Расчет ректификационной установки для разделения бинарной смеси этиловый спирт-вода (стр. 5 из 6)

уср.н = 0,5(yF + yW) (17)

уср.н = 0,5×(0,362 + 0,011) = 0,19

tср.н = 82,5° С

Средние молярные массы паров:

(18)

Мср.в = 0,55×46,10 + 0,45×18,00 = 33,46 кг/кмоль

Аналогично для Мср.н:

Мср.н = 0,19×46,10 + 0,77×18,00 = 23,34 кг/кмоль

Расход пара:

Gв = Р(R + 1)Мср.в /Мр (19)

Gв = 1226,42×(1,48+1)×33,46/39,10 = 2604,13 кг/ч

Gн = Р(R + 1)Мср.н /Мр (20)

Gн = 1226,42×(1,48+1)×23,34/39,10 = 1816,51 кг/ч

3.4 Массовые расходы жидкости в верхней и нижней части колонны

Средние концентрации жидкости:

хср.в = (хF + xр) / 2 (21)

хср.в = (0,1 + 0,75)/2 = 0,425

хср.н. = (хF + xW) / 2 (22)

хср.н = (0,1 + 0,01)/2 = 0,055

Средние молярные массы жидкости:

(23)

Мср.в = 0,425×46,1 + 0,575×18,0 = 29,943 кг/кмоль

(24)

Мср.н = 0,055×46,1 + 0,945×18,0 = 19,546 кг/кмоль

Расход жидкости:

Lв = PRMcр.в / Мр (25)

Lв = 1226,42×1,48×29,943/39,08 = 1390,73 кг/ч

Lн = PRMcр.н/Мр+FMcр.н /МF (26)

Lн = 1226,42×1,48×19,546/39,08 +5000,00×19,546/20,81 = 5604,13 кг/ч

4 Расчет диаметра колонны

4.1 Плотности компонентов

По диаграмме t - x, y* (рис 6), находим температуры исходной смеси, дистиллята и кубового остатка: tF = 86,80°C; tp = 77,50°C: tW = 96,0°C

Рис 6 – t-x,y диаграмма системы этиловый спирт – вода

Таблица 3 - Плотности компонентов при различных температурах, кг/м3

t, ºCвещество	86,80	77,50	96,0
этанол	739	732	727
вода	975	968	962

Плотность жидкости:

(27)

1/(0,22/732+0,78/968) = 903,34 кг/м3

(28)

= 1/(0,82/739+0,18/975) = 772,20 кг/м3

(29)

= 1/(0,025/727+0,975/962) = 954,20 кг/м3

Средняя плотность жидкости в верхней и нижней части:

rвж = 0,5(rжF + rжр) (30)

rвж = 0,5×(903,34 + 772,20) = 837,77 кг/м3

rнж = 0,5(rжF + rжW) (31)

rнж = 0,5×(903,34 + 954,20) = 928,77 кг/м3

Плотность паров на питающей тарелке:

(32)

28,136×273/[22,4×(273+82,5)] = 0,964 кг/м3

МпF = 0,362×46,1 + 0,638×18,0 = 28,136 кг/моль

Плотность паров в верхней части:

(33)

rпв = 29,94×273/[22,4×(273+79)] = 1,037 кг/м3

Плотность паров в нижней части:

(34)

rпн = 28,68×273/[22,4×(273+82,5)] = 0,983 кг/м3

4.2 Скорость пара в колонне

Скорость пара в верхней части колонны:

, (35)

где С = 0,059 (при расстоянии между тарелками 400 мм) – коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузке колонны по жидкости (рис 7).

wпв = 0,059×[(837,70 – 1,037)/1,037]1/2 = 1,68 м/с

Рис 7 – Значение коэффициента С

А, Б – для колпачковых тарелок с круглыми колпачками; В – для ситчатых тарелок

Скорость пара в нижней части колонны:

, (36)

wпн = 0,059×[(928,77 – 0,983)/0,983]1/2 = 1,81 м/с

4.3 Диаметр колонны

· в верхней части:

(37)

DB= [0,723 /(1,037×0,785×1,68)]1/2 = 0,73 м

Gв= 2604,13/3600 = 0,723 кг/с

· в нижней части:

(38)

DH= [0,505/(0,983×0,785×1,81)]1/2 = 0,61 м

Gн= 1816,5/3600 = 0,505 кг/с

После определения диаметра колонны по уравнениям (37)-(38) уточним его в соответствии с имеющимися нормалями. Принимаем диаметр колонны 600 мм, тогда действительная скорость пара составит:

· в верхней части

wпв = 1,68×(0,73/0,6)2 = 1,044 м/с;

· в нижней части

wпн = 1,81×(0,61/0,6)2 = 1,84 м/с.

4.4 Характеристика тарелки (рис 8,9)

Принимаем тарелки типа ТС (ОСТ 26-01-108-85):

Исполнение I – неразборное;

Диаметр тарелки – 580,00 мм (рис 9);

Высота тарелки – 40мм;

Свободное сечение колонны – 0,28 м2;

Рабочее сечение тарелки – 0,165 м2;

Свободное сечение тарелки – 0,51 м2;

Относительное свободное сечение тарелки (при dотверстий=5 мм) – 7,23%;

Шаг между отверстиями принимаем 13 мм;

Периметр слива – 0,570 м;

Сечение перелива – 0,012 м2;

Относительная площадь перелива – 4,1%;

Масса – 16,0 кг;

Расстояние между тарелками – 300 мм;

Высота сливного порога – 30 мм;

Высота царги – 900 мм;

Число тарелок в царге – 3.

Рис 8 – Устройство ситчатых тарелок

Рис 9 – Основание тарелки по ОСТ 26-01-108-85

5 Расчет числа тарелок

5.1 Средний КПД тарелки

Вязкость жидкости на питающей тарелке:

lnm = х×lnmA + (1 – x)×lnmB (39)

где mА = 0,44 мПа×с – вязкость этанола;

mВ = 0,31 мПа×с – вязкость воды;

lnmж = 0,22×ln0,44 + (1 – 0,22)×ln0,31.

Откуда m = 0,33 мПа×с.

Коэффициент относительной летучести:

a = рА/рВ (40)

a=1120/525 = 2,13

где рА = 1120 мм рт.ст. – давление насыщенного пара этанола;

рВ = 525 мм рт.ст. – давление насыщенного пара воды.

Произведение am = 2,13×0,33 = 0,704

По диаграмме для приближенного определения КПД тарелки (рис 10) находим значение h=0,56.

h

am

Рис 10 – Диаграмма для приближенного определения КПД тарелки

Тогда число тарелок:

· в верхней части колонны

nв = nвТ/h (41)

nв = 6/0,51 = 12;

· в нижней части колонны

nн = nнТ/h (42)

nн = 3/0,51 = 6.

5.2 Высота колонны

Принимаем расстояние между тарелками Нт = 300 мм, тогда высота нижней и верхней части составит:

Нн = (Nн – 1)Нт (43)

Нн = (6 – 1)×0,3 = 1,5 м;

Нв = (Nв – 1)Нт (44)

Нв = (Nв – 1)Нт = (12 – 1)×0,3 = 3,3 м.

Толщина тарелки – 0,04 м;

Высота сепарационного пространства – 0,7 м;

Высота кубового пространства – 2,3 м;

Высота опоры – 1,2 м;

Общая высота колонны:

Н = 1,2 + 2,3 + 0,7 + 18·0,04+ 3,3 + 1,5 =9,6 м

6 Гидравлический расчет колонны

6.1 Гидравлическое сопротивление сухой тарелки

DРс = xwп2 rп / (2j2) (45)

где j = 0,10 – относительное свободное сечение тарелки;

x = 1,5 – коэффициент сопротивления тарелки (Приложение Е).

· нижняя часть:

DРсн = 1,5×1,682×1,037 / (2×0,1002) = 219,51 Па

· верхняя часть:

DРсв = 1,5×1,812×0,983 / (2×0,1002) = 241,53 Па

6.2 Гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения

s = 0,5(sА + sВ) (46),

где sА = 0,017 Н/м - поверхностное натяжение этанола;

sВ = 0,059 Н/м – поверхностное натяжение воды.

s = 0,5×(0,017 + 0,059) = 0,038 Н/м

DРб = 4s/dэ (47)

где dэ = 0,005 м – диаметр отверстий.

DРб =4×0,038/0,005 = 30,4 Па

6.3 Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя

DРсл = grжh0 (48)

где h0 –высота светлого слоя жидкости на тарелке.

h0 = 0,787q0,2hп0,56wТm[1 – 0,31exp(– 0,11m)](sж/sи)0,09 (49)

где q = L/rП – удельный расход жидкости;

П = 0,57 м – периметр сливного устройства;

hП = 0,03 м – высота сливного порога;

wт = wпSк/Sт – скорость пара отнесенная к рабочей площади тарелки;

sв = 0,059 Н/м – поверхностное натяжение воды

m – показатель степени m = 0,05 – 4,6hп = 0,05 – 4,6×0,03 = – 0,088

· нижняя часть:

hон = 0,787×[1,56/(928,77×0,57)]0,2×0,030,56×(1,81×0,502/0,41) – 0,088´

´[1 – 0,31×exp(– 0,11×0,33)]×(0,038/0,059)0,09 = 0,022 м

· верхняя часть:

hов = 0,787×[0,39/(837,77×0,57)]0,2×0,030,56×(1,68×0,502/0,41) – 0,088´

´[1 – 0,31×exp(– 0,11×0,33)]×(0,038/0,059)0,09 = 0,017 м

DРн.сл = 928,77×9,8×0,022 = 198,49 Па

DРв.сл = 837,77×9,8×0,017 = 139,57 Па

6.4 Полное сопротивление тарелки

DР = DРс + DРб· + DРсл(50)

DРн =219,51 + 30,40 + 198,49 = 448,40 Па

DРв = 241,53 + 30,40 + 139,57 = 411,5 Па

6.5 Суммарное гидравлическое сопротивление рабочей части колонны

DРк = 448,40×6 + 411,5×12 =7629,6 Па

7 Тепловой расчет колонны

7.1 Расход теплоты отдаваемой воде в дефлегматоре

Qд = Р(1 + R)rр (51)

Qд = 0,34×(1+1,8) 1173,24 = 1116,92 кВт

где rр – теплота конденсации флегмы

rр = rA

+ (1 – )rв (52)

rр = 0,82×882 + (1 – 0,82)×2500 = 1173,24 кДж/кг

где rA = 882 кДж/кг – теплота конденсации этанола, кДж/кг

rв = 2500 кДж/кг–теплота конденсации воды, кДж/кг

В качестве охлаждаемого агента принимаем воду с начальной температурой 20°С, и конечной 30°С, тогда средняя разность температур составит:

Dtб = 77 – 20 = 57° С

Dtм = 77 – 30 = 47° С

Dtcр = (Dtб + Dtм) / 2 (53)

Dtcр = (57 + 47) / 2 = 52,0° С

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи:

К = 400 Вт/(м2×К), тогда требуемая поверхность теплообмена

F = Qд / (KDtср) (54)

F= 1116,92×103/(400×52,0) = 54 м2

Принимаем стандартный кожухотрубчатый конденсатор с диаметром кожуха 600 мм и длиной труб 4 м, для которого поверхность теплообмена равна 63 м2 (Приложение Д).

Расход охлаждающей воды

Gв = Qд / [св(tвк – tвн)] (55)

Gв = 1116,92/[4,19×102·(30 – 20)] = 0,27 кг/с

7.2 Расход теплоты в кубе испарителе

Qк = 1,03(Qд + Рсрtр + Wcwtw – FcFtF) (56)

гдеср – теплоемкость дистиллята, кДж/(кг×К);сw– теплоемкость кубового остатка, кДж/(кг×К); сF– теплоемкость исходной смеси, кДж/(кг×К); 1,03 – коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду.