РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

1 Составляем материальный баланс установки.

 

G_f = 0,44 кг/с; G_P = 0,08 кг/с; G_W = 0,36 кг/с;

 

2 Определяем оптимальное флегмовое число и число теоретических ступеней (ЧТС).

 

2.1 Пересчитываем массовые доли концентраций в мольные.

 

Молекулярная масса легкокипящего компонента М_А (этанол)

М_А = 46 кг/кмоль;

Молекулярная масса тяжелокипящего компонента М_В (вода)

М_В = 18 кг/кмоль.

;

 

2.2 Определяем минимальное флегмовое число R_min, для этого по справочным данным строим кривую равновесия (рис 2).

 

 

x, %	y, %	t, 0C
		100,0
1,8	17,9	95,5
5,4	33,8	90,6
12,4	47,0	85,4
17,6	51,4	83,7
23,0	54,2	82,8
28,8	57,0	82,0
38,5	61,2	81,0
44,0	63,3	80,5
51,4	65,7	79,8
67,3	73,5	78,9
84,0	85,0	78,3
		78,3

R_min= ;

2.3 Определяем оптимальное флегмовое число R_опт

 

R_опт = 3,29.

 

2.4 Определяем число теоретических ступеней (ЧТС), для этого на графике строим рабочие линии укрепляющей и исчерпывающей частей колонны.

 

Для укрепляющей части колонны уравнение рабочей линии выглядит следующим образом

Тогда т.А и т. В будут иметь координаты

т.А: x_A = x_P; y_А = x_P;

т.В: x_B = 0; y_В =

Для исчерпывающей части колонны уравнение рабочей линии выглядит следующим образом

где F,W – относительные мольные расходы исходной смеси и кубового остатка, отнесенные к 1 молю дистиллята.

т.С: x_C = x_f;

т.D: x_D = x_W; y_D = x_W;

АС–укрепляющая часть.

СD–исчерпывающая часть.

По графику определяем ЧТС для укрепляющей и исчерпывающей частей колонны:

ЧТС_укр = 7,5; ЧТС_исч = 1,8; n_Т = ЧТС_укр + ЧТС_исч = 7,5+1,8=9,3.

 

3 Составляем тепловой баланс.

 

3.1 Определяем теплоемкости смеси, для чего строим температурную зависимость t = f(x) (рис 3).

C_см =

 

	t, 0C	CA, кДж/(кг·К)	CB, кДж/(кг·К)	Cсм, кДж/(кг·К)
p	78,5	3,23	4,19	3,32
f	87,6	3,35	4,19	4,02
w	96,5	3,44	4,22	4,19

 

3.2 Определяем приход теплоты:

 

с исходной смесью

Q_f = G_f·t_f·c_f;

Q_f = 0,44·87,6·4,02 = 154,9 кВт.

с греющим паром

Q_гр = D_грI_гр;

t_гр ≥ t_W + 20 ⁰C; t_гр ≥ 116,5 ⁰C;

По справочным данным выписываем характеристики насыщенного водяного пара по температуре: t_гр = 119,6 ⁰C, Р_гр = 2,0 кг/см², I_гр = 2710 кДж/кг, r_гр = 2208 кДж/кг.

Q_гр = 2710D_гр.

с флегмой

Q_R = G_R·t_R·c_R;

c_R = G_P; t_R = t_P;

R = G_R/ G_P;

G_R = R· G_P;

Q_R =R·G_P·t_P·c_P;

Q_R =3,29·0,08·78,5·3,32 = 68,6 кВт.

 

3.3 Расход теплоты:

 

с парами из колонны

Q’_п = G’_пI’_п;

где G’_п – расход пара в верхнем сечении колонны;

I’_п – удельная энтальпия в верхнем сечении колонны.

G’_п = G_R + G_P = G_PR+ G_P = G_P(R+1);

I’_п = r_p + c_pt_p;

r_p = ;

Q_п = G_P(R+1)·(r_p + c_pt_p);

По справочным данным по температуре дистиллята находим удельные теплоты парообразования легкокипящего и тяжелокипящего компонента: r_А = 848,9 кДж/кг, r_В = 2312,5 кДж/кг.

r_p = 0,91·848,9 + (1-0,91)·2312,5 = 980,6 кДж/кг;

Q_п = 0,08·(3,29+1)·(980,6 + 3,32·78,5) = 426,0 кВт.

с кубовым остатком:

Q_W = G_W·t_W·c_W;

Q_W = 0,36·96,5·4,19 = 145,6 кВт.

с конденсатом греющего пара

Q_конд = D_гр·c_B·t_гр,

где c_B – удельная теплоемкость воды, c_B = 4,19 кДж/(кг·К).

Q_конд = 4,19·119,6· D_гр = 501,1 D_гр.

Теплопотери составляют 5% от теплоты, отдаваемой греющим паром.

Q_пот = 0,05D_грr_гр;

Q_пот = 0,05·2208·D_гр = 110,4D_гр,

 

3.4 Составляем тепловой баланс и находим расход греющего пара

Q_f + Q_гр + Q_R = Q’_п + Q_W + Q_конд + Q_пот;

154,9 + 2710 D_гр + 68,6 = 426,0 + 145,6 + 501,1 D_гр + 110,4 D_гр;

D_гр = 0,17 кг/с.

 

4 Определяем диаметр РК

 

4.1 Определяем расход пара в верхнем и нижнем сечениях колонны.

 

где T₀ = 273 K, P₀ = 1·10⁵ Па, Р_р=1∙10⁵ Па.

В верхнем сечении:

G’_n = G_P(R+1);

G’_n = 0,08(3,29+1) = 0,34 кг/с,

M_р = x_pM_A + (1-x_p)M_B,

M_р = 46·0,798 + 18·(1 – 0,798) = 40,3 кг/кмоль.

T_р = t_p + 273 = 78,5 + 273 = 351,5 K.

кг/м³,

м³/с

В нижнем сечении:

G”_n·r_W = D_гр·r_гр;

r_W = .

r_W =818,8·0,04 + 2267,2·(1-0,04) = 2209,3 кДж/кг.

кг/с,

M_W = x_W∙M_A + (1-x_W)M_B,

M_W = 0,016·46 + (1-0,016)·18 = 18,4 кг/кмоль.

Принимаем ∆P_T = 200 Па.

T_w = t_W + 273 = 96,5 + 273 = 369,5 K,

кг/м³,

м³/с.

4.2 Определяем скорость пара отнесенную к полному сечению колонны и скорость пара.

 

Принимаем кольца Рашига

25х25х3

=204 м²/м³; =0,74 м³/м³;

;

Верхнее сечение:

Нижнее сечение:

 

4.3 Рассчитываем диаметр колонны из уравнения расхода.

 

Полученные значения диаметров отличаются друг от друга меньше, чем на 0,3 м, поэтому выбираем колонну одного диаметра. D_к = 600 мм.

По каталогу выбираем основные размеры колонны.

Тип колонны КСН, Тип тарелки–ТСН-2, ТСН-3.

Техническая характеристика	Значение
Диаметр, мм
Высота сепарационной части Hc, мм
Высота кубовой части Hк, мм
Расстояние между тарелками hт, мм
Высота царги Hц, мм
Количество тарелок в царге n

 

Технологические характеристики тарелок типа ТСН-2 и ТСН-3

 

 

Характеристика	ТСН-2	ТСН-3
Свободное сечение в колонне, м2	0,283	0,283
D1, мм
D2, мм
D3, мм	-
h, мм		-
h1, мм		-
Жидкостной патрубок:
d, мм
Количество n
Свободное сечение, м2	0,0006	0,0006
Тарелка:
Рабочее сечение, м2	0,173	0,113
Сечение слива, м2	0,0151	0,0127
Максимальная дополнительная нагрузка по жидкости, м3/(м2*ч)
Количество отверстий для слива жидкости n1

 

4.4 Уточняем скорость:

 

 

5 Определяем высоту колонного аппарата.

 

,

,

,

 

6 Гидравлическое сопротивление насадочной колонны