|
t, °C
|
Pтол
|
Pксил
|
П
|
|
|
|
мм рт. ст.
|
|
|
|
110,6
|
759,38
|
282,81
|
760
|
1,001
|
1,000
|
|
112
|
790,07
|
295,83
|
760
|
0,939
|
0,976
|
|
114
|
835,59
|
315,27
|
760
|
0,855
|
0,940
|
|
116
|
883,15
|
335,72
|
760
|
0,775
|
0,901
|
|
118
|
932,8
|
357,23
|
760
|
0,700
|
0,859
|
|
120
|
984,61
|
379,84
|
760
|
0,629
|
0,814
|
|
122
|
1038,6
|
403,58
|
760
|
0,561
|
0,767
|
|
124
|
1095
|
428,5
|
760
|
0,497
|
0,717
|
|
126
|
1153,6
|
454,63
|
760
|
0,437
|
0,663
|
|
128
|
1214,7
|
482,02
|
760
|
0,379
|
0,606
|
|
130
|
1278,2
|
510,72
|
760
|
0,325
|
0,546
|
|
132
|
1344,3
|
540,76
|
760
|
0,273
|
0,483
|
|
134
|
1413
|
572,2
|
760
|
0,223
|
0,415
|
|
136
|
1484,4
|
605,07
|
760
|
0,176
|
0,344
|
|
138
|
1558,6
|
639,42
|
760
|
0,131
|
0,269
|
|
140
|
1635,5
|
675,3
|
760
|
0,088
|
0,190
|
|
142
|
1715,3
|
712,75
|
760
|
0,047
|
0,106
|
|
144,4
|
1815
|
759,85
|
760
|
0,000
|
0,000
|
Рис. 1. Диаграмма равновесия между паром и жидкостью в координатах
Y - X
Из диаграммы получим 
0,61 кмоль / кмоль смеси. -
Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются
рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение Rопт можно
найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики
оценки Rопт используют приближенные вычисления, основанные на
определении коэффициента избытка флегмы (орошения): b = R/Rmin, где Rmin - минимальное флегмовое число:
(1.3)
При этом коэффициент избытка флегмы будет равен:
Уравнение рабочей линии верхней части колонны (укрепляющая
часть колонны):
,
где 
- отрезок на оси У.
Y = 0,669 ∙ X + 0,301
Уравнение рабочей линии нижней части колонны (исчерпывающая
часть колонны):
,
где 
- отрезок на оси У.
Y = 1,357 ∙ X - 0,01
2.
Определение объемов пара и жидкости, проходящих через колонну
2.1
Средний мольный состав жидкости
а) в верхней части колонны
кмоль / кмоль смеси (2.1)
б) в нижней части колонны
кмоль / кмоль смеси (2.2)
.2
Средние мольные массы жидкости
а) в верхней части колонны
кг/кмоль (2.3)
б) в нижней части колонны
кг/кмоль (2.4)
Мольная масса исходной смеси
кг/кмоль (2.5)
Мольная масса дистиллята
кг/кмоль (2.6)
Мольная масса кубового остатка
кг/кмоль (2.7)
.3
Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости
а) в верхней части колонны
кг/с (2.8)
б) в нижней части колонны
кг/с (2.9)
3.
Скорость пара и диаметр колонны
3.1
Температуры паров
Средние температуры паров определим по диаграмме t - х, у.
Данная диаграмма представляет собой совмещенный график
зависимостей температуры кипения жидкости от ее состава и температуры
насыщенных паров от их состава. Для ее построения используются данные расчета
равновесных составов паровой и жидкой фаз (таблица 2). Вначале в координатах t-х наносят точки,
соответствующие температурам кипения жидкости и равновесным ее концентрациям Х.
Через найденные точки проводят плавную линию, которая носит название линии
кипения жидкости (рис. 2). Затем на эту же диаграмму наносят точки, соответствующие
температурам кипения и равновесным составам пара У*. Полученные
точки так же соединяют плавной линией, которая называется линией насыщения (или
конденсации) рис. 2.
Диаграмма t-х-у является основой для технологического расчета процессов
разделения жидких смесей ректификацией, поскольку с ее помощью по известным
значениям составов паров и жидкостей в любой точке аппарата определяются
значения локальных температур, а так же решается обратная задача.
Температура кипения исходной смеси 
128,0 0С
Температура кипения дистиллята 
112,5 0С
Температура кипения кубового остатка 
143,2 0С
а) Средняя температура пара в верхней части колонны
при 
0С
б) Средняя температура пара в нижней части колонны
при 
0С
Рис. 2. Диаграмма равновесия между паром и жидкостью в координатах
t-x, y
3.2
Плотности паров в колонне
а) в верхней части колонны
кг/м³ (3.1)
б) в нижней части колонны
кг/м³ (3.2)
в) Средняя плотность пара в колонне:
кг/м³ (3.3)
3.3
Плотности жидкостей в колонне
Определим плотность жидкости, находящейся в колонне:
Плотности жидких ксилола и толуола близки. Температура кипения
дистиллята при 
0,912 равняется 112,5 0С, температура кипения
кубового остатка при 
равняется 143,2 0С.
Плотность жидкого ксилола (вверху колонны) 
868,1 кг/м³
Плотность жидкого толуола (внизу колонны) 
880,8 кг/м³
Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:
(3.4)
.4
Предельная скорость паров в колонне
Фиктивную скорость пара (она же предельно - допустимая) можно
рассчитать по различным методикам, изложенным в справочной литературе. При
этом, скорость рассчитывается отдельно для верхней и нижней частей колонны. Для
колпачковых тарелок предельную скорость рассчитываем по формуле:
(3.5)
здесь wn - скорость пара в м/с; dк - диаметр колпачка в м; hк - расстояние от верхнего края колпачка до
вышерасположенной тарелки, м.
Предварительно примем 
, расстояние между тарелками 
, высоту колпачка 
, 
Тогда:
Примем рабочую скорость пара на 30% меньше предельной:
Средняя скорость паров в колонне:
3.5
Диаметр колонны
Диаметр колонны рассчитаем по уравнению:
(3.6)
(3.7)
Рационально принять стандартный диаметр обечайки 
Объемный расход паров:
Объемный расход паров в верхней части колонны:
Объемный расход паров в нижней части колонны:
4.
Определение числа тарелок и высоты колонны
Построим рабочие линии и ступени изменения концентраций для верхней
(укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей колонны (рис. 3) и находим число
ступеней изменения концентрации nт. В верхней части колонны n’т 
6, в нижней части n’’т 8, всего 14 ступеней.
Рис. 3. Построение рабочих линий по диаграмме Y - X
Число тарелок: 
Для определения среднего к.п.д. тарелок η
находим коэффициент
относительной летучести разделяемых компонентов α = Рт/Рк и коэффициент
динамической вязкости исходной смеси μ при средней температуре в колонне, равной
129,3оС.
РТ = 1413 мм рт. ст.
Рк = 572,2 мм рт. ст.
μт = 0,218 мПа∙с = 0,218∙10-3 Па∙с
μк = 0,279 мПа∙с = 0,279∙10-3 Па∙с
Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси
(4.1)
Тогда: α = 1413/572,2 = 2,48
αμ = 2,48∙0,249
= 0,617
Пусть КПД тарелок 
.
Пусть КПД тарелок .
Длина пути жидкости при равна 
что больше 0,9 м, следовательно,
необходимо ввести поправку на длину пути 
.
Для сравнения рассчитывается средний КПД тарелки η0
η0=
(4.2)
в этой формуле безразмерные комплексы
(4.3)
(4.4)
Коэффициент диффузии
м²/с (4.5)
Число тарелок:
в верхней части колонны:
(4.6)
в нижней части колонны:
Общее число тарелок n = 26, из них в
верхней части 11 и в нижней части 15 тарелок.
Определение высоты колонны проводится по следующему уравнению:
(4.8)
здесь Нг=(Ng-1)×Н
- высота тарельчатой (рабочей) части колонны, м;
Zв - высота
сепарационный части над верхней тарелкой, м
ZН-расстояние
от нижней тарелки до днища колонны, м.
(4.9)
При диаметре колонны 
Тогда общая высота колонны составит:
(4.10)
Рис. 4. Колпачковая тарелка с диаметральным переливом
жидкости: 1-диск; 2-опорный лист; 3-приёмный порог; 4-колпачки; 5-переливной
порог; 6-сменная гребёнка; 7-перегородка
5.
Гидравлический расчет тарелок
Гидравлическое сопротивление тарелок колонны 
определяется по формуле:
(5.1)
где 
и 
- полное гидравлическое сопротивление тарелки соответственно
верхней и нижней частей, Па.
Полное гидравлическое сопротивление тарелки складывается из трех
частей:
(5.2)
где 
- гидравлическое сопротивление сухой
тарелки;
- гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке;
- гидравлическое сопротивление, обусловленное силами
поверхностного натяжения. Сопротивление за счет поверхностного натяжения
жидкости DРs для колпачковых тарелок незначительно и им допускается
пренебречь.
Гидравлическое сопротивление сухой тарелки рассчитывается по
формуле:
(5.3)
где 
- коэффициент сопротивления сухой
тарелки, для колпачковых тарелок 
, примем 
;
- средняя скорость движения паров в колонне, м/с;
- средняя плотность паров в колонне, кг/м³;
- доля свободного сечения тарелки, м²/м².
Тогда
Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелках
различно для верхней и нижней частей колонны:
где 
- ускорение свободного падения, м/с2;
- средняя плотность жидкости в колонне, кг/м³;
- высота светлого слоя жидкости на тарелке.
где 
- высота переливной перегородки, м;
- линейная плотность орошения, м³/м*с, равная 
;
V - объемный расход жидкости, м³/с;
- скорость жидкости на тарелке, м/с;
- периметр слива, м.
Объемный расход жидкости:
В верху колонны:
(5.4)
В низу колонны:
(5.5)
Линейная плотность орошения:
В верху колонны:
(5.6)
В низу колонны:
(5.7)
Скорость жидкости на тарелке:
В верху колонны:
(5.8)
В низу колонны:
(5.9)
(5.10)
(5.11)
Тогда
Тогда полное сопротивление одной тарелки верхней и нижней частей
колонны равно:
Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны:
(5.12)
Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками 
(выбирается при диаметре колонны свыше 
), необходимое для нормальной работы
тарелок условие.
Для тарелок нижней части, у которых гидравлическое сопротивление 
больше, чем у тарелок верхней части: 
- вышеуказанное условие соблюдается.
Основной целью гидравлического расчета является определение
гидравлических сопротивлений, которые возникают в процессе прохождения пара
через ректификационную колонну из куба через контактные устройства в
дефлегматор. В целом общие потери напора для всех ректификационных колонн
позволяют рассчитать необходимое повышение температуры кипения смеси в кубе
колонны.
6.
Тепловой расчет
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в
дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению:
(6.1)
Здесь
(6.2)
где 
и 
- удельные теплоты конденсации толуола и о-ксилола при 94 оС.
Здесь тепловые потери приняты в размере 3% от полезно
затрачиваемой теплоты; удельные теплоемкости взяты соответственно при 
;
Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:
Здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость
исходной смеси 
взята при средней температуре
(128,0+25)/2=76,5 оС.
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике
дистиллята:
где удельная теплоемкость дистиллята 
взята при средней температуре
(112,5+10)/2=61,25оС.
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике
кубового остатка:
где удельная теплоемкость дистиллята 
взята при средней температуре
(143,2+10)/2=76,6 оС.
Расход греющего пара, имеющего давление 
и влажность 5%:
А) в кубе-испарителе
(6.3)
где 
- удельная теплота конденсации греющего
пара.
Б) в подогревателе исходной смеси
Всего: 0,44+0,29=0,73 кг/с или 2,6 т/ч
Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20 оС:
А) в дефлегматоре
(6.4)
Б) в водяном холодильнике дистиллята
В) в водяном холодильнике кубового остатка
Всего: 0,009+0,0042+0,0078=0,021 м³/с или 75,6 м³/ч.
7.
Расчет тепловой изоляции
Целью расчета тепловой изоляции является определение толщины
слоя теплоизоляционного материала, покрывающего наружную поверхность
теплообменника с целью снижения тепловых потерь и обеспечения требований
безопасности и охраны труда при обслуживании теплоиспользующих установок. С
этой точки зрения температура поверхности слоя изоляции не должна превышать 45.
Расчет толщины теплоизоляционного слоя материала можно проводить по упрощенной
схеме, используя следующее уравнение:
(7.1)
где 
- коэффициент теплопроводности
изоляционного слоя; 
- температура наружной стенки корпуса; 
- температура поверхности изоляционного
слоя; 
- коэффициент теплоотдачи, определяющий
суммарную скорость переноса теплоты конвекцией и тепловым излучением.
(7.2)
где 
(7.3)
В качестве материала изоляции выбираем с 
Температуру стенки - принимаем равной 140 °C (близкой к
средней температуре в кубе колонны). Температуру изоляционного слоя примем
равной 45 °C.
Т.к. наиболее горячая часть колонны это куб, то для всей остальной
колонны можно принять ту же толщину слоя изоляции.
8.
Конструктивно-механический расчет
В задачу конструктивно-механического расчета входит
определение необходимых геометрических размеров отдельных деталей и узлов,
которые определяют конструкцию колонны, ее механическую прочность и
геометрические размеры.
8.1
Расчет толщины обечайки
Толщина обечайки рассчитывается по формуле:
(8.1)
где 
- наружное давление, 
Т.к. среда является агрессивной и токсичной, то принимаем материал
стали 12х18Н10Т, для которой 
.
- прибавка к расчетной толщине, 
где 
- скорость коррозии или эрозии, мм/год,
примем 
;
- срок эксплуатации аппарата, 
К2=0,35;
где 
- поправочный коэффициент, учитывающий
вид заготовки (листовой прокат).
Принимаем 
.
Для обечаек с диаметром больше 200 мм должно выполняться условие:
- условие выполнено.
8.2
Расчет толщины днища и крышки
Наиболее рациональной формой для цилиндрических аппаратов
является эллиптическая. Эллиптические днища и крышки изготавливаются из
листового проката штамповкой и могут использоваться в аппаратах с избыточным
давлением до 10 МПа. Крышки и днища подбирают стандартными по таблицам из
справочной литературы.
Толщина днища:
(8.2)
Принимаем толщину крышки равной толщине обечайки .
Подбираем стандартные стальные эллиптические отбортованные днище и
крышку по (ГОСТ 6533-68), параметры которых примем при 
:
; 
, что соответствует 
и 
, 
.
8.3
Расчёт и подбор штуцеров
(8.3)
где - скорость движения жидкости или пара,
принимаем скорость движения жидкости равную 1,0 м/с, для пара - 20 м/с.
Штуцер для ввода исходной смеси:
По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с 
.
Штуцер для ввода флегмы:
По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с .
Штуцер для отвода кубового остатка:
По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с .
Штуцер для вывода паров дистиллята:
По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с 
.
Штуцер для ввода паров кубовой смеси:
По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с 
.
Заключение
Был произведен материальный и тепловой расчет
ректификационной колонны непрерывного действия. Диаметр обечайки 1800 мм,
ориентировочная высота колонны 10,5 м, Тип тарелок - колпачковые ТСК-III общее
число тарелок - 26, причем 11 вверху и 15 внизу.
Рассчитана изоляция колонны, её толщина составляет 25 мм (в
качестве изоляции был выбран совелит), а также произведен гидравлический расчет
колонны.
Ректификационная колонна установлена на опору типа ОВ по МН
5131-63.
Контроль процесса осуществляется: термометрами сопротивления,
манометрами и расходомерами.
колонна давление пар гидравлический
Список
литературы
1. Основные
процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / под ред.
Дытнерского Ю.И. - М.: Химия, 1991. - 496 с.
2. О.А.
Тишин, И.С. Мокрецова Методические указания по курсовому проектированию по
дисциплине «Процессы и аппараты химических производств» Волгоград, 2001. - 20
с.
. Н.И.
Гальперин «Основные процессы и аппараты химической технологии» М. Химия, 1981.
- 810 с.
. В.Б.
Коган «Равновесия между жидкостью и паром» справочник М. Наука 1966 г. 2т.
. И.А.
Иоффе «Проектирование процессов и аппаратов химической технологии» Л. Химия
1991 г. - 352 с.
. И.А.
Александров «Ректификационные и абсорбционные аппараты» М. Химия 1978 г. - 277
с.
. Каталог
«Колонные аппараты» 1978. - 310 с.
. А.Н.
Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган, Процессы и аппараты химической технологии,
М. Госхимиздат, 1962. - 846 с.
. Павлов
К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и
аппаратов химической технологии. Учебное пособие. Л.: Химия, 1987. - 576 с.