Проектирование ректификационной установки для разделения смеси метиловый спирт - вода

                                                                                      (3.14)

 

где ρAi, ρBi – плотности легколетучего и труднолетучего при температурах txi, кг/м³.

Примечание 1: В этой и  последующих формулах индекс i относится либо к верхней, либо к нижней частям колонны.

кг/м³

 

 

 

кг/м³

 

 

 

   - динамические коэффициенты вязкости μ_ХВ, μ_ХН:

                                                   (3.15)

где μ_Ai, μ_Bi – динамические коэффициенты вязкости легколетучего и труднолетучего компонентов при t_xi, Па·с

 

Па·с

 

 

Па·с

 

   - коэффициент  диффузии D_XB, D_XH:

                                                                  (3.16)

где D_20,I – коэффициент диффузии бинарной смеси при t = 20°C, м/с

Температурный коэффициент bi в уравнении может быть определен по эмпирической формуле:

                                                                                          (3.17)

где μ_xi – динамический коэффициент вязкости жидкости при t = 20°C, мПа/с

ρ_xi – плотность жидкости при t = 20°C, кг/м³

 

Коэффициент диффузии D20,i рассчитывают по формуле:

                                             (3.18)

 

где V_A, V_B – мольные объемы растворенного вещетва и растворителя, см3/моль;

А = 1.19    и В = 4.7 - коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя.

м²/с

м²/с

 

 

 м²/с

 м²/с

 

- поверхностное натяжение σ_В, σ_Н:

                                                                                                   (3.19)

 

где σ_Ai, σ_Bi – поверхностное натяжение исходных веществ при t_xi, Н/м

 

- мольные расходы L_XB, L_XH:

 

                                                                                                      (3.20)

                                                                                          (3.21)

 

По формуле [1, с283] найдем:

 

где

       кг/кмоль

 

 

где   

 кг/кмоль

 

 

- массовые расходы L_XB, L_XH:

 

                                                                                                (3.22)

кг/с

 

                                                                                             (3.23)

кг/с

 

- объемные расходы V_XB, V_XH:

 

                                                                                                            (3.24)

                                                                                                           (3.25)

 

б) для паровой фазы в верхней и нижней частях колонны

    - мольные составы Y_АВ и Y_АН определяем по уравнениям рабочих линий (     ) и (       ) при подстановки в них X_AB и X_AH:

 

 

- мольные массы M_YB, M_YH:

 

                                                                       (3.26)

кг/кмоль

 кг/кмоль

 

- массовые составы Y_АВ и Y_АН:

 

                                                                                                    (3.27)

 

- средние температуры t_YВ и t_YН определяем по диаграмме t - x,y при соответствующих значениях y_АВ и y_АН (в приложении):

 

t_YB = 72.44°C

t_YH = 88.77°C

 

- плотности ρ_YВ и ρ_YН

                                                                        (3.28)

где ρ_Ai, ρ_Bi – плотности легколетучего и труднолетучего при температурах t_yi, кг/м³.

Плотности ρ_Ai, ρ_Bi определяются по уравнению Клапейрона:

где ρ₀ – плотность пара при нормальных условиях (T₀=273K, P₀=760 мм.рт.ст.), кг/м³;

T_i – средняя температура пара, К;

P – среднее давление в колонне, мм.рт.ст.

 

                                                                                       (3.29)

кг/м³

кг/м³

 

 

 

 

 

 

 

 

кг/м³

кг/м³

 

 

 

 

- динамические коэффициенты  вязкости μ_YВ, μ_YН:

                                                                        (3.30)

где μ_Ai, μ_Bi – динамические коэффициенты вязкости легколетучего и труднолетучего компонентов при t_yi, Па·с

 

Па·с

Па·с

 

 

 

 

 

   - коэффициент диффузии D_YB, D_YH:

                                                               (3.31)

где P – среднее давление в колонне, ат.

м²/с

 

м²/с

 

- удельная теплота конденсации  паров дистиллята:

                                                                            (3.32)

где r_A, r_B -  удельные теплоты конденсации паров веществ А и В при температуре дистиллята t_D, кДж/кг;

y_D – массовая доля легколетучего компонента в парах дистиллята (при использовании дефлегматора y_D=x_D)

 кДж/кг

- мольный расход пара, который  принимается постоянным по высоте  колонны:

                                                                                             (3.33)

кмоль/с

 

- массовые расходы G_YB, G_YH:

                                                                                   (3.34)

 

 

кг/с

 

кг/с

- объемные расходы V_YB, V_YH:

                                                                               (3.35)

м³/с

м³/с

 

Примечание 2: Все теплофизические  свойства компонентов в п.3.1.1 и  п.3.1.2 смотри в [3]

 

3.1.3 Расчет теплового баланса колонны

 

Расход теплоты в  кубе-испарителе простой полной колонны  при использовании греющего пара:

                                                   (3.36)

где Q_K – расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью в кубе колонны при конденсации греющего пара, кВт.

Q_Д – расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре, кВт.

C_D, C_W, C_F – удельные теплоемкости дистиллята, кубового остатка и питания, кДж/кг·К.

t_D, t_W, t_F – температуры кипения дистиллята, кубового остатка и питания, °С

Найдем по диаграмме  «Зависимость температуры от равновесных  составов пара и жидкости» (приложение) температуры кипения:

t_F = 71.81°C

t_D = 66.97°C

t_W = 98.02°C

Определим расход теплоты, передаваемой в дефлегматоре, по формуле:

                                                                                         (3.37)

кВт

Определим удельные теплоемкости питания, кубового остатка и дистиллята:

                                                                                (3.38)

кДж/кгК

                                                                                (3.39)

 кДж/кгК

                                                                               (3.40)

 кДж/кгК

Тогда:

 кВт

 кВт

Расход греющего пара, подаваемого  в куб колонны:

                                                                                                  (3.41)

где G_гр.п. – расход греющего пара, кг/с;

       r_гр.п. - удельная теплота парообразования, кДж/кг

Из уравнения (3.41) следует, что:

кг/с

 

3.2 Выбор основного конструктивного  материала

 

В качестве основного  конструкционного материала узлов  и деталей теплообменных и  колонных аппаратов выберем сталь  марки 12Х18Н10Т. Это углеродистая высоколегированная коррозионностойкая сталь І группы (хромоникелевая). Она применяется в среднеагресивных средах, отличается высокой прочностью и термостойкостью.

Характеристики стали 12Х18Н10Т:

а) скорость коррозии в  рабочей среде

     П < 0.1·10-3 м/год;

б) предельные значения температуры  по условиям морозоустойчивости и термостойкости t_min = -253°C, t_max = 600°C.

 

3.3 Гидравлический расчет для  ректификационной колонны с решетчатыми  тарелками

 

Гидравлический расчет решетчатых тарелок начинают с определения  рабочей скорости пара (газа). При  этом необходимо отметить две особенности:

во-первых, рабочая скорость пара (газа) для решетчатых тарелок  принимается равной скорости пара (газа) в сечении колонны, т.е. S_раб = S = 0.785D², несмотря на то, что диаметр тарелки несколько меньше, чем внутренний диаметр колонны

во-вторых, рабочая скорость пара (газа) должна находиться в области устойчивой работы решетчатой тарелки

Для определения рабочей скорости пара (газа) выберем следующую формулу:

где w_пр – предельная скорость пара (газа), м/с. d_экв – эквивалентный диаметр щели (удвоенная величина ширины щели: для b = 6 мм d_экв = 0.012 м), м. ω – относительное свободное сечение тарелки. μx – динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с. В – коэффициент, равный 2.95 для нижнего  и 10 для верхнего пределов работы тарелки. μ_В – динамический коэффициент вязкости воды при температуре равной 20°С.

Для предварительного расчета  величины wпр задаются ω = 0.15 и В = 6 и определяют рабочую скорость пара (газа), а затем – рабочую скорость w = 0.8·w_пр

 

а) для верхней части колонны:

м/с

 

б) для нижней части  колонны:

м/с

 

Диаметр колонны определим  по объемному расходу пара (газа):

                                                                                                   (3.42)

где V_y – объемный расход пара(газа), м³/с; w – скорость пара(газа) в колонне, м/с

а) для верхней части  колонны:

м

б) для нижней части колонны:

м

Результат округляют до ближайшего стандартного значения D = 2.0 м. Далее уточняют скорость пара (газа) по уравнению:

                                                                                          (3.43)

При расчете процесса ректификации, как правило, выбирают один и тот  же диаметр колонны для обеих  частей: верхней и нижней.

 

Скорректируем коэффициент В с  учетом найденной рабочей скорости пара (газа) по соотношению

                                                                                          (3.44)

где В₁ – предварительно принятое значение коэффициента при соответствующих значениях предельной скорости пара (газа) w_пр1 свободного сечения тарелки ω₁; w – скорость пара (газа) для выбранной стандартной колонны, м/с; ω – относительное свободное сечение тарелки для выбранной стандартной колонны.

Для выбранной стандартной колонны  должно быть выполнено условие: 2.95<B<10.

а) для верхней части  колонны:

м/с

а) для нижней части колонны:

м/с

Высота газожидкостного (барботажного) слоя рассчитывается по следующим формулам:

                                                                                 (3.45)

где - критерий Фруда (оптимальный); w₀ – скорость пара (газа) в свободном сечении (щелях) тарелки, м/с; h_г-ж – высота газожидкостного (барботажного) слоя, м; С – коэффициент.

Коэффициент С определяется по соотношению:

                                                                                       (3.46)

где U – плотность орошения, м³/(м²с); μ_x – динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с; σ – поверхностное натяжение, Н/м.

В уравнении подставляется  уточненный коэффициент В. Скорость пара (газа) в щелях определяется по уравнению:

 

w₀ = w/ω                                                                                              (3.47)

Плотность орошения (приведенная  скорость жидкости) U рассчитывается по формуле: