Спроектировать установку непрерывного действия

     Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

  б) нижней (исчерпывающей) части  колонны:

 

4.2. Определение скорости пара и диаметра колонны.

     Средние концентрации жидкости:

а) в  верхней части колонны

                

б) в  нижней части колонны:

           

     Средние концентрации пара находим  по уравнению рабочих линий:

а) в  верхней части колонны

б) в  нижней части колонны

             

     Средние  температуры пара определяем  по диаграмме t – (x, y) рис. 3.2.

а) при y` = 0,734      t` = 91,5 ⁰C

б) при y`` = 0,317     t``= 109 ⁰C

 

     Средние  мольные массы и плотности  пара:

     а)

     б)  

     Средняя плотность пара в колонне:

    Температура вверху колонны при x_D = 0,874 равняется t_D= 81,7 ⁰C, а в кубе – испарителе при x = 0,046 равняется t = 111,7 ⁰C. (см. рис. 3.2.)

     Плотность уксусной кислоты при 111,7 ⁰C ρ_У.К.= 936,94 кг/м , а бензола при 81,7 ⁰C ρ_Б  =813.13 кг/м . [5]

     Принимаем  среднюю плотность жидкости в  колонне:

     Определяя скорость пара ω в колонне по данным принимаем расстояние между тарелками h = 300мм, С = 0,032.

Объемный  расход проходящего через колонну  пара при средней температуре  в колонне t = (91,5 + 109)/2 = 100,25 ⁰C

                

где М_D - молярная масса дистиллята, равная

                     M_D= 0,874·78 + 0,126·60 = 75,7кг/кмоль.

     Диаметр колонны:

     По [2] принимаем D = 1600мм, тогда скорость пара в колонне будет:

 

4.3. Гидравлический расчет колпачковой тарелки.

     Принимаем следующие размеры  колпачковой тарелки:

Высота сливного порога h = 50мм.

     Диаметр патрубка принимают из  ряда: 50, 75, 100, 125, 150.

     Задаемся  диаметром патрубка 75мм.

     Диаметр  колпачка находим из условия  равенства скорости пара в  газовом патрубке и в кольцевом  сечении колпачка (т.е. если скорости  пара равны, то равны их площади).

     Примем  толщину стенки патрубка 3мм.

                

Принимаем ширину прорези b_пр=5 мм,

       высоту прорези h_пр=20 мм.  

 Количество колпачков на тарелке

Принимаем n = 45 штук.

Длина окружности колпачка:

Количество  прорезей

где а - расстояние между прорезями, а=4 мм

Принимаем n_пр.=38

 

Схема колпачка.

Рис. 3.1.

     На каждой тарелке колонны расположено по 45 колпачков, каждый из которых имеет по 38 прямоугольных прорезей размером b h = 5 20мм. Расстояние между прорезями 4мм; расстояние между тарелкой и верхним краем прорезей h = 30мм.

     Определяем  скорость пара в прорезях:

              

Гидравлическое сопротивление тарелки в колонне рассчитывается по формуле:

∆p = ∆p

+ ∆p +∆p

     Сопротивление сухой тарелки:

ξ – коэффициент сопротивления колпачковой тарелки, равен 3,0;

ω - скорость пара в прорезях, м/с;

- средняя плотность пара в  колонне.

     Сопротивление вызываемого силами  поверхностного натяжения:

 

σ=19,8·10^-3 H/м

σ – поверхностное натяжение, Н/м;

d - эквивалентный диаметр отверстия

     , где f – площадь свободного сечения прорези; П – периметр прорези.

Тогда

 

.

     Сопротивление столба жидкости на тарелке:

k – относительная плотность газожидкостного слоя, 0,5;

- средняя плотность жидкости  в колонне, кг/м³;

l – расстояние от верхнего края прорези до конца порога, 20мм;

∆h – градиент уровня жидкости, 10мм.

     Общее  сопротивление тарелки в колонне:

             ∆p_общ = 230 + 10 + 223 = 463 Н/м²

 

4.4. Определение числа тарелок и высоты колонны.

     На диаграмму х-у (см. рис.3.1.) наносим рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число теоретических тарелок. В верхней части колонны n` = 3, в нижней части колонны n`` = 3, всего 6 тарелок.

     Число тарелок рассчитываем по  уравнению:

                   

     Для определения среднего к.п.д. η тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов, и динамический коэффициент вязкости исходной смеси μ при средней температуре в колонне, равной 100,25 ⁰С.

     При этой температуре давление  насыщенного пара бензола 

P_Б= 1344 мм.рт.ст., уксусной кислоты P_У.К.= 420 мм.рт.ст. , откуда

.

     Динамический коэффициент вязкости  при 100,25 ⁰С бензола μ_Б=0,26·10 Па·с и уксусной кислоты μ_У.К.= 0,46·10 Па·с.

Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси

μ = 0,36·10 Па·с.

Тогда    αμ = 3,2· 0,36 = 1,15.

    По графику находим η_ср = 0,48 [5, стр. 323].

Длина пути жидкости на тарелке

                      l = D – 2b = 1600 – 2·300 = 1000 мм = 1,0 м.

По  графику находим ∆=0.03 [5, стр. 324]

Тогда

η = η (1+∆)=0,48(1+0,03)= 0,5

     Число действительных тарелок:

• в верхней части колонны

;

• в нижней части колонны

;

     Общие число тарелок n = 12, с запасом n_Т = 14, из них в верхней части колонны 7 и в нижней части 7 тарелок.

     Высота тарельчатой части колонны:

, с учетом добавки на люк:

 Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

 

 

4.5. Тепловой расчет установки.

 

Расход  теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре – конденсаторе:

          

     где: 

где r_Б, r_У.К.- удельные теплоты конденсации бензола и уксусной кислоты при 81,7 ⁰С.

 r_Б=391 кДж/кг, r_У.К.=388 кДж/кг [5, табл. XLV, стр. 541-542]

 

     Расход теплоты, получаемой в  кубе – испарителе от греющего пара:

Здесь тепловые потери приняты в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты: удельные теплоемкости взяты соответственно при t_D= 81,7 ⁰С, t = 111,7 ⁰С, t = 93,5 ⁰С, которые определены по рис. 3.2. [5, рис. XI, стр. 562]

 

     Расход теплоты в паровом подогревателе  исходной смеси:

 

Здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси с =2011,2 Дж/кг·К взята при средней температуре

(93,5 + 20)/2 = 57 ⁰С.

     Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей  воде в водяном холодильнике  дистиллята:

           

где удельная теплоемкость дистиллята с_D= 1885,5 Дж/кг·К взята при средней температуре (82 + 30)/2 = 56 ⁰С.

      Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей  воде в водяном холодильнике  кубового остатка:

            

где удельная теплоемкость кубового остатка с =2178,8 Дж/кг·К взята при средней температуре (111,7 + 30)/2 = 71 ⁰С.

     Расход греющего пара, имеющего  давление р =3 кгс/см² и влажность 5%:

а) в  кубе – испарителе:

               

б) в  подогревателе исходной смеси:

                 

 

Всего: 0,74 + 0,38 = 1,12 кг/с или 4 т/ч

     Расход охлаждающей воды при нагреве её на 20 ⁰С:

а) в  дефлегматоре

 

б) в  водяном холодильнике дистиллята

 

в) в  водяном холодильнике кубового остатка

 

Всего: 0,0877 м³/с или 316 м³/час.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ УСТАНОВКИ

 

5.1.Расчет толщины обечаек.[4]

     Исполнительную толщину стенки  аппарата, нагруженной внутренним избыточным давлением, рассчитывают по формуле:

                       

где p – внутреннее избыточное давление

р = ρ·g·h = 2,275·9,81·11,7 = 261,1 Па

ρ – средняя плотность пара в колонне; h – высота колонны.

     Так как среда является слабо агрессивной, то принимаем сталь Х18Н10Т, для которой = 134МПа.

С – прибавка к расчетным толщинам; С = ПТ_а= 0,1·20 = 2мм; П = 0,1мм/год – скорость коррозии; Т_а= 20лет – срок службы аппарата.

[ ] - допускаемое напряжение.

[ ] = η = 1·134 = 134МПа

η = 1 – поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки.

φ = 1 – коэффициент сварных швов.

По [4] толщину обечайки примем s = 6мм.

 

5.2. Расчет толщины днища и крышки.[4]

Эллиптические днище и крышка

Рис. 5.1.

Толщина стенки днища и крышки определяется по формуле:

R – радиус кривизны в вершине днища.

R = D – для эллиптических днищ с H = 0,25·D

H = 0,25·1600 = 400мм.

R = 1600мм.

     Принимаем толщину крышки и днища равной толщине стенки 6мм.

Длину цилиндрической отбортованной части днища по [4]  принимаем равной h₁ = 50мм.

 

5.3. Расчёт изоляции колонны.[4]

     Определим необходимую толщину слоя изоляции аппарата, внутри которого температура 111,7 ⁰С. Примем температуру окружающего воздуха t =10 ⁰С. Изоляционный материал – совелит.

Найдем  коэффициент теплоотдачи в окружающую среду лучеиспусканием и конвекцией:

α=9.74+0.07(t_ст- t_возд)= 9.74 + 0.07(35-10)=11.49 Вт/м²*К

t_ст - температура со стороны окружающей среды, t_ст= 35 ⁰С;

Найдем  удельный тепловой поток:

q= α(t_ст- t_возд)=11.49(35-10)= 287.25 Вт/м²

Принимая, что все термическое сопротивление  сосредоточено в слое изоляции, можно записать:

q= la(t_ст- t_возд)/b

где la= 0.098 – теплопроводность совелита,

b= la(t_ст- t_возд)/q = 0.098(111,7-10)/287,25 = 0,035 м

Т.к. наиболее горячая часть колонны – это куб, то для всей колонны можно принять ту же толщину изоляции.

 

 

5.4. Расчет штуцеров.[4]

     Расчет штуцеров сводится к  диаметру штуцера:

ω – скорость жидкости 2м/с, скорость пара 20м/с.

 

Штуцер  с приварным фланцем.

Рис. 5.2.

5.4.1 Штуцер для ввода исходной смеси.

V_F = G_F/r_F = 5,0/900,5 = 0,005 м³/с

где

              .

По  ОСТ 26-1404-76 примем штуцер с наружным диаметром 89мм, с условным проходом D_у=80 мм.

 

5.4.2 Штуцер для ввода флегмы.

По  ОСТ 26-1404-76 примем штуцер с наружным диаметром 45мм, с условным проходом D_у=40мм.

 

5.4.3 Штуцер для отвода кубового остатка.

V_w = G_w= 3,28 м³/с

     По ОСТ 26-1404-76 примем штуцер  с наружным диаметром 57мм, с условным проходом D_у=50мм.

 

5.4.4 Штуцер для вывода паров дистиллята.

V=G_D(R+1)/ρ_П

r_П = r' = 2,45 кг/м³ - плотность пара вверху колонны