Файл: Министерство науки и высшего образования российской федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования тюменский .docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.11.2023
Просмотров: 137
Скачиваний: 4
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Удельная теплоемкость и теплота испарения смеси в верхнем сечении колонны при 55 оС:
rD= 0,96 • 347,500 + 0,04 • 203,000 = 341,72 кДж/кг
cD = 0,96 • 1,024 + 0,04 • 0,915 = 1,02 кДж/кг • град
Приход и расход тепла с материальными потоками:
L • (е • rL + cL • tL) = 6,500 • (0,38 • 252,88 + 0,98 • 71,5) = 1078,0 кВт
| | | | | Ёист | ||
| | | | | | КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ | |
| Изи | Ёист | № докум. | Подпись | Дата | | 7 |
D-cx-tx = 2,543 • 1,010 • 35 = 89,9 кВт
W • cw • tw = 3,957 • 0,95 • 80,5 = 303,0 кВт
Тепло, которое отводится в конденсаторе - холодильнике:
d' = 2,543[341,72 • (1 + 2,8) + 1,02 • 55 - 1,010 • 35] = 3368,7 кВт
Через кипятильник в нижнюю часть колонны подводят тепло В, количество которого определяем по уравнению общего теплового баланса:
В = 89,9 + 303,0 + 3368,7 - 1078,0 = 2683,6 кВт
Учитывая тепловые потери в окружающую среду это количество тепла, можно увеличить на 10%, то есть В = 2952,0 кВт.
Результаты расчёта теплового баланса представлены в таблице 2.3.
Таблица 2.3 - Тепловой баланс колонны
| Поток | Температура, оС | Расход, кг/с | Количество тепла, кВт |
| Приход С сырьём | 71,5 | 6,500 | 1078,0 |
| В кипятильнике | - | - | 2952,0 |
| Итого | - | - | 4030,1 |
| Расход С дистиллятом | 35 | 2,543 | 89,9 |
| С остатком | 80,5 | 3,957 | 303,0 |
| В конденсаторе - холодильнике | | | 3368,7 |
| Потери | - | - | 268,4 |
| Итого | - | - | 4030,1 |
(2.14)
Количество холодного орошения (Ох):
| | | | | Ёист | ||
| | | | | | КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ | Q |
| Изи | Ёист | № докум. | Подпись | Дата | | 8 |
55 35
ЧП ЧЖ
25
где d= r ■ d ■ rD- тепло орошения, кВт; = rD + cD - tD- энтальпия пара, уходящего с верха колонны, кДж/кг; дЖ = сх - tx - энтальпия холодного орошения, подаваемого на верхнюю тарелку, кДж/кг.
Ох = = 6,75 кг/с
х 341,72 + 1,02-55-1,010-35
Теплоноситель в кипятильнике колонны - насыщенный водяной пар с абсолютным давлением 1 атм., температурой 99,1 оС и теплотой конденсации 2264 кДж/кг [8].
Определяем расход водяного пара для подогрева низа колонны:
V
VВ. П.
В
гв.п ■ Л
(2.15)
где гв.п - теплота конденсации водяного пара, кДж/кг; п — коэффициент удержания тепла.
Учитывая коэффициент удержания тепла (в среднем для теплообменников п= 0,95):
^ВЛ. =
2952,0
2264-0,95
1,37 кг/с
Определяем расход воды в конденсаторе - холодильнике:
VB =
(2.16)
где св = 4,19 кДж/кгтрад - удельная теплоёмкость воды.
3368,7
= 40,2 кг/с
4,19-20
| | | | | Ёист | ||
| | | | | | КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ | п |
| Изи | Ёист | № докум. | Подпись | Дата | | 9 |
-
Определение внутренних материальных потоков в ректификационной колонне
Количество жидкости в верхней секции колонны:
о = R • D = 2,8 • 2,543 = 7,16 кг/с (2.17)
Определяем расход пара в верхней секции колонны как сумму количеств орошения и дистиллята:
(2.18)
(2.19)
V = 0 +D = 7,16 + 2,543 = 9,70 кг/с
Объёмный расход пара:
22,4 • V -(273 +1)• Po
Mcp ■ 273 -л
cp
где Ро=760 мм рт.ст. - атмосферное давление; Мср - средняя мольная масса смеси компонентов в паре.
Средняя температура укрепляющей части колонны, при которой содержание сероуглерода в паре составляет 0,75:
0,5(tD + tL) = 0,5(55 + 71,5) = 63,25 оС (2.20)
Тогда
Мср = у'м • Мм + у\• Му = 0,625 ♦ 76 + (1 - 0,625) • 154 = 105,3 (2.21)
-
Уц =
2,03 м3/с
• 9,70 • (273 + 63,25) • 760
-
• 273 • 950
Плотность паров:
| | | | | Ёист | ||
| | | | | | КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ | |
| Изи | Ёист | № докум. | Подпись | Дата | | 0 |
(2.22)
рП — Г — ^ — 4,77 кг/м3
Vn 2,03
Определяем плотность жидкости для любого сечения колонны:
Рж
Рсу'Рчху
Рсу 'Хчху+Р чху 'хсу
(2.23)
где Хсу, хЧху - массовые доли сероуглерода и четыреххлористого углерода в жидкой фазе; рсу, рчху - их плотности при расчётной температуре, кг/м3.
В укрепляющей части колонны при температуре 63,25 оС хсу=0,4034; хчху=0,20.
рсу=1443 кг/м3; рчху=1127 кг/м3; [9]
Тогда
Рж
1194,15-1509,53
1194,15-0,5966+1509,53-0,4034
1364,19 кг/м3.
Объёмный расход жидкости:
Уж = О — = 0,005 м3/с;
ж рж 1364,19 ’
Аналогичный расчёт проводим для исчерпывающей части колонны.
Массовый расход жидкой фазы:
0я — О + (1 - e)L — 7,16 + (1 - 0,38) - 6,500 = 11,19 кг/с
Массовый расход паровой фазы:
- ^ = п,19 - 3,957 = 7,23 кг/с
Объёмный расход пара
1,20 м3/с,
| | | | | Ёист | ||
| | | | | | КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ | |
| Изи | Ёист | № докум. | Подпись | Дата | | 11 |
17// _ 22,4-7,23(273 + 76,0)-760 _
Ип — —
П 138,0-273-950
где Мср= 0,2049 - 76 + (1 — 0,2049) - 154 = 138,0 - средняя мольная масса паров при 76,0 оС.
Плотность паров
рП= 723 = 6,02 кг/м3.
П 1,20
Плотность жидкости
Рж
1444,75 кг/м3,
1171,8-1480,2
1171,8-0,91 + 1480,2-0,09
где 0,09 и 0,91 - массовые доли сероуглерода и четыреххлористого углерода; 1171,8 и 1480,2 - их плотности при 76,0 оС. [9]
Объёмный расход жидкости
V0 = = 0,008 кг/с.
ж 1444,75
2.2 Гидравлический расчет
Чтобы определить основные размеры колонны проводят гидравлический расчёт.
Гидравлический расчёт производим в следующем порядке:
-
задать расстояние между тарелками, определить максимальную расчётную скорость пара, -
рассчитать диаметр колонны, свободное сечение тарелок и диапазон их устойчивой работы, -
определить гидравлическое сопротивление тарелки, величину уноса жидкости с тарелки и работу переливных устройств [7].
2.2.1 Выбор расстояния между тарелками
Ёист
КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ
Изи
Ёист
№ докум.
Подпись
Дата
2
Расстояние между тарелками принимаем Н=500 мм, правильность принятого значения проверится последующими расчётами.
Тарелки клапанного типа [7].
2.2.2 Определение диаметра колонны
По максимально допустимой скорости пара wMakC и объёму паров V определяем диаметр колонны:
4V
Я'^макс
м.
(2.24)
Нормальный ряд диаметра колонны (в м), который предусматривает
равномерное увеличение площади поперечного сечения колонны при переходе
от одного диаметра к другому:
1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,6; 1,8; 3,0; 3,2; 3,4; 3,6; 3,8; 4,0; 4,5; 5,0;
5,5; 6,0; 6,4; 7,0; 8,0; 9,0.
Максимально допустимая скорость пара в колонне с переливными
тарелками:
ШМАКС = сМАКС
Рж РП
Рп
м/с
(2.25)
Коэффициент смакс зависит от следующих факторов: тип тарелки, расстояние между тарелками, нагрузка по жидкости на единицу длины слива и определяется:
Смокс = 8,47 ■ 10-5[Ki ■ К2 ■ С1 - С2(Л - 35)] (2.26)
где К1 - коэффициент, определяемый в зависимости от типа тарелки из таблицы 2.4; К2=1 при расстоянии между тарелками Н>350 мм; С1 - коэффициент, определяемый по рисунку 2.2 в зависимости от расстояния
Ёист
КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ
Им
Ёист
№ докуп.
Подпись
Дата
13
между тарелками; С2 - коэффициент, равный 4, для всех типов тарелок, кроме струйной, для которой он равен 5.
Рисунок 2.2 - График зависимости коэффициента С1 от расстояния между тарелками Н
Таблица 2.4 - Значения коэффициента Ki
Тип тарелки
Ki
Колпачковая тарелка
1,0
Тарелка из S-образных элементов
i,0
Клапанная тарелка
1,15
Ситчатая и струйная тарелка
1,2
Струйная тарелка с отбойниками
1,4
Влияние нагрузки по жидкости на производительность колонны по пару учитывается величиной X:
Л = 39,3
z
К1'С1 1рж-Рп
vnJРп
(2.27)
где Vж и Vn - объёмные расходы жидкости и пара в м3/с [7].
При расчёте X принимаем однопоточную тарелку, т.е. z=1.
Для клапанной тарелки и Н=500 мм:
Ёист
КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ
Изи
Ёист
№ докум.
Подпись
Дата
14
К1=1,15; К2=1; С=650 и С2=4.
Диаметр колонны определяется для укрепляющей и отгонной частей колонны.
Укрепляющая часть колонны:
39,3 - 0,005
1,15 - 650
2,03
1364,19- 4,77
= 16,25
4,77
СМАКС= 8,47 • 10-5[1,15 - 650 - 4(16,25 - 35)] = 0,07
_ _ /1364,19-4,77 _
4,77
^МАКС = 0,07 I = 1,18 м/с
„ 4-2,03 .
D = I = 1,48 м
-
1,18
Отгонная часть колонны:
39,3 - 0,008
1,15 - 650
1444,75 - 6,02
1
1,20 л|
6,02
л
N
л =
29,86
СМАКС = 8,47-10-5[1,15-650-4(29,86-35)] = 0,065
п /1444,75-6,02 . п. ,
ШМАКС = 0,065| — = 1,01 м/с
/ 4-1,20 л
D = I = 1,23 м
-
1,01
Поскольку диаметры верхней и нижней частей колонны незначительно различаются, то принимаем, что диаметр колонны одинаков для обеих частей колонны и равен 1,6 м.
Ёист
КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ
'IT
Изи
Ёист
№ докум.
Подпись
Дата
15
Определим фактические скорости паров в верхней и нижней частях колонны:
ш = 42,032 = 1,012 м/с
-
1,62
4-1,20 п .
а> = = 0,597 м/с.
-
1,62
К концентрационной части колонны скорость паров в 1,69 раза больше, чем в отгонной, а нагрузка по жидкости в 1,48 раза меньше при примерно одинаковых физических свойствах пара и жидкости по высоте колонны. Условия работы тарелок будут примерно одинаковыми, что также подтверждается при расчёте диаметра колонны. Поэтому все гидравлические расчёты производим только для концентрационной части колонны.
-
Основные размеры тарелки
Примем однопоточные клапанные тарелки типа ТКП модификации Б. При диаметре клапана 50 мм, отверстии под клапаном 40 мм и расстоянии между центрами отверстий 75мм такая тарелка имеет согласно АТК 26-02-1-89
следующие характеристики [10]:
-
диаметр колонны, D 1,6 м
-
свободное сечение колонны, FK 2,01 м2
-
рабочее сечение тарелки, Fp 1,65 м2
-
периметр слива, П 1,12 м
-
сечение перелива, Fn 0,18 м2
-
относительное свободное сечение тарелки, е 10,5 %
-
длина пути жидкости на тарелке, 1ж 1,12 м
-
высота сливной планки, hn 0,06 м
Ёист
КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ
'LL
Изи
Ёист
№ докум.
Подпись
Дата
6
-
Диапазон устойчивой работы тарелки
Диапазон устойчивой работы тарелки:
d = ^МАКС. (2.28)
ШМИН
Минимально допустимая скорость паров:
шмин = F= (2.29)
ДРп
где рп - плотность пара, кг/м3; FCB= £- FK- свободное сечение тарелки [7].
ШМИН =
5-0,105-2,01
0,48 м/с
1,18
0,48
= 2,4
Возможно уменьшение производительности колонны в 2,4 раза без заметного понижения эффективности разделения.
-
1 2 3 4 5 6 7
| | | | | Ёист | ||
| | | | | | КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ | |
| Изи | Ёист | № докум. | Подпись | Дата | | 2 |
Нормальный ряд диаметра колонны (в м), который предусматривает
равномерное увеличение площади поперечного сечения колонны при переходе
от одного диаметра к другому:
1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,6; 1,8; 3,0; 3,2; 3,4; 3,6; 3,8; 4,0; 4,5; 5,0;
5,5; 6,0; 6,4; 7,0; 8,0; 9,0.
Максимально допустимая скорость пара в колонне с переливными
тарелками:
ШМАКС = сМАКС
Рж РП
Рп
м/с
(2.25)
Коэффициент смакс зависит от следующих факторов: тип тарелки, расстояние между тарелками, нагрузка по жидкости на единицу длины слива и определяется:
Смокс = 8,47 ■ 10-5[Ki ■ К2 ■ С1 - С2(Л - 35)] (2.26)
где К1 - коэффициент, определяемый в зависимости от типа тарелки из таблицы 2.4; К2=1 при расстоянии между тарелками Н>350 мм; С1 - коэффициент, определяемый по рисунку 2.2 в зависимости от расстояния
| | | | | Ёист | ||
| | | | | | КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ | |
| Им | Ёист | № докуп. | Подпись | Дата | | 13 |
между тарелками; С2 - коэффициент, равный 4, для всех типов тарелок, кроме струйной, для которой он равен 5.
Рисунок 2.2 - График зависимости коэффициента С1 от расстояния между тарелками Н
Таблица 2.4 - Значения коэффициента Ki
| Тип тарелки | Ki |
| Колпачковая тарелка | 1,0 |
| Тарелка из S-образных элементов | i,0 |
| Клапанная тарелка | 1,15 |
| Ситчатая и струйная тарелка | 1,2 |
| Струйная тарелка с отбойниками | 1,4 |
Влияние нагрузки по жидкости на производительность колонны по пару учитывается величиной X:
Л = 39,3
z
К1'С1 1рж-Рп
vnJРп
(2.27)
где Vж и Vn - объёмные расходы жидкости и пара в м3/с [7].
При расчёте X принимаем однопоточную тарелку, т.е. z=1.
Для клапанной тарелки и Н=500 мм:
| | | | | Ёист | ||
| | | | | | КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ | |
| Изи | Ёист | № докум. | Подпись | Дата | | 14 |
К1=1,15; К2=1; С=650 и С2=4.
Диаметр колонны определяется для укрепляющей и отгонной частей колонны.
Укрепляющая часть колонны:
39,3 - 0,005
1,15 - 650
2,03
1364,19- 4,77
= 16,25
4,77
СМАКС= 8,47 • 10-5[1,15 - 650 - 4(16,25 - 35)] = 0,07
_ _ /1364,19-4,77 _
4,77
^МАКС = 0,07 I = 1,18 м/с
„ 4-2,03 .
D = I = 1,48 м
-
1,18
Отгонная часть колонны:
| 39,3 - 0,008 | 1,15 - 650 | 1444,75 - 6,02 |
| 1 | 1,20 л| | 6,02 |
| л | N | |
л =
29,86
СМАКС = 8,47-10-5[1,15-650-4(29,86-35)] = 0,065
п /1444,75-6,02 . п. ,
ШМАКС = 0,065| — = 1,01 м/с
/ 4-1,20 л
D = I = 1,23 м
-
1,01
Поскольку диаметры верхней и нижней частей колонны незначительно различаются, то принимаем, что диаметр колонны одинаков для обеих частей колонны и равен 1,6 м.
| | | | | Ёист | ||
| | | | | | КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ | 'IT |
| Изи | Ёист | № докум. | Подпись | Дата | | 15 |
Определим фактические скорости паров в верхней и нижней частях колонны:
ш =
-
1,62
4-1,20 п .
а> = = 0,597 м/с.
-
1,62
К концентрационной части колонны скорость паров в 1,69 раза больше, чем в отгонной, а нагрузка по жидкости в 1,48 раза меньше при примерно одинаковых физических свойствах пара и жидкости по высоте колонны. Условия работы тарелок будут примерно одинаковыми, что также подтверждается при расчёте диаметра колонны. Поэтому все гидравлические расчёты производим только для концентрационной части колонны.
-
Основные размеры тарелки
Примем однопоточные клапанные тарелки типа ТКП модификации Б. При диаметре клапана 50 мм, отверстии под клапаном 40 мм и расстоянии между центрами отверстий 75мм такая тарелка имеет согласно АТК 26-02-1-89
следующие характеристики [10]:
-
диаметр колонны, D 1,6 м -
свободное сечение колонны, FK 2,01 м2 -
рабочее сечение тарелки, Fp 1,65 м2 -
периметр слива, П 1,12 м -
сечение перелива, Fn 0,18 м2 -
относительное свободное сечение тарелки, е 10,5 % -
длина пути жидкости на тарелке, 1ж 1,12 м -
высота сливной планки, hn 0,06 м
| | | | | Ёист | ||||
| | | | | | КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ | 'LL | ||
| Изи | Ёист | № докум. | Подпись | Дата | | 6 | ||
-
Диапазон устойчивой работы тарелки
Диапазон устойчивой работы тарелки:
d = ^МАКС. (2.28)
ШМИН
Минимально допустимая скорость паров:
шмин = F= (2.29)
ДРп
где рп - плотность пара, кг/м3; FCB= £- FK- свободное сечение тарелки [7].
ШМИН =
5-0,105-2,01
0,48 м/с
1,18
0,48
= 2,4
Возможно уменьшение производительности колонны в 2,4 раза без заметного понижения эффективности разделения.
-
1 2 3 4 5 6 7
Гидравлическое сопротивление тарелки
Гидравлическое сопротивление тарелки АР - сумма сопротивлений сухой тарелки АРс и слоя жидкости на тарелке АРж и сопротивления, которое обусловлено силой поверхностного натяжения АРО.
В основном величиной АРО пренебрегают и определяют АР как сумму:
(2.30)
АР = АРС +AP--
Ёист
КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ
'in
Ёист
№ докуп.
Подпись
Дата
17
Потеря скоростного напора пара на преодоление местных сопротивлений на сухой, неорошаемой тарелке определяет величину АРс:
ДРс = ^гРп , (2.31)
где ao=a/s- скорость пара в отверстиях, м/с; % - коэффициент
сопротивления сухой тарелки (таблица 2.5) [7].
ДРС = 36 • (—V•4,77 = 798,10 Па
L 2 \0,105/
Таблица 2.5 - Значения коэффициентов сухой тарелки
Тип тарелки
Величина %
Колпачковая
4,0-5,0
Из S - образных элементов
4,1
Клапанная
3,6
Ситчатая
1,1-2,0
(2.32)
Сопротивление слоя жидкости на клапанной тарелке определяют по высоте слоя светлой жидкости на тарелке:
АРЖ(hn + Ah)pK ’ g,
где Ah - высота подпора жидкости над сливной планкой, м.
Определяем высоту подпора жидкости над сливной планкой [7]:
Ah = 0,68^^^| , м.
(2.33)
Учитывая высоту сливной планки hn=0,06 м, объёмный расход жидкости Vж=0,005 м3/с и периметр слива П=1,12 м, рассчитываем сопротивление слоя
жидкости на тарелке:
Гидравлическое сопротивление тарелки АР - сумма сопротивлений сухой тарелки АРс и слоя жидкости на тарелке АРж и сопротивления, которое обусловлено силой поверхностного натяжения АРО.
В основном величиной АРО пренебрегают и определяют АР как сумму:
(2.30)
АР = АРС +AP--
| | | | | Ёист | ||
| | | | | | КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ | 'in |
| | Ёист | № докуп. | Подпись | Дата | | 17 |
Потеря скоростного напора пара на преодоление местных сопротивлений на сухой, неорошаемой тарелке определяет величину АРс:
ДРс = ^гРп , (2.31)
где ao=a/s- скорость пара в отверстиях, м/с; % - коэффициент
сопротивления сухой тарелки (таблица 2.5) [7].
ДРС = 36 • (—V•4,77 = 798,10 Па
L 2 \0,105/
Таблица 2.5 - Значения коэффициентов сухой тарелки
| Тип тарелки | Величина % |
| Колпачковая | 4,0-5,0 |
| Из S - образных элементов | 4,1 |
| Клапанная | 3,6 |
| Ситчатая | 1,1-2,0 |
(2.32)
Сопротивление слоя жидкости на клапанной тарелке определяют по высоте слоя светлой жидкости на тарелке:
АРЖ(hn + Ah)pK ’ g,
где Ah - высота подпора жидкости над сливной планкой, м.
Определяем высоту подпора жидкости над сливной планкой [7]:
Ah = 0,68^^^| , м.
(2.33)
Учитывая высоту сливной планки hn=0,06 м, объёмный расход жидкости Vж=0,005 м3/с и периметр слива П=1,12 м, рассчитываем сопротивление слоя
жидкости на тарелке:
| | | | | Ёист | ||
| | | | | | КЛ.18030Ю3-3ОЗО/31к543.2О230ОЛЗ | |
| Изи | Ёист | № докум. | Подпись | Дата | | 8 |
=
0,06+ 0,68
0,005\0,67
1,12 )
• 1364,19 • 9,81 = 1053,30 Па
Находим общее сопротивление тарелки:
ДР = 798,10 + 1053,30 = 1851,40 Па
-
Определение межтарельчатого уноса жидкости
Оптимальный унос жидкости должен быть менее 0,1. Для клапанных
тарелок унос жидкости равен:
e=
A• (0,052^ -1,72)
Нр•у1
3,7
а
\£ОТ
(2.34)