Ректификационной установки для разделения бинарной установки

По табличным  данным f = 1,13 м²; П = 0,818 м ; σ = 20,525* 10^-3 Н/м. 

d_э = 4*1,13/0,818 = 5,5 мм.

∆ρ_σ = 4*20,525*10^-3 / 0,0055 = 14,93 Па 

Сопротивление парожидкостного слоя на колпачковой тарелке

 

∆р_пж = 1,3Ʀρ_ж (l + + ∆h) g 

     где  g – ускорение свободного падения, м/с²;  Ʀ - относительная плотность газожидкостного слоя (пены)   [ при расчетах принимают приближенно Ʀ = 0,5]; ρ_ж – плотность жидкости , кг/м³; l – расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога, м ;  е – высота прорези , м ; ∆h – высота уровня жидкости над сливным порогом, м ;

Величина ∆h определяется по формуле истечения через водослив с учетом плотности пены:

∆h  = ^2/3 

где  -  V_ж -  объёмный расход жидкости, м³/с ; П – периметр слива, м ; Ʀ = 0,5. 

V_ж = м³/с. 

Где М_ср = 0,625*78+(1-0,625)*60 = 71,25 кг/кмоль – средняя молярная масса жидкости.  

Периметр сливной  перегородки П и ширину сливного порога b определяем из системы уравнений

                                      (П/2)² + (R_т – b )² = R²_т

                                      0,1πR_т² = (2/3)Пb 

     Где R_т – радиус тарелки ; (2/3) Пb – приближенное значение площади сегменте.

При решении  системы получаем b = 0.16м.

     Определяем  значение  ∆h

∆h = ^2/3  =( ^2/3 = 0,01м. 

     Теперь  мы сможем рассчитать сопротивление  парожидкостного слоя .

Примем   l= 0,015м.

                 е = 0,020м.

                  ρ_ж = 839,02 кг/м³ 

      ∆р _пж =  1,3*0,5*839,02(0,015 + 0,020/2 + 0,01) *9,81 = 374,5 Па 

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней  части колонны  

∆рʹ =  ∆р_т + ∆р_σ + ∆р _пж = 2,9+14,93+374,5 = 392,33 Па 

     Выполняем аналогично расчеты для нижней части  колонны: 

∆р_т = ζ  

∆р_σ = 4σ/d_э   = 4*18,439*10^-3 / 0,0055 = 13,41 Па 

(σ =18,439 *10^-3 Н/м – поверхностное натяжение жидкости при t = 108,2C);

V_ж = м³/с. 

М_ср = 0,205*78+(1-0,205)*60 = 63,69 кг/кмоль 

∆h = ^2/3  =( ^2/3 = 0,02м. 

 ∆р_пж=1,3Ʀρ_ж (l + + ∆h)g =1,3*0,5*898,52(0,015 + + 0,02)*9,81= 257,82Па 

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны  

∆р" =  ∆р_т + ∆р_σ + ∆р _пж = 2,49+13,41+257,82 = 273,72 Па 

Проверим расстояние между тарелками h = 0,3, необходимое для нормальной их работы

h ˃ 1.8 *  

Проверка производится для нижней части колонны, в которой  гидравлическое сопротивление больше, чем в нижней части 

     

h ˃ 1,8 * м 

Таким образом, указанное выше условие соблюдается  ( h = 0,3 м ˃ 0,15 м). 
 
 
 
 

5. Расчет высоты ректификационной колонны.

  Для определения числа тарелок используем метод теоретических тарелок. Число ступеней (рис.1), построенных между рабочими линиями и равновесной кривой. Соответствует числу теоретических тарелок п_т . В верхней части колонны п_тʹ = 5, п_т" = 3.

     Число необходимых тарелок рассчитывается по уравнению п = п_т /η, где η – средний КПД тарелок . Величина η определяется из графической зависимости [ 1, c.145, рис.5] η = f (μα), где μ – вязкость исходной смеси при средней температуре в колонне, мПа*с; α = Р_нк / Р_вк – коэффициент относительной летучести компонентов исходной смеси; Р_нк и Р_вк – давление насыщенного пара низкокипящего и высококипящего компонента при той же температуре (t_ср = 98,65ºС).

     При средней температуре в колонне  давление насыщенного пара бензола     Р_Б = 1299,72 мм.рт.ст. и давление насыщенного пара уксусной кислоты Р _УК = 400,395 мм.рт.ст. [3, c.533, рис.XI], откуда α = 1299,72/400,395 = 3,25.

     Динамическая  вязкость бензола при температуре  в колонне 98,65ºС  равна   μ_Б = 0,265 мПа*с, уксусной кислоты – μ_Б = 0,467 мПа*с [3, c.525 , рис. Ш].

     Рассчитаем  значение динамической вязкости питания при 98,65ºС по формуле   μ_см = μ₁^х1 * μ₂^х2, где х_i , μ_i – молярная  доля и вязкость i – го компонента.

     Динамическая  вязкость смеси исходного состава (x_F = 0.41 мол. доли) равна

μ_см = 0,265^0,35 * 0,464^0,65 = 0,381мПа*с 

     Тогда значение μα = 3,25*0,381= 1,238 . По графику [1, c.145, рис.5] определяем средний КПД тарелок η = 0,45.

Длина пути , проходимого жидкостью на тарелке

          

l =  D – 2 b = 1.2-2*0.03 = 1,14 м.

     При определении среднего КПД в колоннах большого диаметра (с длинной пути жидкости на тарелке l ˃0,9 м) рекомендуется к значениям , найденным по графику [1, c.145, рис.5], добавлять поправку ∆ 

η _l = η (1+∆) . 

Значения поправки  ∆ для смесей μα = 0,1-1,0  приведены  на графике             [1, c.145, рис.6]. По этому графику находим значение поправки на длину пути ∆= 0,13 . Средний КПД тарелок составит 

                                                                  η _l = η (1+∆) = 0,45*(1+0,13) = 0,5085 

     Число тарелок в верхней и нижней частях колонны

п_тʹ = 5/0,5085 = 10; п_т" = 3/0,5085 =6.

     Питающая  тарелка десятая снизу.

Общее число  тарелок п = 16. Высота тарельчатой ректификационной колонны будет равна

Н = (п – 1) h + H_в + Н_н = (16 – 1)*0,3 + 1,5 + 1,5 = 7,5 м.

     где  - H_в = 1,7м, Н_н = 1,3м – расстояние соответственно между верхней  тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой [3, c.525 , рис. Ш].

     Общее гидравлическое сопротивление тарелок  составит 

∆р = ∆рʹ пʹ  + ∆р" п"  = 392,33*10 + 273,72*6 = 5565,62 Па 

       Тепловой поток , получаемый в кубе-кипятильнике от греющего пара, определяется по уравнению 

Q_K = Q_D + G_Dc_Dt_D +  G_Wc_Wt_W – G_Fc_Ft_F + Q_пот

     где  Q_D – тепловой поток , отдаваемый конденсирующимися парами охлаждающей воде в дефлегматоре, Дж/кг; c_D , c_W, c_F – удельные теплоемкости дистиллята , кубового остатка и питания , Дж/(кг*К) ;

t_D, t_W, t_F - соответствующие температуры, ºС. Тепловые потери Q_пот принимают в размере 3,,,,5 % от полезно затрачиваемой теплоты.

Количество теплоты, отдаваемое конденсирующимся паром  охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, вычисляется по уравнению

 

                                            Q_D = G_D (1+R) r_D 

     где   r_D = _D r_нк + (1+ _D) r_нк -  удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре, Дж/кг; r_нк, r_вк удельные теплоты конденсации низкокипящего и высоко кипящего компонента при температуре вверху колонны, Дж/кг.

     Удельные теплоты конденсации бензола и уксусной кислоты при t = 80,8С вверху колонны равны r _Б = 393,264 кДж/кг, r _УК = 0 кДж/кг [3, c.509 , рис.XLI].Тогда  

r_D = _D r_Б + (1+ _D) r_УК = 0,92*393,264 + (1-0,92)*0 = 361,80кДж/кг. 

Тепловой  поток, отдаваемый конденсирующимися  парами охлаждающей воде в дефлегматоре

 

Q_D = G_D (1+R) r_D = 0,79(1+0,833)*361,80 = 523,91 кДж/кг. 

     Температура в верху колонны при х_D = 0.9 равняется t _D = 80,8°C,  а в кубе – кипятильнике при x_W = 0.06 она равна  t _W = 118,6°C. Температура кипения исходной смеси при x_F = 0.35 составляет  t _F = 91,9 °C.( рис.2)

     При этих температурах по правилу аддитивности вычисляют удельные теплоёмкости жидких фаз [3, c.531 , рис.IX] : 

c_D = _Dc_Б+(1- _D) c_УК = 0,92*0,484*4190+(1-0,92)*0,534*4190=2,044кДж/(кг*К) 

c_W=_Wc_Б+(1- _W)c_УК =0.077*0.519*4190+(1-0.077)*0.603*4190=2,49кДж/(кг*К) 

c_F = _F c_Б +(1- _F) c_УК = 0.41*0.497*4190 +(1-0.41)*0.56*4190 =2,238кДж/(кг*К) 

     Принимаем тепловые потери Q_пот  в размере 5%  от полезно затрачиваемой теплоты и определяем тепловой поток, получаемый в кубе – кипятильнике от греющего пара

 

Q_к =1,05(523,91+0,79*2,044*80,8+ 2,49*118,6*1,21-2,0*2,238*91,9)=565,27кВт. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. Тепловой расчёт дефлегматора.

     Определяем  тепловую нагрузку Q теплового аппарата исходной смеси. Тепловой поток, необходимый для нагрева равен  

Q_D = G_D c_D (t_н – t_к)

 

     где  Q_D – расход теплоносителя, кг/с ; c_D – удельная теплоёмкость теплоносителя, Дж/(кг*К); t_н, , t_к  - начальная и конечная температуры теплоносителя, °С.

На основании  уравнения теплового баланса  Q₁ = Q₂ определяют расход другого теплоносителя . При изменении агрегатного состояния теплоносителя определяется из уравнения

 

Q = G_в. r_в. 

     где G_в– расход подаваемой воды, кг/с;  _. r_в. – удельная теплота испарения, Дж/кг.

 

Q_D = 523,91 кВт. 

     Для конденсации используют воду  с  температурой 15 ºС . удельная теплота испарения =2458,45 кДж/кг.

 

G_в. =  Q/r_в. =523,91/2458,45=0,21 кг/с. 

     Средняя температура смеси в дефлегматоре будет равняться  (80,8+15)/2=47,9°C.