- •1 Фильтры для разделения суспензий
- •1.1 Классификация
- •1.2 Типовые конструкции
- •1.3 Методика расчета
- •2 Центрифуги
- •2.1 Классификация центрифуг
- •2.2 Способы выгрузки осадка из роторов центрифуг
- •3 Теплообменная аппаратура.
- •3.1 Классификация и основные требования к теплообменным аппаратам.
- •3.2 Типовые конструкции
- •3.2.1 Элементные (секционные) теплообменники
- •3.2.2 Двухтрубные теплообменники типа "Труба в трубе"
- •3.2.3 Витые теплообменники
- •3 .2.4 Погружные теплообменники
- •3.2.5 Теплообменные устройства реакционных аппаратов
- •3.2.6 Теплообменники воздушного охлаждения
- •3.2.7 Теплообменники смешения
- •3.3 Методика расчета теплообменных аппаратов
- •3.3.1 Физические параметры и скорости движения теплоносителей
- •3.3.2 Тепловые балансы теплообменных аппаратов
- •3.3.3 Движущая сила теплообмена
- •3.3.4 Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи
- •3.3.5 Поверхность теплопередачи
- •3.3.6 Конструктивные размеры аппарата
- •3.3.7 Гидравлический расчет теплообменного аппарата
- •4 Колонные аппараты
- •4.1 Классификация колонных аппаратов
- •4.2 Тарельчатые колонны
- •4.3 Тарелки провального типа
- •4.4 Каскадные промывные тарелки
- •4.5 Насадочные колонны
- •4.6 Отбойные устройства
- •4.7 Методика тепло – и массообменного расчета колонных аппаратов
- •4.7.1 Общая схема расчета колонных аппаратов
- •4.7.2 Определение основных конструктивных размеров ректификационной колонны
- •4.7.3 Методика гидромеханического расчета колонных аппаратов
- •4.7.4 Механический расчет колонных аппаратов
- •5 Сушильные установки
- •5.1 Назначение, методы и физические основы сушки
- •5.2 Типовые конструкции сушилок
- •5.3 Последовательность расчета сушилки
- •6 Трубопроводные системы
- •6.1 Классификация технологических трубопроводных систем
- •6.2 Выбор условного диаметра трубопроводов по скорости потока
4.7 Методика тепло – и массообменного расчета колонных аппаратов
4.7.1 Общая схема расчета колонных аппаратов
Целью расчета массообменного аппарата является определение конструктивных размеров, т.е. высоты и диаметра колонны, гидромеханических и экономических показателей ее работы.
Расчет диффузионного аппарата рекомендуется проводить в такой последовательности.
Для расчета задано: 1) тип аппарата; 2) разделяемая смесь и поглотитель (абсорбент, экстрагент или растворитель, адсорбент); 3) производительность; 4) концентрации компонентов на входе и выходе из аппарата.
Требуется определить: 1) физические параметры смеси; 2) расход поглотителя или веса чистых компонентов (уравнение материального баланса); 3) движущую силу процесса; 4) коэффициенты массоотдачи и массопередачи; 5) построить кривую равновесия, рабочую линию и число ступеней изменения концентрации; 6) поверхность фазового контакта а конструктивные размеры; 7) количество подводимого или отводимого тепла (тепловой баланс); 8) гидродинамическое сопротивление аппарата; 9) механическую прочность и устойчивость; 10) экономические показатели работы колонны.
4.7.2 Определение основных конструктивных размеров ректификационной колонны
Основными конструктивными размерами являются ее диаметр и высота H . Эти величины взаимосвязаны, так как обе зависят от скорости пара в свободном сечении колонны.
Диаметр колонны определяется в зависимости от скорости и количества поднимающихся в колонне паров
, (4.3)
где – скорость пара, отнесенная к полному поперечному сечению колонны, м/с; – секундный объем поднимающихся паров, м3/с .
, (4.4)
где – количество поднимающихся по колонне паров, кмоль/ч; средняя температура пара, град; – масса получаемого дистиллята из колонны; R– флегмовое число.
Если масса дистиллята выражена в кг/с, то объемный расход проходящего через колонну пара (м3 /с)
, (4.5)
Допустимая оптимальная скорость пара (м/с) в колонне
, (4.6)
где G– коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между ними, давления и нагрузки колонны по жидкости (определяется по графику); – плотность жидкости, кг/м3; – плотность пара, кг/м3 .
Если .
Скорость пара в колонне можно также определить по другим формулам, приведенным в литературе. Подсчитав диаметр колонны, подбирают по нормалям и определяют конструктивные размеры основных элементов колонны и тарелки, количество паровых патрубков, размеры колпачка, диаметр и количество сливных труб.
Диаметр парового патрубка d = 50, 75, 100, 125, 150 мм. Задавшись диаметром d , определяют количество колпачков на тарелке. Сечение всех патрубков должно составлять 10 % сечения колонны. Тогда количество колпачков патрубков определяется из уравнения
.
Откуда
, (4.7)
Возвышение колпачка над паровым патрубком . Диаметр колпачка определяется из условия равенства скорости пара в паровом патрубке и кольцевом зазоре между колпачком и патрубком (м):
, (4.8)
где – толщина стенки патрубка, м. Возвышение уровня жидкости над верхним уровнем прорезей колпачков мм.
Площадь сечения прорезей колпачка составляет 75 % площади сечения парового патрубка, т.е.
Принимают следующие размеры прямоугольных прорезей: ширина мм, высота мм, расстояние между прорезями мм. Минимальный зазор между колпачками равен 35 мм.
Диаметр сливного патрубка (м)
, (4.9)
где – среднее количество стекающей жидкости, кг/с; – скорость жидкости в сливном патрубке, м/с; – плотность стекающей жидкости, кг/м3 ; z = 1, 2, 4, 6, 8 – число сливных патрубков (зависит от ).
Высота колонны зависит от скорости процесса массопередачи и определяется несколькими способами. Для барботажных колонн применяются в основном два способа.
Первый способ. Число тарелок определяется путем построения ступенчатой линии между кинетической кривой и рабочей линией.
Высота тарельчатой колонны зависит от числа тарелок и расстояния между ними h , которое выбирается на основании опытных данных
, (4.10)
Второй способ. Число действительных тарелок.
, (4.11)
где – число ступеней изменения концентраций ( теоретических тарелок, которое определяется графическим построением ломаной (ступенчатой) линии между кривой равновесия и рабочими линиями по диаграмме Y–X; - средний к.п.д. тарелки. Тогда
, (4.12)
где h – расстояние между тарелками (в зависимости от скорости пара и давления в колонне принимается таким, чтобы свести к минимуму механический унос части жидкости парами), м.
Для выбора h в зависимости от диаметра колонны можно использовать следующие данные: диаметр колонны, м – 0 0,6; 0,6 1,2; 1,2 1,8; 1,8 и более; расстояние между тарелками h, мм– 152, 305, 46О, 610.
В ректификационных колоннах с круглыми колпачками, работающих под атмосферным давлением, расстояние между тарелками h = 250, 300, 350, 400, 450 мм. Обычно значение h находится в пределах 0,1 0,6 м.
Для насадочных колонн высота насадки H также определяется двумя способами.
Первый способ. Требуемая высота слоя насадки
, (4.13)
где – число единиц переноса ( определяется графическим построением ступеней, соответствующих единице переноса, если линия равновесия является прямой или близка к ней, то определяется аналитически:
(4.14)
где – начальная и конечная концентрации низкокипящего компонента в паровой фазе; –равновесная концентрация низкокипящего компонента в паровой фазе (определяется по графику кривой равновесия).
Движущую силу можно выразить в единицах давления (упругости паров).
Высота единицы переноса (м)
, (4.15)
где: – расход пара, кг/с; – средний коэффициент массопередачи, кг/(м2 с); S – поперечное сечение колонны, м2; н – удельная смоченная поверхность насадки, м2/м3.
Для определения коэффициента массопередачи используют диффузионный критерий Нуссельта
, (4.16)
где - диффузионный критерий Прандтля; –плотность и коэффициент динамической вязкости пара, Н с/м2; – коэффициент диффузии пара, м2/с.
Если , то
, (4.17)
где – коэффициенты массоотдачи; – эквивалентный диаметр насадки, м; – свободный объем насадки, м3 /м2 .
Второй способ. Высота насадки
, (4.18)
где – число теоретических тарелок (ступеней изменения концентраций); – высота слоя насадки, эквивалентного одной ступени изменения концентрации или одной теоретической тарелке.
Практически высота, эквивалентная одной теоретической тарелке, зависит от вида насадки и скорости пара (табл. 4.3).
Таблица 4.3 - Зависимость высоты от вида насадки и скорости пара.
Вид насадки |
скорость пара, м/с |
,м |
Кольца Рашига керамические 25 25 мм |
0.20.5 |
0.120.21 |
Кольца Рашига стеклянные 5.0 5.0 мм |
0.10.3 |
0.11 0.17 |
Спирали стальные 4 мм |
0.1 0.4 |
0.10.14 |
Спирали стальные 2.5 мм |
0.05 0.3 |
0.03 0.06 |
Зерна карборунда 4 мм |
0.030.1 |
0.040.13 |