2.4 Определение числа тарелок и высоты колонны

На диаграмме x-y (см. в приложении А) наносим рабочие линии верхней и нижней части колонны. Находим число ступеней изменения концентрации n_T.В верхней части колонны n_T’=8, в нижней части колонны n_T”=4, а всего 12 ступеней.

Число тарелок рассчитываем по уравнению:

n=n_T/η. (24)

Для определения среднего к.п.д. тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов α=P_а/P_в и динамический коэффициент вязкости исходной смеси  при средней температуре в колонне, равной 120 ⁰С .

При это температуре давление насыщенного пара изобутанола P_а=1000 мм.рт.ст., о-ксилола P_в=400 мм.рт.ст., откуда

α=1000/400=2,5 .

Динамический коэффициент вязкости бутанола при 120 ⁰С равен 0,36*10^-3 Па_*с, м-ксилола 0,35*10^-3 Па_*с. Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси =0,355*10^-3 Па_*с.

Тогда

α_*=2,5*0,355=0,9

Из этого произведения, по графику [7.4] определяем η=0,49.

Тогда число тарелок определиться :

а) в верхней части колонны

n’=n_T’/ η =8/0.49=16

б) в нижней части колонны

n”=n_T”/ η =4/0,49=8.

Общее число тарелок n=24, с запасом n=26,из них в верхней части колонны 17 и в нижней части 9 тарелок.

Высота тарельчатой части колонны определяется по формуле (25) :

H_T=(n-1)*h (25);

H_T=7,5 м.

Конечная высота колонны, формула (26);

H_к=(n-1)*h+Z_В+Z_Н (26);

H_к= 9,6 м.

где Z_В, Z_Н - соответственно высота сепарационного пространства над тарелкой и расстояние между днищем колонны и тарелкой, равные Z_В=0,7 м и Z_Н=1,5 м.

Общее гидравлическое сопротивление тарелок (27):

p=p’n_В+p”n_Н (27).

p= 10035Па.

Гидравлическое сопротивление насадки составляет основную долю общего сопротивления ректификационной колонны. Общее же сопротивление колонны складывается из сопротивлений орошаемой насадки, опорных решеток, соединительных паропроводов от кипятильника к колонне и от колонны к дефлегматору. Общее гидравлическое сопротивление ректификационной колонны обусловливает давление и следовательно, температуру кипения жидкости в испарителе.

Приведенный расчет выполнен без учета влияния на основные размеры ректификационной колонны ряда явлений, что иногда может внести в расчет существенные ошибки. Оценить влияние каждого из них можно, пользуясь рекомендациями, приведенными в литературе[3,4].

3 Тепловой расчет установки

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре- конденсаторе;

Q_Д=G_D *(1+R)* r_D . (28)

З десь

r_D=_{D *} r_а +(1-_D)_*r_в

r_D =0,94_*602+(1-0,94)_* 396 = 589,6 кДж/кг.

где r_а и r_в – удельные теплоты конденсации бутанола и м-ксилола . Расход теплоты:

Q_Д = 0,185*( 4+1)*589,6= 550 кВт.

Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению(29):

Q_K=Q_Д + G_D* c_{D *}t_D + G_{w *}c_w* t_w – G_F* c_{F *}t_F + Q_пот . (29)

Здесь тепловые потери Q_пот приняты в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты; удельные теплоемкости берут (размерность [Дж/кг*К]) соответственно при t_D=108C, t_w=143C, t_F=109,5C; температура кипения исходной смеси t_F определена в соответствии с диаграммой t – x, y(см. в приложении Б).

Рассчитаем

Q_K=1,03*(550000+0,185*0,8*4190*108+0,19*0,54*4190*143

-0,38*0,68*4190*109,5)= 578378 Вт

Р асход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси: Q_F=1,05* G_F* c_F*(t_F – t_нач), (30)

Здесь тепловые потери принимаем в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси c_F=0,58*4190 Дж/(кг*К) взята при средней температуре tcp=64 ⁰C.

Рассчитаем:

Q_F=1,05*0,38*0,58*4190* (109,5-18)= 88723 Вт.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

Q_D=G_D*c_D*(t_D – t_кон), (31)

где удельная теплоемкость дистиллята с_D=0,68*4190 Дж/(кг*К) взята при средней температуре tcp=67⁰C.

Q_D=0,185*0,68*4190*(108 – 25)=43881 Вт.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

Q_W=G_W* c_W*(t_W – t_кон), (32)

где удельная теплоемкость кубового остатка

с_W=0,47*4190 Дж/(кг*К) взята при средней температуре tcp=84⁰C.

Рассчитаем

Q_W=0,19*0,47*4190*(143 – 25)=45184 Вт.

Расход греющего пара:

а) в кубе-испарителе

G_г.п =Q_к / (r_г.п *x)

G_г.п =0,25 кг/с;

где r_г.п.=2141*10³ Дж/кг – удельная теплота конденсации греющего пара;

б) в подогревателе исходной смеси

G_г.п. = Q_F / (r_г.п. *x)

G_г.п. =0,04 кг/с.

Всего 0,28+0,04=0,32 кг/с.

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20С:

V_в=Q_D /(c_в*(t_кон-t_нач)*_в),

а) в дефлегматоре

V_в =0,007 м³/с;

б) в водяном холодильнике дистиллята

V_в=0,0005 м³/с;

в) в водяном холодильнике кубового остатка

V_в=0,0005 м³/с.

Всего расход пара составил 0,008 м³/с.

4 МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

4.1 Расчёт штуцеров

Расчёт штуцеров сводится к определению диаметра штуцера по уравнению:

(33)

Для жидкости принимаем w_ж=1м/с, для пара w_п=10м/с.

4.1.1 Штуцер для ввода исходной смеси

(34).

V = G/ρ;

V_F = 0,0005 м³/с;

при температуре =109,5 ⁰С.

=743 кг/м³; = 787 кг/м³ кг/м³ .

Подставим вычисленные значения в формулу (34):

м.

Стандартный диаметр штуцера = 25 мм.

4.1.2 Штуцер для вывода паров дистиллята

. (35)

V = G/ρ_п;

ρ_п =2,89 при температуре =109^0С.

G = G_D/(R+1) ; G= 0,185/5 = 0,037 кг/с;

V = 0,037/2,89= 0,013 кг/с;

V= 0,013/2,89= 0,004 м³/с;

Подставим вычисленные значения в формулу (35):

.

Стандартный диаметр штуцера = 25 мм.

4.1.3 Штуцер для ввода флегмы

при температуре =108 ⁰С.

=745 кг/м³; =788 кг/м³ ; = 747 кг/м³ .

V = G/ρ; V= 0,185/747=0,0002 м³/с;

Подставим вычисленные значения в формулу (34):

.

Стандартный диаметр штуцера d= 20 мм.

4.1.4 Штуцер для вывода кубового остатка

при температуре =143 ⁰С.

V = G/ρ; V= 0,19/755=0,0003 м³/с;

=717 кг/м³; = 755 кг/м³ ; = 755 кг/м³ .

Подставим вычисленные значения в формулу (34):

.

Стандартный диаметр штуцера =20 мм.

4.1.5 Штуцер для ввода паров кубового остатка

ρ_п = 2,56 кг/м³ при температуре =131 ⁰С.

V = G/ρ; V= 0,19/2,56=0,076 кг/с;

V=0,03 м³/с;

Подставим вычисленные значения в формулу (35):

Стандартный диаметр штуцера = 65 мм.

4.2 Выбор конструкционного материала

Специфические условия эксплуатации химического оборудования, характеризуемые широким диапазоном давлений и температур при агрессивном воздействии среды, определяют следующие основные требования к конструкционным материалам:

- высокая химическая и коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах при рабочих параметрах;

- высокая механическая прочность при заданных рабочих давлениях, температуре и дополнительных нагрузках, возникающих при гидравлических испытаниях и в период эксплуатации аппаратов;

- хорошая свариваемость материалов с обеспечением высоких механических свойств сварных соединений;

- низкая стоимость и недефицитность материалов.

Смесь изобутанол-о-ксилол агрессивна и обладает коррозионным действием, поэтому материал деталей колонны, соприкасающихся с разделяемыми жидкостями, целесообразно изготовлять из стали Х18Н10Т.