высота светлого слоя жидкости, м.

Министерство образования Российской Федерации
Саратовский государственный технический университет
РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
Методические указания и задания
к выполнению курсового проекта
по курсу «Основные процессы и аппараты химической технологии»
для студентов специальностей: 25.03.00, 25.06.00 и направления 55.08.00
и по курсу «Процессы и оборудование отрасли»
для студентов специальности 17.05.00 и направления 65.54.00
Одобрено
редакционно–издательским советом
Саратовского государственного
технического университета
Саратов 2004
Цель данного проектирования – привить студентам навыки самостоятельной работы в области расчета ректификационных установок, закрепить и расширить знания по теоретическому курсу, ознакомить со справочной литературой, ГОСТами, нормалями, а также развить навыки по
графическому оформлению проектов.
Курсовой проект выполняется студентом самостоятельно по индивидуальному заданию после того, как прослушан курс лекций по процессам и
аппаратам химической технологии и выполнены лабораторные работы по
этому курсу.
Данные методические указания включают задание на проектирование по расчету ректификационной установки для двадцати вариантов, методические указания, список рекомендуемой литературы и знакомит студентов с требованиями, предъявляемыми к курсовому проекту (расчетно–
пояснительной записке и графической части).
ОФОРМЛЕНИЕ РАСЧЕТНО–ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ
Расчетно–пояснительная записка должна быть написана четко и аккуратно на одной стороне листов белой бумаги формата А4 по ГОСТ
2.301–68. Размер полей: левого – 30 мм; правого – 10 мм; верхнего и нижнего – 20 мм. Текст может быть печатным либо рукописным.
Записка должна быть написана грамотно, без сокращений, с ясно
выделенными заголовками. Расстояние между заголовком и последующим
текстом 10÷15 мм, расстояние между строками от 7 до 10 мм, предпочтительные размеры шрифтов 2.5, 3.5 или 5 мм по ГОСТ 2.304–81 (при использовании текстовых редакторов: одинарный интервал, шрифт – Times
New Roman, 12 или 14 pt).
Материал в пояснительной записке рекомендуется располагать в
следующей последовательности:
1) титульный лист;
2) задание на курсовой проект;
3) оглавление, содержащее все разделы пояснительной записки с указанием номера страницы (оглавление оформляется тогда, когда вся записка
переписана и пронумерованы все страницы);
4) введение (в виде краткого литературного обзора по теме);
5) технологическая схема установки с подробным описанием ее работы;
6) расчеты, отражающие содержание расчетно–пояснительной записки согласно заданию на проектирование;
3
7) заключительная часть, содержащая выводы по выполняемому проекту;
8) список использованной литературы, включающий фамилии и инициалы
авторов, полное название книги, журнала, и т. д., наименование издательства и год издания.
Каждый раздел записки начинается с новой страницы и имеет заголовок, выполненный прописными буквами и размещаемый по центру ширины
страницы. В конце заголовка точка не ставится. Если заголовок состоит из
нескольких предложений их разделяют точкой. Не допускается подчёркивать
заголовки, переносить слова в заголовках и помещать заголовки разделов на
отдельных страницах документа. Наименования подразделов, пунктов выполняются строчными буквами и помещаются с красной строки текста.
Нумерация страниц в записке должна быть сквозной и помещаться в
верхнем правом углу листа. Первой страницей является титульный лист,
далее задание, содержание и т.д. Номер страницы проставляется, начиная
со второй. В ней должны быть приведены все требуемые расчеты с четко
выполненными расчетными схемами. Примерный объем пояснительной
записки – 30÷40 рукописных страниц.
Формулы, используемые в расчете, даются вначале в алгебраической
форме, затем следуют пояснения обозначений и размерностей всех входящих в формулу физических величин. После этого проставляются числовые
значения физических величин и производятся вычисления. Все расчеты и
конечные результаты должны выражаться в системе СИ.
В тексте записки должны быть ссылки на литературные источники
для всех расчетных формул, физических величин и другие данные, взятые
из литературы. Ссылки на литературу следует делать в виде заключенного
в квадратные скобки номера источника по прилагаемому в конце записки
списку использованной литературы.
В пояснительную записку следует обязательно включать технологическую схему, расчетные графики, выполненные на миллиметровой бумаге, эскизы и др. Описание технологической схемы должно быть увязано с
ее графическим изображением. Все иллюстрации (схемы технологические,
схемы гидравлические, эскизы, графики, фотоснимки, светокопии и т.д.)
называют рисунками. Рисункам дают название и нумеруют арабскими
цифрами. Рисунки помещают сразу же после первого упоминания о них.
В конце пояснительной записки приложить 2 листа чистой бумаги для
заметок руководителя. Записка должна быть аккуратно переплетена ватманом с соответствующим оформлением титульного листа (приложение 1).
4
ОФОРМЛЕНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ПРОЕКТА
Графическая часть курсового проекта выполняется на листах ватмана формата А1 (594 × 841 мм) ГОСТ 2.301–68.
Чертежи выполняются в карандаше с соблюдением всех правил
оформления машиностроительных чертежей в соответствии с ЕСКД. Допускается выполнение чертежей на ЭВМ. Число проекций на листе должно
давать полное представление о проектируемом объекте. Степень заполнения листов – не менее 70%.
На чертеже общего вида аппарата надо дать разрезы и сечения, чтобы по возможности полно показать конструкцию аппарата, привести техническую характеристику аппарата, содержащую основные данные об аппарате и технические требования.
На листе в правом нижнем углу размещается штамп – основная
надпись для чертежей и схем. Согласно ГОСТ 2.101–68 спецификацию составляют на отдельных листах (формат А4).
Основные надписи на чертежах и спецификациях курсового проекта
должны выполняться в соответствии с ГОСТ 2.104–68.
ЗАЩИТА ПРОЕКТА
1) Защита студентом курсового проекта производится после его выполнения при наличии разрешающей подписи руководителя на расчетно–
пояснительной записке.
2) Проект защищается перед комиссией в составе не менее трех преподавателей.
3) Студент должен уметь кратко (5–7 минут) доложить основные положения проекта и ответить по существу на предложенные вопросы.
4) Оценка работы студента производится по пятибалльной системе и определяется на основе качества и самостоятельности выполнения курсового
проекта, усвоения основного теоретического материала, умения обосновать выдвигаемые положения.
Студенты заочной формы обучения должны выполнять курсовой
проект в указанный в учебном плане срок и присылать готовый проект в
институт на рецензию. Проект фиксируется в деканате и на кафедре, после
чего передается руководителю на проверку. Проверенный курсовой проект
с замечаниями руководителя деканат пересылает студенту. По указанию
руководителя студент исправляет ошибки или дорабатывает курсовой про5
ект. В отдельных случаях, когда проект признается неудовлетворительным, его следует частично или полностью переделать. В этом случае проект присылается на повторную рецензию. Защита курсового проекта производится только во время экзаменационной сессии. При явке на сессию с
непроверенным проектом последний к рассмотрению не принимается.
ВЫБОР ВАРИАНТА ЗАДАНИЯ
(для студентов заочного обучения)
Номер варианта задания выбирается по последним двум цифрам его
учебного шифра. При этом если заканчивается цифрами от 01 до 20 включительно, то это число соответствует номеру варианта задания. Если же
цифры составляют от 21 до 40, то из этого числа нужно вычесть 20, от 41
до 60 – вычесть 40, от 61 до 80 – вычесть 60, от 81 до 99 – вычесть 80.
Например, если шифр заканчивается цифрами 87, то следует выполнять седьмой вариант (87 – 80 = 7). Если шифр заканчивается цифрами 74,
то 74 – 60 = 14, и выполнять следует четырнадцатый вариант.
Примечание. В случае если шифр оканчивается на два нуля, то выбирается двадцатый вариант.
Задания (варианты) на проектирование студентам дневной формы
обучения выдаются руководителями непосредственно на занятиях.
ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Произвести расчет ректификационной установки непрерывного действия для разделения двухкомпонентной смеси. Установка состоит из колонны и четырех теплообменных аппаратов (рис. 1): 1) подогревателя исходной смеси; 2) дефлегматора; 3) холодильника дистиллята; 4) испарителя кубового остатка (кипятильника).
Производительность установки по исходной смеси F т/ч, содержащей x F массовых процентов низкокипящего компонента (НК) смеси. Дистиллят должен содержать x P массовых процентов НК, кубовый остаток
xW массовых процентов НК.
Исходная смесь перед подачей в колонну подогревается в подогревателе исходной смеси до температуры кипения за счет теплоты кубового
остатка. Начальная температура исходной смеси tн.
Пары, поступающие в дефлегматор, полностью конденсируются, и
конденсат выходит при температуре насыщения. Часть конденсата в виде
6
Вода
флегмы направляется обратно в колонну, а другая часть (дистиллят) поступает в холодильник, где охлаждается до температуры tх.
Вода
Флегма
Ф
Вода
Кубовый остаток W
Исходная смесь F
2
1
5
Греющий
пар
Дистиллят Р
Вода
3
4
Конденсат
Рис. 1. Схема ректификационной установки: 1 – колонна; 2 – дефлегматор;
3 – холодильник; 4 – кипятильник; 5 – подогреватель
Для конденсации паров в дефлегматоре и охлаждения дистиллята в
холодильнике используется вода с одинаковыми начальными и конечными
параметрами: температура воды на входе t1, на выходе t2.
Колонна работает под атмосферным давлением.
7
№ варианта
Испаритель кубового остатка (кипятильник) представляет собой вертикальный кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубное пространство
которого подается сухой насыщенный пар, имеющий давление Ризб.
Тип колонны и разделяемая смесь указаны в таблице 1.
Таблица 1
Исходные данные к заданию по вариантам
Содержание
НК, %(масс.)
Температура,
ºС
Тип
колонны
xF
xP
t2
Ризб,
кгс/
см2
50
35
32
35
40
95 7,5 30 22 20 35
88 1,5 20 25 17 26
98 3 18 20 15 30
97 1,8 40 26 18 24
90 5 25 30 20 40
2,0
3,0
2,2
2,4
3,2
НР
А
К
S
С
18 25 15 28
2,6
П
92 3,5 20 21 18 32
1,8
А
26 20 17 28
2,4
НП
10,0 12
38 0,6 32 24 16 29
2,0
С
15,0 27
56 2,5 22 18 14 25
3,6
S
13,5 37
80
20 27 21 37
3,1
К
16,0 40
90 0,8 32 23 19 26
2,5
НП
18 31 22 40
3,8
S
40 21 16 27
4,2
А
20 24 18 30
3,5
П
26 32 20 40
1,6
С
17,0
30 22 17 31
4,4
НР
18 Хлороформ – бензол
15,3
Изопропиловый спирт –
19
11,4
вода
Этиловый спирт –
20
11,8
бензол
28 34 23 42
2,8
К
34 17 14 23
3,0
П
20 20 13 28
4,5
НР
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Наименование
смеси
F,
т/ч
Ацетон – вода
Этиловый спирт – вода
Бензол – толуол
Хлороформ – бензол
Метанол – вода
Ацетон – этиловый
спирт
Сероуглерод – четыреххлористый углерод
Сероуглерод – ацетон
Метиловый спирт –
бензол
Ацетон – бензол
Бензол – уксусная
кислота
Метиловый спирт –
этиловый спирт
Толуол –
уксусная кислота
Вода –
уксусная кислота
Четыреххлористый углерод – этиловый спирт
Азот – кислород
12,5
13,0
13,6
14,0
14,8
17 Бензол – толуол
8
xW
13,7
12,0 25
12,4
6
14,2
15,5 15
70
2
12,3
14,5 45
90
3
tн
tх
t1
Тип колонны: А – с капсульными колпачками; С – ситчатая; П – с
провальными решетками; НР – насадочная (кольца Рашига); НП – насадочная (кольца Палля); S – с S–образными элементами; К – клапанная.
СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО–ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ
1. Определение массовых расходов дистиллята и кубового остатка.
2. Перевод массовых концентраций низкокипящего компонента в мольные
доли.
3. Построение диаграмм t – x, y и y – x.
4. Определение минимального и рабочего флегмового числа.
5. Построение рабочих линий и кинетической кривой на диаграмме y – x.
6. Определение числа теоретических и действительных тарелок (для насадочных колонн – числа единиц переноса).
7. Определение максимально допустимой скорости пара и диаметра колонны.
8. Выбор нормализованных размеров и материала колонны по каталогам и
справочникам.
9. Гидравлический расчет колонны.
10.Тепловой баланс колонны и определение расхода греющего пара в кипятильнике.
11.Расчет тепловых нагрузок дефлегматора, холодильника и подогревателя
исходной смеси.
12. Определение расхода охлаждающей воды в дефлегматоре и холодильнике.
13.Расчет поверхности нагрева всех теплообменников с полным расчетом
коэффициентов теплопередачи и выбор нормализованных размеров теплообменников по ГОСТам и нормалям.
14.Расчет тепловой изоляции колонны с выбором теплоизоляционного материала (только для студентов технологических специальностей).
Примечание. Диаграммы выполняются на миллиметровой бумаге и
подшиваются в пояснительную записку.
СОДЕРЖАНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ПРОЕКТА
Лист 1: Чертеж общего вида колонны с необходимыми разрезами.
Лист 2: Сборочный чертеж одного из вспомогательных аппаратов (подогреватель, дефлегматор, холодильник, кипятильник).
Лист 3: Узлы колонны (тарелка, опора, переливы и т.д.).
Для студентов технологических специальностей
Лист 3: Технологическая схема установки с КИП и А
9
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО РАСЧЕТУ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
Прежде чем приступить к расчету, необходимо вычертить технологическую схему установки с учетом условий задания.
1. Определение массовых расходов дистиллята и кубового остатка
Обозначим массовый расход исходной смеси через F, дистиллята Р,
кубового остатка W. Массовую концентрацию низкокипящего компонента
в исходной смеси x F , в дистилляте x Р , в кубовом остатке xW .
Из уравнений материального баланса колонны
F  P W ;
F  xF  P  xP  W  xW ,
находим
W
F ( xP  xF )
;
xP  xW
P  F W .
2. Перевод массовых концентраций низкокипящего компонента в
мольные доли
Массовые концентрации НК в исходной смеси, дистилляте и кубовом
остатке переведем в мольные доли по формуле [3]
xнк 
xнк
M нк
xнк
М нк
,
100  xнк

M вк
где xнк – концентрация НК в % (масс.); хнк – концентрация НК в мольных
долях; Мнк и Мвк – мольные массы низкокипящего и высококипящего компонентов, кг/кмоль [3].
3. Построение диаграмм t – x, y и y – x
Диаграмма t – x, y представляет собой зависимость температур кипения и конденсации соответственно от состава жидкости или пара [1]. Для
её построения откладывают на оси ординат температуры кипения t1, t2, t3,
соответствующие составам жидких смесей х1, х2, х3, отложенными на оси
абсцисс. Проведенная через полученные точки линия называется линией
кипения. Затем на оси абсцисс откладывают равновесные составы паров и
проводят из соответствующих им точек прямые до пересечения с изотер10
мами, отвечающими температурам t1, t2, t3. соединив полученные точки
плавной кривой, получают линию конденсации (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость температур кипения и конденсации от состава фаз
(диаграмма t–x, y)
При пользовании диаграммой на оси абсцисс откладывают состав
жидкой смеси и проводят из соответствующей точки вертикаль до пересечения с линией кипения. Далее из точки пересечения проводят горизонталь
вправо до пересечения с линией конденсации. Абсцисса точки пересечения
указывает состав равновесного пара.
На фазовой диаграмме у – х (рис. 3) наносится линия равновесия,
выражающая зависимость между равновесными составами жидкой х и паровой у* фаз. С жидкостью, представляющей собой чистый НК, находится
в равновесии пар, содержащий 100% того же компонента. Соответственно
крайние точки кривой равновесия расположены в противоположных углах
квадрата. Кривая равновесия и диагональ квадрата ограничивают область
взаимного существования двух фаз.
Диаграммы t–x, y и у – х могут быть построены по справочными данными о равновесном составе заданной смеси [2–4].
4. Определение минимального и рабочего флегмового числа
Отношение количества флегмы к количеству дистиллята
R = Ф/Р
называется флегмовым числом.
11
Выбор оптимальной величины рабочего флегмового числа весьма
ответственен, так как от него зависит стоимость установки в целом. Оно
находится путем технико–экономических расчетов (пример см. в [5]).
Рис. 3. Диаграмма равновесия в координатах у – х
Для приближенных расчетов используют эмпирическое уравнение [3]
R = 1,3Rmin + 0,3,
где Rmin – минимальное флегмовое число:
Rmin 
x P  y*F
y*F  x F
,
y*F – концентрация НК в паре, находящимся в равновесии с исходной сме-
сью, мол. доли. Определение y*F показано на рис. 2.
Если кривая равновесия имеет впадину, то Rmin определяется графическим способом [2, с. 677].
5. Построение рабочих линий и кинетической кривой на диаграмме y – x
Методика построения рабочих линий приводится в [1, 2].
Из точек xW и x Р восстанавливаем перпендикуляры до пересечения
с диагональю диаграммы у – х. Получим точки А и В.
Из точки В проводим прямую, выражаемую уравнением:
12
x
R
x P .
R 1
R 1
Далее из точки xF восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с
этой прямой. Получим точку С, которую соединяем с точкой А.
Прямая ВС является рабочей линией верхней (укрепляющей) части
колонны, прямая АС – рабочей линией нижней (исчерпывающей) части колонны.
Чтобы построить кинетическую кривую определяем для заданного
типа тарелок коэффициент эффективности по Мэрфи Еу [6].
Проводим на диаграмме равновесия несколько прямых АiВi. Определяем в выбранных сечениях предельное изменение состава пара (у* – у),
изображаемое отрезками АiВi. По соотношению
Аi Ci
 Ey
Ai Bi
y
определяем действительное изменение состава пара Δу в выбранных сечениях колонны. Соединяем точки Сi плавной линией – кинетической кривой.
6. Определение числа теоретических и действительных тарелок
От точки А до точки В вычерчивают между кривой равновесия и рабочими линиями ступени изменения концентраций. Число горизонтальных
ступеней соответствует числу теоретических тарелок nт. Для удобства построения рекомендуется увеличивать масштаб построения отдельных
участков диаграммы у – х.
Число действительных тарелок nд определяют вычерчиванием ступеней изменения концентраций между кинетической кривой и рабочими
линиями [1, 2].
Для насадочных колонн вычисляют число единиц переноса по уравнению
noy 
 dy / y
yP
*

y .
yW
Этот интеграл не может быть решен аналитически. Поэтому число
единиц переноса определяют методом графического интегрирования [1].
Пример решения интеграла методом графического интегрирования приведен в [5].
7. Определение максимально допустимой скорости пара и диаметра
колонны
13
Максимально допустимая скорость пара:
ρ ж  ρп
,
w  C max
ρп
где ρж и ρп – плотности жидкости и пара, кг/м3.
Коэффициент Сmax рассчитывают по уравнению [11]:
Сmax=8,47·10–5[k1k2c1 – c2(λ – 35)].
Для тарелок из S–образных элементов значение коэффициентов k1,
k2, c1 и c2 приведены в [11].
Коэффициент λ находят из следующего выражения:
0,655 L k1c1  ж   п
,
ж
V
п
где L – массовый расход жидкости, кг/ч; V – объемный расход пара, м3/ч.
Скорость пара в интервале устойчивой работы провальных тарелок
рассчитывается по уравнению [1, 9]:
Y = Be–4X,
где

0 ,16
1
1
w
п  ж 
 L  4  п  8


Y=
,
;
Х

  
gdэ Fc2  ж  в 
 G    ж 
w – скорость пара в колонне, м/с; dэ – эквивалентный диаметр отверстия
или щели в тарелке, м; Fc – доля свободного сечения тарелки, м2/м2; µж и
µв – вязкость соответственно жидкости при температуре в колонне и воды
при температуре 20ºС, Па·с; L – массовый расход жидкости, кг/с; G – массовый расход пара, кг/с.
Коэффициент В принимают равным 6÷8 [5].
Для колпачковых тарелок [1]:
0,0155 ρж
w  2/3
hк ,
ρп
dк
где dк – диаметр колпачка, м; hк – расстояние от верхнего края колпачка до
вышерасположенной тарелки, м.
Рекомендуем предварительно задаться диаметром колонны и выбрать по [5, 7, 11] геометрические параметры тарелки (dэ, dк, Fc и т.д.). После определения диаметра колонны уточняются выбранные параметры тарелки и расчет скорости пара при необходимости повторяют.
Для колонн с ситчатыми тарелками [12]:
2
w  0,05 ρж / ρп .
Для клапанных тарелок
14
1,85
w
G 2g
  
,
F
S

o
n
 c
где G – масса клапана, кг; Sо – площадь отверстия под клапаном, м2;  –
коэффициент сопротивления, который может быть принят равным 3. По
ГОСТ 16452 – 79 диаметр отверстия под клапаном равен 40 мм, масса клапана 0,04 кг.
Пределом нагрузки насадочных колонн, работающих в пленочном
режиме, является точка эмульгирования, или инверсии. Пленочный режим
неустойчив и в обычных насадочных колоннах сразу переходит в захлебывание. Фиктивная скорость пара wпр, соответствующая пределу нагрузки,
определяется по уравнению [1]:
0,16
18
2
14
 wпр
a п  ж  
L   п 


   A  B  
 ,
lg  3 
 G    ж 
 g  ж   в  
где а – удельная поверхность насадки, м2/м3; ε – свободный объем, м3/м3; А,
В – коэффициенты, зависящие от типа насадки [9].
Характеристики различных насадок приведены в [5, 11].
Средний состав жидкости в верхней и нижней частях колонны определяют по формулам, а её температуру – по диаграмме t – x, y:
- мольный
xcp.в.  ( xP  xF ) / 2  tв ;
xcp.н.  ( xW  xF ) / 2  t н ;
- массовый
xcp.в.  ( xP  xF ) / 2;
xcp.н.  ( xW  xF ) / 2.
Средний состав пара и его температуру (по диаграмме t – x, y) в
верхней и нижней частях колонны определяют по формулам:
уср.в=(уР+уF)/2→ t в ;
уср.н=(уW+уF)/2→ t н .
в
н
, ж
Находим плотности жидкости  ж
и пара  пв ,  пн в верхней и
нижней частях колонны при средних температурах в них.
Плотность паров, кг/м3:
М
Т0
М
Т0
 nв  в 
 nн  н 
;
.
22,4 Т 0  tв
22,4 Т 0  t н
Здесь Мв′ и Мн′ – средние мольные массы паров в верхней и нижней
частях колонны:
Мв′=уср.вМнк+ (1–уср.в)Мвк;
Мн′=уср.нМнк+ (1–уср.н)Мвк.
Плотность смеси жидкостей рассчитывают по уравнению [2]:
15
 ж  хнк  нк  1  хнк  вк ,
где  нк и  вк – плотности низкокипящего и высококипящего компонентов
при температуре смеси, кг/м3 [2, 3].
Вязкость жидкой смеси находим по уравнению [5]:
lg  ж  хнк lg  нк  xвк lg  вк ,
где μнк и μвк – вязкости жидких низкокипящего и высококипящего компонентов при средней температуре смеси, Па·с; хнк и хвк – мольные доли НК и
ВК.
Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют из соотношений:
Lв=PRMв/MP;
Lн=PRMн/MР+FMн/MF,
где MP – мольная масса дистиллята; MF – мольная масса исходной смеси;
Mв и Mн – средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях
колонны.
Средние массовые потоки пара в верхней Gв и нижней Gн частях колонны:
Gв=P(R+1)Мв′/MP;
Gн=P(R+1)Мн′/MP.
Диаметр колонны находим из уравнения расхода:
D
4G
.
w n
Определяют общую высоту ректификационной колонны
Н=(nд–1)h+ Zв+ Zн,
где h – расстояние между тарелками, м; Zв, Zн – расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.
Расстояние между тарелками рекомендуется выбирать в соответствии с данными [11]:
D, м . . . . . <0,8
0,8 – 1,6
1,6 – 2,0
2,0 – 2,4
> 2,4
h, мм . . . . . 200–350 350–400
400–500
500–600
≥ 600
Для насадочной колонны
Н = Zn + (n – 1)hр+ Zв+ Zн,
где Z – высота насадки в одной секции, м; n – число секций; hр – высота
промежутков между секциями насадки, в которых устанавливают распределители жидкости, м.
Расчет высоты насадки приведен в [5, с. 232–235].
Значения Zв и Zн выбирают в соответствии с рекомендациями [7]:
16
Диаметр колонны, мм
400–1000
1200–2200
2400 и более
Zв, мм
Zн, мм
600
1000
1400
1500
2000
2500
8. Выбор нормализованных размеров и материала колонны
по каталогам и справочникам
Находят диаметры верхней и нижней частей колонны и принимают
ближайший больший стандартный диаметр обечайки [7, 8]. Рационально
принять стандартный диаметр обечайки одинаковым для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне равны:
wдв  wв Dв D 2 ;
wдн  wн Dн D 2 .
В зависимости от свойств разделяемой смеси выбирают [8] материал
основных элементов колонны: обечайки, крышки, днища, тарелок, опор,
фланцев и т.д.
9. Гидравлический расчет колонны
Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определяют по
формуле:
ΔΡк=nвΔΡв+nнΔРн,
где ΔΡв и ΔРн – гидравлическое сопротивление тарелки соответственно
верхней и нижней частей колонны, Па.
Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки складывается
из трех составляющих:
ΔΡ=ΔΡс+ΔΡп+ΔΡσ.
Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:
ΔΡс=ξw2ρy/(2 Fc2 ).
Значения коэффициентов сопротивления ξ сухих тарелок различных
конструкций приведены в [9, 11].
Гидравлическое сопротивление парожидкостного слоя (пены) на тарелке:
ΔΡп=gρxh0,
где h0 – высота светлого слоя жидкости, м.
Для колпачковых тарелок высоту светлого слоя жидкости можно
найти по уравнению [9]:
h0=0,0419+0,19hпер– 0,0135w  у +2,46q,
где q – линейная плотность орошения, м3/(м·с); q=Q/Lc; Q – объемный расход жидкости, м3/с; Lc – периметр слива, м; hпер – высота переливной перегородки, м.
17
Для ситчатых и клапанных тарелок [9]:
0,56 k
h0  0,787 q 0, 2 hпер
w 1  0,31exp  0,11 ж  ж  в 0,09 ,
где σж и σв – поверхностное натяжение жидкости и воды при температуре в
колонне;  ж – вязкость жидкости в мПа·с; k = 0,05–4,6hпер.
Для провальных тарелок высоту светлого слоя жидкости находят из
соотношения
h0 = hп(1 – ε),
где hп – высота парожидкостного барботажного слоя (пены) на тарелке, м;
ε – паросодержание барботажного слоя.
Высоту парожидкостного слоя hп можно найти из уравнения [9]:
0,0011В  ж
Fr=
,
С
п
w02
где Fr=
– критерий Фруда; w0 – скорость пара в свободном сечении
ghn
тарелки, м/с; В – коэффициент (см. с. 15); С – величина, равная
0, 067
2
 U 6ж
 ж 

С 
.
3

g

ж


Плотность орошения U для провальных тарелок
U = L/(0,785d2ρж).
Паросодержание барботажного слоя
0,21
.
ε = 1– 0, 2
Fr
Fc
Гидравлическое сопротивление насадочной колонны [9]:
P  10 bU Pc ,
где b – коэффициент, зависящий от типа насадки; U = L/(0,785D2ρж) –
плотность орошения, м3/(м2·с).
Гидравлическое сопротивление сухой неорошаемой насадки ΔРс
рассчитывают по уравнению [1]:
Pc  
H w2  n
,
d э 2 2
где λ – коэффициент сопротивления сухой насадки, зависящий от режима
движения пара в насадке.
Коэффициент сопротивления беспорядочно насыпанных кольцевых
насадок можно рассчитывать по формулам:
при ламинарном движении (Rеп < 40)
18
λ = 140/Rеп;
при турбулентном движении (Rеп > 40)
λ = 16/ Re 0n, 2 .
10. Тепловой баланс колонны и определение расхода греющего пара в
кипятильнике
Расход теплоты, получаемой в кубе–испарителе от греющего пара
Qк=PR(I – iP)+ P(I – iF)+W(iW – iF)+Qпот,
где rP= x P rнк+(1– x P )rвк – удельная теплота конденсации паров на выходе
из колонны, Дж/кг; I=iP+rP – энтальпия пара, Дж/кг; iP – энтальпия дистиллята, Дж/кг; iF и iW – энтальпии исходной смеси и кубового остатка,
Дж/кг; Qпот – потери тепла в окружающую среду, Вт.
Потери тепла в окружающую среду принимают в размере 3÷5% от Qк.
Энтальпия жидкости рассчитывается по формуле [2]:
i=c·t,
где с – удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К).
Теплоемкость смеси по [2]:
ссм= хнк снк  хвк свк ,
где снк и свк – теплоемкости чистых НК и ВК при температуре смеси [2, 3].
Расход греющего пара в кубе–испарителе, кг/с:
Gгр=Qк/rгр,
где rгр – удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг [3].
11. Расчет тепловых нагрузок дефлегматора, холодильника и
подогревателя исходной смеси
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре, Вт:
Qд=P(1+R)rP.
Тепловая нагрузка холодильника дистиллята:
Qх=Р с Р (tP – tx),
где с Р – теплоемкость дистиллята при средней температуре 0,5(tP + tx).
Тепловая нагрузка подогревателя исходной смеси:
Qпод=F с F (tF – tн),
где с F – теплоемкость исходной смеси при средней температуре 0,5(tF + tн).
12. Определение расхода охлаждающей воды в дефлегматоре
и холодильнике
Расход охлаждающей воды в дефлегматоре, кг/с
19
Gд=
Qд
,
св (t 2  t1 )
где св – теплоемкость воды при средней температуре 0,5(t1 + t2), Дж/(кг·К).
Расход охлаждающей воды в холодильнике дистиллята:
Qх
Gх=
.
св (t 2  t1 )
13. Расчет поверхности нагрева всех теплообменников с полным
расчетом коэффициентов теплопередачи и выбор нормализованных
размеров теплообменников по ГОСТам и нормалям
Определение поверхности нагрева теплообменников (подогревателя,
дефлегматора, кипятильника и холодильника) следует проводить в соответствии с теорией теплопередачи при использовании учебников [1–3, 10,
13, 14] и специальной теплотехнической литературы.
Прежде чем приступить к расчету подогревателя исходной смеси,
необходимо проверить, обеспечит ли кубовый остаток тепловую нагрузку
подогревателя. Если теплосодержание кубового остатка значительно ниже
Qпод, то для нагревания исходной смеси до температуры кипения требуется
установить дополнительный теплообменник, обогреваемый насыщенным
водяным паром. В этом случае следует изменить технологическую схему
установки, добавив в нее еще один подогреватель исходной смеси. Расчет
поверхности теплообмена провести для первого подогревателя.
14. Расчет тепловой изоляции колонны с выбором
теплоизоляционного материала
Толщину тепловой изоляции δи находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду [5]:
 в  tст2  t в   и  и   tст1  t ст2 ,
где  в  9,3  0,058  tст2 –коэффициент теплоотдачи от внешней поверхно-


сти изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2·К) [1]; tст2 –
температура изоляции со стороны окружающей среды, °С;
t ст1 –
температура изоляции со стороны аппарата, °С; tв – температура окружающей среды, °С; λи – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м·К) [15].
20
Литература
1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.
М.: Химия, 1973. 754 с.
2. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. Л.: Химия, 1966. 848 с.
3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу
процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1987. 576 с.
4. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью
и паром. Кн. 1–2. М.–Л.: Наука, 1966. 640 + 786 с.
5. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по
проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др.
Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2–е изд., перераб. и дополн. М.: Химия,
1991. 496 с.
6. Перри Дж. Справочник инженера–химика. Т. 1, 2. Л.: Химия, 1969. 639
с., 504 с.
7. Каталог. Колонные аппараты. Изд. 2–е. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ,
1978. 31 с.
8. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета
химической аппаратуры (справочник). Л.: Машиностроение, 1970. 752 с.
9. Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976. 655 с.
10.Машины и аппараты химических производств/ И.И. Чернобыльский,
А.Г. Бондарь, Б.А. Гаевский и др. Под ред. И.И. Чернобыльского, 3–е
изд., перераб. и дополн. М.: Машиностроение, 1975. 456 с.
11.Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. М.:
Химия, 1971. 296 с.
12.Стабников В.Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов. Киев: Технiка, 1970. 208 с.
13.Справочник по теплообменникам. Т. 1 и Т. 2. Пер. с англ./ Под ред.
О.Г. Мартыненко и др. М.: Энергоатомиздат, 1987.
14.Хоблер Т. Теплопередача и теплообменники. М.: Госхимиздат, 1961.
820 с.
15.Теплотехнический справочник. Т. 2. М.: Энергия, 1972. 896 с.
21
Приложение 1
Министерство образования РФ
Технологический институт СГТУ
Кафедра МХП
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине
"Основные процессы и аппараты химической технологии"
на тему:
"Расчет ректификационной установки"
Выполнил: ст. гр. ТЭП – 41
Савельева Т.Ю.
Проверил: Сергеев А.Д.
Энгельс 2004
22