Поток
|
Средняя
молярная масса, кмоль/кг
|
Состав
|
Расход
|
|
|
Молярные
доли
|
массовые
доли
|
кмоль/с
|
кг/с
|
Исходная
смесь
|
МF
|
43,2
|
xF
|
0,4
|
0,17GF0,041,5
|
|
|
|
|
|
Дистиллят
|
MD
|
18,84
|
хD
|
0,98
|
0,94GD0,010,58
|
|
|
|
|
|
Кубовый
остаток
|
MW
|
58,74
|
xW
|
0,03
|
0,01GW0,020,92
|
|
|
|
|
|
.1.2 Для разделяемой смеси в таб.XLVII
[3] находим данные по равновесию в системе “жидкость - пар”.
Строим диаграммы и и наносим равновесные линии. Нижняя
ветвь на диаграмме будет отвечать температурам кипения
жидкой смеси, верхняя - температурам конденсации паровой фазы.
Процессы перегонки осуществляются обычно при
постоянном внешнем давлении. Поэтому диаграмма строится при Р =const,
т.е. для переменных температур кипения, изменяющихся в зависимости от изменения
состава жидкой смеси. Жидкость, представляющая собой чистый НК, находится в
равновесии с паром, в котором содержится 100% того же компонента. Соответственно
крайние точки кривой равновесия расположены в противоположных углах квадрата.
Кривая равновесия и диагональ квадрата ограничивают область взаимного
существования двух фаз.
Взаимное положение кривых на фазовых
диаграммах t - - и - определяется первым законом
Коновалова: пар обогащается тем компонентом, при добавлении которого к жидкости
повышается давление пара над ней или снижается ее температура кипения.
Первый закон Коновалова дополняется
первым законом Вревского, указывающим как влияет температура (и соответственно
давление) на равновесные составы фаз: при повышении температуры смеси
испаряется преимущественно тот компонент, парциальная мольная температура
испарения которого больше, что обуславливает относительно большее содержание
этого компонента в паре.[1]
Рис.3.1. Зависимость температур
кипения и конденсации от состава фаз.
Рис.3.2. Диаграмма равновесия пар -
жидкость.
Кривая равновесия (рис.3.2) точек
перегиба не имеет.
.1.3 Определяем минимальное
флегмовое число Rmin по уравнению:
3,46 (3.4)
где - мольная доля воды в паре,
равновесном с жидкостью питания, определяем по диаграмме - .
.2 Рассчитываем рабочее флегмовое
число R:
(3.5)
.3 Cоставляем
уравнения рабочих линий для верхней и нижней частей ректификационной колонны и
нанесем их на диаграмму - .
а) верхней (укрепляющей) части
колонны
(3.6)
б) нижней (исчерпывающей) части
колонны
(3.7)
.3.1 Рассчитываем средние
концентрации жидких фаз в верхней и нижней частях
колонны:
а) в верхней части колонны
(3.8)
б) в нижней части колонны
(3.9)
.3.2 По уравнениям рабочих линий
определяем средние концентрации пара в верхней и нижней частях
колонны:
а) в верхней части колонны:
=
б) в нижней части колонны:
.3.3 Средние температуры пара
определяем по диаграмме t - - (рис.3.1.)
а) при =
б) при =
Рассчитаем среднюю температуру пара
в колонне:
.3.4 Определяем средние молярные
массы , и плотности
пара в обеих частях колонны:
а) =
=;
б) ;
Средняя плотность пара в колонне равна:
.
Температура в верху колонны при равняется 100, а в кубе -
испарителе при она равна (рис.3.1.)
Плотность воды при кг/м3,
а уксусной кислоты при кг/м3
Принимаем среднюю плотность жидкости
в колонне
.3.5 Определяем объемный расход
проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне
,
где - мольная масса дистиллята, равная (таб.3.1.)
4. Вычисляем скорость пара в колонне
и рассчитываем диаметр колонны
Полученное значение диаметра
округляем до ближайшего стандартного значения.[2]
Рассчитываем фактическую скорость
пара в колонне. Скорость пара в колонне:
По данным каталога - справочника
”Колонные аппараты” принимаем расстояние между тарелками h=300 мм. Для
ситчатых тарелок по графику (рис.3.3.) находим С=0,032.
Рис. 3.3. Значение
коэффициента С: В - ситчатые тарелки.
Диаметр колонны:
По каталогу - справочнику ”Колонные
аппараты” берем D=2800мм.
Фактическая скорость пара в колонне:
По каталогу для колонны диаметром
2800мм выбираем ситчатую однопоточную тарелку ТС-Р со следующими
конструктивными размерами:
Диаметр отверстий в тарелке - 4мм;
Шаг между отверстиями - 15мм;
Свободное сечение колонны - 6,16м2;
Высота переливного порога - 40мм;
Рабочее сечение тарелки - 5,64м2;
Свободное сечение тарелки - 8,0%
Ширина переливного порога - 1,575м;
Рабочее сечение тарелки - 5,64.
Рассчитываем скорость пара в отверстиях
ситчатой тарелки.
,
где - свободное сечение тарелки. Можно
принять для ситчатых тарелок =7ч10%.
5. Расчет гидравлического
сопротивления насадки
.1 Гидравлический расчет тарелок
Принимаем следующие размеры ситчатой
тарелки: диаметр отверстий высота сливной перегородки Свободное
сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки.
.1.1 Рассчитаем гидравлическое
сопротивление тарелки в верхней и в нижней части колонны по уравнению:
а) верхняя часть колонны
гидравлическое сопротивление сухой
тарелки:
,
где коэффициент сопротивления
неорошаемых ситчатых тарелок
.
Сопротивление, обусловленное силами
поверхностного натяжения:
,
где поверхностное натяжение жидкости
при средней температуре в верхней части колонны 102,7 , диаметр отверстий тарелки.
Сопротивление парожидкостного слоя
на тарелке:
Высота парожидкостного слоя:
Величину высоту слоя
над сливной перегородкой рассчитаем по формуле:
,
где объёмный расход жидкости, м3/с
; П -периметр сливной перегородки, м; отношение плотности парожидкостного
слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0,5.
Объёмный расход жидкости в верхней
части колонны:
где средняя мольная масса жидкости,
кг/кмоль.
Периметр сливной перегородки П
(рис.5) находим, решая систему уравнений:
где R=1,3 м -
радиус тарелки; 2/3 Пb - приближенное значение площади
сегмента.
Решение дает: П=1,95м ; b=0,405м.
Рис.5. Схема ситчатой тарелки.
Находим :
Высота парожидкостного слоя на
тарелке:
Сопротивление парожидкостного слоя:
Общее гидравлическое сопротивление
тарелки в верхней части колонны:
б) Нижняя часть колонны:
где поверхностное натяжение жидкости при
tср.=111,2;
где
Общее гидравлическое сопротивление
тарелки в нижней части колонны:
Проверим, соблюдается ли при
расстоянии между тарелками необходимое для нормальной работы
тарелок условие .
Для тарелок нижней части колонны, у
которых гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок верхней части:
Следовательно, вышеуказанное условие
соблюдается.
Проверим равномерность работы
тарелок - рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях достаточную
для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями:
Рассчитанная скорость ,т.е., 10,58 < 11,38,
следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.
.1.2 Определяем число тарелок в
колонне. Для определения - используем метод теоретических тарелок
Наносим на диаграмму рабочие
линии верхней и нижней части колонны (рис.5.1.) и находим число ступеней
изменения концентрации
В верхней части колонны 18 ,в
нижней части 12 , всего
ступеней - 30.
Рис. 5.1. Определение числа ступеней
изменения концентрации.
Число тарелок рассчитываем по
уравнению:
Для определения среднего к.п.д.
тарелок находим
коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов и
динамический коэффициент вязкости исходной смеси при средней температуре в колонне,
равной 107.
При этой температуре давление
насыщенного пара воды Рв=973мм.рт.ст., уксусной кислоты Рукс.=510мм.рт.ст..(рис.XXIII) [3],
откуда .
Динамический коэффициент вязкости
воды при 107равен , уксусной
кислоты .Принимаем
динамический коэффициент вязкости исходной смеси
Тогда
По графику (рис.5.2) находим
значение =0,51.
Рис. 5.2. Диаграмма для
приближенного определения среднего к.п.д. тарелок.
Длина пути жидкости на тарелке
(рис.5).
По графику (рис.5.3) находим
значение поправки на длину пути.
Рис.5.3. Зависимость поправки от длины
пути жидкости на тарелке .
Средний к.п.д. тарелок :
Для сравнения рассчитаем средний
к.п.д. тарелки по критериальной формуле,
полученной путем статистической обработки многочисленных опытных данных для
ситчатых тарелок:
В этой формуле безразмерные
комплексы:
;
где - скорость пара в колонне, м/с; -
относительная площадь свободного сечения тарелки; - высота
сливной перегородки, м; - плотности
пара и жидкости, кг/м3; коэффициент диффузии легколетучего
компонента в исходной смеси, м2/с; поверхностное натяжение жидкости
питания, Н/м.
Физико-химические константы отнесены
к средней температуре в колонне.
Предварительно рассчитаем
коэффициент диффузии :
.
В нашем случае:
;
Безразмерные комплексы:
Средний к.п.д. тарелки:
что близко к найденному значению .
Число тарелок в верхней части
колонны:
в нижней части колонны:
Общее число тарелок , с запасом , из них в
верхней части колонны - 31 и нижней - 21.
6. Расчет высоты ректификационной
колонны
где - расстояние между тарелками, м; Нв,
Нн - расстояние соответственно между верхней тарелкой и
крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.
7. Тепловой расчет ректификационной
установки
.1 Расход теплоты, отдаваемой
охлаждающей воде в дефлегматоре - конденсаторе, находим по уравнению
где - удельные теплоты конденсации воды
и уксусной кислоты при 100.
Здесь тепловые потери приняты в
размере 3% от полезно затраченной теплоты; удельные теплоемкости взяты
соответственно при температура
кипения исходной смеси определена по рис.3.1.
.3 Расход теплоты в паровом
подогревателе исходной смеси:
Здесь тепловые потери приняты в
размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси взята при средней температуре (.
7.4 Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде
в холодильнике дистиллята
где удельная теплоемкость дистиллята
взята при
средней температуре (100+25)/2=62,5 0С.
.5 Расход теплоты, отдаваемой
охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка
где удельная теплоемкость кубового
остатка взята при
средней температуре (116,4+25)/2=70,70С.
.6 Расход греющего пара, имеющего
давление и влажность
5%
а) в кубе - испарителе
=
где - удельная теплота конденсации
греющего пара;
б) в подогревателе исходной смеси:
Всего: 3,66+0,18=3,84кг/с
.7 Расход охлаждающей воды при
нагреве ее на 200С:
а) в дефлегматоре
б) в водяном холодильнике
дистиллята:
в) в водяном холодильнике кубового
остатка:
Всего 0,0908 м3/с.
8. Расчет холодильника дистиллята
.1 Тепловой расчет холодильника дистиллята
Определяем тепловую нагрузку в
холодильнике дистиллята и расход воды. Примем индекс «1» для горячего
теплоносителя (дистиллята), индекс «2» - для холодного теплоносителя (воды).
Предварительно найдем среднюю
температуру воды:
;
среднюю температуру дистиллята:
где - средняя разность температур,
равная при противотоке теплоносителей 22,10С.
Тепловой баланс для охлаждения
равен:
где - расход теплоносителя, кг/с; t1н, t1к - начальная
и конечная температуры дистиллята, 0С, с1 - удельная
теплоемкость дистиллята при средней температуре.
Расход воды:
где t2к, t2н - начальная
и конечная температуры воды, 0С; с2 - удельная
теплоемкость воды, Дж/(кгК) при средней температуре.
Объемные расходы дистиллята и воды:
где плотность дистиллята и воды, кг/м3.
Предварительно определяем
ориентировочно ожидаемую площадь поверхности теплопередачи Fор. по
уравнению теплопередачи:
где Кор.=800 Вт/(м2К)
по таб.4.8 [3].
Из величины Fор.=10,31м2
следует, что проектируемый холодильник может быть: а) теплообменником типа
«труба в трубе»; б) одиночным кожухотрубчатым аппаратом. Как следует из таб.
4.13[3] можем использовать как аппараты типа ХН, так и типа ТН.Для обеспечения
интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом
течения теплоносителей. Дистиллят направим в трубное пространство, воду - в
межтрубное.
В теплообменных трубах Ш25Ч2 мм
холодильников по ГОСТ 15120 - 79 скорость течения дистиллята при Re1 >10 000
должна быть более
где - вязкость дистиллята.
Ориентировочное сечение трубного
пространства Sор. для
обеспечения желаемого режима движения теплоносителя в трубном пространстве
равно:
Кожухотрубчатый холодильник
наименьшего диаметра 159 мм с числом труб 13 имеет (таб.4.12)
[3]. Следовательно, турбулентное течение дистиллята можно обеспечить в аппарате
с меньшим сечением трубного пространства, т.е. в теплообменнике «труба в
трубе».
Вариант 1. Теплообменник «труба в
трубе» (ГОСТ 9930 -78).
.1. Рассмотрим аппарат,
изготовленный из труб 89x4мм (наружная труба) и 57x 3,5мм (внутренняя труба).
Скорость дистиллята в трубах для обеспечения турбулентного течения :
Число параллельно работающих труб
57x3,5 мм, при этом
Примем n = 2.
Определим скорость и критерий Рейнольдса для дистиллята:
Для воды:
где эквивалентный диаметр dэкв.= D - d = 0,081 -
0,057 = 0,024 м.
Теплопередача для обоих потоков
описывается уравнением:
Коэффициент примем
равным 1, полагая , что L/dэ >50.
В виду того, что температуры стенок
со стороны дистиллята tcт.1 и воды tст.2 пока
неизвестны, примем сомножитель (Pr/Prст)0,25
равным единице для обоих потоков.
а) коэффициент теплопередачи для
дистиллята:
Критерий Прандтля:
.
Критерий Нуссельта:
.
Коэффициент теплопередачи от
дистиллята к стенке:
б) коэффициент теплопередачи для
воды:
Критерий Прандтля:
Критерий Нуссельта: .
Коэффициент теплопередачи от стенки
к воде:
Термическое сопротивление стенки и
загрязнений (таб.ХХХI)[3].
Коэффициент теплопередачи:
Поверхностная плотность теплового
потока:
Определим ориентировочно значение t|ст.1 и t|ст.2 исходя из
того что
где сумма
Найдем:
Проверка: сумма равна
Отсюда
Введем поправку в коэффициенты
теплопередачи, определив (Pr/Prст)0,25.
Критерий Прандтля для дистиллята при
tcт.1 = 47,40С
Критерий Прандтля для воды при tст.2 = 40,20С
Коэффициент теплопередачи:
Исправленные значения К , q , tcт.1, tст.2:
Расчетная площадь поверхности
теплопередачи:
С запасом 10% :
Площадь поверхности теплообмена
одного элемента длиной 6м:
,
где dср.=0,5(dнар.+ dвн.) =
0,5(0,057+0,05) = 0,0535 м.
Число элементов в каждой из двух
секций (ветвей):
Общее число элементов nN = 2·10 = 20
шт. Масса аппарата «труба в трубе» - 2000кг.- см. каталог «Теплообменники ТТ».
Вариант 2. Кожухотрубчатый
холодильник диаметром 159 мм с трубами 25x2мм (ГОСТ15120 - 79).
Скорость и критерий Рейнольдса для
дистиллята:
Скорость и критерий Рейнольдса для
воды:
,
где S2 = 0,8·10-2
м2 - проходное сечение межтрубного пространства по ГОСТ 15120 - 79;
вязкость воды при 300С.
Для теплового расчета ориентировочно
примем tcт.1 =46 0С,
tст.2 = 420С
с последующей проверкой.
а) коэффициент теплопередачи для
воды.
При поперечном омывании потоком
трубного пучка при Re >1000 рекомендуется соотношение:
б) коэффициент теплопередачи для
дистиллята:
Для выбора расчетного соотношения
при Re1 = 5065
определим произведение при средней
температуре пограничного слоя
Физические свойства дистиллята:
;
К-1
Вертикальное расположение труб Re>
3500
Коэффициент теплопередачи:
Поверхностная плотность теплового
потока:
Проверка значений tcт.1 и tст.2 :
Расчетная площадь поверхности
теплопередачи:
С запасом 10% :
Площадь поверхности теплообмена
одного аппарата с трубами длиной 3м:
,
Необходимое число аппаратов:
Запас
Масса одного аппарата D =159 мм с
трубами L =3 м равна
М1 = 255 кг. Масса всех аппаратов : М =М1·N = 255·7 =
1785 кг.
Выбор конструкции холодильника
дистиллята.
Аппараты по вариантам 1 и 2 имеют высокую
металлоемкость (~100 кг/м2 поверхности теплообмена) - и в этом их
общий недостаток. Но аппарат «труба в трубе» обладает существенным
гидравлическим сопротивлением. Поэтому предпочтение отдаем варианту 2.
Расчет гидравлического сопротивления
кожухотрубчатого теплообменника D=159мм.
Скорость жидкости в трубах:
.
Коэффициент трения:
где e =-
относительная шероховатость труб; -высота выступов шероховатостей
(можно принять = 0,2 мм).
Скорость в штуцерах:
,
где - диаметр штуцеров в
распределительной камере.
Коэффициенты местных сопротивлений потоку,
движущемуся в трубном пространстве:
- входная и выходная камеры;
- вход в трубы и выход из них.
Гидравлическое сопротивление
трубного пространства:
Число рядов труб, омываемых потоком
в межтрубном пространстве, ; округляя в большую сторону,
получим . Число
сегментных перегородок (см.табл.2.7)[2].
Диаметр штуцеров к кожуху (табл.2.6)[2].
Скорость потока в штуцерах:
Скорость жидкости в наиболее узком
сечении межтрубного пространства площадью (см.табл.2.3)[2] равна:
В межтрубном пространстве следующие
местные сопротивления: вход и выход жидкости через штуцера, 26 поворотов через
сегментные перегородки ( по их числу х =26) и 27 сопротивлений трубного пучка
при его поперечном обтекании (х +1).
Сопротивление межтрубного
пространства равно:
9. Расчет и выбор насоса для подачи
исходной смеси
Исходная смесь - вода - уксусная
кислота при температуре tн =300С.
Физические свойства смеси:
.1 Определим скорость исходной смеси
Производительность:
.2 Определим режим движения смеси:
По справочнику для труб из
нержавеющей стали с незначительной коррозией абсолютная шероховатость
Относительная шероховатость:
по рис.1.5.[3],
где - коэффициент трения
9.3 Определим потери давления на
преодоление сопротивления трения
.4 Определим потери давления на
преодоление местных сопротивлений
наименование
|
|
вход
в трубу
|
0,5
|
диафрагма
|
11,83
|
вентиль
|
4,05
|
задвижка
|
1,0
|
поворот
|
0,22
|
18,0
|
|
где h - высота
подъема жидкости.
Скоростной напор:
.5 Определим полное гидравлическое
сопротивление трубопровода
Мощность двигателя:
По табл.2.5. [3] выбираем тип
насоса. Заданным подаче и напору, более всего соответствует центробежный насос
марки Х 8/30, для которого при оптимальных условиях работы
Насос обеспечен электродвигателем
АО2 -32 -2 номинальной мощностью Частота вращения вала
Библиографический список
1. А.Г. Касаткин. Основные процессы
и аппараты химической технологии. Изд. «Химия», М., 1971 г.
. Основные процессы и аппараты
химической технологии: Пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков,
Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2 -е изд., перераб. и дополн.
М.: Химия, 1991. - 496 с.
. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков
А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.
Учебное пособие для вузов/ Под ред. чл. - корр. АН СССР П.Г. Романкова. - 10 -
е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с., ил.
. Иоффе И.Л. Проектирование
процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. - Л.:
Химия, 1991. - 352 с., ил.
. А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З.
Каган. Процессы и аппараты химической технологии. М. ГХИ, 1962.
. И.В. Доманский , В.П. Исаков, Г.М.
Островский , А.С. Реманов под общей редак. В.Н. Соколова. Машины и аппараты химических
производств, Л.: «Машиностроение».