Расчет ректификационной колонны (стр. 3 из 7)
где σ=20*10-3 Н/м— поверхностное натяжение жидкости; d0=0,004 м — эквивалентный диаметр прорези.
Па.Сопротивление газожидкостного слоя принимаем равным:
, (1.34) 
где hпж – высота парожидкостного слоя, м; ; k — отношение плотности пены к плотности чистой жидкости, принимаем к=0,5;
h— высота уровня жидкости над сливным порогом, м. По таблице 3 [7] h=0,01м. 
Подставив, полученные значения получим гидравлическое сопротивление:
Па.Сопротивление всех тарелок колонны:
, (1.35)где п— число тарелок.
Па.1.7 Проверка расстояния между тарелками
Минимальное расстояние между тарелками должно обеспечить работу гидравлического затвора на тарелке. Проверим, соблюдено ли при расстоянии Н=0,3 м - необходимое для нормальной работы тарелок условие:
, (1.36) 
.Так как 0,3>0,0846 условие выполняется, расстояние подобрано верно.
1.8 Тепловые расчеты
Целью расчета является определение расхода греющего пара на обогрев колонны. По диаграмме t- x- y находим температуру кипения и соответствующую ей удельную теплоемкость:
Исходной смеси:
tF=85° C
св=4357,6 Дж/(кг·К)
сэ=3289,2 Дж/(кг·К)
Дистиллята:
tD=79° C
св=4231,9 Дж/(кг· К)
сэ=3226,3 Дж/(кг· К)
Кубового остатка:
tW=99° C
св=4609 Дж/(кг·К)
сэ=3477,7 Дж/(кг·К)
Для расчета удельных теплот испарения смесей этанола с водой принимаем следующие значения чистых веществ [6]:
rвF=1961·103 Дж/кг
rэF=822·103 Дж/кг
rвD=2009·103 Дж/кг
rэD=844·103 Дж/кг
rвW=1936·103 Дж/кг
rэW=815·103 Дж/кг
Расчет ведем на массовые количества:
, (1.37) 
. (1.38)Для исходной смеси при
=28 %: 
Дж/(кг·К),Для дистиллята при
=86 %: 
Дж/(кг·К), 
Дж/кгДля кубового остатка
=0.5%:cw=3477.7·0.005+4609(1-0.005)=4603 Дж/(кг·К),
Расход теплоты на испарение исходной смеси определяем по формуле:
, (1.39)где GД – расход дистиллята, кг/с.
кВт.Расход теплоты на испарение дистиллята определяем по формуле:
(1.40) 
кВт.Расход теплоты на нагревание остатка определяем по формуле:
(1.41) 
кВт.Общий расход теплоты в кубе колонны (без учёта потерь в окружающую среду):
(1.42) 
кВт.С учётом 3% потерь в окружающую среду общий расход теплоты:
кВт. (1.43)Давление греющего пара P=300 кПа, (3 атм) по табл LVII [4] соответствует удельная теплота конденсации rгр=2171·103 Дж/кг
Расход греющего пара:
, (1.44) 
кг/с.1.8.1 Расчёт и выбор теплообменного аппарата для подогрева исходной смеси
Необходимые для расчета заданные параметры:
GF=3,06 кг/с;
tсм=20°C;
аF=28%; tF=95,6°C;
P=300кПа.
Целью теплового расчёта является определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответственно при заданных температурах оптимальными гидродинамические условия процесса и выбор стандартизованного теплообменника.
Из основного уравнения теплопередачи:
(1.45)где F – площадь теплопередающей поверхности, м2;
Q – тепловая нагрузка аппарата;
К – коэффициент теплопередачи Вт, (м2·к);
∆tср средний температурный напор, °К.
Определяем тепловую нагрузку:
, (1.46)где Gхол – массовый расход этанола, кг/с;
схол – средняя удельная теплоёмкость этанола Дж/кг·с;
t2, t1 – конечная и начальная температуры этанола, °С,
X= 1.05 – коэффициент учитывающий потери тепла в окружающую среду.
Средняя температура этанола:
, (1.47) 
.Этому значению температуры этанола соответствует значение теплоёмкости С=2933 Дж/кг·К:
Q=3,06·2933·(95,6-20) ·1,05=712·103 Вт.
Расход пара определяем из уравнения:
Q=D·r, (1.48)
D – расход пара, кг/с;
r – средняя теплота конденсации пара Дж/кг.
Из формулы (1.48) следует, что
, 
.Расчёт температурного режима теплообменника.
Цель расчёта – определение средней разности температур ∆tср и средних температур теплоносителей tср1 и tср2.
Для определения среднего температурного напора составим схему движения теплоносителей (в нашем случае схема противоточная)
Тн=132,7 пар Тн =132,7°С∆tм = Тн - tк =132,7-85=47,7
∆tб = Тн – tн =132,7-20=112,7
.tк=85 этиловый спирт tн =20°С
∆tм = 47,7
∆tб = 112,7
Тн выбираем по табл. XXXIX [4]
tср1 = Тн=132,7 °С, т.к. температура пара в процессе конденсации не меняется.
т.к
, то 
(1.49) 
,∆ tср= tср1-tср2=132,7-75,8=56,9°С.
Температура одного из теплоносителей (пара) в аппарате не изменяется, поэтому выбор температурного режима окончателен.
Ориентировочный расчёт площади поверхности аппарата. Выбор конструкции аппарата и материалов для его изготовления.
Ориентировочным расчётом называется расчёт площади теплопередающей поверхности по ориентировочному значению коэффициента теплопередачи К, выбранному из [4]. Принимаем К=900 Вт/(м2К), тогда ориентировочное значение площади аппарата вычислим по формуле (1.45):
(1.50),
Учитывая, что в аппарате горячим теплоносителем является пар, для обеспечения высокой интенсивности теплообмена со стороны метанола необходимо обеспечить турбулентный режим движения и скорость движения метанола в трубах аппарата
2= 1,0 м/с [4].Для изготовления теплообменника выбираем трубы стальные бесшовные диаметром 25х2мм. необходимое число труб в аппарате n, обеспечивающее такую скорость, определим из уравнения расхода:
(1.51) 
.Такому числу труб в одном ходе n=12 шт, и площади поверхности аппарата F=13,9≈14 м2 по ГОСТ15118-79 и ГОСТ 15122-79 наиболее полно отвечает двухходовой теплообменник диаметром 325 мм, с числом труб 56 (в одном ходе 28 шт.), длинной теплообменных труб 4000 мм и площадью поверхности F=13м2.
1.8.2 Расчет дефлегматора
Тепловую нагрузку дефлегматора определим из теплового баланса.
Таблица 2— Тепловой баланс для дефлегматора
| Приход теплоты | Расход теплоты |
1. С паром из колонны  2. С охлаждающей водой  | 3. С дистиллятом  4. С охлаждающей водой  |
Приход теплоты