Периметр сливной перегородки находим решая систему уравнений
Гидравлический расчет тарелок
Сопротивление тарелки потоку пара в значительной степени определяет рабочую характеристику тарелки и ее возможности при реализации процесса разделения.
Общее гидравлическое сопротивление тарелки обычно представляют в виде суммы трех составляющих [24]:
(75)
Принимаем следующие размеры тарелки типа МД: — площадь прохода пара, Fо = 0,64 м 2 ; — диаметр отверстия , d0 = 5 мм; — высота сливной перегородки, h = 25 мм.
Гидравлическое сопротивление сухой тарелки рассчитывают по уравнению (76):
,
(76)
где ξ – коэффициент сопротивления сухой тарелки;
ρп – плотность пара, кг/м 3 ;
ω0 – скорость пара в паровых патрубках, м/с.
Коэффициент сопротивления сухой тарелки обычно определяют при продувке модели тарелки, для тарелки типа МД величина xср = 1,65 [24]. Скорость пара определим по формуле (77):
(77)
Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, вычисляется по формуле (78):
(78)
где σ – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны, Н/м;
Сопротивление газожидкостного слоя на тарелке вычисляется по формуле (79):
(79)
где hпж – высота парожидкостного слоя, м;
ρпж – плотность парожидкостного слоя (пены), кг/м 3 ;
g – ускорение свободного падения, м/с 2 ;
k – относительная плотность парожидкостного слоя (пены), принимаемая приближенно 0,5.
Высота парожидкостного слоя на тарелке определяется по формуле (80):
(80)
где ∆h – высота слоя над сливной перегородкой, м.
Высота слоя над сливной перегородкой рассчитывается по формуле (81):
(81)
где Vж – объемный расход жидкости, м 3 /с;
П – периметр сливной перегородки, м.
Объемный расход жидкости определяется по формуле:
(82)
где R – радиус тарелки, м.
Мср – средняя мольная масса жидкости, кг/кмоль.
Периметр сливной перегородки находят, решая систему уравнений (83-84):
(83)
(84)
где 2/3∙П∙b – приближенное значение площади сегмента.
Решением системы уравнений получаем: П = 1,19 м, b = 0,9 м. Находим по формуле (81) и h по формуле (80).
Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны рассчитывается по формуле (75).
Общее гидравлическое сопротивление колонны определяется по формуле:
Название: Расчет ректификационной колонны Раздел: Промышленность, производство Тип: контрольная работа Добавлен 07:50:33 18 марта 2009 Похожие работы Просмотров: 313 Комментариев: 21 Оценило: 4 человек Средний балл: 5 Оценка: неизвестно Скачать
Министерство образования Российской Федерации
Казанский государственный технологический университет
Расчетное задание № 4
Расчет тарельчатой ректификационной колонны
Студентка группы 513121
Расчет тарельчатой ректификационной колонны
Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия с ситчатыми тарелками для разделения 7,5 т/ч жидкой смеси, содержащей 40% (масс) хлороформа и 60% (масс) бензола. Требуемое содержание хлороформа в дистилляте 98% (масс), в кубовом остатке 4,5% (масс). Исходная смесь перед подачей в колонну подогревается до температуры кипения.
Обозначим массовый расход через GD кг/ч, кубового остатка через GW кг/ч
Из уравнений материального баланса находим массовые расходы:
GW∙ xW + GD ∙ xD = GF∙ xF;
GW∙ 0.98 + GD ∙ 0.045 = 7500 ∙ 0.4;
Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях.
Относительный мольный расход питания:
Минимальное число флегмы
, где у*F — мольная доля хлороформа в паре, равновесном с жидкостью питания, определены по диаграмме у* — х.
Рабочее число флегмы
R= 1.3Rmin + 0.3 = 1.3. ∙ 5,1 + 0.3 = 6.9
Уравнения рабочих линий:
А) верхней части колонны
Б) нижней части колонны:
Определение скорости пара и диаметра колонны.
Средние концентрации жидкости:
А) в верхней части колонны
Б) в нижней части колонны:
Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:
А) в верхней части колонны
Б) в нижней части колонны:
средние температуры пара определяем по диаграмме t – x, у:
А) при ,
Б) при .
Средние мольные массы и плотности пара:
А)
Б)
Средняя плотность пара в колонне:
Температура в верху колонны при хD = 0.97 равняется 63 0С, а в кубе-испарителе при хW = 0.03 она равна 80,5 0С.
Плотность жидкого хлороформа при 63 0С:
Плотность жидкого бензола при 80,30С:
Средняя плотность жидкости в колонне:
Принимаем расстояние между тарелками h = 300мм. для ситчатых тарелок по графику находим С=0,032. Скорость пара в колонне:
Объемный расход проходящий через колонну пара при средней температуре в колонне tCP = (63+80.5) /2 = 720С:
DCT = 2200мм.
Тогда скорость пара в колонне будет:
Гидравлический расчет тарелок.
Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстий d0 = 4 мм, высота сливной перегородки hП = 40мм. свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментами, составляет 20% от общей площади тарелки.
Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и в нижней части колонны по уравнению:
∆р = ∆рсух + ∆рσ + ∆рпж.
А) Верхняя часть колонны.
Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:
, где
ζ = 1,82 – коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 7 – 10%;
w0 = 0,66/0,08 = 8,3 м/с – скорость пара в отверстиях тарелки.
Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:
, где
σ – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 74,4 0С.
Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:
Высота парожидкостного слоя:
величину ∆h – высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по формуле:
, где Vж – объемный расход жидкости, м3/с; П – периметр сливной перегородки, м; k = ρпж/ρж – отношение плотности парожидкостного слоя к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0,5.
Объемный расход жидкости в верхней части колонны:
Периметр сливной перегородки П находим решая систему уравнений:
, где R = 0,9 м – радиус тарелки; 2/3Пb – приближенное значение площади сегмента.
Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h = 0.3 м необходимое для нормальной работы тарелок условие
Для тарелок нижней части, у которых гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок верхней части:
Условие соблюдается.
Проверим равномерность работы тарелок – рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях w0min, достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями:
Рассчитанная скорость w0min = 7,9 м/с; следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.
Определение числа тарелок и высоты колонны.
А) наносим на диаграмму у – х рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число ступеней изменения концентрации пТ. в верхней части колонны п’T = 8, в нижней части колонны п’’T = 26, всего 34 ступени. Число тарелок рассчитывается по уравнению: п = пТ / η.
Для определения среднего к. п. д. тарелок η находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов α = РХ / РБ, и динамический коэффициент вязкости исходной смеси μ при средней температуре в колонне, равной 72 0С.
При этой температуре давление насыщенного пара хлороформа и бензола соответственно равны:
, откуда α = РХ / РБ = 1292/700=1,8
динамические коэффициенты вязкости хлороформа и бензола соответственно равны:
αμ = 1,8 ∙ 0,35 = 0,62
по графику находим η = 0,54. Длина пути жидкости на тарелке
l = D – 2b = 2,2 – 2 ∙0.289 = 1.62
По графику находим значение поправки на длину пути ∆ = 0,18. Средний к. п. д. тарелок: ηl = η(1 + ∆) = 0.54(1+0.18) = 0.64.
Для сравнения рассчитаем средний к. п. д. тарелки η0 по критериальной формуле, полученной путем статистической обработки многочисленных опытных данных для колпачковых и ситчатых тарелок:
В этой формуле безразмерные комплексы:
где w – скорость пара в колонне, м/с; SСВ – относительная площадь свободного сечения тарелки; hП – высота сливной перегородки, м; ρП и ρЖ – плотности пара и жидкости, кг/м3; DЖ – коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси; σ – поверхностное натяжение жидкости питания, Н/м.
Коэффициент диффузии
В нашем случае: β = 1; μЖ = 0,35 сП = 0,35∙10-3 Па∙с; М = МF = 90,4 кг/кмоль; υ = 3,7 + 14,8 + 3∙24,6 = 92,3; Т = 72 + 273 = 345К.
Средний к. п. д. тарелки:
, что близко к найденному значению ηl.
В верхней части колонны п = п’Т / η = 8 / 0.64 = 12,5;
В нижней части колонны п = п’’Т / η = 26 / 0.64 = 40,5.
Общее число тарелок п = 53, с запасом 60, из них в верхней части колонны 15 и в нижней части 45 тарелок.
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:
где rX и rБ – удельные теплоты конденсации при 63 0С.
Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара
Здесь тепловые потери QПОТ приняты в размере 4% от полезной затрачиваемой теплоты; удельные теплоемкости взяты соответственно при tD = 630С, tW = 80.30С, tF = 770С; температура кипения исходной смеси tF = 770С определена из диаграммы t – x, у.
Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:
здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси взята при средней температуре (77+18) /2 = 47,50С
Расход теплоты, отдаваемый охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:
, где удельная теплоемкость дистиллята взята при средней температуре (63+25) /2 = 88 0С
.
Расход теплоты, отдаваемый охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:
, где удельная теплоемкость кубового остатка взята при средней температуре (80,3+25) /2 = 52,65 0С
Всего: 0,02+0,0006+0,0015=0,0221 м3/с или 79,56 м3/ч
Гидравлический расчет тарелок
Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстий do = 4 мм, высота сливной перегородки hп = 40 мм. Свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8 % от общей площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20 % от общей площади тарелки.
Рассчитываем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и в нижней части колонны по уравнению:
(5.56)
а) Верхняя часть колонны
Гидравлическое сопротивление сухой тарелки определяем по формуле (5.56):
, (5.57)
где x=1,82 – коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 7-10 %; ωо=0,48/0,08=6 м/с – скорость пара в отверстиях тарелки (ω = 0,48 – скорость пара в колонне).
Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:
, (5.58)
где s = 20,5*10^-3 H/м – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 88 о С (у бензола и толуола практически одинаковое поверхностное натяжение); do = 0,004 м – диаметр отверстий тарелки.
Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:
(5.59)
Высота парожидкостного слоя (рис. 5.12):
(5.60)
Рис. 5.12. Схема ситчатой тарелки
Величину Dh – высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по формуле:
(5.61)
где Vж – объемный расход жидкости, м 3 /с; П – периметр сливной перегородки, м; k=ρпж/ρж – отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приближенным равным 0,5.
Объемный расход жидкости в верхней части колонны:
где — средняя молекулярная масса жидкости, кг/кмоль.
Периметр сливной перегородки П (рис. 5.12) находим, решая систему уравнений:
; (5.62)
, (5.63)
где R=0,9 м – радиус тарелки; 2/3Пb – приближенное значение площади сегмента.
Решение дает: П = 1,32 м; b = 0,289 м. Находим Dh:
Высота парожидкостного слоя на тарелке:
Сопротивление парожидкостного слоя:
Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:
б) нижняя часть колонны:
;
(18,8*10^-3 Н/м – поверхностное натяжение жидкости при tср = 103 о С);