Проектирование ректификационной установки для разделения смеси метиловый спирт - вода

                                                                                             (3.48)

где L_x – расход жидкости, кг/с; S – площадь поперечного сечения выбранной колонны, м²

 

а) для верхней части  колонны:

 

 

w_0В = 1.307/0.15 = 8.714 м/с

м

 

 

б) для нижней части  колонны:

 

 

w_0Н = 1.369/0.15 = 9.125 м/с

м

 

Высота светлого слоя жидкости h0 определяется по соотношению:

                                                                                               (3.49)

 

 

Величина газосодержания ε рассчитывается по соотношению:

                                                                                                (3.50)

 

а) для верхней части  колонны:

м

 

а) для нижней части колонны:

м

 

Гидравлическое сопротивление тарелки рассчитывается по уравнению

 

                                                                        (3.51)

 

ΔР = ΔР₁ + ΔР₂                                                                                                                                   (3.52)

                                                (3.53)

                                                                        (3.54)

где ΔР – гидравлическое сопротивление тарелки, Па; ζ = 1.4 – коэффициент гидравлического сопротивления сухой тарелки; β – безразмерный коэффициент; τ – доля площади отверстий, занятая стекающей жидкостью; σ – поверхностное натяжение, Н/м; d_экв – эквивалентный диаметр щели (удвоенная величина ширины щели), м.

Величина τ рассчитывается по уравнению.

Необходимо отметить, что величины гидравлических сопротивлений, рассчитанные по разным формулам, могут  значительно отличаться друг от друга.

 

 

 

 

 

а) для верхней части  колонны:

Па

Па

 

ΔР_В = 147.957 + 75.197 = 223.155 Па

 

б) для нижней части  колонны:

 

Па

Па

ΔР_Н = 155.209 + 77.688 = 232.897 Па

 

Брызгоунос рассчитывается по формуле:

                                                                                       (3.55)

где h_c – высота сепарационного пространства, м; w – рабочая скорость пара (газа), м/с; к – поправочный коэффициент.

Высота сепарационного пространства h_c определяется по соотношению:

                                                                                                   (3.56)

где h – расстояние между тарелками, м; h₀ – высота светлого слоя жидкости, м.

Поправочный коэффициент k определяется по соотношению:

                                                                                                   (3.57)

а) для верхней части колонны:

м

 

б) для нижней части колонны:

м

 

Основные характеристики выбранной решетчатой тарелки:

 

Диаметр тарелки                                                              D = 2.0 м

 

Расстояние между тарелками                                          h = 0.4 м

 

Диаметр отверстий                                                            d₀ = 0.008 м

 

Относительное свободное  сечение тарелки                    ω = 15%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4. Расчет высоты колонны

 

3.4.1. Определение кинетических  параметров (коэффициент массоотдачи  числа единиц переноса)

 

Независимо от того, каким способом находятся число реальных тарелок или ступеней, необходимо определить коэффициенты массоотдачи.

Коэффициент массоотдачи  β_yf можно рассчитать по следующему соотношению:

                                                                   (3.58)

где - диффузионный критерий Пекле, w_p – рабочая скорость пара (газа), для решетчатой тарелки w_p = w, м/с; h_г-ж – высота газожидкостного (барботажного) слоя, м; D_y – коэффициент диффузии для паровой (газовой) фазы, м²/с.

Уравнение удовлетворительно  отвечает опытным данным для тарелок  различных типов: колпачковых, ситчатых и решетчатых.

Также в случае расчета  решетчатых (провальных) тарелок рекомендуется  находить β_yf из следующих критериальных уравнений:

                                                          (3.59а)

                                                 (3.59б)

где - диффузионный критерий Нуссельта; - диффузионный критерий Прандтля; - критерий Вебера;

h₀ - высота светлого слоя жидкости, м;

σ – поверхностное  натяжение, Н/м.

В уравнении  ; в уравнении где w0 – скорость пара (газа) в щелях тарелки, м/с.

Менее надежно для расчета решетчатых тарелок соотношение:

где ω – относительное свободное сечение тарелки; ε – газосодержание; h₀ – высота светлого слоя жидкости, м;

 

 

Коэффициент массоотдачи  β_yf в уравнениях (36)-(39) имеет размерность м/с;

Коэффициент массоотдачи  β_хf (м/с) можно рассчитать по следующему соотношению:

где - диффузионный критерий Пекле; h_г-ж – высота газожидкостного (барботажного) слоя, м; D_x – коэффициент диффузии для жидкой фазы, м²/с; U – приведенная плотность орошения, м³/(м²с).

 

а) для верхней части  колонны:

 

б) для нижней части колонны:

 

 

3.4.2 Коэффициент массопередачи

 

Коэффициенты массопередачи K_yf и K_xf определяют по уравнениям аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

                                                                                               (3.60)

                                                                                             (3.61)

где K_yf и K_xf коэффициенты массопередачи соответственно по паровой (газовой) и жидкой фазам, отнесенные к единице рабочей площади тарелки; β_xf – коэффициенты массоотдачи соответственно по паровой (газовой) и жидкой фазам, отнесенным к единице рабочей площади тарелки; m – тангенс угла наклона равновесной линии.

 

а) для верхней части  колонны:

 

б) для нижней части  колонны:

 

 

 

3.4.3. Локальная эффективность тарелки

 

Локальная эффективность Е₀ зависит от модели структуры потока, принятой для паровой (газовой) фазы (для жидкой фазы предполагается полное перемешивание):

                                                                                             (3.62)

где n_0y – общее число единиц переноса по паровой (газовой) фазе на тарелке.

Общее число единиц переноса n_0y можно рассчитать по уравнению:

                                                                                                   (3.63)

где n_x и n_y – число единиц переноса по паровой (газовой) и жидкой фазам на тарелке; m и l – тангенсы угла наклона соответственно равновесной и рабочей линии.

Частные числа единиц переноса nx и ny определяются либо по эмпирическим формулам, либо по уравнениям:

                                                                                                            (3.64)

                                                                                                            (3.65)

где β_yf и β_xf – коэффициенты массоотдачи по паровой (газовой) и жидкой фазам, отнесенные к единице рабочей площади тарелки, м/с; w_p – рабочая скорость пара (газа), отнесенная к единице рабочей площади тарелки, м/с; U – приведенная плотность орошения, м³/(м²с)

 

а) для верхней части  колонны:

 

 

 

б) для нижней части  колонны:

 

 

3.4.4. Определение высоты  и гидравлического сопротивления  колонны

 

Общая высота колонны  включает высоту ее тарельчатой части  Н_Т, и определяется по формуле:

 

H = H_T + z_B + z_H                                                                                                                               (3.66)

где z_B и z_H – расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.

В соответствие со значением  диаметра колонны выбираем z_B = 1.0, z_H = 2.0

 

Н = 1.6 + 1.0 + 2.0 = 4.6 м

 

Гидравлическое сопротивление  колонны ΔР_К для процесса ректификации в простой полной колонне определяются по формуле:

 

ΔР_К= ΔР_ТВ·n_B + ΔР_ТН·n_H                                                                                                           (3.67)

где ΔР_ТВ и ΔР_ТН – гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны.

 

ΔР_К = 223.155·   + 232.897·   =                   Па

 

 

 

 

 

 

 

 

3.5. Ориентировочный расчет  теплообменников

 

3.5.1. Куб – испаритель

 

Исходные данные: Q_K = 5536.29 кВт, t_w = 98.02°C, давление греющего пара р_г.п. = 1.5 атм(изб)

Температура греющего пара t_г.п. = 142.9°С

Δt = t_г.п. + t_W

Δt = 126.25 – 98.02 = 28.23°С

Ориентировочный (минимальный) коэффициент теплопередачи К^ор при теплообмене от конденсирующегося пара к кипящей жидкости:

К^ор = 1200 Вт/м²К

Тогда поверхность теплообмена  определим по формуле:

Q = K·F·Δt_cp                                                                                       (3.68)

где Q – расход передаваемой теплоты, Вт

       K – коэффициент теплопередачи, Вт/м²К

       F – площадь поверхности теплопередачи, м²

       Δtcp – средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, К

Из (3.70) следует, что:

                                                                                               (3.68a)

 м²

Запас поверхности:

По ориентировочной поверхности теплообмена выбираем по ГОСТ 15119-79 куб испаритель с длиной труб l = 4м, диаметром кожуха D = 1000мм, с поверхностью теплообмена F = 235м² (запас поверхности 43.8%)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.5.2. Подогреватель исходной смеси греющим паром

 

Исходные данные: G_F = 3.89 кг/с, х_F = 0.7 (масс), t_F = 71.81°С, t_CM^H = 25°С, Р_г.п. = 1.5 атм(изб)

Температура греющего пара: t_г.п. = 126.25°С

Δt_м = 126.25 – 71.81 = 54.44°С

Δt_б = 126.25 – 25 = 101.25°С