Определение действительного числа тарелок

2.4 Определение действительного числа тарелок

Относительная летучесть начальной смеси:

.

По [1,табл.IX] находим вязкости компонентов:

;

.

Вязкость жидкости на питательной тарелке:

.

Общий коэф-т полезного действия в тарелке:

.

Число действительных тарелок:

.

Принимаем:

.

  2.5 Определение геометрических размеров тарельчатых колонн

В определение геометрических размеров входят определение высоты и диаметра колонны.

2.5.1 Определение диаметра колонны

Диаметр колонны определяется по формуле :

 

 (10)

где V – объёмный расход паров для верха и для низа колонны, м³/с;

ω - скорость пара для верхней и для нижней колонны, м/c;

π – геометрическая постоянная (π =3,14).

  2.5.2 Определение объёмного расхода паров

Определение объёмного расхода паров производиться по формуле:

 (11)

где P – мольный расход, кмоль/с;

R –оптимальное флегмовое число;

M_cp – средняя мольная масса пара, кг/кмоль;

ρ_п.ср – плотность пара для среднего сечения, кг/м².

Средняя мольная масса пара определяется по формуле :

 (12)

где M_нк, М_вк – мольные массы компонентов, кг/кмоль;;

y_ср – средний мольный состав пара, кмоль/кмоль.

Средняя плотность пара определяется по формуле :

 (13)

где Т˚=273К;

Р₀=760 мм.рт.ст.

Т_ср – средняя температура кипения смеси в среднем сечении верхней части колонны в ^˚С (определяется по t-x-y диаграмме по значению y_ср)

Определение объёмного расхода паров в колонне производиться для верха и для низа колонны отдельно.

Среднее сечение верхней части колонны: Средний мольный состав пара определяется по формуле :

 (14)

где y_p и y_f-мольные доли компонентов (определяются по x-y диаграмме).

= 92,13*0,795 + 78,11*(1-0,795) = 89,24 кг/кмоль

= 89,24*273/22,4(273+92,2) = 2,97 кг/м³

V = (0,006*(2,43+1)*89,24)/2,97 = 0,62 м³/сек

  Среднее сечение нижней части колонны: Средний мольный состав пара определяется по формуле [3]:  (15)

где y_ц и y_f-мольные доли компонентов (определяются по x-y диаграмме).

= 92,13*0,34 + 78,11*(1-0,34) = 82,87 кг/кмоль

= 89,24*273/22,4(273+105,95) = 2,66 кг/м³

V = (0,006*(2,43+1)*82,87)/2,66 = 0,64 м³/сек

  2.5.3 Определение скорости пара

Расчет проведем по методике предложенной в [1].

Для колпачковых тарелок предельно допустимая скорость рассчитывается по уравнению:

(16)

где  – диаметр колпачка, м;  – расстояние от верхнего края колпачка до вышерасположенной колонны, м;  – соответственно плотности жидкой и паровой фазы, кг/м³.

Верхняя часть аппарата:

 (17)

где x_ср.нк– средний состав жидкости для верхней части колонны, кмоль/кмоль.

 (18)

 м/с

 

Нижняя часть аппарата:

 (19)

 м/с

 

Определим диаметр колонны для верха и для низа:

 

Верх.

Низ:  Примем D=1000мм

Примем стандартный диаметр колонны одинаковый для верхней и нижней части и равный  м.

Параметры колпачковой тарелки типа ТСК-1 Свободное сечение колонны  м², длина линии барботажа 9,3 м, периметр слива  м, площадь слива 0,05 м², площадь паровых патрубков 0,073 м², относительная площадь прохода паров 9%, число колпачков 37, диаметр колпачка  мм, шаг  мм,  мм, высота перелива  мм. Расстояние между тарелками Ht=0,35[1].

2.5.4 Определение высоты колонны Определение высоты тарельчатой колонны производиться по следующему уравнению [1]:

 (20)

где  -высота тарельчатой (рабочей) части колонны, м;

h – расстояние между тарелками, м [1];

h₁ - высота сепарационной части над верхней тарелкой, м;

h₂ - расстояние от нижней тарелки до днища колонны, м.

Значения h₁ и h₂ выбрать в соответствии с практическими рекомендациями в зависимости от диаметра колонны [1]:

 

H=(16-1)*0.6+0.6+1.5=11.1 м

3. Тепловой расчет

В задачу теплового расчета входит определение расхода греющего пара в испарителе колонны и величину ее теплопередающей поверхности, а так же расхода охлаждающей воды в дефлегматор. Способ подвода и отвода тепла осуществляется за счет испарения части реакционной массы и за счет применения выносных поверхностей теплообмена.

  3.1 Расчёт испарителя

Расход греющего пара в кубе колонны рассчитывается на основе составления и решения уравнения теплового баланса ректификационной колонны

 (21)

где r_воды– удельная теплота парообразования, Дж/кг ;

Р – расход верхнего продукта, кг/с;

W – расход нижнего продукта, кг/с;

R_opt – флегмовое число;

 – энтальпии потоков, Дж/кг;

r_cp – средняя удельная теплота фазового перехода, кДж/кг;

Q_пот – тепловые потери (от 3% до 5% от тепла греющего пара) [1]:

 (22)

где r –удельная теплота фазового перехода соответствующего компонента, Дж/кг [5];

tср = 95,4 ^◦С ;

rнк = 90

rвк = 87

rср = 90*0,4+87*(1-0,4)= 88,2

rср = 88,2*4190 = 369558 Дж/кг.

 

Таблица 3.1-Теплоёмкости компонентов при различных температурах [2].

Низкокипящий ком-т.			Высококипящий ком-т.
Срf,Дж/кг*К	Срp,Дж/кг*К	Срw,Дж/кг*К	Срf,Дж/кг*К	Срp,Дж/кг*К	Срw,Дж/кг*К
2077	1766	2480	2022	1718	2422

(23)

где – массовые доли компонентов, кг/кг;

Ср - теплоёмкости компонентов при различных температурах, Дж/кг^*К.

 

F : Cp_см = 2077*0,4+2022*(1-0,4) = 1763,3 Дж/кг*К;

P : Cp_см = 1766*0,95+1766(1-0,95) = 2044 Дж/кг*К;

W : Cp_см = 2480*0,05+2422(1-0,05) = 2424,9 Дж/кг*К.

 (24)

где I - энтальпии потоков, Дж/кг;

Т – температура компонентов, ˚C.

IF = 1763,6*81 = 142851,6 Дж/кг;

IP = 2044*95,4 = 194997,6 Дж/кг;

IW = 2424,9*109,6 = 265769,04 Дж/кг.

Dг.п.*(Iг.п.- iк) = 0,558*(194997,6-142851,6) + 0,83(265769,04+142851,6) + +0,558*3,16*369558 = 1019886,829

Dг.п. = 1019886,829/(0,97*369558) = 2,84 кг/с.

Величину теплопередающей поверхности испарителя рассчитывают на основе уравнения теплопередачи [5]:

 

 (25)

где Q_пот – тепловые потери (от 3% до 5% от тепла греющего пара) [1];

D_г.п(I_г.п.-i_к) – расход греющего пара, найденного по формуле (21);

K – коэффициент теплопередачи, выбирается по опытным данным в пределах от 300 до2500 Вт/м^2*К;

ΔТ_ср – средняя движущая сила процесса теплопередачи.

ΔТ_ср определяется по разнице температур между температурой разделяемой смеси (в кубе колоны) и температурой насыщенного водяного пара при определённом давлении. Обычно средняя движущая сила процесса равна 30 ± 5ºС.

Температура кубового остатка равна Т_w=109,6 ºС (см. выше).

Температура насыщенного водяного пара при давлении 3,0 кг/см² составляет Т=135,9ºС .

 (26)

∆Tср = 135,9 – 109,6 = 26,3 ^оС

ТºС ТºС

ΔТ_ср

Рисунок 3.1 - Температурная диаграмма для определения средней движущей силы процесса теплопередачи.

 

 

3.2 Определение расхода воды в дефлегматоре

При расчёте теплового баланса дефлегматора принимается, что пары дистиллята подвергаются полной конденсации. Тогда расход охлаждающей воды составит [5]:

 

 (27)

где P – мольный расход продукта, кмоль/с;

R – оптимальное флегмовое число;

M_смp – мольная масса продукта, кг/кмоль;

r_p – удельная теплота фазового перехода, кДж/кг;

Cp – теплоёмкость воды, кДж/кг^*К [2];

Cp=4190 Дж/кг^*К

T_к, T_н– конечная и начальная температура охлаждения воды, ˚C. Обычно принимается T_н=12˚C T_к=45˚C

 (28)

где r_p –удельная теплота фазового перехода определённого компонента, кДж/кг [2];

 

rp = 90*0,95 + 88*(1-0,95) = 89,9*4190 = 376681 Дж/кг

M_смp = 91,83 кг/кмоль

  3.3 Расчет тепловой изоляции

Основной целью расчета тепловой изоляции является выбор теплоизоляционного материала и расчет его толщины для минимизации тепловых потерь в окружающую среду и обеспечения требований техники безопасности. Расчет тепловой изоляции проводят из условий заданной температуры наружного слоя изоляции, которая не должна превышать 45°С. Толщину слоя теплоизоляционного материала определяют по формуле:

 (29)

где  – температура внутреннего слоя изоляции t_ст.=45˚C.

– теплопроводность слоя изоляции.

Примем температуру внутреннего слоя тепловой изоляции равной температуре среды в колонне. .

Выберем в качестве теплоизоляционного материала асбест с  Вт/м*К.

Величину тепловых потерь в окружающую среду  рассчитаем по уравнению теплоотдачи [3]:

, (30)

где  – суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/м²*К.

 Вт/м²*К.

 м.

4. Гидравлический расчет

Основной целью гидравлического расчета является определение гидравлических сопротивлений, которые возникают в процессе прохождения пара через ректификационную колонну из куба через контактные устройства в дефлегматор. Потери напора для всех ректификационных колонн позволяют рассчитать необходимое повышение температуры кипения смеси в кубе колонны.

 (31)

где ΔР_с – сопротивление сухой тарелки, Па;

ΔР_ж – сопротивление слоя жидкости, Па;

ΔР_б – сопротивление за счёт поверхностного натяжения жидкости, Па; (незначительно можно пренебречь).

 (32)

где ω_.- скорость пара в горловине колпачка, м/с; определяется по объемному расходу пара и свободному сечению тарелки, м²/c.

 (33)

 

Верхняя часть аппарата

 

 

 

Нижняя часть аппарата

 

 

 

 

Сопротивление слоя жидкости

(34)

где

hб – высота барботажного слоя жидкости на тарелке, м;

ρ_ж– плотность жидкости, кг/м³ ;

q – ускорение свободного падения (g=9,8м/с²).

hб=0,055м

Верхняя часть аппарата

 

Нижняя часть аппарата

Полное гидравлическое сопротивление для верха и для низа колонны составляет:

Верхняя часть аппарата

Нижняя часть аппарата