3.7. Тепловой расчет ректификационной колонны.

Тепловой расчет ректификационной колонны представляет собой определение расхода тепла, греющего пара и охлаждающей воды в ректификационной установке.

Тепловой расчет для тарельчатых и насадочных колонн производиться в следующей последовательности:

3.7.1.Расход тепла в установке:

а) тепло, отдаваемое охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:

(3.68)

, (3.69)

где r_A, r_B – удельная теплота испарения (конденсации) соответственно веществ А и В, Дж/кг;

б) тепло , полученное в кубе испарителя от греющего пара,

Q_k=Q_Д+Pc_pt_p+ Wc_wt_w-Fc_Ft_F+ Q_пот, (3.70)

Q_пот= 3…5% Q_k

Удельные теплоемкости с_р, с_F, с_w определяют соответственно при средних температурах дистиллята t_{p cp}, cмеси t_{F cp}, остатка t_{w cp} по формуле:

(3.71)

Температуру кипения t_p, t_F, t_w определяют по диаграмме t-x,у;

в) тепло, получаемое в паровом подогревателе исходной смеси,

Q_F=1,05·Fс_F(t_F-t_нач); , (3.72)

где t_нач – начальная температура исходной смеси;

t_F.ср – средняя температура при которой определяется с_F.

г) тепло, отдаваемое в водяном холодильнике дистиллята,

Q_p=Pc_p(t_p-t_кон) ; , (3.73)

где t_кон – конечная температура дистиллята;

t_p.ср – средняя температура при которой определяется с_p.

д) тепло, отдаваемое в водяном холодильнике кубового остатка,

Q_w=Wc_w(t_w-t_кон); ; (3.74)

где t_кон – конечная температура кубового остатка.

t_W.ср – средняя температура при которой определяется с_W.

3.7.2. Расход греющего пара:

а) в кубе испарителя

, r_гп= f(P), (3.75)

где r_гn – удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

х – влажность пара, %; х = 0,05;

б) в подогревателе исходной смеси

(3.76)

3.7.3. Расход охлаждающей воды (при нагревании ее до 20⁰С),

а) в дефлегматоре

t_в = t_kx - t_мх  20⁰С

, (3.77)

t_кх ≤ t; t_нх ≥ t_окр.ср.

б) в водяном холодильнике дистиллята

(3.78)

в) в водяном холодильнике кубового остатка

(3.79)

3.8. Гидравлический расчет тарельчатых ректификационных колонн

При проведении гидравлического расчета определяется величина гидравлического сопротивления колонны, которая влияет на технологический режим работы аппарата.

Величина гидравлического сопротивления аппарата необходима для выбора оптимальных скоростей фазовых потоков, обеспечивающих массообмен.

По гидравлическому сопротивлению колонны подбирают вентилятор, компрессор или насос для подачи газов и жидкостей, обеспечивающих скорость движения фаз.

3.8.1.Гидравлическое сопротивление тарельчатых колонн зависит от конструкции тарелки, но независимо от типа тарелки оно складывается из следующих величин:

(3.80)

где - гидравлическое сопротивление тарелки, Па;

- сопротивление сухой тарелки, Па;

- сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения, Па;

Р_ст- статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке.

3.8.2. Сопротивление сухой тарелки

(3.81)

где ω_о – скорость пара в прорезях колпачка или отверстия тарелки, м/с. Скорость пара при полном открытии прорезей рекомендуется принимать равной 0,4…0,5 м/с, а в отверстиях ситчатых тарелок – 6…20 м/с;

 - коэффициент сопротивления (значения  даны в [2,c.28]).

3.8.3. Сопротивление сил поверхностного натяжения

(3.82)

где  - поверхностное натяжение, Н/м;

d_э – эквивалентный диаметр отверстия, м;

для колпачковых тарелок

;

где f – площадь свободного сечения прорези;

П – периметр прорези.

Для ситчатых и провальных дырчатых тарелок d_э равен диаметру отверстия d_о.

3.8.4. Сопротивление столба жидкости:

на колпачковой тарелке

(3.83)

на ситчатой тарелке

(3.84)

где К – относительная плотность пены (при расчетах принимают

к = 0,5);

_ж - плотность жидкости, кг/м³;

l - расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога, м;

е – высота прорези, м

h – высота уровня жидкости над сливным порогом, м;

h_пор – высота сливного порога, h_пор  40 мм.

Величину h определяют по формуле истечения через водослив с учетом плотности пены

(3.85)

где V_ж – объемный расход жидкости, м³/с;

- отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0,5;

П – периметр слива.

3.8.5. Гидравлическое сопротивление тарелок находят для верхней и нижней части колонн.

3.8.6. После определения гидравлического сопротивления тарелки рекомендуется проверить достаточность принятого расстояния h между тарелками для верхней и нижней части колонны по уравнению

(3.87)

3.8.7. Общее гидравлическое сопротивление для верхней и нижней части колонны

Р_к= Р_тверхn_в+Р_тнизn_н (3.88)

где n_в, n_н – число тарелок в верху и в низу колонны.

3.8.8. Сопротивление ситчатой тарелки можно рассчитать по обобщенному уравнению А.А.Носкова и В.Н.Соколова [3,c.137]

(3.89)

где Р – гидравлическое сопротивление орошаемой ситчатой тарелки, Па;

- отношение массовых расходов жидкости и пара

n = 0,135 при  5; n = 0,3 при  5;

— отношение диаметра отверстия к толщине тарелки;

h_пор – высота сливного порога, м.

3.8.9. После определения гидравлического сопротивления тарелки рекомендуется проверить достаточность принятого расстояния Н между тарелками по соотношению

Общее сопротивление всех тарелок в колонне (в Па)

Р_к = Рn (3.90)

где Р – гидравлическое сопротивление тарелки колонны, Па;

n – число тарелок.