4. Определение числа теоретических тарелок и высоты колонны

Для расчета высоты колонны определим число действительных тарелок в верхней n_{д в} и нижней n_{д н} частях колонны [8]:

где - число теоретических тарелок в верхней (нижней) части колонны;

- средний КПД тарелок верхней (нижней) части колонны.

Число теоретических тарелок определим путем построения ступенчатой линии между линией равновесия и линиями рабочих концентраций в пределах от x_d до x_w (см. рис 3).

Т. к. количество построенных ступеней соответствует количеству теоретических тарелок, то получаем = 15, при этом принимаем, что тарелок в верхней части колонны 10, а в нижней - 5.

Определим число действительных тарелок.

Определяем КПД в верхней части колонны.

Находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов.

где - давление насыщенных паров воды, мм.рт.ст.,

- давление насыщенных паров уксусной кислоты, мм.рт.ст.

Находим давление насыщенных паров при температуре верха колонны (101,8).

Определяем динамический коэффициент вязкости:

Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси:

Тогда

По графику (7,4 [5] стр.323) находим

При определении среднего КПД тарелок в колоннах большого диаметра:

Найдем ширину переливного порога b решая систему уравнений (стр. 354 [5]).

Где R=1,2 м - радиус тарелки, П=1,92 м - периметр сливной перегородки.

Поправку на длину пути определяем по графику (7,5 [5] стр 324) для

Действительное число тарелок в верхней части колонны

Принимаем количество тарелок в верхней части колонны 17 штук.

Находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов.

Находим давление насыщенных паров при температуре низа колонны (107,6).

Определяем динамический коэффициент вязкости исходной смеси:

Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси:

Тогда

По графику (7,4 [5] стр.323) находим

При определении среднего КПД тарелок в колоннах большого диаметра:

Поправку на длину пути определяем по графику (7,5 [5] стр 324) для

Действительное число тарелок в нижней части колонны

Принимаем количество тарелок в нижней части колонны 8 штук.

Принимаем число действительных тарелок верхней части колонны

= 17, нижней - = 8.

Общее число тарелок = 25 штук. Число с запасом = 27 штук.

Высоту колонны Н определим по формуле:

где - высота опоры, м;

- высота слоя жидкости внизу колонны, необходимая для десятиминутного запаса работы насоса, м;

- высота кубовой части колонны, м;

- высота нижней тарельчатой части колонны, м;

- высота места ввода сырья, м;

- высота верхней тарельчатой части колонны, м;

- высота сепарационной части колонны, м;

- высота крышки, м.

Из [8], [10], [11] при диаметре колонны d = 2400 мм определяем необходимые значения:

- высота опоры = 2,000 м;

- высота кубовой части = 2,000 м;

- высота сепарационной камеры = 0,8 м;

- высота крышки = 0,6 м;

Определим по формуле:

где - расход горячей струи, кг/с;

- плотность остатка, кг/м³;

- площадь поперечного сечение аппарата, м².

По справочным данным [5] определяем плотность воды и уксусной кислоты:

- при температуре = 111,5 °С определяем = 949,375 кг/м³, = = 937,3 кг/м³.

Тогда :

Определим :

Тогда :

Определим :

= 3 = 3 0,400 = 1,200 (м).

Тогда Н:

= 19,75 (м).

Для удобства осмотра, чистки, ремонта, загрузки, выгрузки, монтажа, демонтажа внутренних устройств колонны установим в колонну дополнительные люки-лазы (помимо тех, что обязательно устанавливаются в сепарационной, кубовой, питательной частях колонны). Для малозагрязненных сред рекомендуется устанавливать люки-лазы через 10-11 тарелок [5].

Так как в исчерпывающей части колонны установлено 8 тарелок, то необходимость в установке дополнительных люков-лазов отпадает. Устанавливаем один дополнительный люк в укрепляющей части колонны между 19-ой и 20-ой тарелками.

Расстояние между тарелками в зоне установки люка принимаем =

= 0,800 м [5]. Тогда, с учетом, что расстояние между тарелками = 0,400 м, установка люка увеличивает общую высоту колонны на:

Д = - ;

Д = 0,800 - 0,400 = 0,400 (м).

Тогда высота колонны с учетом установки дополнительного люка лаза :

= Н + Д;

= 19,75 + 0,400 = 20,15 (м).

5. Определение гидравлического сопротивления тарелок и давления в кубе колонны

Гидравлическое сопротивление тарелок ДP определим по формуле [5]:

где - гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны, Па;

- гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны, Па;

Полное гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней частях колонны складывается из трех слагаемых [5]:

где - гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) тарелки в верхней (нижней) части колонны, Па;

- гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя (пены) на тарелке в верхней (нижней) части колонны, Па;

- гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, в верхней (нижней) частях колонны, Па.

Определим и [5]:

где - коэффициент сопротивление сухой тарелки;

- скорость пара в отверстиях тарелки верхней (нижней) части колонны.

Для клапанной тарелки принимаем = 3,6 [6].

Определяем по формуле:

где - относительное свободное сечение тарелки.

Тогда и :

Определим и :

где - поправочный коэффициент;

- высота парожидкостного слоя на тарелке верхней (нижней) части колонны, м;

- ускорение свободного падения, м/с².

k - отношение плотности пены к плотности жидкости.

и определяем по формуле:

где - высота сливной перегородки, м;

- высота слоя жидкости над сливной перегородкой в верхней (нижней) части колонны, м.

Принимаем для клапанной тарелки = 0,050 м.

Определяем и по формуле:

где - объемный расход жидкости в верхней части колонны, м³/с;

- периметр сливной перегородки, м;

- отношение плотности парожидкостного слоя к плотности жидкости.

определим как:

определим как:

Принимаем приближенно для верхней и нижней части колонны = 0,50.

Тогда и :

Тогда и :

Тогда и :

Определим и :

где - поверхностное натяжение жидкости в верхней (нижней) части колонны, Н/м;

- высота подъема клапана, м.

Определим и :

где - поверхностное натяжение воды в верхней (нижней) части колонны, Н/м;

- поверхностное натяжение уксусной кислоты в верхней (нижней) части колонны, Н/м;

По [6] определяем и :

- для верхней части колонны при = 101,8 °С получаем 58,5 ? 10^-3 Н/м, 19,638 10^-3 Н/м;

- для нижней части колонны при = 107,6 °С получаем 57,38 ? 10^-3 Н/м, 19,116 10^-3 Н/м.

Тогда и :

Принимаем = 0,020 м.

Тогда и :

Тогда и:

Тогда :

По полученным данным проверим условие, необходимое для нормальной работы тарелки в зависимости от расстояния между тарелками = 0,400 м:

- для верхней части:

0,400 > 0,175

- для нижней части:

0,400 > 0,259

Таким образом, условие выполняется для верхней и нижней частей колонны.

Проверим равномерность работы тарелок. Для этого рассчитаем скорость пара в отверстиях, достаточную для того, чтобы клапанные тарелки верхней и нижней частей колонны работала всеми отверстиями :

при условии, что:

- для верхней части:

< ;

- для нижней части:

< .

Таким образом, равномерная работа тарелок верхней и нижней частей колонны будет обеспечена.

Определим давление в кубе колонны P_куб:

6. Расчет теплового баланса колонны

Тепловой баланс ректификационной колонны непрерывного действия с дефлегматором составляется для определения расхода греющего пара на процесс ректификации [3].

Уравнение теплового баланса имеет вид [6]:

где - расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью от конденсирующегося пара в кипятильнике, Вт;

- удельная массовая энтальпия сырья при входе в колонну, Дж/кг;

- расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, Вт;

- удельная массовая энтальпия дистиллята, Дж/кг;

- удельная массовая энтальпия остатка, Дж/кг;

- потери тепла в окружающую среду, Вт.

Преобразовав уравнение теплового баланса, получаем выражение для определения :

+ + - +

где - удельная теплоемкость дистиллята, Дж/(кг град);

- температура дистиллята, °С;

- удельная теплоемкость остатка, Дж/(кг град);

- температура остатка, °С;

- удельная теплоемкость исходной смеси, Дж/(кг град);

- температура сырья на входе в колонну, °С.

Определим :

где - удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре, Дж/кг.

В общем случае удельная теплота конденсации паров смеси вода-уксусная кислота определяется по правилу смешения [3]:

где - удельная теплота конденсации ацетона при температуре , Дж/кг;

- удельная теплота конденсации бензола при температуре , Дж/кг.

По диаграмме (t-x, y) определяем необходимые температуры:

- при температура кипения исходной смеси = 104,4 °С;

- при = 0,991 температура паров дистиллята = 100 °С;

- при = 0,27 температура кипения остатка = 111,5 °С.

По справочным данным [6] при температуре = 100 °С определяем удельные теплоты конденсации воды и уксусной кислоты: = 2258,4 кДж/кг, = 408 кДж/кг.

Тогда :

= 2258,4 0,97 + 408 (1 - 0,97) = 2202,889 (кДж/кг).

Тогда :

В общем случае теплоемкость смеси вода-уксусная кислота определяется по правилу смешения [3]:

где - удельная теплоемкость воды, Дж/(кг град);

- удельная теплоемкость уксусной кислоты, Дж/(кг град).

По справочным данным [12] определяем удельные теплоемкости воды и уксусной кислоты:

- при = 104,4 °С определяем = 4315,7 Дж/(кг град), =

= 2555,9 Дж/(кг град);

- при = 100 °С определяем = 4220 Дж/(кг град), =

= 2514 Дж/(кг град);

- при = 111,5 °С определяем = 4399,5 Дж/(кг град), =

= 2933 Дж/(кг град).

Определяем , , :

= 4315,7 0,35 + 2555,9 (1 - 0,35) = 3171,76 (Дж/(кг град));

= 4220 0,97 + 2514 (1 - 0,97) = 4168,82 (Дж/(кг град));

= 4399,5 0,1 + 2933 (1 - 0,1) = 3079,65 (Дж/(кг град)).

Величину тепловых потерь принимаем равной 5 % от полезно затрачиваемого тепла [2].

Определяем :

= 1,05 ( + 1,277 4168,82 100 + 3079,65 111,5 -

- 4,444 3171,76 104,4) = 11137730,346 (Вт).

Определим количество тепла, которое необходимо затратить на нагревание исходной смеси в подогревателе :

где - средняя удельная теплоемкость исходной смеси, Дж/(кг град);

- начальная температура сырья, °С.

Начальную температуру сырья принимаем равной средней летней температуре воздуха в северных регионах РБ, т.е. = 17 °С [13].

В данном случае удельную теплоемкость смеси определяем для средней температуры потока :

По справочным данным [12] при температуре определяем удельные теплоемкости воды и уксусной кислоты: = 4182 Дж/(кг град),

= 2178,8 Дж/(кг град).

Тогда :

= (Дж/(кг град)).

Тогда :

Определим массовый расход греющего пара. Для обеспечения оптимального температурного напора принимаем греющий пар с давлением p = 3 ат (температура конденсации при этом = 132,9 ) и удельной теплотой парообразования = 2171 кДж/кг [6].

Тогда массовый расход греющего пара в кипятильнике и подогревателе :

Суммарный массовый расход греющего пара составит:

= + = 5,13 + 0,541 = 5,671 (кг/с).

Определим массовый расход охлаждающей воды . Для этого определим количества тепла, которое необходимо отвести водой из и холодильников дистиллята и остатка :

= D (W) ,

где - средняя удельная теплоемкость дистиллята (остатка), Дж/(кг град),

- конечная температура охлажденного дистиллята (остатка), .

В качестве охлаждающей воды принимаем воду, начальную температуру которой принимаем = 17,0 . Конечную температуру охлаждающей воды принимаем = 37,0 . Конечную температуру охлажденного дистиллята и остатка принимаем = = 30,0

Средние удельные теплоемкости дистиллята и остатка определим для средних температур потоков и :

ректификационная установка тарельчатый колонный

По справочным данным [12] определяем удельные теплоемкости воды и уксусной кислоты:

- при = 65 определяем = 4186 Дж/(кг град) и =

= 2200 Дж/(кг град);

- при = 70,75 определяем = 4189 Дж/(кг град) и =

= 2220,7 Дж/(кг град).

Определяем и :

= 4186 0,97 + 2200 (1 - 0,97) = 4126,42 (Дж/(кг град));

= 4189 0,1 + 2220,7 (1 - 0,1) = 2417,53 (Дж/(кг град)).

Тогда и :

= 1,277 4126,42 (100 - 30,0) = 368860,68 (Вт);

= 3,167 2417,53 (111,5 - 30,0) = 623989,88 (Вт).

Массовый расход воды в дефлегматоре , холодильнике дистиллята и холодильнике остатка :

где - теплоемкость воды, (Дж/(кг град)).

Теплоемкость воды в пределах 0-100 принимается приблизительно равной = 4190 Дж/(кг град) [5].

Суммарный массовый расход воды составит:

= + + = 124,810 +4,402 + = 136,662

Определим необходимый массовый расход горячей струи :

где - удельная теплота испарения остатка, Дж/кг.

По справочным данным [6] при температуре = 111,5 °С определяем удельные теплоты конденсации воды и уксусной кислоты:= 2227,091 кДж/кг, = 399,95 кДж/кг.

Определяем :

= 2227,091 0,1 + 399,95 (1 - 0,1) = 582,664 (кДж/кг).

Тогда :

7. Расчет и подбор теплообменного оборудования

Подбор подогревателя, кипятильника, дефлегматора и холодильника дистиллята производим по ориентировочной поверхности теплообмена F_ор, используя основной уравнение теплопередачи:

где - количество переданного тепла в j-том процессе, Вт;

- ориентировочное значение коэффициента теплопередачи в j-том процессе, Вт/(м² град);

- средняя разность температур j-того процесса, град.

принимаем с условием, что разделению подвергаются органические жидкости ацетон-бензол.

в общем случае определяется по формуле:

где - коэффициент, учитывающий отличие противотока от другого вида тока;

- большая разность температур на конце теплообменника, ^oC;

- меньшая разность температур на конце теплообменника, ^oC.

Запас поверхности для теплообменного оборудования (в %) определяется как:

где - поверхность теплообмена выбранного теплообменного аппарата.

Подбор подогревателя сырья

Подогреватель сырья предназначен для нагрева исходной смеси от начальной температуры = 17,0 °С, до температуры начала кипения сырьевой смеси = 104,4 °С. Нагревающий агент - греющий пар с давлением 3 ат и температурой конденсации = 132,9 .

По справочным данным [6] ориентировочное значение коэффициента теплопередачи для подогревателя принимаем = 340 Вт/(м² град).

Определим среднюю разность температур:

Тогда :

По справочным данным [3] принимаем согласно ГОСТ 15118-79 одноходовой кожухотрубчатый с неподвижными трубными решетками и с температурным компенсатором на кожухе подогреватель со следующими характеристиками:

Данная конструкция подогревателя позволит уменьшить температурные деформации, обусловленные большой разностью температур труб и кожуха, при небольшом избыточном давлении в межтрубном пространстве [14].

Определим запас поверхности :

Подбор дефлегматора

Дефлегматор используется для конденсации паров дистиллята с последующей подачей флегмы на верхнюю тарелку колонны. Конденсация паров происходит при температуре = 100 °С охлаждающей водой, которая нагревается от = 17 до = 37 .

По справочным данным [6] значение коэффициента теплопередачи для дефлегматора принимаем = 700 Вт/(м² град).

Определим среднюю разность температур :

Тогда :

По справочным данным [3] принимаем согласно ГОСТ 15121-79 одноходовой кожухотрубчатый с неподвижными трубными решетками и с температурным компенсатором на кожухе конденсатор со следующими характеристиками:

Определим запас поверхности :

Подбор кипятильника

Кипятильник необходим для испарения горячей струи, посредством которой в низ колонны подводится тепло. Горячая струя испаряется при температуре = 111,5 °С. Нагревающий агент - греющий пар с давлением 3 ат и температурой конденсации = 132,9 .

По справочным данным [6] значение коэффициента теплопередачи для кипятильника принимаем = 1000 Вт/(м² град):

Определим среднюю разность температур:

Так как в данном случае =, то

= = = 21,4 °С.

Тогда :

По справочным данным [3] принимаем согласно ГОСТ 15119-79 одноходовой кожухотрубчатый с неподвижными трубными решетками и с температурным компенсатором на кожухе испаритель со следующими характеристиками:

Определим запас поверхности :

Расчёт и подбор холодильника дистиллята

Холодильник дистиллята предназначен для охлаждения сконденсированных в дефлегматоре паров. Дистиллят охлаждается от = 100 °С до = = 30 °С охлаждающей водой, которая при этом нагревается от = 17 до = 37 .

По справочным данным [6] значение коэффициента теплопередачи для холодильника остатка принимаем = 270 Вт/(м² град);

Определим среднюю разность температур :

Тогда :

Согласно рекомендациям [5], направляем воду в межтрубное пространство, а дистиллят в трубное, с целью выравнивания скоростей движения теплоносителей и, соответственно, коэффициентов теплоотдачи, что позволит увеличить коэффициент теплопередачи.

Ориентировочно принимаем значение критерия Рейнольдса =

= 10000, что соответствует турбулентному режиму течения в трубах. Тогда определим необходимое число труб n, приходящиеся на один ход холодильника z [5]:

где - внутренний диаметр трубы, м;

- вязкость дистиллята, Па с.

Вязкость дистиллята определим при средней температуре охлаждающегося остатка = .

Вязкость определим по формуле [5]:

= 10 ^ (lg + (1 - ) lg),

где - вязкость воды при средней температуре = °С, мПа с;

- вязкость уксусной кислоты при средней температуре = °С, мПа с.

Используя справочные данные [6] определяем вязкость воды и уксусной кислоты:

- при = определяем 0,4355 мПа с, 0,665 мПа с.

Тогда :

= 10 ^ (0,991lg0,4355 + (1 - 0,991) lg0,665) = 0,437 (мПа с).

Тогда:

- при диаметре труб = 20?2 мм:

- при диаметре труб = 25?2 мм:

Из таблицы кожухотрубчатых холодильников [3] видно, что теплообменники с близкой к поверхностью имеют диаметр 600-800 мм. При этом только аппарат с числом ходов z = 6, трубами = 25-2 мм количеством n = 196, диаметром кожуха D_кож = 600 мм, площадью сечения потока между перегородками = 0,045 м² имеет соотношение

которое является наиболее близким к требуемому.

Определим ориентировочную поверхность теплообмена с учетом поправочного коэффициента , который определим аналитическим путем [4]:

Определим коэффициенты P, R,, :

Определим :

Тогда :

Проведем уточненный расчет поверхности теплопередачи.

Определим коэффициент теплопередачи :

где - коэффициент теплоотдачи дистиллята, движущегося в трубном пространстве, Вт/(м² град);

- коэффициент теплоотдачи воды, движущейся в межтрубном пространстве, Вт/(м² град);

- толщина стенки трубы, м;

- коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м град);

- термическое сопротивление загрязнений, м² град/Вт.

Определим как:

где - критерий Нуссельта для дистиллята;

- коэффициент теплопроводности дистиллята при средней температуре остатка = .

Для определения определяем режим движения дистиллята по трубам:

Следовательно, режим переходной. в переходном режиме определяем по графику в [6, стр.154]:

- при получаем:

Из полученного выражения определим .

Критерий Прандтля в общем случае определим по формуле:

где - коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м град).

определим по формуле (в приближенных расчетах принимаем, что теплопроводность - аддитивная величина [15]):

где - коэффициент теплопроводности воды при = , Вт/(м град).

- коэффициент теплопроводности уксусной кислоты при = , Вт/(м град).

По номограмме [6 (рис. X) стр.561] определяем коэффициенты теплопроводности воды и уксусной кислоты:

- при = получаем = 0,664 Вт/(м град), = 0,167

Вт/(м град).

Тогда :

(Вт/(м град)).

Определим критерий Прандтля для остатка :

Поправкой

пренебрегаем, т.к. в данном случае разность температур дистиллята и стенки невелика.

Тогда :

= 18,5;

= 2,779^0,43 18,5 =28,71.

Определим :

Определим . Принимаем, что в межтрубном пространстве холодильника имеются сегментные перегородки. Тогда, согласно методике [5], при расчете определяющим геометрическим размером является наружный диаметр теплообменных труб = 0,025 м:

Определим режим течения воды в межтрубном пространстве между перегородками [5]:

По справочным данным [5] определяем вязкость воды:

- при 27,0 °С определяем 0,84 мПа с.

Тогда :

Т. к. > 1000, то определим по формуле:

По справочным данным [6] определяем теплопроводность воды:

- при 27,0 °С определяем 0,606 Вт/(мград).

Определим критерий Прандтля для воды :

Поправкой

пренебрегаем, т.к. в данном случае разность температур воды и стенки невелика.

Тогда :

Тогда :

Принимаем в качестве материала труб нержавеющую сталь, коэффициент теплопроводности которой = 17,5 [6, табл.XXVIII].

Принимаем среднее качество воды, при этом = 2900 Термическое сопротивление дистиллята принимаем = 5800

Тогда :

Проверим правильность допущений, принятых при расчете коэффициентов теплоотдачи.

Определим температура стенки со стороны дистиллята :

где - удельный тепловой поток, Вт/м².

Определим по формуле:

= К ( - );

= 396,35 (65 - 27) = 15061,3 (Вт/м²).

Тогда

Определяем при полученной температуре = 48 теплоемкости, коэффициенты динамической вязкости, коэффициенты теплопроводности для воды и уксусной кислоты по [6]:

- теплоемкости = 4190 Дж/(кг град) и =

= 2136.9 Дж/(кг град);

- коэффициенты динамической вязкости 0,568 мПа с, 0,812 мПа с;

- коэффициенты теплопроводности = 0,644 Вт/(м град), = 0,171 Вт/(м град).

Определим теплоемкость дистиллята при = 48 :

= 4190 0,97 + 2136.9 (1 - 0,97) = 4128.407 (Дж/(кг град)).

Определим динамический коэффициент вязкости для дистиллята при

= 48 :

= 10 ^ (0,991lg0,569 + (1 - 0,991) lg0,812) = 0,571 (мПа с).

Определим коэффициент теплопроводности дистиллята при = 48 :

(Вт/(м град)).

Тогда :

Тогда:

Таким образом, полученное значение мало отличается от единицы, следовательно, принятое допущение обосновано.

Определим температура стенки со стороны воды :

Определяем при полученной температуре = значения коэффициентов вязкости и теплопроводности для воды по [6]:

- коэффициент динамической вязкости 0,681 мПас;

- коэффициент теплопроводности = 0,62 Вт/(м град).

Тогда :

Тогда:

Таким образом, полученное значение мало отличается от единицы, следовательно, принятое допущение обосновано.

Требуемая поверхность теплообмена составит:

По справочным данным [3] принимаем согласно ГОСТ 15120-79 шестиходовой кожухотрубчатый с неподвижными трубными решетками и с температурным компенсатором на кожухе холодильник со следующими характеристиками:

Определим запас поверхности :

Расчет и подбор холодильника остатка

Холодильник остатка предназначен для охлаждения кубового остатка, отбираемого снизу колонны. Остаток охлаждается от = 111.5 °С до =

= 30,0 °С охлаждающей водой, которая при этом нагревается от = 17 до = 37 .

По справочным данным [6] значение коэффициента теплопередачи для холодильника дистиллята принимаем = 270 Вт/(м² град).

Определим среднюю разность температур :

Тогда :

По справочным данным [3] принимаем согласно ГОСТ 15120-79 двухходовой кожухотрубчатый с неподвижными трубными решетками и с температурным компенсатором на кожухе холодильник со следующими характеристиками:

Определим запас поверхности :

8. Расчет и подбор сырьевого насоса

Для подбора сырьевого насоса центробежного типа определим полный напор H, который должен обеспечить насос [6]:

где - давление в колонне в месте ввода сырья, Па;

- давление в емкости, из которой перекачивается сырьё, Па;

- плотность сырья при начальной температуре = 17 °С;

- геометрическая высота подъема жидкости, м;

- общие потери напора в всасывающей и нагнетательной линии, м.

Давление в колонне в месте ввода сырья равно сумме давления в верху колонны и гидравлического сопротивления тарелок верхней части. Т.к., согласно заданию, давление в колонне P=0.1, Мпа, то:

= 100000 +;

= 100000 + = 116367,922 (Па).

Принимаем, что сырье перекачивается из емкости с атмосферным давлением, тогда = 100000 Па.

По справочнику [6] определяем плотности воды и уксусной кислоты:

- при температуре = 17 °С получаем 998,3 кг/м³, 1051,6 кг/м³.

Тогда :

Определим :

= = 2,000 + 3,15 + 2,000 +

+ 0,400 1,200 = 10,95 (м).

определяется как:

= + ,

где - потери напора на линии всасывания, м;

- потери напора на линии нагнетания, м.

и определяются:

где - потери давления на всасывающей (нагнетательной) линии, Па.

определяется:

где л - коэффициент трения;

- длина линии всасывания (нагнетания), м;

- диаметр трубопровода, м;

- сумма коэффициентов местного сопротивления на всасывающей (нагнетательной линии);

- действительная скорость сырьевого потока, м/с.

определяется рассчитывается с учетом скоростного напора:

Определим диаметр трубопровода. Согласно рекомендациям [5] принимаем скорость сырья во всасывающей и нагнетательной линиях одинаковой и ориентировочно равной = 1,6 м/с.

Диаметр трубопровода :

Принимаем согласно справочным данным [5] трубы из нержавеющей стали 70-3 мм, с внутренним диаметром = 0,064 м. Тогда действительная скорость сырьевого потока составит:

Полученное значение скорости = м/с соответствует оптимальному диапазону скоростей [5].

Определим режим течения воды. Для этого рассчитаем значение критерия Рейнольдса Re [5]:

где - вязкость сырья при начальной температуре = 17 °С, Па с.

По справочным данным [6] определяем вязкости воды и уксусной кислоты:

- при температуре = 17 °С получаем 1,093 мПа с, 1,4 мПа с.

Тогда :

= 10 ^ (0,642 lg1,093 + (1 - 0,642) lg1,4) = 1,194 (мПа с).

Тогда :

Из полученного значения критерия Рейнольдса делаем вывод, что режим течения жидкости - турбулентный [5].

Принимаем, что трубы имеют незначительную коррозию, и принимаем значение абсолютной шероховатости стенок труб е = 0,0002 м.

Определяем значение коэффициента трения л по графику [6, стр. 22]:

- при отношении

и значении 10⁵ принимаем л = 0,0265.

Принимаем длину линии всасывания = 35 м и нагнетания = 60 м.

Принимаем на всасывающей линии следующие местные сопротивления и значения коэффициентов [5,6]:

- вход в трубу с острыми краями, = 0,5;

- 2 отвода под углом 90°, = 0,15 (с учетом отношения радиуса поворота трубы к внутреннему диаметру /= 2,0);

- 2 отвода под углом 45°, = 0,126 (с учетом отношения радиуса поворота к внутреннему диаметру /= 1);

- 2 прямоточных вентиля, = 0,599 (для = 64 мм, и <);

Принимаем на нагнетательной линии следующие местные сопротивления и значения коэффициентов [5,6]:

- выход из трубы = 1;

- 5 колен с углом 90°, = 1,1 (с учетом внутреннего диаметра = 63 мм);

- 2 отвода под углом 90°, = 0,15 (с учетом отношения радиуса поворота трубы к внутреннему диаметру /= 2,0);

- отвод под углом 60°, = 0,164 (с учетом отношения радиуса поворота трубы к внутреннему диаметру /= 1,0);

- нормальный вентиль, = 4,38 (с учетом внутреннего диаметра = 63 мм);

- прямоточный вентиль, = 0,599 (для внутреннего диаметра =

= 63 мм, и <);

Кроме того, на нагнетательной линии установлен подогреватель сырья

( = 4 [12]).

Тогда и :

16504,731 (Па).

Определим и :

Определим :

= + = 5,698 (м).

Тогда Н:

Определим полезную мощность насоса :

= F g H,

= 4,444 9,81 32,504 = 1417,033 (кВт).

Для центробежного насоса средней производительности примем общий КПД = 0,60. Тогда мощность, потребляемая двигателем насоса :

По справочным данным [5, стр.38] устанавливаем, что по заданным производительности 4,3 м³/с и напору следует выбрать центробежный насос со следующими характеристиками:

Т.к. имеем центробежный насос, то необходимо рассчитать для исключения кавитации запас напора [6]:

,

(м).

9. Подбор штуцеров

Необходимые штуцера принимаем в зависимости от требуемого диаметра :

где - массовый расход i-той среды, кг/с;

- скорость движения i-той среды, м/с;

- плотность i-той среды, кг/м³.

Расчет и подбор штуцера ввода сырья

Т. к. сырье подается в колонну посредствам насоса, то, согласно рекомендациям [5], принимаем ориентировочную скорость движения сырья на входе в колонну = 2,0 м/с.

По справочным данным [6] определяем плотности воды и уксусной кислоты:

- при температуре = 104,4 °С = 954,7 кг/м³, = 950,08 кг/м³.

Плотность сырья :

Тогда :

Принимаем по ОСТ 26-1404-76 [16] штуцер ввода сырья с условным диаметром = 80 мм. Тогда скорость сырья на входе в колонну :

Полученное значение соответствует оптимальному диапазону скоростей [5].

Расчет и подбор штуцера вывода дистиллята

Т. к. пары уходят из колонны за счет естественной тяги с давлением, близким к атмосферному, то, согласно рекомендациям [17], принимаем ориентировочную скорость движения паров дистиллята на выходе из атмосферной колонны = 40 м/с.

Количество паров, уходящих сверху колонны, равно сумме массовых расходов дистиллята D и флегмы Ф:

= D + Ф.

Определим расход флегмы Ф:

Ф = R D,

Ф = 2,718 1,277 = 3,471 (кг/с).

Тогда :

= 1,277 + 3,471 = 4,748 (кг/с).

Молярная масса паров, уходящих сверху колонны (см. п.3).

Определим плотность паров, уходящих сверху колонны :

Тогда :

Принимаем по ОСТ 26-1404-76 [16] штуцер вывода дистиллята с условным диаметром = 500 мм. Тогда скорость паров на выходе из колонны :

Полученное значение незначительно отличается от большего оптимального значения скорости [17].

Расчет и подбор штуцера ввода флегмы

Т. к. флегма возвращается в колонну насосом, то, согласно рекомендациям [4], принимаем ориентировочную скорость движения маловязкой флегмы на входе в колонну = 2,0 м/с.

По справочным данным [5] определяем плотности воды и уксусная кислота:

- при температуре = 100 °С = 958 кг/м³, = 958 кг/м³.

Плотность флегмы :

Тогда :

Принимаем по ОСТ 26-1404-76 [15] штуцер ввода флегмы с условным диаметром = 50 мм. Тогда скорость флегмы на входе в колонну :

Полученное значение соответствует оптимальному диапазону скоростей [5].

Расчет и подбор штуцера вывода кубового остатка

Т. к. кубовый остаток отбирается снизу колонны с помощью насоса, то, согласно рекомендациям [5], принимаем ориентировочную скорость движения остатка на выходе из колонны = 1,0 м/с.

По справочным данным [6] определяем плотности воды и уксусной кислоты:

- при температуре = 111,5 °С = 949,375 кг/м³, = 937,3 кг/м³.

Плотность остатка :

Тогда :

Принимаем по ОСТ 26-1404-76 [16] штуцер вывода остатка с условным диаметром = 80 мм. Тогда скорость остатка на входе из колонны :

Полученное значение соответствует оптимальному диапазону скоростей [5].

Расчет и подбор штуцера вывода горячей струи

Т.к. часть кубового остатка, направляемая в кипятильник (назовем кубовой жидкостью), выводится снизу колонны самотеком, то принимаем ориентировочную скорость движения на выходе из колонны = 0,7 м/с.

Плотность выводимой кубовой жидкости равно плотности остатка, т.е. = = .

Тогда :

Принимаем по ОСТ 26-1404-76 [16] штуцер вывода кубовой жидкости с условным диаметром = 200 мм. Тогда скорость кубовой жидкости на выходе из колонны :

Полученное значение соответствует оптимальному диапазону скоростей [5].

Расчет и подбор штуцера ввода горячей струи

Т. к. горячая струя возвращается в колонну за счет естественной тяги при давлении, несколько большим атмосферного, то, согласно рекомендациям [17], принимаем ориентировочную скорость движения горячей струи на входе в колонну = 26,0 м/с.

Молярная масса паров горячей струи :

(кг/кмоль).

Определим плотность паров горячей струи с учетом давления в кубе колонны:

Тогда :

Принимаем по ОСТ 26-1404-76 [16] штуцер ввода горячей струи с условным диаметром = 500 мм. Тогда скорость паров горячей струи на входе в колонну :

Полученное значение соответствует оптимальному диапазону скоростей [17].

Заключение

В данном курсовом проекте мы рассчитали и спроектировали ректификационную установку для разделения смеси вода - уксусная кислота. В ходе расчёта мы получили ректификационную колонну с диаметром 2,4 метра и высотой 23 метра. Также мы рассчитали и подобрали вспомогательное оборудование: подогреватель сырья, дефлегматор и кипятильник, холодильники дистиллята и кубового остатка, кроме того, подобрали сырьевой насос.

Нашей целью был также расчёт штуцеров для ввода сырья в колонну, отвода жидкости из куба, возврата флегмы, ввода горячей струи и для вывода дистиллята.

Данный ...