--PAGE_BREAK--1.3 Высота насадки
Высоту насадки Н определяют по модифицированному уравнению массопередачи:
(1.24)
где — общее число единиц переноса по паровой фазе;
— общая высота единицы переноса, м.
Общее число единиц переноса вычисляют по уравнения:
(1.25)
Решим этот интеграл методом графического интегрирования:
(1.26)
где S– площадь, ограниченная кривой, ординатами и осью абсцисс рис. 8; Мх, Мy – масштабы осей координат.
Данные для графического изображения функции приведены ниже:
Рисунок 8 – Графическое определение общего числа единиц переноса в паровой фазе для верхней (укрепляющей) части колонны в интервале изменения состава пара от уFдо уР и для нижней (исчерпывающей) – в интервале от от уW до уF.
По рисунку находим общее число единиц переноса в верхней и нижней частях колонны:
; .
Общую высоту единиц переноса определим по уравнению аддитивности:
(1.27)
где и — частные высоты единиц переноса соответственно в жидкой и паровой фазах;
— средний коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колоны.
Отношение нагрузок по пару и жидкости G/L, кмоль/кмоль, равно:
для верхней части колонны
(1.28)
для нижней части колонны
(1.29)
где
(1.30)
Подставив численные значения, получим:
Высота единицы переноса в жидкой фазе
(1.31)
где — коэффициенты, определяемые по рисунку;
— критерий Прандтля для жидкости;
— высота слоя насадки одной секции, которая из условия прочности опорной решётки и нижних слоёв насадки, а также из условия равномерности распределения жидкости по насадке не должна превышать 3 м.
Высота единиц переноса в паровой фазе
(1.32)
где — коэффициент, определяемые по рисунку;
— критерий Прандтля для пара;
— массовая плотность орошения, кг/(м2с);
— диаметр колонны, м;
Поверхностное натяжение для верхней части колонны, принимаем поверхностное натяжение легколетучего компонента при температуре верха колонны, а поверхностное натяжение для нижней части колонны, принимаем поверхностное натяжение для тяжело кипящего компонента при температуре низа колонны.
Необходимо определить вязкость паров и коэффициенты диффузии в жидкой и паровой фазах. Вязкость паров для верхней части колонны:
(1.33)
где и — вязкость паров этилацетата и толуола при средней температуре верхней части колонны, [3 c.36], мПас;
Примечание: так как нет надёжных данных для определения вязкости паров этилацетата, поэтому берём вязкость паров для диэтилового эфира.
— средняя концентрация паров:
Подставив, получим:
Аналогично расчётом для нижней части колонны находим
(1.34)
Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре t(в 0С) равен:
(1.35)
Коэффициенты диффузии в жидкости при 20 0С можно вычислить по приближённой формуле:
(1.36)
где А, В – коэффициенты, зависящие от свойств растворённого вещества и растворителя;
— мольные объёмы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см3/моль;
— вязкость жидкости при 20 0С, мПа∙с,[2 табл. V c.556].
Вычислим вязкость жидкости для верхней части колонны при температуре 20 0С:
Вычислим вязкость жидкости для нижней части колонны при температуре 20 0С:
Тогда коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20 0С равен:
Температурный коэффициент bопределяют по формуле:
(1.37)
где и принимают при температуре 20 0С, [2 табл. V c.556 и 3 с.36].
Плотность жидкости при 20 0С в верхней и нижней частей колонны найдём по формуле:
Тогда
Тогда
Подставим полученные численные значения для определения температурного коэффициента:
Отсюда
Аналогично для нижней части колонны находим:
Коэффициент диффузии в жидкости для нижней части колонны при 20 0С равен:
Температурный коэффициент bопределяют по формуле:
Тогда коэффициент диффузии в жидкости для нижней части колонны:
Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению:
(1.38)
где Т – средняя температура в соответствующей части колонны, К;
Р – абсолютное давление в колонне, Па.
Тогда для верхней части колонны:
Аналогично для нижней части колонны получим:
Подставив численные значения, получим:
Таким образом, для верхней части колонны:
Для нижней части колонны:
По уравнению находим общую высоту единиц переноса для верхней и нижней части колонны:
(1.39)
(1.40)
Значения m=0,628 для верхней части колонны и m=1,737 — для нижней, определены арифметическим усреднением локальных значений mв интервалах изменения составов жидкости соответственно от xFдо xPи от xWдо xF.
Высота насадки в верхней и нижней частях колонны равна соответственно:
Общая высота насадки в колонне:
С учётом того, что высота слоя насадки в одной секции Z=2 м, общее число секций в колонне составляет 4 (2 секции в верхней части и 2 – в нижней).
Общую высоту ректификационной колонны определяют по уравнения:
(1.41)
где Z– высота насадки в одной секции, м;
n– число секций;
— высота промежутков между секциями насадки, в которых устанавливают распределители жидкости, м;
— соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой, м.
Общая высота колонны:
1.4 Гидравлическое сопротивление насадки
Гидравлическое сопротивление насадки находят по уравнению:
(1.42)
Гидравлическое сопротивление сухой неорошаемой насадки рассчитывают по уравнения:
(1.43)
где — коэффициент сопротивления сухой насадки, зависящий от режима движения газа в насадке.
Критерий Рейнолдса для газа в верхней и нижней частях колонны соответственно равен:
Следовательно, режим движения газа вверху и внизу колонны, турбулентный.
Для турбулентного режима движения коэффициент сопротивления сухой насадки в виде беспорядочно засыпанных колец Рашига находят по уравнению:
(1.44)
Для верхней и нижней частей колонны соответственно получим:
Гидравлическое сопротивление сухой насадки верхней и нижней частях колонны равно:
Плотность орошения в верхней и нижней частях колонны определим по формулам:
(1.45)
(1.46)
Подставив численные значения, получим:
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в верхней и нижней частях колонны:
Общее гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в колонне:
(1.47)
Гидравлическое сопротивление насадки составляет основную долю общего сопротивления ректификационной колонны. Общее же сопротивление колонны складывается из сопротивления орошаемой насадки, опорных решёток, соединительных паропроводов от кипятильника к колонне и от колонны к дефлегматору, Общее гидравлическое сопротивление ректификационных колонны обуславливает давление и, следовательно, температуру кипения жидкости в испарители.
продолжение
--PAGE_BREAK--2. Тепловой баланс ректификационной установки
Тепловой баланс колонны имеет вид:
(4.73)
где — тепловая нагрузка, соответственно по исходному веществу, по кипятильнику, по дистилляту, по кубовому остатку, по дефлегматору и потери тепла, примем равными 5%.
Из баланса определяем количество тепла, которое необходимо подводить к кипятильнику.
Тепловая нагрузка покубовому остатку, в количестве ,рассчитывается по формуле:
(4.74)
где — теплоёмкость кубового остатка, при температуре , [2 рис. XI с. 562], ;
— температура кубового остатка колонны.
(4.75)
где — массовая доля кубового остатка.
Тепловая нагрузка по исходному веществу, в количестве кг/с, рассчитывается по формуле:
(4.76)
где — температуры смеси;
— теплоёмкость исходной смеси, при средней температуре, [2 рис. XI с. 562], .
(4.77)
где — массовая доля исходной смеси.
Подставим численные значения, получим:
Тепловая нагрузка аппарата по дистилляту, в количестве Р=0,352 кг/с, рассчитывается по формуле:
(4.78)
где — температура дистиллята, взятая из диаграммы t-х,y, 0С;
— теплоёмкость дистиллята, при температуре , [2 рис. XI с. 562], .
(4.79)
где — массовая доля дистиллята.
Подставим численные значения, получим:
Для дефлегматора тепловая нагрузка аппарата составит:
(4.80)
где — удельная теплота парообразования дистиллята, при , Дж/кг.
(4.81)
Подставим эти численные значения в уравнение теплового баланса и определим количество тепла, которое необходимо подводить к кипятильнику:
Для подогрева используют насыщенный водяной пар давлением 0,3 МПа. Температура конденсации Характеристики конденсации при этой температуре: Расход греющего пара вычисляется по формуле:
(4.82)
3. Подробный расчёт подогревателя исходной смеси
Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменника для подогрева исходной смеси, насыщенным водяным паром. Начальная температура исходной смеси, в количестве Gсм=5000 кг/ч (1,3889 кг/с), t1н=20 0С, конечная t1к=95 0С.
Давление насыщенного водяного пара составляет 3 атм, температура конденсации насыщенного водяного пара составляет 133 0С; удельная теплота парообразования равна 2171000 Дж/кг.
Потери в окружающую среду примем 5%.
Определяем тепловую нагрузку аппарата:
(5.83)
где — теплоёмкость смеси при средней температуре, [2 рис. XI с. 562], Дж/(кг∙К).
Определение расхода горячего теплоносителя:
(5.84)
Определяем полезную разность температур:
Рисунок 10 – Зависимость изменения температуры теплоносителей от поверхности теплообмена.
Ориентировочный выбор теплообменника.
Рассчитываем ориентировочную поверхность теплопередачи Sор.
(5.85)
где Q– тепловая нагрузка аппарата, Вт;
— полезная разность температур, 0С;
— ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, [1 таб. 2.1 с.47], Вт/(м2∙К).
Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи Кор=240 Вт/(м2∙К).
Если у одного из теплоносителей нет изменения агрегатного состояния, в данном случае у исходной смеси, то необходимо задаться турбулентным режимом движения теплоносителя, так как при этом режиме движения жидкости наибольший коэффициент теплоотдачи. Принимаем Re=12000. Стандартные диаметры труб: 252. Тогда при Re=12000
(5.86)
Тогда число труб на один ход составит:
(5.87)
Выбираем теплообменник [1.табл. 2.3 с. 51].
Поверхность теплообмена S=10 м2.
Длина труб L=2,0 м.
Общее число труб n=62 шт.
Число ходов z=1
Диаметр труб d=25x2 мм.
Диаметр кожуха D=325 мм.
Пересчитываем скорость движения исходной смеси:
(5.88)
Пересчитаем критерий Рейнольдса:
(5.89)
Режим движения исходной жидкости, по трубному пространству, переходный, так как 2320
Рисуем схему теплопередачи через стенку:
Рассчитываем действительное значение коэффициента теплопередачи:
(5.90)
где и - коэффициент теплоотдачи соответственно от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю, Вт/(м2∙К);
— термическое сопротивление стенки.
Задаёмся tст1=130 0С. Определяем П– коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на пучке вертикальных труб:
(5.91)
Удельное количество тепла передаваемое от пара к стенке:
Определяем термическое сопротивление стенок с учетом загрязнения:
(5.92)
где и - термическое сопротивление стенки соответственно со стороны насыщенного пара и со стороны смеси, [1 таб. 2.2 с. 48];
— толщина стенки, мм;
— коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м∙К).
Находим температуру стенки со стороны холодного теплоносителя.
(5.93)
Находим коэффициент теплоотдачи от стенки к исходной смеси — см.
(5.94)
где — критерий Нуссельта, для переходного режима движения жидкости;
— коэффициент теплопроводности смеси при средней температуре смеси, [2 рис. Xс.561], Вт/(м∙К);
— эквивалентный диаметр, мм.
Так как режим движения смеси по трубному пространству переходный, следовательно критерий Нуссельта определим из графика зависимости от критерия Рейнольдса в переходной области.
где Pr, Prст – критерий Прандтля соответственно при температуре жидкости и при температуре стенки [2 рис.XIIIс.564].
Отсюда находим критерий Нуссельта:
где и — критерий Прандтля соответственно при средней температуре смеси и температуре стенки:
Тогда критерий Нуссельта:
Подставляя численные значения, получим:
Рассчитываем удельный тепловой поток от стенки к холодному теплоносителю:
Условием стационарного теплообмена является q=const. q1≠q2.
Снова задаёмся tст1и повторяем расчёт.
tст1=129 0С. Определяем П– коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на пучке вертикальных труб:
Удельное количество тепла, передаваемое от пара к стенке:
Находим коэффициент теплоотдачи от стенки к исходной смеси — см.
где — критерий Нуссельта, для переходного режима движения жидкости;
— коэффициент теплопроводности смеси при средней температуре смеси, Вт/(м∙К);
— эквивалентный диаметр, мм.
Так как режим движения смеси по трубному пространству переходный, следовательно критерий Нуссельта определим из графика зависимости от критерия Рейнольдса в переходной области.
где Pr, Prст – критерий Прандтля соответственно при температуре жидкости и при температуре стенки.
Отсюда находим критерий Нуссельта:
где и — критерий Прандтля соответственно при средней температуре смеси и температуре стенки:
Тогда критерий Нуссельта:
Подставляя численные значения получим:
Рассчитываем удельный тепловой поток от стенки к холодному теплоносителю:
Условием стационарного теплообмена является q=const. q1≠q2.
Строим график зависимости удельного теплового потока от температуры стенки.
Из графика находим:
Находим истинное значение поверхности теплопередачи
Запас площади составляет:
Оставляем выбранный нормализованный кожухотрубчатый подогреватель исходной смеси от температуры 20 0С до, температуры входа в колонну, 95 0С, эта температура является температурой кипения смеси.
продолжение
--PAGE_BREAK--