Расчет насадочной ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метанол-вода

               (2.8)

где Т  – температура, К; Р – абсолютное давление, кгс/см²; М_А и М_В – мольные массы бензола и толуола; ν_А и  ν_В – мольные объемы бензола и толуола, определяемые как суммы атомных объемов элементов входящих в состав пара.

μ – динамический коэффициент вязкости пара Па·с, определяемый по формуле

                                   (2.10)

 

М_п, М_А, М_В– мольные массы пара и отдельных компонентов, кг/кмоль; μ_п,μ_А,μ_В - динамические коэффициенты вязкости, Па·с; у_А, у_В – мольные доли компонентов смеси.

В соответствии с формулой (2.8)

а) в верхней  части колонны

б)в нижней части колонны

 

В соответствии с формулой (2.10)

а) в верхней  части колонны при t=105,7⁰ С

μ_Ав = 0,0023 мПа·с

μ_Вв = 0,0021 мПа·с

б) в нижней части колонны при t = 114⁰С

μ_Ан = 0,0019 мПа·с

μ_Вн = 0,0019 мПа·с

Подставляя  все ранее рассчитанные величины в формулу(2.73) получим:

Для верхней  части колонны 

Для нижней части колонны

Массовая  плотность орошения L_S, кг/(м²*с), определяется по формуле

                                        (2.74)

Для верхней  части колонны

Для нижней части колонны

Коэффициенты  , зависящие от физических свойств жидкости определяются по формулам   (2.75), где - динамическая вязкость жидкости мПа*с;

(2.76),  (2.77)

Где - поверхностное натяжение жидкости при средней температуре Н\м.

Поправочные коэффициенты, рассчитанные по формулам(2.75)(2.76)(2.77) составят: для верхней части колонны 

Для нижней части колонны 

Подставляя  все ранее рассчитанные велечины в формулу(2.72) получим

Для верхней  части колонны

Для нижней части колонны

где m – тангенс угла наклона линии равновесия на рабочем участке. Для определения угла наклона разбиваем ось х на участки и для каждого из них находим среднее значение тангенса как соотношение разности ординат (у^*-у) к разности абцисс (х-х^*) в том же интервале, т.е.

№	х	х*	у	у*
1	0,07	0,02	0,07	0,18
2	0,1	0,04	0,1	0,25
3	0,14	0,07	0,14	0,33
4	0,3	0,13	0,3	0,6
5	0,4	0,18	0,4	0,72
6	0,5	0,22	0,5	0,81
7	0,6	0,3	0,6	0,85

 

m₁=2,2                                  

m₂=2,5

m₃=2,7

m₄=1,76

m₅=1,45

m₆=1,1

m₇=0,8 

 

Значения  коэффициента m_В=1,6 для верхней части колонны; m_Н=2,5 для нижней части колонны определяют арифметическим усреднением локальных значений m в интервалах изменения составов жидкости соответственно: для верхней части колонны от x_F до x_D и для нижней части колонны от x_W до x_F.

Общую высоту единиц переноса находим по уравнению(2.67):

Для верхней  части колонны

Для нижней части колонны

Высота  насадки в верхней и нижней частях колонны согласно выражению(2.65) равны соответственно

Общая высота насадки в колонне составит

С учетом того что высота слоя насадки в  одной секции Z=3м, общее число секций в колонне составляет n=36\3=12

Общую высоту насадочной ректификационной колонны  Н_к, м, определяют по

Где - высота промежутков между секциями насадки, м, в которых устанавливают распределители жидкости принимаем =0,5м, [1], - высота сепарационного пространства над насадкой, м; - расстояние между днищем колонны и насадкой, м.

Значения  и выбираем в соответствии с диаметром колонны[1]. Принимаем

=1,4м,  =2,5м.

Подставляя  значения в формулу(2.78), получим

Гидравлический  расчет колонны.

 

Гидравлическое  сопротивление насадочных колонн для  систем газ-жидкость и пар-жидкость в точке инверсии  , Па/м может быть рассчитано по уравнению (2.79)

 

           

 

где - отношение массовых расходов жидкости и пара (газа)кг/кг; - плотность пара кг/м³;   - плотность жидкости кг/м³;  , - динамическая вязкость пара и жидкости соответственно, Па*с; - сопротивление сухой насадки (на 1м ее высоты), Па/м.

Сопротивление сухой насадки  , Па/м при Re 400 определяется по уравнению

                                               (2.80)

 

где - коэффициент сопротивления сухой насадки; _п – действительная скорость пара, м/с; - удельная поверхность насадки, м²/м³; V_с – свободный объем насадки м³/м³.

 Критерий  Рейнольдса для пара определяем по формуле

                           (2.81)

Где - эквивалентный диаметр насадки, м, определяемый по формуле

      (2.82)

В соответствии с формулой (2.79) для выбранной  насадки имеем

Сопротивление слоя насадки  , Па определяется по формуле (2. 83)

Сопротивление верхней части колонны

Критерий  Рейнольдса для пара определяем по формуле (2.81)

 режим турбулентный

Для турбулентного  режима коэффициент сопротивления  сухой насадки в виде беспорядочно рассыпанных колец Рашига определяется по формуле

Тогда

Потеря давления на 1м высоты сухой насадки по формуле (2.80) для верхней части  колонны составит

Сопротивление орошаемой насадки в верхней  части колонны по формуле (2.79) составит

Сопротивление слоя насадки в верхней части  колонны по формуле (2.83) составит

Сопротивление нижней части колонны

Критерий  Рейнольдса для пара определяем по формуле (2.81)

Тогда по формуле (2.83)

Потеря давления на 1м высоты сухой насадки по формуле (2.80) для нижней части колонны  составит

Сопротивление орошаемой насадки в нижней части  колонны по формуле (2.79) составит

Сопротивление слоя насадки в нижней части колонны  по формуле (2.83) составит

Общее сопротивление  колонны  , Па составит

4. Тепловой расчет ректификационной  колонны.

 

Расход  теплоты, получаемый кипящей жидкостью  от конденсирующего пара в кубе-испарителе колонны Q_к , Вт, определяется по формуле (1.24)

где Q_D – расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, Вт; Q_nom – тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт; c_F, c_W, c_D – теплоемкости исходной смеси, дистиллята, кубового жидкости, Дж/кг К.

Значение  теплоемкостей, необходимые для расчета находим по формуле (1.25) при соответствующих температурах

Температура исходной смеси t_F =100⁰ C, кубового остатка t_W = 118⁰ C, дистиллята t_D = 84⁰ С. теплоемкости метанола и воды при этих температурах определяем по номограмме XI [2], ДЖ/кг К

                                                            метанол                                           вода

 

t_F =100⁰ C                                    2,93·10³ Дж/кг К                         4,19·10³Дж/кг К   

t_W = 118⁰ С                                 3,05·10³ Дж/кг К                         4,6·10³Дж/кг К   

t_D = 84⁰ С                                 2,85·10³ Дж/кг К                       4, 4·10³Дж/кг К   

 

 

Удельная  теплота конденсации дистиллята согласно формуле (1.27) при t_D = 84⁰ C

r_A =1062 – метанол

r_B = 2280– вода

Количество  тепла, отнимаемого охлаждающей  водой от конденсирующегося в  дефлегматоре пара, определяем по формуле (1.26)

Тепловые  потери колонны в окружающую среду  Q_nom, Вт, определяем по формуле

                            (2.85)

где ɑ - суммарный  коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(м³К); F_н – наружная поверхность изоляции колонны, м² ; t_ст.н – температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем t_ст.н =40⁰ С; t_возд  - температура воздуха в помещении, принимаем t_возд = 20⁰ С.

Наружную  поверхность изоляции колонны F_н , рассчитываем по формуле (2.86)

 

Суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением ɑ, Вт/(м²К) ориентировочно определяется по формуле

Потери  тепла в окружающую среду, согласно формуле (2.85)

Расход  тепла в кубе колонны с учетом тепловых потерь согласно формуле (1.24)

 Расход греющего пара (принимаем  давление Р_абс = 6,303 атм, влажность 5%), согласно формуле (1.28)

Расход  воды в дефлегматоре при нагревании её на 20⁰ С

с_В = 4190 Дж/(кг К)

Расход  воды в холодильнике дистиллята при  нагревании её на 20⁰ С

Расход  воды в холодильнике кубового остатка  при нагревании ее на  20⁰ С    

Общий расход воды в ректификационной установке  составит

или   

Вода  из этих трех аппаратов может быть направлена в систему горячего водоснабжения.

Расчет тепловой изоляции колонны.

 

Количество  теплоты теряемое колонной в окружающую среду, рассчитывается, исходя из упрощенного соотношения (для плоской стенки) по уравнению

            (2.87)

где λ_из – теплопроводность материала изоляции, Вт(м·К); σ_из. – толщина изоляции, м; t_из.в - температура внутренней поверхности изоляции, принимаем её ориентировочно на 10-20⁰ С нижней средней температуры в колонне, т.е. t_из.в. = 90⁰ С.

В качестве изоляции берем асбест, коэффициент  теплопроводности которого λ_из = 0,151 Вт/(м·К)

Проверяем температуру внутренней поверхности  изоляции

расхождения 110,7-110 =0,7 ⁰ С < 1⁰ С допустимо.

5. Расчет вспомогательного  оборудования.

Расчет кипятильника (куба-испарителя).

 

Кипятильники  ректификационных колонн непрерывного действия по устройству сходны с кипятильниками выпарных аппаратов. При небольших поверхностях теплообмена куб колонны обогревается змеевиком или горизонтальной трубчаткой, пересекающей нижнюю часть колонны; при этом греющий пар пропускается по трубам.

При больших  поверхностях теплообмена применяют  выносные кипятильники, которые устанавливают  ниже колонны, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.