Технологический и механический расчет насадочной колонны

Предельную фиктивную  скорость пара , при которой происходит захлебывание насадочных колонн, определяют по уравнению:

                             (3)           

где  - средние плотности жидкости и пара, ;

Поскольку отношения  и физические свойства фаз в верхней и нижней частях колонны различны, определим скорости захлебывания для каждой части отдельно.

Найдем плотности жидкости r_xв и r_xн и пара r_yв и r_yн в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них t_в и t_н. Средние температуры паров определим по диаграмме t – х,y (см. рисунок 3). 

Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

а )в верхней части колонны:

 

б )в нижней части колонны

 

Средние температуры пара определяем по диаграмме t - x,y :

а ) при

а ) при

 

 

 

Средние мольные массы:

 кг/кмоль

кг/кмоль

 

 

 

Опредлени плотностей пара:

 

 

 

 

Определение средней плотности  пара в колонне:

 

 

 Плотность жидкости смеси: метанол - воды: (из 1, стр. 512, табл. IV)

а) в верхней части колонны:       

 

а) в нижней части колонны:       

 

Определение средней плотности  жидкой смеси в колонне:

 

 

Вязкость жидких смесей находим  по уравнению:

                                                (4)

Тогда вязкость жидкости вверху колонны при температуре 68,1 ⁰с:

lgµ_ХB = 0.82*lg0.3266 + (1-0.82)*lg0.4242;

 

Вязкость жидкости внизу колонны при температуре 75,5 ⁰с:

lgµ_ХН = 0.361*lg0.3037 + (1-0.3037)*lg0.4242;

 

Возьмем по (4, стр. 317, табл.51) характеристику насадки.

Вид насадки: кольца керамические.

Разиер: 25-25-3 мм

Удельная поверхность f,  204

Свободный объем V_с, 0.74

Предельная скорость паров  в верхней части колонны определяем по уравнению 3:

 

 

 

 

 

Предельная скорость паров  в нижней части колонны:

 

 

 

 

 

Примем рабочую скорость на 30% ниже предельной:

 

Диаметр ректификационной колонны  находим по уравнению:

                                          (5)

Отсюда диаметры верхней  и нижней частей колонны:

 

 

 

Рационально принять стандартный  диаметр обечайки D = 3.6 м (см.2, разд. 5.1.4, стр. 197) одинаковым для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне равны:

 

 

 

 

5. Определение высоты насадки

Расчет высоты насадочной колонны ведем согласно через высоту, эквивалентную теоретической тарелке (ВЕТТ).

Значения m1 и m2, для верхней  и нижней частях колонны определены арифметическим усреднением локальных значений m, в интервалах измерения составов жидкости соответственно от xf до xd и от xw до xf.

Среднее значение тангенса угла наклона к оси x кривой равновесия смеси в координатах x-y: (смотри рис. №5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Велечину m можно с достаточной точностью найти спрямлением участков кривой равновесия, заменой кривой равновесия ломаной линией.

Средней наклон линий равновесия можно определить как наклон хорды, ограничевающий рабочей участок равновесия.

Вязкость паров для  верхней части колонны:

 

 

 

 

Для низа колонны:

 

 

 

Высоту насадки эквивалентную  одной одной теоритической тарелке в верху колонны:

 

Высоту насадки эквивалентную  одной одной теоритической тарелке в низу колонны:

По рис. 4 число ступеней изменения концентрации составляет в верхней части и нижней части колонны:

- в верхней части колонны

- в нижней части колонны

 

Определение высоты насадки H_Н:

В верхней части:

 

 

В нижней части:

 

 

 

6. Определение высоты колонны 

Высота слоя насадки одной  секций, которая определяется из условий  прочности опорной решетки и  нижних слоев насадки, а также  из условий равномерности распределения  жидкости по насадке не должно превышать Z = 3 м. Зададим значение Z = 0.6 м.

Общее число секций в колонне  составляет n=8, с учетом того что Z=0.6 м.

- высота промежутков между секциями насадок.

Высота сепоративного пространства над тарелкой: (2, стр. 235)

 

Растояние между днищем и тарелкой:

 

Высота днища: ( Элиптическое отбартованное стальное днище) из (3. стр. 440)

 

Выота крышки: (3. стр. 440)

 

Общая высота колонны:

 

7. Расчет гидравлического сопротивления насадки.

Гидравлическое сопротивление  насадки  находят по уравнению

    (5)            

Гидравлическое сопротивление  сухой не орошаемой насадки  рассчитывают по уравнению

    (6)  

где - коэффициент сопротивления сухой насадки, зависящий от режима движения газа в насадке.

Внитрений диаметр отверстия насадки:

 

Критерий Рейнольдса для газа в верхней и нижней  частях колонны соответственно равен:

 

 

 

Для определения коэффициента сопротивления беспорядочных насадок, в которых пустоты распределены равномерно по всем направлениям, используем двухчленную формулу Эргуна, применимую при ламинарном и турбулентных режимах.

Коэффициент сопротивления  беспорядочно насыпанных кольцевых  насадок

можно рассчитывать по формулам:  (2, стр.202)   

 

при турбулентном движении (Re>40):

Для верхней  и нижней частей колонны получим соответственно:

 

 

 

Гидравлическое сопротивление  сухой насадки в верхней и  нижней частях колонны равно:

Па

Па

 

 

 

Плотность орошения в верхней  и нижней частях колонны определим  по формулам:

 

 

 

 

Гидравлическое сопротивление  орошаемой насадки в верхней  и нижней частях колонны:

b — коэффициент, значения  которого для различных насадок  приведены ниже: (2, стр. 201)

(Для колец Рашига внавал 25х25х3)

 

 

 

Общее гидравлическое сопротивление  орошаемой насадки в колонне:

 

 

4. Тепловой расчет установки

Удельные теплоты конденсации  низкокипящего и высококипящего компонента при температуре вверху колонны     

 Дж/кг

 Дж/кг

 

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:

 

Расход теплоты, получаемой в кубе испарители от греющего пара:

Теплоемкость дистиллята: (1, стр. 562, рис. XI)

 

Теплоемкость кубовой  жидкости при   

 

Теплоемкость кубовой  жидкости при   

 

Тепловые потери приняты  в размере 3% от полезно затрачиваемой  теплоты:

 

 

Расход теплоты в паровом  подогревателе исходной смеси, при  начальной температуре смеси  ⁰с

Тепловые потери приняты  в размере 5% от полезно затрачиваемой  теплоты.

 

Теплоемкость исходной смеси  при средней температуре  ⁰с:

 

Расход теплоты, в паровом  подогревателе исходной смеси:

 

Теплоемкость дистиллята при средней температуре  ⁰с:

 

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята, при конечной температуре  смеси ⁰с:

 

Теплоемкость кубовой  жидкости при средней температуре  ⁰с:

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка, при конечной температуре  смеси ⁰с:

 

Расход греющего пара, имеющего давление и влажность :

Удельная теплота парообразования  водяного пара при данных параметрах:

 

а ) в кубе-испарителе:

 

 

б ) в подогревателе исходной смеси:

 

 

Суммарный расход греющего пара:

 

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на :

кДж/кг*К