- •Введение
- •1.Аналитический обзор
- •1.1 Периодическая ректификация бинарных смесей
- •1.2 Непрерывно действующие ректификационные установки для разделения бинарных смесей
- •2. Расчетная часть
- •2.1 Материальный баланс
- •2.2 Гидравлический расчёт
- •2.2.1 Определение скорости пара и диаметра колонны
- •2.2.2 Определение диаметра колонны
- •2.2.3 Расчёт высоты газожидкостного (барботажного) слоя жидкости
- •2.2.4 Расчёт высоты светлого слоя жидкости
- •2.2.5 Расчёт гидравлического сопротивления тарелки
- •2.2.6 Расчёт брызгоуноса
- •2.3 Расчет высоты колонны
- •2.3.1 Определение коэффициентов массоотдачи
- •2.3.2 Определение количества тарелок
- •2.4.2 Подробный расчет холодильника кубового остатка
- •Тип “труба в трубе”, диаметр кожуховой трубы , диаметр теплообменной трубы , длина одной секции – 3м, всего 22 секции.
- •2.4.3 Приближенный расчет теплообменников
- •Приложение 1
- •Список литературы
2.3.2 Определение количества тарелок
По известным коэффициентам массоотдачи найдём частные числа единиц переноса:
а) Для верхней части колонны:
б) Для нижней части колонны:
Найдём общее число единиц переноса по формуле:
,
где и -число единиц переноса по паровой и жидким фазам на тарелке; и -тангенсы угла наклона соответственно равновесной и рабочей линий.
Тангенсы угла наклона рабочих линий найдём, продифференцировав их по аргументу, получим:
а) Для верхней части колонны:
б) Для нижней части колонны:
Тангенсы угла наклона равновесной линии найдём с помощью ПК см. Прил. II:
а) Для верхней части колонны:
б) Для нижней части колонны:
Тогда число общих единиц переноса равно:
а) Для верхней части колонны:
б) Для нижней части колонны:
Определим локальную эффективность тарелки по формуле:
а) Для верхней части колонны:
б) Для нижней части колонны:
Для построения кинетической кривой воспользуемся вычислительной средой MathCAD и определим количество реальных тарелок.
а) Для верхней части колонны:
б) Для нижней части колонны:
2.3.3 Расчёт высоты
Общая высота колонны включает высоту её тарельчатой части и определяется по формуле:
,
где - высота тарельчатой части колонны, ; и -расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, .
Расстояния и для колонн диаметром равны:
и . Высота колонны получается равной:
2.3.4 Расчёт гидравлического сопротивления колонны
Гидравлическое сопротивление колонны равно:
2.4 Тепловой расчет установки
2.4.1 Тепловой баланс
Количество теплоты, выделяющееся при конденсации паров дистиллята, находим по уравнению:
,
где -удельная теплота испарения дистиллята, ; -флегмовое число; -массовый расход дистиллята.
Удельную теплоту испарения найдём по формуле:
Зная мольный состав дистиллята, исходной смеси и кубового остатка, по диаграмме найдём их температуры кипения:
Зная мольный состав и температуру кипения дистиллята, найдём удельную теплоту испарения:
Количество теплоты, отдаваемое дистиллятом при охлаждении, находим по формуле:
,
где -температура кипения дистиллята; -теплоёмкость дистиллята при температуре кипения.
Количество теплоты, получаемое исходной смесью, в паровом подогревателе найдём по формуле:
Количество теплоты, отдаваемое кубовым остатком в водяном холодильнике, найдём по формуле:
Найдём количество тепла, которое необходимо подвести в куб-испаритель по формуле:
Найдём расход пара в куб-испаритель.
По известному абсолютному давлению греющего пара () найдём его теплоту конденсации:
Массовый расход пара равен:
2.4.2 Подробный расчет холодильника кубового остатка
Температурная схема:
,
ректификация бинарный смесь жидкость
Тогда . По известному составу и средней температуре найдём необходимые параметры теплоносителя и хладагента:
а) Удельная теплоемкость кубового остатка:
б) Количество теплоты:
в) Теплоемкость воды:
г) Расход воды:
Для определения ориентировочной площади теплообмена примем коэффициент теплопередачи
Определим ориентировочно площадь теплообмена:
Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным или переходным режимом течения теплоносителей. Возьмём теплообменный аппарат типа “труба в трубе” по ГОСТ (9830-79) с диаметром кожуховой трубы и теплообменной кубовый остаток направим в кожуховую трубу, а охлаждающую воду в теплообменную трубу.
Зададимся критерием Рейнольдса для кубового остатка : Re2=10000
Эквивалентный диаметр кольцевого сечения: dэкв=0.011
Вязкость кубового остатка при его средней температуре :
Плотность кубового остатка при его средней температуре:
Найдем скорость кубового остатка:
Найдем площадь поперечного сечения:
Найдем по каталогу стандартную площадь:
Найдем по стандартной площади скорость и число Рейнольдса:
В теплообменной трубе хладагент- вода.
Зададимся критерием Рейнольдса для воды : Re1=10000
Эквивалентный диаметр кольцевого сечения: dэкв=0.03 м
Вязкость(Пас) воды при ее средней температуре :
Плотность(кг/м3) воды при ее средней температуре:
Найдем скорость воды:
Найдем площадь поперечного сечения:
Найдем по каталогу стандартную площадь:
Найдем по стандартной площади скорость и число Рейнольдса:
Температуры стенки со сторон холодного и горячего теплоносителей будем искать с помощью метода итераций. Суть метода заключается в нахождении удельного потока теплоты со стороны хладагента и теплоносителя как функций от температуры одной из стенок теплообменника и решения уравнения графическим методом или с помощью ПК относительно температуры стенки.
Сначала рассмотрим холодный теплоноситель – воду. Найдем для нее теплофизические свойства и при ее средней температуре:
Теплопроводность:
Теплоемкость (Дж/кгК):
Вязкость (Пас):
=7.482*10-4
Плотность (кг/м3):
Определим критерий Прандтля для кубового остатка по формуле:
.
Зададимся температурой стенки со стороны хладагента tстхол=37,115
Найдем теплофизические параметры и критерий Прандтля при температуре стенки хладагента:
Теплопроводность:
Теплоемкость (Дж/кгК):
Вязкость (Пас):
=6,899 10-4
Представим критерий Прандтля при температуре стенки как функцию от этой температуры, это позволяют сделать функциональные зависимости теплофизических свойств компонентов смеси от температуры:
Так как режим течения жидкости турбулентный, то критерий Нуссельта для водыбудем находить по формуле:
Выразим коэффициент теплоотдачи как функцию от температуры соответствующей стенки:
,
Зная коэффициенты теплоотдачи можно выразить удельный тепловой поток как функцию от температуры соответствующей стенки:
Выразим температуру горячей стенки () как функцию от температуры холодной стенки (). Это позволяет сделать соотношение:
Коэффициент теплопроводности стали, берём из [3] , среднее значение тепловой проводимости загрязнений стенок берём из [3] для смеси паров бензол - толуол и воды среднего качества.
Решив уравнение, находим .
Теперь рассмотрим горячий теплоноситель – кубовый остаток. Найдем его теплофизические свойства при его средней температуре.
Теплопроводность:
Теплоемкость (Дж/кгК):
Определим критерий Прандтля для кубового остатка по формуле:
.
Найдем теплофизические параметры и критерий Прандтля при температуре стенки горячего теплоносителя ():
Вязкость
Теплопроводность
Теплоемкость
Представим критерий Прандтля при температуре стенки как функцию от этой температуры, это позволяют сделать функциональные зависимости теплофизических свойств компонентов смеси от температуры:
Так как режим течения жидкости можно считать турбулентным, то критерий Нуссельта для кубового остатка будем находить по формуле (для кубового остатка):
Выразим коэффициент теплоотдачи как функцию от температуры соответствующей стенки:
,
Зная коэффициенты теплоотдачи можно выразить удельный тепловой поток как функцию от температуры соответствующей стенки:
Потоки равны с погрешностью
Найдём коэффициент теплопередачи:
Расчетная площадь поверхности теплопередачи:
Теплообменник обладает следующими характеристиками: