Проектирование ректификационной установке непрерывного действия для разделение смеси этиловый спирт-вода

   Высота тарельчатой  части колонны

 

где h – расстояние между тарелками, h=400 мм.

  Подставила эти значения  в формулу, получила:

  

 

 

   Гидравлический расчёт тарелок

   В соответствии с расчетом выше диаметром колонны подбирают стандарты колонны и тарелки. Приняла к установке колонный аппарат диаметром 1800 мм; колонна компонуется из однопоточных неразобраных нормализованных тарелок типа ТСК-II с капсульным стальным и колпачками.

   Нагрузку по жидкости  на единицу длины сливной перегородки (борта) определила по наибольшей загруженности, нижней части колонны по формуле:

   Объёмный расход  жидкости в нижней части колонны  определила по формуле:

 

где ρж.н – плотность жидкости в нижней части колонны. Её определила по формуле:

тогда

 

   Нагрузку по жидкости  на единицу длины сливной перегородки  определила по формуле: 

где L – периметр слива, L=1,1 м.

    Фактическая нагрузка  на превышающая допустимую (65 м3/м.ч) и это должно обеспечивать разномерное распределение пара по сечении тарелки.

  Скорость, необходимую для полного открытия прорезей определила по формуле:

 

где ξ – коэффициент сопротивления тарелки, принимаем ξ=5; hпр – высота прорези, принимаем hпр=0,02 м; ρп – средняя плотность пара в нижней части колонны, ρп=1,27 кг/м3; ρж – средняя плотность жидкости в нижней части колонны, ρж=909 кг/м3.

   Подставила эти  значения в формулу, получила:

 

   Площадь сечения всех прорезей определила по формуле:

где nкол – количество колпачков на тарелке, принимаем nкол=96; nпр – число прорезей в колпачке, принимаем nпр=36; Sпр – площадь прорези, принимаем Sпр=0,0008 м2.

   Подставила эти  значения в формулу, получила:

   Отношение площади сечения прорезей и площадь поперечного сечения колонны определила по формуле:

где - площадь поперечного сечения колонны;

  Определила по формуле:

 

   Подставила значения в формулу, получила:

 

   Фактическую скорость  пара в прорезях определила  по формуле:

  

где - скорость пара в колонне, ω=1,55 м/с.

   Подставила в формулу, получила:

  

    Полное открытие прорезей будет обеспечивать, так как

   Гидравлическое сопротивление  колонны определила по формуле:

 

где n – число тарелок, n=18; - гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки, определила по формуле:

 

где - сопротивление сухой тарелки нижней части колонны, определила по формуле:

- сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения,

определила по формуле:

где δ – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в нижней части колонны 83 ℃.

   Поверхностное натяжение  жидкости при средней t=83 ℃, нашли по таблице 24, 20 % этилового спирта δ=31∙10-3 Н/м по Павлу Романкову(3).

- эквивалентный диаметр отверстий тарелки, определила по формуле:

,

где П – периметр прорези, определила по формуле:

 

где hпр, b – высота и ширина прорези, hпр=0,02; b=0,004 м.

   Подставила эти  значения в формулу, получила:

   Подставила значения  в формулу, получила:

   Подставила значения  в формулу, получила:

- сопротивление столба  жидкости на колпачковой тарелке, определила по формуле:

где g – ускорение свободного падения, g=9,8 м/с2; k – относительная плотность пены, k=0,5; ρж – плотность жидкости, ρж=909 кг/м3; 1- расстояние от верхнего края прорези до сливного порога, принимаем 1=0,02 м; ∆h – высота уровня жидкости над сливным порогом, определим по формуле:

где K – коэффициент, учитывающий увеличение скорости сужение потока жидкости в результате сжатия его стенками при походе к сливной перегородке, принимается в пределах 1,01-1,05; принимаем K=1,025.

     Подставила значение в формулу, получила:

   Подставила значение в формулу, получила:

 

   Подставила значение  в формулу, получила:

 

   Подставила значения  в формулу, получила:

   Проверила, соблюдаются ли при расстоянии между тарелками h=0,4 м необходимое для нормальной раб. тарелок условия:

   В нашем случае

 

0,40>0,16

   Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается.

   Тепловой расчёт колонны

   Расход теплоты, получаемый жидкостью от конденсирующегося пара в кубе-испарителе колонны:

где Gd, Gw, Gf – расходы дистиллята, кубового остатка, исходной смеси, соответственно, Gd=1,9 кг/с; Gw=2,9 кг/с; Gf=4,8 кг/с; Сf, Сd, Сw – теплоёмкость исходной смеси, дистиллята, кубовой жидкости, соответственно, определила по таблице А19(2):

Сf = 4400 Дж/(кг∙К);

Сw = 4350 Дж/(кг∙К);

Сd = 3560 Дж/(кг∙К).

Qd – расход теплоты, отнимаемой охлажденной водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, определила по формуле:

где rd – удельная теплота конденсации дистиллята, определила по таблице А15(2).

   Подставила значения  в формулу, получила:

 Qпотерь – тепловые потери клоны в окружающую среду, определила по формуле:

 где tст.н – температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем tст.н = 40 ℃; tвоз – температура воздуха в помещении, принимаем tвоз = 20 ℃; α – суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучения, определила по формуле:

;

Fн – наружная поверхность изоляции колонны, определила по формуле:

   Подставила значения  в формулу, получила:

   

   Подставила значения в формулу, получила:

 

Расход греющего пара в кубе колонны, определила по формуле:

где rгр.п – удельная теплота парообразования при Р=2 атм, rгр.п=2208 кДж/кг; x – степень сухости, принимаем x=0,95.

   Подставила значение  в формулу, получила:

 

   Расход тепла в  подогреватели исходной смеси:

где Cf – теплоемкость смеси определённа по формуле .

   Расход греющего пара в подогреватели равен:

   Общий расход греющего  пара равен:

 

   Расход воды в  дефлегматоре при нагревании  её на 20 ℃ определила по формуле:

 

   Расход воды в  холодильнике дистиллята при нагревании её на 20 ℃ определила по формуле:

где Cd – теплоёмкость дистиллята при средней температуре в холодильнике равной 

 

     Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании её на 20 ℃ определила по формуле:

где Cw – теплоёмкость кубового остатка при средней температуре 60,25 ℃.

   Общий расход воды  в ректификационной установке:

.

 3.Расчёт вспомогательного оборудования

   Расчёт дефлегмата

   В дефлегмате конденсируется  этилового спирта с небольшим  количеством воды. Температура конденсации  паров дистиллята td=78,5. Температура воды на в ходе принимаем 18 ℃, на выходе 38 ℃.

    Температурная схема процесса:

       

        

  

   Движущая сила процесса:

 

   Коэффициент теплопередачи  от конденсирующегося пара органических веществ к воде находится в пределах 340-870 Вт/(м2∙К). Принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор=340 Вт/(м2∙К).

   Количества тепла, отнимаемого охлаждающей водой  от конденсирующегося в дефлегматоре  пара Qd=4203,2∙103 Вт.

   Поверхность дефлегматора  определила по формуле:

   С запасом принимаем  двухходовой теплообменник поверхностью F=338 м; диаметр кожуха D=1000 м; число труб n=718; длина труб l=6,0 м; диаметр трубы d= 25×2 мм.

   Расчёт холодильника для дистиллята

   В холодильнике  происходит охлаждение дистиллята  от температуры конденсации до 30 ℃.

   Температурная схема  процесса:

      78,5 → 30

        38 ← 18

∆tм=40,5   ∆tб=12

   Движущая  сила  процесса:

 

   Принимаем коэффициент  теплопередачи К=300 Вт/(м2∙К).

   Количества тепла, отнимаемого охлаждающей водой  от дистиллята в холодильнике, определила по формуле:

   Поверхность теплообмена  холодильника для дистиллята, определила по формуле:

 

   С запасом поверхности 15-20% принимаем двухходовой теплообменник поверхностью F=24 м2;  диаметр кожуха D=400 мм; число труб n=100; длина трубы l=3,0 м; диаметр трубы d=25×2 мм.

   Расчёт холодильника для кубового остатка

         98 → 30

        38 ← 18

∆tб=60       ∆tм=12

   Движущая сила  процесса:

 

   Принимаем коэффициент  теплопередачи К=250 Вт/(м2∙К).

   Количества тепла, отнимаемого охлаждения водой  от кубовой жидкости, определила по формуле:

   Поверхность теплообмена холодильника для кубового остатка,  определила по формуле:

 

   С запасом поверхности 15-20 % принимаем четырёх ходовой теплообменник поверхностью F=127 м2; диаметр кожуха D=800 мм; число труб n=404; длина трубы l=4,0 м; диаметр трубы d=25×2 мм.

    Расчёт кипятильника

    В кипятильнике  кубовый остаток кипит при 98 ℃.

   Принимаем давление  греющего пара P=2 ат; температура греющего пара t1=119,6 ℃.

   Температурная схема процесса:

   

       

∆t=21,6 ℃

   Принимаем коэффициент теплопередачи К=800 Вт/(м2∙К)

   Тепловая нагрузка QK=7695520 Вт

   Поверхность теплообмена  определила по формуле:

   Устанавливаем кипятильник поверхностью F=480 м2; диаметр кожуха D=1400 мм; число труб n=1549; длина трубы l=4,0 м; диаметр трубы d=25×2 мм.

   Расчёт подогревателя

   В подогревателе  происходит подогрев исходной  смеси от tн=20 ℃ до температуры кипения на питающей тарелке tк=82 ℃. Принимаем давление греющего пара Р=2 ат, температура греющего пара t1=119,6 ℃.

   Температурная схема  процесса:

     

          20 → 82

   

   Движущая сила  процесса:

 

   Принимаем коэффициент  теплопередачи К=250 Вт/(м2∙К)

   Количества тепла, передаваемого исходной смеси от греющего пара определила по формуле:

 

   Поверхность теплообмена определила по формуле:

 

   Устанавливаем шестиходовой  теплообменник поверхностью F=91 м2; диаметр кожуха D=600 мм; число труб n=196; длина трубы l=6,0 м; диаметр трубы d=25×2 мм.

 

 

 

 

 

Заключение

  

   В данном курсовом проекте рассмотрены основные узлы ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси этиловый спирт - вода. Установка имеет производительность установки – 1,9 кг/с по дистилляту, состав исходной смеси – 18 % мол., состав дистиллята – 75 % мол., состав остатка – 2 % моль.

   Вспомогательное  оборудование:

• Дефлемат: двухходовой теплообменник поверхностью F=338 м2; диаметр кожуха D=1000 м; число труб n=718; длина труб l=6,0 м; диаметр трубы d= 25×2 мм;
• Холодильник для дистиллята: двухходовой теплообменник поверхностью F=24 м2;  диаметр кожуха D=400 мм; число труб n=100; длина трубы l=3,0 м; диаметр трубы d=25×2 мм;
• Холодильник для кубового остатка: четырёх ходовой теплообменник поверхностью F=127 м2; диаметр кожуха D=800 мм; число труб n=404; длина трубы l=4,0 м; диаметр трубы d=25×2 мм;
• Кипятильник: поверхностью F=480 м2; диаметр кожуха D=1400 мм; число труб n=1549; длина трубы l=4,0 м; диаметр трубы d=25×2 мм;
• Подогреватель: шестиходовой теплообменник поверхностью F=91 м2; диаметр кожуха D=600 мм; число труб n=196; длина трубы l=6,0 м; диаметр трубы d=25×2 мм.