввод паров из кипятильника; К – вводо кубовой жидкости в кипятильник колонны

Плотность жидких продуктов  холодного орошения ρ_х, сырья ρ_F и кубового остатка ρ_ω рассчитывается в зависимости от температуры и состава:

, откуда ρ_х=754,4кг/м³;

, откуда ρ_F=846кг/м³;

, откуда ρ_R=951,5кг/м³;

Плотность паров, поступающих  из кипятильника колонны ρ_πR, и паров уходящих с верха колонны ρ_πD, рассчитывается при соответствующих температурах и давлениях:

Диаметр штуцера А для вывода из колонны в дефлегматор

Принимаем по ГОСТ 12830-67 d_A=400мм [5,с.218]

Диаметр штуцера В для ввода холодного орошения

Принимаем по ГОСТ 12830-67 d_В=50мм

Диаметр штуцера С для ввода сырья

Принимаем по ГОСТ 12830-67 d_с=65мм

Диаметр штуцера К для вывода кубовой жидкости в кипятильник колонны

Принимаем по ГОСТ 12830-67 d_К=150мм

 

Диаметр штуцера Е для ввода паров из кипятильника колонны

Принимаем по ГОСТ 12830-67 d_Е=600мм.

 

5.3. Определение толщины  тепловой изоляции колонны

Выбираем в качестве теплоизоляционного материала стеклянную вату, для которой  коэффициент теплопроводности λ_изл=0,05 Вт/(м*К)[2,с.561]. Принимаем температуру на внутренней поверхности изоляции равной t_ст1=97°C, на наружной поверхности изоляции t_ст2=-10,4°C, для зимних условий. Температуру окружающей среды для зимних условий принимаем t_ср=-20°C, для летних условий – t’_ср=18°C. Считаем, что тепловые потери зимой составляют q_пот=100Вт/м².

Так как диаметр колонны  является достаточно большим (D=2,2м), для расчета толщины изоляции можно воспользоваться соотношением D_BH/D_H>0,5

Зимние условия

Из левой части уравнения (52) рассчитывается толщина изоляции:

                              (52)

Коэффициент теплоотдачи  α рассчитывается по уравнению:

                                    (53)

        Расчетное  значение тепловых потерь q_пот.р находится:

         Так как q_пот≈ q_пот.р , никаких корректировок в значения ранее принятых температур вносить не надо.

          Проверим условие применимости (52), приняв толщину стенки колонны  δ_ст=8мм.

          Принимаем толщину тепловой изоляции  равной δ_из=0,054м.

          Летние условия:

, откуда t’_ст2=25°C.

Такая температура является допустимой.

Тепловые потери летом  составляют величину

5.4. Определение площади  поверхности теплопередачи кипятильника  и дефлегматора.

Кипятильник.

Принимаем коэффициент теплопередачи  от греющего пара к кипящей жидкости К_к=1500Вт/м²К [2,с.169]. Расчетная площадь поверхности теплопередачи кипятильника F_кр определяется по уравнению (54).

Согласно ГОСТ 14248-79 принимаем  в качестве кипятильника кожухотрубчатый испаритель  с паровым пространством, имеющий площадь поверхности теплообмена F_k=120м². [3, с.59]

Запас площади поверхности  теплообмена кипятильника

Дефлегматор.

Расчетная площадь поверхности  теплообмена в дефлегматоре F_др складывается из площади поверхности, необходимой для конденсации паров F’_д и площади поверхности, необходимой для охлаждения конденсата F”_д:

Принимаем коэффициент теплопередачи  в зоне конденсации паров К’_Д =800Вт/м²К, а в зоне охлаждения конденсата К”_Д =560Вт/м²К[2,с.169].

Тепловой поток в зоне конденсации паров.

Тепловой поток в зоне охлаждения конденсата.

Проверка:

Температуру в конце зоны конденсации паров t’_Д можно найти из уравнения

Средняя разность температур в зоне конденсации паров Δt’_cр и в зоне охлаждения Δt”_cр.:

Расчетная площадь поверхности  теплопередачи дефлегматора

В соответствии с ГОСТ 15120-79 принимаем в качестве дефлегматора двухходовой кожухотрубчатый теплообменник с площадью поверхности теплообмена F_д=214м² [3, с.57].

Запас площади поверхности  теплообмена составляет

 

 

 

 

 

 

 

 

6. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Журавлева Л.М., Чемерисова А.М., Финаева Н.В. Методические указания к выполнению контрольного задания по расчету ректификационной колонны – КптИ ,Куйбышев.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А.. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособие для вузов под ред. чл. – корр. АН России П.Г. Романкова, - 12-е изд., стереотипное. 2005г. – 576с.

3. Основные процессы и  аппараты химической технологии: Пособие  по проектированию/ Г.С.  Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. под ред. Ю.И. Дытнерского,5-е издание, стереотипное. М.: ООО «Издательский дом Альянс», 2010 – 496с.

4. Александров И.А. Перегонка  и ректификация в нефтепереработке. – М.: Химия, 1981 – 352 с, ил.

5. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник, - Л.: Машиностроение, 1981 – 382с.

6. Методические указания к расчету гидравлического сопротивления ректификационных аппаратов. /А.М. Чемерисова, Н.В. Финаева, В.Н. Фролов и др. – Куйбышев. КПтИ, 1983, -  32с.