Расчет ректификационной турбины. Цель работы изучить теоретические основы расчетов смесительных тоа. Привить навыки практических расчетов теплообменных аппаратов смесительного типа. Задание

• Название: Цель работы изучить теоретические основы расчетов смесительных тоа. Привить навыки практических расчетов теплообменных аппаратов смесительного типа. Задание
• Анкор: Расчет ректификационной турбины
• Дата: 05.06.2022
• Размер: 0.65 Mb.
• Имя файла: tmop_pz7.docx
• Тип: Документы; #570622

Цель работы: изучить теоретические основы расчетов смесительных ТОА. Привить навыки практических расчетов теплообменных аппаратов смесительного типа.
Задание: рассчитать и спроектировать колонну ректификации (тарельчатую) для разделения смеси спирт – вода поступающей в количестве 10 тонн в час.

Исходные данные:

Массовый расход дистиллята: G_D = 3594 кг/ч

Массовый расход кубового остатка: G_W =6406 кг/ч

концентрация летучего компонента:

в исходной смеси x_f = 37%;

в дистилляте x_d = 96%;

в кубовом остатке x_w = 3,9%;

температура среды в кубе - до 105°C

ускорение пара в колонне – 60 м/c²

Материальный баланс

1. Определяем массовые расходы:

G_D +G_W = 10000

G_D ∙ 0,96 + G_W ∙ 0,039 = 10000 ∙ 0,37

G_D =10000-G_w =10000-6406=3594кг/ч

G_w =

2. Концентрации питания:







где М_э - мольная масса этилового спирта, равная 46 г/моль; М_в - мольная масса воды, равная 18 г/моль.

Х_F =

Х_D =

Х_W =

3. Относительный мольный расход питания:





4. Определим минимальное число флегмы:



Где - концентрация низкокипящего компонента в паре, равновесном с жидкостью питания. Определяем по диаграмме кривой равновесия для системы спирт – вода.

Кривая равновесия:





5. Рабочее число флегмы:



6. Составляем уравнения рабочих линий:

F-относительный мольный расход

Верхняя часть колонны:



Y=0.643x+0.323

Нижняя часть колонны:



Y=2.498x-0.024

Определение скорости пара и диаметра колонны

1. Рассчитываем средние концентрации жидкости:

Верхняя часть:



Нижняя часть:



2. Определяем средние концентрации пара по уравнениям рабочих линий:

Верхняя часть:

y'_cp = 0,643∙X'_cp + 0,323 = 0,643∙0,546 + 0,323 = 0,674

Нижняя часть:

y''_cp = 2,498∙X''_cp - 0,024 = 2,498∙0,102 - 0,024 = 0,231

3. По диаграмме определяем средние температуры:



t'_cp. = 80 ^оС

t''_cp. = 94 ^оС

4. Средние мольные массы и плотности пара:

Верхняя часть:

М'_ср = у'_cp∙M_м + (1 - у'_cp) ∙M_в = 0,674∙46 + (1 – 0,674) ∙18 = 36,872 кг/кмоль



Нижняя часть:

М''_ср = у''_cp∙M_м + (1 - у''_cp) ∙M_в = 0,231∙46 + (1-0,231) ∙18 = 24,468 кг/кмоль



Средняя плотность пара в колонне – 1.043 кг/м³

5. Рассчитаем плотность смеси жидкостей спирт – вода при средних температурах:

при X_D = 0,904, t_э = 80 ^оС:

ρ_э = 735 кг/м³;

при X_W = 0,016, t_в = 99 ^оС:

ρ_в = 958.4 кг/м³;

Средняя плотность жидкости в колонне:

ρ_ср = 803 кг/м³;

По конструктивным соображениям согласно ГОСТ 31831-2012, принимаем расстояние между тарелками h=600 мм, C=0.055

6. Скорость пара в колонне:



Объёмный расход проходящего через колонну пара при 360 К

м³/с

7. Диаметр ректификационной колонны:



Согласно ГОСТ 12011-76, принимаем диаметр колонны -1400мм

8. Рассчитываем скорость пара в колонне:



Гидравлический расчёт тарелок

По характеристикам нашей колонны принимаем тип тарелок – колпачковые

свободное сечение тарелки F_с = 9,7 %;

периметр слива П = 1,05 м;

диаметр колпачка d₀ = 8 мм;

высота сливной перегородки h_п = 15 мм.

Расчёт для верхней части колонны:

1. Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:


где ξ - коэффициент сопротивления неорошаемых колпачковых тарелок со свободным сечением 9,7 % от площади тарелки, равный 1,82.

2. Скорость пара в отверстиях тарелки:



3. Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:



= 0,037 Н/м – поверхностное натяжение при средней температуре в верхней части колонны 85 °C

4. Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

Па

где отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0.5.

h_пж - высота парожидкостного слоя (пены) вычисляется по формуле:



где Δh высота слоя над сливной перегородкой рассчитывается по формуле:



где объемный расход жидкости,

П - периметр сливной перегородки.

5. Объёмный расход жидкости в верхней части колонны:

м³/c

М'_ср = Х'_ср∙М_э + (1- Х'_ср)∙ М_в = 0,546∙46 + (1-0,546)∙18 = 33,288 кг/кмоль

Ширина переливного порога:







6. Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части:



Расчёт гидравлических сопротивлений в нижней части:

1. Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:



2. Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:



3. Объёмный расход жидкости в нижней части колонны:

м³/с

где М_F мольная масса жидкости питания, кг/кмоль

М_ср средняя мольная масса жидкости, кг/кмоль

М''_ср = Х''_ср∙М_э + (1- Х''_ср)∙ М_в = 0,187∙46 + (1-0,187)∙18 = 23,236 кг/кмоль

4. Высота слоя над сливной перегородкой:



5. Высота парожидкостного слоя на тарелке:



6. Сопротивление парожидкостного слоя:



7. Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:



Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h = 0.6 м необходимое условие для нормальной работы тарелок:

h>



Данный выбор обеспечит нормальную работу аппарата

Определение числа тарелок и высоты колонны

1. Число тарелок:



где η =средний К.П.Д. тарелок

2. Коэффициент относительной летучести:





При этой температуре давление насыщенного пара воды Рв = 700 мм.рт.ст. уксусной кислоты Рук = 400 мм.рт.ст.

3. Определяем динамический коэффициент вязкости смеси этанол – вода при 86 градусах.

Для этанола: 0.00039 Па∙с

Для воды: 0.00033 Па∙с



Тогда

По следующей диаграмме определим КПД:





Длина пути жидкости на тарелке:



Определение поправки на длину пути:



∆=0

Тогда КПД:



4. Рассчитаем безразмерные комплексы:

Коэффициент диффузии:



Безразмерный комплекс:



Поверхностное натяжение жидкости питания:

σ = (0,037+0,056)/2 = 0,047 Н/м

Безразмерный комплекс:



5. Средний КПД тарелки:



6. Кол-во тарелок:

Верхняя часть:



Нижняя часть:



Тогда общее число тарелок n = 38, с запасом n_з = 41 из них в верхней части колонны n'_з = 31 и в нижней части колонны n''_з = 10.

7.Высота тарельчатой части колонны:



8. Общее гидравлическое сопротивление:



Тепловой расчёт установки

1. Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению:





где r_э и r_в – удельные теплоты конденсации этанола и воды при 80 ^оС

2. Расход теплоты, получаемой в кубе – испарителе от греющего пара:

1,03 ∙ (2063000+(3594/3600) ∙ 0,76∙4190 · 80+

+(6406/3600) ∙ 0,79∙4190 · 82,5- (10000/3600) ∙ 0,83∙4190·99)=2264000 Вт