ПРИМЕР РАСЧЕТА ТАРЕЛЬЧАТОЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ МЕТИЛОВЫЙ СПИРТ

ПРИМЕР РАСЧЕТА ТАРЕЛЬЧАТОЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ МЕТИЛОВЫЙ СПИРТ - ВОДА Задание Производительность по исходной смеси – 6 т/ч; Концентрация метилового спирта: в исходной смеси - aF = 45% (масс.), в дистилляте - aР = 98% (масс.), в кубовом остатке - aW = 1,5% (масс.). Температура: охлаждающей воды - 12 °С, дистиллята после холодильника -

23 °С, кубового остатка после холодильника - 28 °С, исходной смеси - 19 °С. Давление насыщенного водяного пара - 5 кгс/см2, Коэффициент избытка флегмы - 1,5. Колонна работает под атмосферным давлением. Исходная смесь и флегма вводятся в аппарат при температуре кипения. Расчет проводится в следующей последовательности. 1.Определение производительности по дистилляту

и кубовому остатку Производительность колонны по дистилляту определяем по формуле (2.3): кг/ч = 0,751 кг/с. Производительность колонны по кубовому остатку определяем из уравнения (2.1): GW = GF – GP = 6000 – 2704,66 = 3295,34 кг/ч = 0,915 кг/с. Проверка: 6000 . 0,45 = 2704,66 . 0,98 + 3295,34 . 0,015 2700 = 2650,57 + 49,43 2700 = 2.Определение минимального и действительного флегмового

числа Пересчитываем массовые концентрации в мольные по формуле , (3.1) где Х – концентрация низкокипящего компонента А в бинарной смеси, мол. доли; а – содержание низкокипящего компонента А в бинарной смеси, масс. доли; МА, МВ – молярная масса компонента А и В (соответственно). Молярные массы: метиловый спирт – 32 кг/кмоль. вода – 18 кг/кмоль. Тогда концентрация исходной смеси: ; дистиллята: ; кубового остатка: .

Минимальное флегмовое число определяем графо-аналитическим способом. Для этого на основании опытных данных [7, 8], в координатах у-х строим кривую равновесия для смеси метиловый спирт-вода при атмосферном давлении (рис. 3.1) и кривую температур кипения и конденсации (рис. 3.2). Данные по равновесию для других бинарных смесей приведены в

Приложении А данного методического пособия. Таблица 3.1 – Равновесные данные для смеси метиловый спирт-вода Содержание компонента А, мол. % Температура кипения, t, °С в жидкости (х) в паре (у) 0 0,0 100,0 5 26,8 92,3 10 41,8 87,7 20 57,9 81,7 30 66,5 78,0 40 72,9 75,3 50 77,9 73,1 60 82,5 71,2 70 87,0 69,3 80 91,5 67,6 90 95,8 66,0 100 100,0 64,5 На диаграмме у-х из точки 1 (хр = ур) через точку 2′ (хF, уF*) проводим прямую линию до пересечения с осью у. Отрезок, отсекаемый на оси у, обозначим через

Вmax = 0,53. По величине этого отрезка находим минимальное флегмовое число (формула 2.6): . Действительное флегмовое число, используя уравнение (2.7) R = KR . Rmin = 1,5 . 0,82 = 1,23. На диаграмме у-х наносим линии рабочих концентраций (рабочие линии) для оптимального флегмового числа R = 1,23 (рис. 3.3): для этого на оси у откладываем отрезок , конец которого соединяем прямой с точкой 1 (хр = ур); точку пересечения этой прямой с вертикальной линией,

проведенной с абсциссы хF, обозначим точкой 2 (хF, уF) и, наконец, точку 2 соединяем с точкой 3 (хW = уW). Линии 1-2 и 2-3 являются рабочими линиями для верхней и нижней частей колонны, соответственно. 3.Жидкая фаза. Средняя мольная концентрация в нижней части колонны: . Средняя мольная концентрация в верхней части колонны: .

Средняя мольная концентрация по колонне: . Средняя массовая концентрация по колонне: , (3.2) . Средняя температура в нижней части колонны: °С. Средняя температура в верхней части колонны: °С. Средняя температура по колонне: °С. Значения tXW, tXF, tXР взяты из диаграммы t – x, y (рис. 3.2). Средняя мольная масса Мх ср = МА . Хср + МВ . (1 – Хср), (3.3) Мх ср = 32 . 0,401 + 18 . (1 – 0,401) = 23,61 кг/кмоль.

Средняя плотность определяется по формуле: , (3.4) где ρА и ρВ – плотность компонентов А и В при температуре tx cp. ρА = 736,35 кг/м3 при tx cp = 79,65 °С [1, с. 512]; Приложение Б. ρВ = 972,2 кг/м3. кг/м3. Среднюю вязкость рассчитываем по уравнению: lg μх ср = Хср . lg μА + (1 – Хср) . lg μB, (3.5) где μА и μВ – динамические

коэффициенты вязкости компонентов А и В, Па.с. μА = 0,291 мПа . с при tcp = 79,65 °С [1, с. 516]; Приложение Б. μВ = 0,358 мПа . с. lg μх ср = 0,401 . lg 0,291 + (1 – 0,401) . lg 0,358 = -0,482 μх ср = 0,33 мПа . с = 0,33 . 10-3 Па . с. Среднее поверхностное натяжение определяем по уравнению σх ср = σА . Хср + σB . (1 – Хср), (3.6) где σА и σB – поверхностные натяжения компонентов

А и В, н/м. σА = 17,63 . 10-3 н/м при tх cp = 79,65 °С [1, с. 526]; Приложение Б. σВ = 62,663 . 10-3 н/м. σх ср = 17,63 . 10-3 . 0,401 + 62,663 . 10-3 (1 – 0,401) = 44,60 . 10-3 н/м. Коэффициент диффузии при средней температуре определяем [1]: Dx (t) = Dx (20) [1 + b . (t – 20)], (3.7) где Dx (20) – коэффициент диффузии при t = 20 °С, м2/с;

, здесь μ [мПа . с] и ρ [кг/м3] – вязкость и плотность растворителя (воды) при t = 20 °С; t = tх cp. Коэффициент диффузии при 20 °С рассчитываем по эмпирическому уравнению [1]: , (3.8) где VA и VB – мольные объемы компонентов А и В, см3/моль; А, В – коэффициенты, зависящие от свойств компонентов, А = 1,19; В = 4,7 [1, с. 269]; Приложение Б, таблица

Б.4. . Мольные объемы компонентов [1, с. 288]; Приложение Б, таблица Б.5: VA = 18,9 см3/моль; VB = 14,8 + 4 . 3,7 + 7,4 = 37,0 см3/моль. м2/с. Dx (t) = 1,465 . 10-9 [1 + 0,02 (79,65 – 20)] = 3,21 . 10-9 м2/с. Паровая фаза. Средняя мольная концентрация в нижней части колонны: . Средняя мольная концентрация в верхней части колонны: .

Средняя мольная концентрация по колонне: . Средняя температура в нижней части колонны: °С. Средняя температура в верхней части колонны: °С. Температуры , найдены из диаграммы t – x, y (рис. 3.2). Средняя температура по колонне: °С. Средняя мольная масса Му ср = МА . уср + МВ . (1 – уср) = 32 . 0,548 + 18 . (1 – 0,548) = = 25,67 кг/кмоль. Средняя плотность: , (3.9) здесь Т = 273 + tу ср, °С;

Р = 1 кгс/см2 (давление в колонне атмосферное). кг/м3. Средняя вязкость [1]: , (3.10) где μуА и μуВ – динамический коэффициент вязкости паров компонента А и В. μуА = 1,2 . 10-5 Па.с при tу cp = 82,45 °С [9, с. 8, 9]; Приложение Б. μуВ = 1,15 . 10-5 Па.с. , μу ср = 1,184 . 10-5 Па . с. Коэффициент диффузии для паровой фазы определяем по уравнению [1]: , (3.11) где

Р – давление кгс/см2 (давление в колонне атмосферное); Т = 273 + tу ср, °С. м2/с. 3.4.Определение диаметра колонны Диаметр колонны определяем по уравнению (2.8). Расход, проходящего по колонне пара, может быть определен: м3/с. Скорость пара в колонне определяем по уравнению (2.9). Предварительно принимаем расстояние между тарелками h = 300 мм.

Используем ранее найденные ρх cp = 828,17 кг/м3 и ρу cp = 0,852 кг/м3. Для ситчатых тарелок по графику (рис. 2.2) находим С = 0,032. Тогда скорость пара в колонне: м/с. Тогда диаметр колонны м. Принимаем стандартное значение диаметра колонны D = 1,6 м (см. Приложение В) и уточняем скорость пара в колонне: м/с.

3.5.Определение высоты колонны По уравнению (2.18) находим коэффициент массоотдачи в жидкой фазе: . Коэффициент массоотдачи в паровой фазе находим по уравнению (2.19): . Общий коэффициент массопередачи Kyf находим из уравнения (2.17): , где – тангенс угла наклона линии равновесия; у*, х* - равновесные концентрации. Так как величина m является переменной по высоте колонны, находим ее значение для различных концентраций, используя диаграмму (рис.

3.3). В пределах от Хw до Хр выбираем ряд значений Х, для каждого значения Х определяем по диаграмме (рис. 3.3) величины у* - у, х - х* как разность между равновесной и рабочей линией, а затем по этим значением определяем величину m. Результаты сводим в таблицу 3.2. Таблица 3.2 – Определение коэффициента массопередачи х 0,0085 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,965

у*- у 0,0415 0,232 0,196 0,087 0,083 0,082 0,071 0,061 0,05 0,027 0,02 х -х* 0,005 0,065 0,115 0,10 0,11 0,14 0,145 0,125 0,105 0,07 0,055 m 8,3 3,57 1,7 0,87 0,75 0,59 0,49 0,49 0,48 0,39 0,36 8,9 17,8 29,2 40,9 43,4 47,3 50,1 50,1 50,4 53,3 54,3 Для построения кинетической кривой воспользуемся формулой (2.13): . Значения разности (у* - ун) это значения АС = (у* - у) для каждого выбранного значения х в пределах от хw до хр. Рабочая площадь тарелки может быть найдена из

Приложения В, таблица В.1: Fp = 1,834 м2. Мольный расход пара по колонне: кмоль/с. Таблица 3.3 – К построению кинетической кривой х 0,0085 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,965 0,25 0,50 0,83 1,15 1,23 1,32 1,41 1,41 1,42 1,50 1,52 , мм 7 45 38 16 16 14 13 12 9 5 4 , мм 5,45 27,30 16,57 5,07 4,68 3,74 3,17 2,93 2,18 1,11 0,87 По данным таблицы 3.3 строим кинетическую кривую. Точки А1, А2, А3, …, А10 лежат на рабочих линиях, точки С1,

С2, С3, …, С10 – на равновесной кривой. Вычисленные отрезки В1С1, В2С2, В3С3, …, В10С10 откладываются от соответствующих точек С вниз. Кинетическая кривая начинается в начале координат, проходит через точки В1, В2, В3,…, В10 и заканчивается в правом верхнем углу диаграммы у-х (рис. 3.3). Число действительных тарелок, которое обеспечивает заданную четкость разделения, определяется

путем построения "ступенек" между рабочими и кинетической линиями. Число ступеней в пределах концентраций XWXP равно числу действительных тарелок. В результате построения (рис. 3.3) получаем число действительных тарелок n= 19, тарелка питания 9-я снизу. Высоту колонны определяем по уравнению (2.10) H = (n – 1) . h + Hсеп + Hкуб = (19 – 1) . 0,3 + 0,8 + 2,0 = 8,2 м.

3.6.Определение гидравлического сопротивления колонны с ситчатыми тарелками Гидравлическое сопротивление ректификационной колонны определяем по уравнению (2.20): ΔРк = n . ΔРт. Для ситчатой тарелки принимаем: диаметр отверстий do = 3 мм, высота перелива hпер = 30 мм, свободное сечение тарелки Fo = 0,08 (8%). Гидравлическое сопротивление ситчатой тарелки определим по уравнению (2.22).

Па. Скорость пара в отверстиях: Wo = W / Fo = 0,978 / 0,08 = 12,225 м/с. Па. Для определения статического давления жидкости на тарелке определяем расход жидкой фазы в нижней части колонны: L = GP . R + GF = 2704,66 . 1,23 + 6000 = 9326,73 кг/ч или в объемном выражении 11,26 м3/ч. Для колонны D = 1,6 м длина сливного борта lсл = П = 0,795 м (см. Приложение В), тогда интенсивность потока .

Так как , то m = 10000. Тогда по уравнению (2.25): Гидравлическое сопротивление одной тарелки ΔРт = ΔРсух + ΔРσ + ΔРст = 115,87 + 45,7 + 266,0 = 427,6 Па. Гидравлическое сопротивление колонны: ΔРк = n . ΔРт = 19 . 427,6 = 8124 Па. Ранее принятое расстояние между тарелками h = 0,3 м проверяем по соотношению (2.26): , м, 0,3 > 0,0947, условие соблюдается.

3.7.Определение гидравлического сопротивления колонны с колпачковыми тарелками Полное гидравлическое сопротивление колонны определяем по уравнению (2.20), а гидравлическое сопротивление тарелки – по уравнению (2.22). По таблице В.2 Приложения выбираем тарелку типа ТС К-Р для колонны диаметром D = 1600 мм. Эта тарелка имеет следующие параметры: рабочая площадь тарелки Fp = 1,47 м2; площадь прохода паров Fо = 0,219 м2; площадь слива

Fсл = 0,269 м2; периметр слива П = 1,238 м; длина пути слива lx = 0,979 м; количество колпачков на тарелке m = 66; диаметр колпачка 100 мм. Сопротивление сухой тарелки: Па; м/с, где Fo – площадь прохода паров, м2. Глубина барботажа, согласно уравнению (2.29): м. Высота подпора жидкости над сливным порогом по уравнению (2.33): м, здесь м3/с; П = 1,238 м (из характеристики тарелки). Для дальнейших расчетов примем колпачок капсульный с прямоугольными

прорезями шириной b = 4 мм; количество прорезей в одном колпачке z = 26 (см. Приложение, таблицы В.4, В.5). Высоту открытия прорези рассчитываем по уравнению (2.30): принимаем по таблице В.4 высоту прорези hпр = 20 мм. Высоту установки колпачка примем hу = 10 мм. Высоту сливного порога найдем по уравнению (2.31) hпор = hг.б - hсл + hпр + hу = 0,047 - 0,0124 + 0,020 + 0,01 = 0,065 м. Тогда величина перепада уровня жидкости на тарелке (по уравнению 2.28)

Сопротивление слоя жидкости на тарелке, согласно уравнению (2.27): Тогда гидравлическое сопротивление тарелки (пренебрегая ΔРσ) ΔРт = ΔРсух + ΔРст = 154,58 + 472,02 = 626,6 Па, а гидравлическое сопротивление колонны ΔРк = n . ΔРт = 19 . 626,6 = 11905 Па. Проверим ранее принятое расстояние между тарелками h = 0,3 м.

Для этого необходимо рассчитать величину относительного уноса жидкости. Высота пены, образующейся на тарелке, согласно уравнению (2.35): Тогда величина относительного уноса жидкости (уравнение 2.34) 0,0327 < 0,1, следовательно, расстояние между тарелками выбрано верно. Значение коэффициентов К1, К2, К3, К4 и показателя степени n взяты из таблицы

В.6 Приложения. 3.8.Определение диаметра штуцеров Диаметр штуцера определяем по уравнению (2.36). Штуцер подачи флегмы: , м3/с. Так как скорости потока принимаем ориентировочно, то можно принять плотность флегмы, как плотность метилового спирта: ρА = 751 кг/м3 при t = 65 °С. Принимаем Wф = 0,5 м/с, тогда м. Стандартный размер трубы для изготовления штуцера Ø70х3 мм, [6, с. 17]. Штуцер подачи исходной смеси: , ; , при tXF = 77,4 °С кг/м3, м3/с.

Принимаем WF = 0,8 м/с, тогда м. Стандартный размер трубы для изготовления штуцера Ø70х3 мм, [6, с. 17]. Штуцер выхода кубового остатка: , м3/с. ρВ = 958,84 кг/м3 – плотность воды при 98,8 °С. Принимаем WW = 0,3 м/с, тогда м. Стандартный размер трубы для изготовления штуцера Ø70х3 мм, [6, с. 17]. Штуцер выхода кубовой жидкости (подается на кипятильник): , м3/с. Принимаем Wк.ж = 0,3 м/с, тогда м. Стандартный размер трубы для изготовления штуцера Ø95х4

мм, [6, с. 16]. Штуцер выхода паров из колонны: , Vy = 1,966 м3/с (см. раздел 3.4). Принимаем Wу = 15 м/с, тогда м. Стандартный размер трубы для изготовления штуцера Ø426х11 мм, [6, с. 17]. 3.9.Тепловые расчеты 3.9.1. Подогреватель исходной смеси Уравнение теплового баланса для подогревателя: Q = 1,05 . GF . . (tXF – tнач) = Gг.п . r, здесь тепловые потери приняты в размере 5% от полезно затрачиваемой

теплоты; tXF – температура кипения исходной смеси; tнач – начальная температура (задана). Удельная теплоемкость исходной смеси = аF . СА + (1 – аF) . СВ, где СА, СВ – удельные теплоемкости метилового спирта и воды при средней температуре °С; СА = 0,63 ; СВ = 1,0 , [1, с. 562]; таблица Б.7 Приложения. = 0,45 . 0,63 + (1 – 0,45) . 1 = 0,833 = 3492 . Q = 1,05 .

GF . (tXF – tнач) = 1,05 . . 3492 (77,4 – 19) = 356882,4 Вт. Расход греющего пара: кг/с, r = 2117 при Р = 5 кгс/см2 [1, c. 550]; таблица Б.9 Приложения. Средняя разность температур 151,1 151,1 19 77,4 Температура насыщенного водяного пара при Р = 5 кгс/см2 составляет 151,1°С [1, c. 550]; таблица Б.9 Приложения. Большая разность температур: Δtб = 151,1 – 19 = 132,1 °С; меньшая

разность температур: Δtм = 151,1 – 77,4 = 73,7 °С. Так как , тогда среднюю разность температур определяем по уравнению (2.38): °С. Коэффициент теплопередачи принимаем ориентировочно равным 250Вт/м2.К [6, с. 47]. Поверхность теплообмена подогревателя исходной смеси м2. Принимаем одноходовой кожухотрубчатый теплообменник со следующими характеристиками [6, с.

51]: диаметр кожуха 325 мм; труба 25х2 мм; количество труб в теплообменнике 62 шт; длина труб 3 м; поверхность теплообмена 14,5 м2. 3.9.2. Дефлегматор (конденсатор) Расход теплоты, отдаваемый охлаждающей воде при конденсации паров в дефлегматоре, определяется из уравнения теплового баланса дефлегматора: QД = GР . (R + 1) . rР = GВ . CВ . (tк – tн), здесь rР = аР . rА + (1 – аР) . rВ.

Удельные теплоты парообразования метилового спирта rА и воды rВ при tХр=65 °С: rА = 1098,4 ; rВ = 2346,4 , [1, с. 542]; таблица Б.8 Приложения. rР = 0,98 . 1098,4 + (1 – 0,98) . 2346,4 = 1123,36 . QД = . (1,23+ 1) . 1123,36 .103 = 1,882 .106 Вт. Принимаем температуру охлаждающей воды на выходе из дефлегматора 25°С, тогда расход охлаждающей воды кг/с. Средняя разность температур при противоточной схеме движения теплоносителей:

65 °С 65 °С 25 °С 12 °С Большая разность температур: Δtб = 65 – 12 = 53 °С; меньшая разность температур: Δtм = 65 – 25 = 40 °С. Так как , то °С. Принимаем ориентировочно коэффициент теплопередачи К = 500 Вт/м2 . К [6, с. 47]. Поверхность теплообмена дефлегматора: м2. Принимаем четырехходовой кожухотрубчатый теплообменник со следующими характеристиками [6, с.

51]: диаметр кожуха 600 мм; труба 20х2 мм; количество труб в теплообменнике 334 шт; длина труб 4 м; поверхность теплообмена 84 м2. 3.9.3. Холодильники дистиллята и кубового остатка Расход теплоты, отдаваемый охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята, определяется из уравнения теплового баланса: Q = GР (tХр – tр кон) = GВ . CВ . (tк – tн), где – теплоемкость дистиллята при его средней температуре (tХр + tр кон)/2; tр кон – конечная температура дистиллята после холодильника, °С

(по условию задания). = аР . СА + (1 – аР) . СВ, СА = 0,62 ; СВ = 1,0 , при средней температуре °С; [1, с. 562]; таблица Б.7 Приложения. = 0,98 . 0,62 + (1 – 0,98) . 1 = 0,628 = 2630. Q = GР (tXр – tр кон) = . 2630 (65 – 23) = 82988 Вт. Расход охлаждающей воды при нагревании ее на 15 °С в холодильнике товарного дистиллята: кг/с.

Средняя разность температур при противоточной схеме движения теплоносителей: 65 °С 23 °С 27 °С 12 °С Большая разность температур: Δtб = 65 – 27 = 38 °С; меньшая разность температур: Δtм = 23 – 12 = 11 °С. Так как , то среднюю разность температур определяем °С. При ориентировочном значении К = 400 Вт/м2 . К поверхность теплообмена холодильника товарного дистиллята составит м2. Принимаем одноходовой кожухотрубчатый теплообменник со следующими характеристиками [6,

с. 51]: диаметр кожуха 325 мм; труба 25х2 мм; количество труб в теплообменнике 62 шт; длина труб 2 м; поверхность теплообмена 10 м2. Расход теплоты, отдаваемый охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка, определяется из уравнения теплового баланса: Q = Gw . . (tХw – tw кон) = GВ . CВ . (tк – tн), где СW – теплоемкость кубового остатка при его средней температуре (tХw + tW кон)/2; tW кон – конечная температура

кубового остатка после холодильника, °С (по условию задания). = аw . СА + (1 – аw) . СВ, СА = 0,65 ; СВ = 1,0 , при средней температуре °С; [1, с. 562]; таблица Б.7 Приложения. = 0,015 . 0,65 + (1 – 0,015) . 1 = 0,995 = 4168 . Q = Gw . . (tXw – tW кон) = . 4168 (98,8 – 28) = 270121 Вт. Расход охлаждающей воды при нагревании ее на 15 °С в холодильнике кубового остатка: кг/с.

Средняя разность температур при противоточной схеме движения теплоносителей: 98,8 °С 28 °С 27 °С 12 °С Большая разность температур: Δtб = 98,8 – 27 = 71,8 °С; меньшая разность температур: Δtм = 28 – 12 = 16 °С. Так как , то среднюю разность температур определяем °С. При ориентировочном значении К = 400 Вт/м2 . К [6, с.

47], поверхность теплообмена холодильника кубового остатка составит м2. Принимаем одноходовой кожухотрубчатый теплообменник со следующими характеристиками [6, с. 51]: диаметр кожуха 325 мм; труба 25х2 мм; количество труб в теплообменнике 62 шт; длина труб 4 м; поверхность теплообмена 19,5 м2. 3.9.4. Кипятильник (испаритель) Количество теплоты QК, которое надо подать в куб колонны, определяется из уравнения теплового баланса

колонны: QК = QД + GР . СР . tХр + GW . СW . tХw – GF . СF . tХF + Qпот. Тепловые потери принимаем 3% от полезно затрачиваемой теплоты; удельные теплоемкости взяты соответственно при tXp = 65°С, tXF = 77,4°С, tXw = 98,8°С. СР = аР . СА + (1 – аР) . СВ = 0,98 . 0,65 + (1 – 0,98) . 1 = = 0,657 = 2752,8 . СF = аF . СА + (1 – аF) . СВ = 0,45 .

0,66 + (1 – 0,45) . 1,003 = = 0,849 = 3557,3 . СW = аW . СА + (1 – аW) . СВ = 0,015 . 0,7 + (1 – 0,015) . 1,005 = = 1,0 = 4190 . Расход греющего пара при Р = 5 кгс/см2: кг/с. Средняя разность температур равна разности между температурой насыщенного пара при Р = 5 кгс/см2 и температурой кипения кубового остатка: Δtср = 151,1 – 98,8 = 52,3°С. При ориентировочно принятом коэффициенте теплопередачи

К = 2000 Вт/м2.К, [6, с. 47] поверхность кипятильника составит: м2. Принимаем одноходовой кожухотрубчатый теплообменник со следующими характеристиками [6, с. 51]: диаметр кожуха 325 мм; труба 25х2 мм; количество труб в теплообменнике 62 шт; длина труб 4 м; поверхность теплообмена 19,5 м2. Примечание: При расчете поверхности кипятильника температура кипения кубовой жидкости tXw = 98,8 °С взята при атмосферном давлении.

Не учтено увеличение температуры кипения кубовой жидкости в связи с увеличением давления в кубе колонны на величину ΔРк = 0,1-0,15 кгс/см2. 4. ПРИМЕР РАСЧЕТА НАСАДОЧНОЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ 4.1. Необходимые теоретические сведения Для определения геометрических размеров (диаметра и высоты) насадочной ректификационной колонны определим оптимальную скорость пара, обеспечивающую работу насадочной колонны в режиме подвисания [12]: , (4.1)

где Gу – расход пара, кг/с; Gх – расход жидкости, кг/с; – критерий Рейнольдса. Работа в режиме подвисания обеспечивает тесный контакт жидкости и пара, и как следствие – интенсивный массообмен. Поскольку для насадочных аппаратов скорость, отнесенная к полному сечению колонны (фиктивная скорость), равняется истинной скорости W, умноженной на свободный объем насадки ε, а эквивалентный диаметр dэкв равен , где σ

– удельная поверхность насадки, имеем , (4.2) где Wопт – искомая оптимальная скорость (пара), м/с, отнесенная к полному сечению аппарата (фиктивная скорость); σ – удельная поверхность насадки, м2/м3, находится по таблице 4.2; ρу – плотность (пара), кг/м3; μу – коэффициент динамической вязкости (пара), Па . с. Критерий Архимеда (Ar) вычисляется по формуле: , (4.3) где ρх – плотность жидкости, кг/м3; , (4.4) По найденному значению Wопт определяется диаметр колонны , м, где

Vу – объемный расход паров по колонне, м3/с; . Диаметр колонны D приводится в соответствие с нормалью, после чего уточняется величина скорости пара, Wу. После нахождения диаметра колонны вычисляется плотность орошения по формуле: , (4.5) Для оптимального режима работы насадочных колонн необходимо, чтобы плотность орошения соответствовала определенной величине, которая находится по формуле: , м3/м2 . час, (4.6) где

Lопт – расход жидкости, м3/м2 . час; b – коэффициент, который для процесса ректификации равен b=0,065м3/м.час. Условие оптимальной работы насадочной колонны, в частности, по плотности орошения: L 0,8 . Lопт. (4.7) Если плотность орошения меньше, чем 0,8 . Lопт, то изменятся размеры насадки. Для равномерного смачивания насадки необходимо соблюдать следующие условия: , где D – диаметр колонны, м; dн – диаметр насадочных колец, м.

Высота слоя насадки может быть определена различными методами. Первый способ определения высоты слоя насадки для колонн, работающих при оптимальном режиме, основан на использовании коэффициентов массопередачи: , м, (4.8) или , м, (4.9) где G – расход пара или жидкости, кг/с; S – площадь полного сечения колонны, м2; ΔСу ср и ΔСх ср – средние логарифмические значения движущей силы, выраженной либо в концентрациях паровой,

либо в концентрациях жидкой фазы. Второй способ определения высоты слоя насадки – через высоту единицы переноса (ВЕП) и числа единиц переноса (ЧЕП). Высота насадки колонны: Ннас = ВЕП . ЧЕП, м. (4.10) Построив равновесную и рабочую линии в координатах х-у определяют общее число единиц переноса. Для этого задаются рядом значений "х"; для каждого значения находят значения "у" и "у*", вычисляют движущую силу "у* – у" и отношение "

". Далее строятся график в координатах "" как функция "у" и вычисляется графический интеграл: как площадь, ограниченная этой кривой и абсциссами "уw" и "ур". При этом учитывается масштаб. Так мы получили число единиц переноса (ЧЕП). Высота единицы переноса: , (4.11) ; Wу – фиктивная скорость пара, м/с; ; Dу – коэффициент диффузии паровой фазы. , м2/с Третий способ определения высоты слоя насадки заключается

в определении ВЭТТ – высоты насадки, эквивалентной одной теоретической тарелке. Н′ = ВЭТТ . Nт, м, (4.12) где Nт – теоретическое число тарелок, которое определяется графически путем построения ступенчатой ломанной линии в пространстве между равновесной кривой и линиями рабочих концентраций верхней и нижней части колонны. Для определения ВЭТТ есть несколько формул. Для насадочных колонн, применяемых в процессе ректификации можно использовать

формулу Кафарова и Дытнерского для определения ВЭТТ: , м, (4.13) где Wу – фиктивная скорость паров после уточнения диаметра колонны, м/с; ε – свободный объем насадки, м3/м3; σ – удельная поверхность насадки, м2/м3. Это уравнение применимо для насадочных колонн, работающих в эмульгационном режиме. Для обычного режима работы насадочной колонны возможно применение следующего уравнения: , м. (4.14)

Гидравлическое сопротивление слоя орошаемой насадки определим по общему уравнению Дарси-Вейсбаха , н/м2, (4.15) где W – истинная скорость; ; Wу – фиктивная скорость, м/с; Н – высота насадки, м; ε; σ – свободный объем насадки, м3/м3 и удельная поверхность насадки, м2/м3. λ = λсух . m, где λ – коэффициент сопротивления орошаемой насадки; λсух – коэффициент сопротивления сухой насадки; m – коэффициент

орошения. При Rey < 40; при Rey > 40; где . Значение коэффициента орошения "m" подсчитывается по следующим формулам: Для керамических колец с диаметром меньше 30 мм, а также для колец с диаметром больше 30 мм, но при А < 0,3 , (4.16) А – безразмерный коэффициент орошения . (4.17) ; , Wx – фиктивная скорость жидкости, м/с; ε; σ – свободный объем и удельная поверхность насадки. для металлических колец . При орошении насадки жидкость склонна к растеканию от центра к периферии,

а пар преимущественно проходит по центру колонны. Поэтому при больших высотах насадки последняя укладывается ярусами. Высота каждого яруса 35 диаметров колонны. Между ярусами устраиваются свободные зоны и воронки перераспределения потоков. 4.2. Исходные данные для расчета Тип колонны – насадочная с керамическими кольцами Рашига 25х25х3 мм, у которых свободный объем ε= 0,74 м3/м3, а удельная поверхность σ

= 200 м2/м3. Исходные данные (в продолжение условий и значений физико-химических величин, представленных в примере расчета ректификационной колонны с 19 тарелками). Количество исходной смеси Gf = 6000 кг/ч; количество дистиллята Gр=2704,66 кг/ч; количество кубового остатка Gw = 3295,34 кг/ч; флегмовое число R = 1,23. средняя плотность жидкости ρх ср = 828,17 кг/м3; средняя плотность паров по колонне

ρу ср = 0,852 кг/м3; средняя динамическая вязкость жидкости μх ср = 0,33 . 10-3 Па . с; средняя динамическая вязкость паров μу ср = 1,184 . 10-5 Па . с; средняя молекулярная масса жидкости Мх ср = 23,61 кг/кмоль; средняя молекулярная масса паров Му ср = 25,67 кг/кмоль. 4.3. Определение рабочей скорости пара и диаметра колонны Скорость пара, соответствующая оптимальному режиму работы насадочной ректификационной колонны определяем

из следующего уравнения [12]: . Для решения этого уравнения определим: м. Gу – количество паров Gу = Gр (R + 1) кг/с. – количество жидкости, стекающей в верхней части колонны = Gр . R кг/с. – количество жидкости, стекающей в нижней части колонны = Gр (R + F) кг/с. Из уравнения 4.1 находим оптимальную скорость для верхнего и нижнего сечения колонны. Для верхнего сечения: Из уравнения определим м/с.

По найденной находим диаметр колонны в верхнем сечении: м. м3/с. Для нижнего сечения: . Количество паров в нижнем сечении колонны находим из соотношения: ; кг/с. Из уравнения определим м/с. По найденной находим диаметр колонны в нижнем сечении: м. м3/с. Принимаем стандартный диаметр колонны Dк = 1,0 м. Уточняем скорость паров по колоне после принятия Dк = 1,0 м. м/с. м/с.

4.4. Определение высоты слоя насадки через ВЕП и ЧЕП Ннас = ВЕП . ЧЕП. Высота единицы переноса ВЕП равна [8]: . Учитывая, что в насадочной ректификационной колонне количество стекающей жидкости в верхней части колонны – Gx' (флегма), а количество стекающей жидкости в нижней части колонны – Gx" (флегма + исходная смесь), высота насадки определяется:

Ннас = Нв.ч.к. + Нн.ч.к. Нв.ч.к. – высота насадки верхней части колонны, м Нв.ч.к. = ВЕПв.ч.к ЧЕПв.ч.к. Нн.ч.к. – высота насадки нижней части колонны, м Нн.ч.к. = ВЕПн.ч.к ЧЕПн.ч.к. Для верхней части колонны , Dу – коэффициент диффузии паровой фазы. , м2/с. Численное значение коэффициента диффузии паровой фазы равно: Dy = 2,37 . 10-5 м2/с (см. стр. 33). м. Таблица 4.1 –

Для графического интегрирования (определение ЧЕП) № х у* у у* – у 1. 0,0085 0,100 0,0085 0,0915 10,929 2. 0,1 0,415 0,185 0,23 4,348 3. 0,2 0,580 0,375 0,205 4,878 4. 0,3 0,660 0,575 0,085 11,765 5. 0,4 0,725 0,650 0,075 13,330 6. 0,5 0,785 0,710 0,075 13,330 7. 0,6 0,830 0,765 0,065 15,384 8. 0,7 0,870 0,825 0,045 22,222 9. 0,8 0,930 0,870 0,060 16,660 10. 0,9 0,965 0,96 0,040 25,00 11. 1,0 0,985 1,0 0,02 50,00 Число единиц переноса верхней части колонны ЧЕПв.ч.к. = 7,53 определяем из графика (рис. 4.1) в координатах как функцию "у" в пределах yf – yp, где yf = 0,62 и yp = 0,965 (см. рис. 3.3). Тогда высота верхней части колонны Нв.ч.к. = 1,539 . 7,53 = 11,588м. Для нижней части колонны , Dу – коэффициент диффузии паровой фазы. , м2/с.

Численное значение коэффициента диффузии паровой фазы равно: Dy = 2,37 . 10-5 м2/с (см. стр. 33). м. Число единиц переноса нижней части колонны ЧЕПн.ч.к. = 6,197 определяем из графика (рис. 4.1) в координатах как функцию "у" в пределах yw – yf, где yw = 0,0085 и yf = 0,62 (см. рис. 3.3). Тогда высота нижней части колонны Нн.ч.к.= 1,372 .

6,197 = 8,502 м. Высота слоя насадки, получаемая при расчете через ЧЕП и ВЕП будет равна Рис. 4.1. К определению числа единиц переноса. Ннас = Нв.ч.к. + Нн.ч.к. = 11,588 + 8,502 = 20,09 м. Общую высоту ректификационной колонны определяем по уравнению: Нкол = h . n + (n – 1) . hp + hв + hн, где h – высота насадки в одной секции, м; n – число секций;

hp – высота промежутков между секциями насадки, в которых устанавливаются распределители жидкости, м; Диаметр колонны (Dк), мм hp, м до 1800 150 при 20002200 180 при 24002800 200 hв и hн – соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой, м. Значения hв и hн выбираем в соответствии с рекомендацией [11]. Диаметр колонны (Dк), мм hв, мм hн, мм 4001000 600 1500 12002200 1000 2000 2400 и более 1400 2500

Высота слоя насадки одной секции, которая из условия прочности опорной решетки и нижних слоев насадки, а также из условия равномерного распределения жидкости по насадке не должна превышать 3 м; n = 20,09 / 3 = 6,69 принимаем 7 секций. Общая высота колонны равна: Нкол = 3 . 7 + (7 – 1) . 0,18 + 1 + 2 = 25,08 м. 4.5. Гидравлическое сопротивление слоя орошаемой насадки

Гидравлическое сопротивление определим по уравнению: , н/м2, λ – коэффициент сопротивления орошаемой насадки λ = λсух . m λсух – коэффициент сопротивления сухой насадки; m – коэффициент орошения. За расчетную скорость Wy принимаем = 1,41 м. При Rey < 40; при Rey > 40; . . Коэффициент орошения насадки "m" определим по формуле для керамических колец для нижней части колонны , где ; ; . . . . λ = λсух . m = 3,489

. 2,57 = 8,97. Па. Таблица 4.2 – Характеристики некоторых насадок Виды и размеры насадки Удельная поверхность, σ, м2/м3 Свободный объем, ε, м3/м3 Керамические кольца Рашига 15х15х3 мм 294 0,645 15х15х2 мм 330 0,70 25х25х3 мм 200 0,74 35х35х4 мм 140 0,78 50х50х5 мм 90 0,785 Стальные кольца Палля 25х25х3 мм 170 0,90 50х50х5 мм 108 0,90

Керамические седла "Инталокс" 25 мм 255 0,775 50 мм 118 0,79 Приложение А Таблица А.1 – Равновесные составы жидкости (х) и пара (у) в мол. % и температуры кипения (t) в °С бинарных смесей при 760 мм рт.ст. Смесь х 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Азеот-ропная смесь Ацетон – бензол у 0 14 24,3 40 51,2 59,4 66,5 73 79,5 86,3 93,2 100 - t 80,1 78,3 76,4 72,8 69,6 66,7 64,3 62,4 60,7 59,6 58,8 56,1 - Ацетон – вода у 0 60,3 72 80,3 82,7 84,2 85,5 86,9 88,2 90,4 94,3 100 - t 100 77,9 69,6 64,5 62,6 61,6 60,7 59,8 59 58,2 57,5 56,9

- Ацетон – этиловый спирт у 0 15,5 26,2 41,7 52,4 60,5 67,4 73,9 80,2 86,5 92,9 100 - t 78,3 75,4 73 69 65,9 63,6 61,8 60,4 59,1 58 57 56,1 - Бензол – бутиловый спирт у 0 22,3 42,5 62,5 72,1 78,8 83,5 85,4 88,5 90,7 94,7 100 - t 117,7 110,8 105,5 97,7 92,5 88,3 85,4 83,5 81,9 81,3 80,7 80,1 - Бензол – толуол у 0 11,5 21,4 38 51,1 61,9 71,2 79 85,4 91 95,9 100 - t 110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2 - Бензол – уксусная кислота у 0 26 42 59 68,6 75 79 83 88 92,5 97 100 97,5 t 118,7 111,4 105,8 99 94 90,3 88 85,7 83,5 82 80,8 80,2 80 Вода – уксусная кислота у 0 9,2 16,7 30,3 42,5 53 62,6 71,6 79,5 86,4 93 100 - t 118,1 115,4 113,8 110,1 107,5 105,8 104,4 103,3 102,1 101,3 100,6 100

- Дихлорэтан – толуол у 0 13,5 21,3 34,8 48,5 60,5 68,5 75,9 82,1 89,2 94,2 100 - t 110,8 107,8 106,4 102,7 99,8 97,1 94,3 91,7 89,1 87,5 85,5 83,7 - Метиловый спирт – вода у 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100 - t 100 92,3 87,7 81,7 78 75,3 73,1 71,2 69,3 67,6 66 64,5 - Метиловый спирт – этиловый спирт у 0 7,4 14,3 27,1 39,6 51,5 62,6 72,3 79,8 86,6 93,2 100 - t 78,3 77,2 76,5 75 73,6 72,2 70,8 69,4 68,2 66,9 65,9 64,9 - Муравьиная кислота – уксусная кислота у 0 8 14,6 26 38 48,5 57,6 66 74,6 83,6 92,2 100 - t 118,1 116 115,4 112,8 110,7 108,8 107 105,4 103,9 102,5 101,4 100,8 - Сероуглерод – ацетон у 0 19 29 46 53,3 57,5 60,5 61 68 72,2 78 100 61 t 56,2 51,2 48,3 43,5 41,3 40,3 39,6 39,3 39,3 39,6 40,9 46,3 39,3

Сероуглерод – четыреххлористый углерод у 0 13,2 24 42,3 54,4 64,5 72,6 79,1 84,8 90,1 95 100 - t 76,7 73,7 71 66 62,3 59 56,1 53,7 51,6 49,6 47,9 46,3 - Хлороформ – бензол у 0 6,5 12,6 27,2 41 54,6 66 74,6 83 90,5 96,2 100 - t 80,6 80,1 79,6 78,4 77,2 75,9 74,5 73,1 71 68,7 65,7 61,5 - Вода – фенол х 0 0,2 0,5 5 37 70 80 95,7 97,35 98,10 98,54 100 - у 0 30 50 85 96 97,5 97,6 97,6 97,83 98,10 98,23 100 - t 182 169 160 124 102 101,3 100,3 100,1 99,8 99,6 99,7 100 - Приложение Б Таблица Б.1 – Плотность жидких веществ в зависимости от температуры [1]

Вещество Плотность, кг / м3 при –20 °С при 0 °С при 20 °С при 40 °С при 60 °С при 80 °С при 100 °С при 120 °С Ацетон 835 813 791 768 746 719 693 665 Бензол - 900 879 858 836 815 793 769 Бутиловый спирт 838 824 810 795 781 766 751 735 Вода - 1000 998 992 983 972 958 943 Дихлорэтан 1310 1282 1254 1224 1194 1163 1133 1102 Метиловый спирт 828 810 792 774 756 736 714 - Муравьиная кислота -

1244 1220 1195 1171 1147 1121 1096 Сероуглерод 1323 1293 1263 1233 1200 1165 1125 1082 Толуол 902 884 866 847 828 808 788 766 Уксусная кислота - 1072 1048 1027 1004 981 958 922 Фенол - - 1075 1058 1040 1022 1003 987 Хлороформ 1563 1526 1489 1450 1411 1380 1326 1280 Четыреххлорис-тый углерод 1670 1633 1594 1556 1517 1471 1434 1390 Этиловый спирт 823 806 789 772 754 735 716 693 Приложение

Б Таблица Б.2 – Динамический коэффициент вязкости жидких веществ в зависимости от температуры [1] Вещество Динамический коэффициент вязкости, мПа . с (сП) при –20 °С при –10 °С при 0 °С при 10 °С при 20 °С при 30 °С при 40 °С при 50 °С при 60 °С при 80 °С при 100 °С при 120 °С Ацетон 0,5 0,442 0,395 0,356 0,322 0,293 0,268 0,246 0,23 0,2 0,17 0,15 Бензол - - 0,91 0,76 0,65 0,56 0,492 0,436 0,39 0,316 0,261 0,219

Бутиловый спирт 10,3 7,4 5,19 3,87 2,95 2,28 1,78 1,41 1,14 0,76 0,54 0,38 Вода - - 1,79 1,31 1,0 0,801 0,656 0,549 0,469 0,357 0,284 0,232 Дихлорэтан 1,54 1,24 1,08 0,95 0,84 0,74 0,65 0,565 0,51 0,42 0,36 0,31 Метиловый спирт 1,16 0,97 0,817 0,68 0,584 0,51 0,45 0,396 0,351 0,29 0,24 0,21 Муравьиная кислота - - - 2,25 1,78 1,46 1,22 1,03 0,89 0,68 0,54 0,4

Сероуглерод 0,556 0,488 0,433 0,396 0,366 0,319 0,29 0,27 0,25 0,21 0,19 0,17 Толуол 1,06 0,9 0,768 0,667 0,586 0,522 0,466 0,42 0,381 0,319 0,271 0,231 Уксусная кислота - - - - 1,22 1,04 0,9 0,79 0,7 0,56 0,46 0,37 Фенол - - - - 11,6 7 4,77 3,43 2,56 1,59 1,05 0,78 Хлороформ 0,9 0,79 0,7 0,63 0,57 0,51 0,466 0,426 0,39 0,33 0,29 0,26

Четыреххлорис-тый углерод 1,9 1,68 1,35 1,13 0,97 0,84 0,74 0,65 0,59 0,472 0,387 0,323 Этиловый спирт 2,38 2,23 1,78 1,46 1,19 1,0 0,825 0,701 0,591 0,435 0,326 0,248