Ректификационная установка для разделения смеси этанол- вода

Таблица 5.

 

X	x - x''	y'' - y	m
0.004	0.007	0.04	5.71
0.1	0.06	0.16	2.67
0.144	0.07	0.1	1.43
0.2	0.11	0.11	1.0
0.3	0.16	0.1	0.63
0.4	0.15	0.08	0.53
0.5	0.14	0.05	0.36
0.6	0.06	0.04	0.67
0.7	0.05	0.03	0.6
0.779	0.04	0.03	0.75

 

 

 

 

Далее подставляем в уравнение  общего коэффициента массопередачи полученные значения b_xf, b_yf и m для различных значений Х. Результаты заносим в таблицу 6.

Таблица 6.

 

X	0.004	0.1	0.144	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.779
Kyf	237.7	258.9	268.8	272.3	275.5	276.3	277.8	275.1	275.7	274.4

 

 

3.10. Построение кинетической кривой и определение числа тарелок

 

Для построения кинетической кривой на диаграмме Y – X используем формулу:

 

 

 

Подставляя в эту формулу  значения общего коэффициента массоотдачи, полученного для каждого X, находим длины отрезков (y" - y_k).

Таблица 7.

 

X	0.004	0.1	0.144	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.779
y" - yk	0.01	0.04	0.02	0.02	0.02	0.02	0.01	0.008	0.006	0.006

 

На диаграмме Y – X откладываем (y" - y_k) от равновесной линии вниз. Полученные точки соединяем плавной линией. Построенная кривая является кинетической кривой.

Число реальных тарелок, которое обеспечивает заданную четкость разделения, находим  путем построения ступенчатой линии  между рабочей и кинетической линиями. Построение ступенчатой линии  проводим от концентраций X_f, X_p и от X_f, X_w.

Число ступеней в пределах концентраций Xf…Xp равно числу реальных тарелок в укрепляющей секции колонны. Число ступеней в пределах концентраций X_f…X_w равно числу реальных тарелок исчерпывающей секции колонны.

В результате построения получаем:

• число реальных тарелок в укрепляющей секции колонны – 11;
• число реальных тарелок в исчерпывающей секции колонны – 5;
• общее число тарелок – 16.

 

3.11. Определение гидравлического сопротивления колонны

 

Суммарное гидравлическое сопротивление  колонны:

Па

 

 

где n – общее число тарелок в колонне, равное 16.

 

4. Расчет проходного  диаметра штуцеров колонны и  выбор фланцев

4.1. Штуцер для входа исходной  смеси                 

 

 

 

 

где V_i – объемный расход исходной смеси, м³/с;

=

м³/с

 

 

 

 

w_i – скорость потока, так как смесь поступает в колонну под напором, принимаем скорость равной 1 м/с;

G_i – массовый расход исходной смеси, кг/с;

r_i – плотность исходной смеси, кг/м³;

кг/м³

 

 

 

Принимаем диаметр штуцера d_i = 100 мм.

 

 

 

4.2. Штуцер для выхода пара в дефлегматор

 

=

м

 

 

 

 

где V_p - объемный расход пара, м³/с;

 

=

м³/с

 

 

 

 

w_p – скорость потока пара, принимаем равной 25 м/с;

G_p – массовый расход пара, кг/с;

=

кг/с

 

 

r_у – плотность пара, кг/м³;

кг/м³

 

 

Принимаем диаметр штуцера  d_p = 550 мм.

 

 

 

 

 

4.3. Штуцер для входа флегмы в колонну

 

=

м

 

 

 

 

где V_f – объемный расход флегмы, м³/с;

=

м³/с

 

 

 

L – массовый расход флегмы, кг/с;

=

кг/с

 

 

r_f – плотность флегмы, кг/м³;

кг/м³

 

 

 

Принимаем диаметр штуцера  d_f = 100 мм.

 

 

 

4.4. Штуцер для выхода кубовой жидкости

 

=

м

 

 

 

 

где V_к – объемный расход кубовой жидкости, м³/с;

=

м³/с

 

 

 

 

G_к – массовый расход кубовой жидкости, кг/с;

 

=

кг/с

=

кг/c

 

 

 

G_w – массовый  расход кубового остатка, кг/ч;

L  - массовый расход флегмы, кг/ч;

G_f – скорость истечения.

Так как жидкость выходит самотеком, принимаем 0.3 м/с.

 

Принимаем диаметр штуцера  d_к = 250 мм.

 

 

 

 

 

4.5. Штуцер для входа пара из кипятильника

 

=

м

 

 

 

 

где V_c – объемный расход пара, выходящего из кипятильника, м³/с;

=

м³/с

 

 

 

G_c – массовый расход циркуляционного пара, кг/с;

кг/с

 

 

r_p – плотность пара из кипятильника, кг/м³;

=

кг/м³

 

 

M_sr – молярная масса пара;

 

 

 

w_c – скорость входа потока пара из кипятильника, принимаем 30 м/с.

 

Принимаем диаметр штуцера  dc = 400 мм.

 

 

 

 

4.6. Изготовление штуцеров и выбор фланцев

 

Для упрощения конструктивных деталей  колонны, будем изготовлять штуцера  из отрезков труб соответствующих диаметров. Внешний вылет штуцеров составляет » 1.5 от диаметра штуцера, внутренний - » 0.3. Чтобы предупредить попадание жидкости во внутреннее пространство штуцера, подающего циркуляционный пар, труба, из которой он изготовлен, обрезается под углом книзу.

К выступающим отрезкам труб привариваются  фланцы плоские стальные [4].

 

 

 

 

 

 

 

5. Выбор насосов

5.1. Насос для подачи исходной смеси

 

Из п. 4.2 следует

=

м³/с

 

 

 

 

Выбираем центробежный насос марки  Х⁴⁵/_31.

 

5.2. Насос для подачи флегмы в колонну и насос для подачи дистиллята в холодильник

 

Из п. 4.4 следует

 

=

м³/с

 

 

 

Выбираем центробежный насос марки  Х⁴⁵/₃₁.

 

 

6.  Расчет и подбор кожухотрубчатого конденсатора (дефлегматора).

Для расчета дефлегматора принимаем  температуру охлаждающей воды на входе и выходе из него, соответственно 10 и 30 ˚С.

Определяем физико-химические свойства при средних температурах теплоносителей:

	дистиллят	охлажд. вода
	t = 80.1 ˚C	tsr = 30 ˚C
ρ, кг/м3	915	998
λ, Вт/(м К)	0,46	0,593
μ, Па с	0,0004	0,001
с, Дж/(кг К)	r = 400 КДж/кг	4190

 

Определяем среднюю  разность температур:

 

 

=

 

 

 

Тепловая нагрузка дефлегматора:

=

Вт 

 

Определяем расход воды:

=

кг/с

 

Для ориентировочного выбора теплообменника примем ориентировочное  значение Re_к.о. = 15000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения жидкости в трубах. Очевидно, что такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно: 
для труб диаметром d_н = 25 х 2 мм

=

 

 

 

Примем ориентировочно К_ор = 500 Вт/(м² К), при этом коэффициенте теплопередачи площадь составит:

=

м²

 

 

Ориентировочно подходит теплообменник со следующими характеристиками:

1. Случай 1:

D_кож = 400 мм; d_н = 25 x 2 мм;

F = 24 м²; l = 3 м; z = 2; n/z = 50.

 

Проведем  уточненный  расчет. 
Определяем коэффициент теплопередачи 

 

 

Для этого определяем коэффициенты теплоотдачи и сумму термических  сопротивлений стенки и загрязнений.

 α определяется из критерия Nu:

 

 

 

поправкой (Pr/Pr_st)^0.25 пренебрегаем.

В итоге

 

 

Определяем критерии Re и Pr для охлаждающей воды:

=

 

=

 

Получим:

Вт/(м² К)

 

Коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующейся на пучке горизонтальных труб определяется:

 

 

 

ε = 0,6 при n ˃ 100, тогда

Вт/(м² К)

 

 

 

 

 

Примем термические сопротивления  загрязнений со стороны дистиллята и воды, соответственно, равными r_з1 = 11600 (м² К)/Вт и r_з2 = 1860 (м² К)/Вт. Повышенная коррозионная активность этих жидкостей диктует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной λ_ст = 17,5 Вт/(м К). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна: