Методические указания, примеры расчетов и темы для курсовых проектов. Примеры выполнения контрольных заданий.

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Рассмотрено                                                                     предметно-цикловой комиссией                                        ______________________________ Протокол №__ от «_____»________20__г. Председатель___________                          (подпись)

Составитель Теург-Дий В.Г преподаватель общепрофессиональных дисциплин и профессиональных модулей

                                Глазов, 2016

 

В дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии» изучается теория основных процессов, конструкции типовых аппаратов, принципы и методы расчета аппаратов, используемых для проведения этих процессов.

Данные методические указания включают в себя программу дисциплины «Процессы и аппараты химической технологии», контрольные задания и вопросы и ставят цель правильно организовать самостоятельную работу студентов заочной формы обучения, а преподавателю дают возможность контролировать ход обучения студентов и оказывать при этом необходимую помощь.

 

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ......................................................................... 3

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ............................................. ………5

Содержание расчетно-пояснительной записки..................... 5

Графическая часть курсового проекта.................................. 8

2. СХЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ..................... 10

Ректификационная установка. Тарельчатая колонна.......... 10

Ректификационная установка. Насадочная колонна........... 18

Абсорбционная установка................................................... 22

Однокорпусная вакуум-выпарная установка...................... 26

Многокорпусная вакуум-выпарная установка.................... 29

Сушильная установка.......................................................... 31

3. РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ..................... 35

Принцип выбора конструкции теплообменника................. 35

Содержание теплового расчета........................................... 37

Содержание гидравлического расчета................................ 42

Примерные темы курсовых проектов………………………….45

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................... 46

ПРИЛОЖЕНИЯ и образцы решения контрольных заданий       

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

В дисциплине рассматриваются теоретические основы про- цессов химической технологии, устройство, принцип действия и ме- тоды расчета машин и аппаратов для проведения гидромеханиче- ских, тепловых и массообменных процессов.

Целями изучения дисциплины «Процессы и аппараты хими- ческой технологии» являются общетеоретическая и практическая подготовка специалистов, способных понимать механизм происходящих в аппаратах процессов, управлять сложными технологическими процессами, осуществлять проектирование аппаратов.

Дисциплина «Процессы и аппараты химической технологии» является системообразующей вместе с курсами общей химической технологии, должна связывать воедино общенаучную, общепрофессиональную и профилирующую подготовку. В условиях современного химического производства приходится решать сложные вопросы, связанные с проектированием и эксплуатацией технологических процессов и оборудования. В курсе процессов и аппаратов даются понимание глубокой физической общности процессов химической технологии, основы гидромеханики, тепло- и массопередачи, теория и практика основных процессов, с акцентом на основные закономерности и общие принципы анализа, моделирования, расчета и аппаратурное оформление этих процессов. Все это необходимо при подготовке специалистов широкого профиля для научно-исследовательской, проектной и практической работы на предприятиях.

В результате изучения дисциплины студент осваивает ос- новные закономерности гидромеханических, тепло- и массообмен- ных процессов, методы расчетов аппаратов для осуществления этих процессов, учится проводить эти расчеты с использованием экспе- риментальных и справочных данных, владеть навыками практиче- ской работы с гидромеханическими, тепло- и массообменными ап-

паратами, рассчитывать и определять основные параметры и коли- чественные характеристики процессов.

Курсовой проект по процессам и аппаратам химических производств является завершающим этапом работы студентов над изучаемой дисциплиной. Он включает расчет одной из типовых ус- тановок (выпарной, ректификационной, абсорбционной, сушильной) и ее графическое оформление.

Основная цель курсового проектирования заключается в за- креплении и расширении теоретических знаний студентов, в приоб- ретении ими расчетных навыков. Выполнение данного курсового проекта служит базой для выпускных квалификационных работ.

В ходе работы над курсовым проектом выполняются техно- логические, тепловые и гидравлические расчеты, по действующим стандартам, каталогам и справочной литературе проводится выбор аппаратуры для конкретных условий ее работы и с учетом экологи- ческих требований.

В целом курсовой проект должен представлять собой закон- ченную проектную разработку установки. За результаты расчетов ответственность несет студент – автор проекта. Преподаватель – ру- ководитель проекта – направляет работу студента, обеспечивает систематические консультации, на которых студент получает ответы на все возникающие у него вопросы и рекомендации по основным разделам разрабатываемого проекта.

Настоящие методические указания составлены с целью дать ответы на возникающие вопросы студентов, приступающих к вы- полнению курсового проекта. В них приведены уравнения, справоч- ные данные и литературные источники, пользуясь которыми студен- ты проводят расчеты, а также указаны последовательность и содер- жание этих расчетов.

В приложениях 1…3 приведены образцы оформления ти- тульного листа расчетно-пояснительной записки и ее оглавления, образец штампа к чертежам.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Содержание расчетно-пояснительной записки

Основное содержание пояснительной записки определяется заданием на курсовой проект. Объем пояснительной записки должен быть не менее 15-20 страниц. Расчетно-пояснительная записка оформляется на стандартных листах бумаги формата А4 (210х297 мм). На каждом листе оставляются поля: слева не менее 30 мм, справа не менее 20 мм. Страницы записки, включая страницы с ри- сунками и таблицами, нумеруются арабскими цифрами в правом нижнем углу. На титульном листе номер страницы не указывается. Сокращения слов в тексте не допускается. Терминология должна соответствовать общепринятой в научно-технической литературе.

Текст расчетно-пояснительной записки разбивается на раз- делы. В оглавлении указываются номера страниц, соответствующие каждому разделу записки. Разделы и подразделы нумеруются араб- скими цифрами и должны иметь краткие наименования. Расстояние между заголовком и последующим текстом должно быть равно 10 мм, между заголовком и последней строкой текста –15 мм.

Пояснительная записка должна быть оформлена в опреде- ленной последовательности. Вне зависимости от темы расчетно- пояснительная записка должна содержать:

- титульный лист;

- задание на проектирование;

- оглавление;

- введение;

- краткую характеристику и основные свойства рабочих сред;

- описание технологической схемы;

- расчетную часть, включающую технологические расчеты и вы- бор оборудования;

- заключение;

- список использованной литературы.

Примеры оформления титульного листа и оглавления приве- дены в приложении.

Во введении указываются сущность, значение, области при- менения и пути дальнейшего развития рассматриваемого процесса. Необходимо также привести сравнительную характеристику аппара- тов для его осуществления и обосновать выбор конструкции основ- ного аппарата [2, 5].

При описании технологической схемы следует проанализиро- вать различные ее варианты, позволяющие интенсифицировать ос- новной процесс и повысить технико-экономические показатели. Не- обходимо также учитывать требования охраны окружающей среды.

На схеме указываются позиции (номера аппаратов), направ- ления потоков, значения их расходов, температур, концентраций и других параметров. Рисунок схемы вычерчивается и вкладывается в расчетно-пояснительную записку. Примеры графического выполне- ния технологических схем даны в [11,12].

В сводке основных свойств рабочих сред должны быть при- ведены химические формулы соединений, молярные массы, физико- химические и термодинамические данные, их зависимости от темпе- ратуры и состава. Для определения этих данных пользуются спра- вочной литературой [3, 7, 13]. Если необходимые значения того или иного свойства находятся за пределами представленного в справоч- ных материалах диапазона изменения физических условий (темпе- ратур, давлений, концентраций), то следует прибегнуть к методам экстраполяции. При отсутствии сведений можно воспользоваться подобием физико-химических свойств, правилом линейности хими- ко-технологических функций и другими расчетными методами. Так, для нахождения динамического коэффициента вязкости жидкости по динамическому коэффициенту вязкости эталонного вещества может быть применено правило линейности, установленное К.Ф.Павловым [13, 16]. При отсутствии экспериментальных данных, например, коэффициент теплопроводности жидкости можно рассчи- тать по эмпирической формуле, представленной в [13, 16]. Оконча- тельно сведения о свойствах рабочих сред необходимо представить в виде таблиц или графиков.

Технологическая часть является важнейшим разделом курсо- вого проекта, включающим материальные и тепловые расчеты, рас- чет и выбор основного и вспомогательного оборудования. В техно-

логических расчетах путем составления уравнений материального и теплового балансов определяют расходы, составы и температуры получаемых продуктов, тепловые нагрузки аппаратов, расходы теп- лоносителей – греющего пара, охлаждающей воды. Задачей этого раздела проекта является расчет основных размеров аппаратов (диа- метра, высоты, поверхности теплопередачи и т.д.). Основанием для расчета и выбора оборудования являются материальные и тепловые балансы, параметры технологического режима его работы. На осно- вании анализа литературных данных и рекомендаций данного пособия выбирается методика расчета размеров аппаратов. По уравнениям тепло- и массопередачи рассчитывают основные разме- ры аппаратов и затем выбирают стандартные. В этот же раздел включаются гидравлические расчеты аппаратов. Кроме основных аппаратов в установку входит вспомогательное оборудование: насо- сы, вентиляторы, газодувки, вакуум-насосы и т.п. Вспомогательное оборудование подбирают по нормалям, каталогам или ГОСТам с учетом конкретных условий его работы.

Расчеты в записке должны сопровождаться пояснениями. Все расчетные формулы приводятся сначала в общем виде, нумеру- ются, затем дается наименование обозначений и указываются раз- мерности всех входящих в формулу величин. Численные значения величин в формулу подставляют в том порядке, в каком они в ней записаны, и приводят результат расчета. Все расчеты должны быть выполнены в международной системе единиц СИ.

В тексте записки указываются ссылки на использованную литературу для эмпирических формул, физических констант и дру- гих справочных данных.

Закончив расчетную часть проекта, студент в заключение излагает основные результаты выполненной работы и дает анализ полученных результатов.

В списке литературы перечисляются лишь те источники, на которые имеются ссылки в расчетно-пояснительной записке. Номера литературных источников в тексте заключаются в квадратные скоб- ки. Сведения о литературном источнике должны включать: полное название, фамилию и инициалы автора, место издания, наименова- ние издательства, год издания, число страниц. Все  использованные

источники приводятся в списке в алфавитном порядке и записывают следующим образом:

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химиче- ской технологии / А. Г. Касаткин. – М.: Альянс, 2006. – 752 с.

2. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и ап- паратов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.

3. Фролов В.Ф. Лекции по курсу «Процессы и аппараты хи- мической технологии» / В.Ф. Фролов. – СПб.: Химиздат, 2008. – 608 с.

4. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по курсовому проектированию / Г.С. Борисов [и др.]; под ред. Ю.И. Дытнерского. – М.: Химия, 2007. – 272 с.

 

Графическая часть курсового проекта

Графическая часть проекта состоит из технологической схе- мы и чертежа основного аппарата. Оформление графической части проекта должно соответствовать требованиям ЕСКД, предъявляе- мым к выполнению технического проекта.

На технологической схеме должны быть показаны основные аппараты, из которых состоит установка, и соединяющие их трубо- проводы. Схема должна содержать упрощенное изображение аппа- ратов, входящих в установку, во взаимной технологической и мон- тажной связи между ними и таблицы условных графических изо- бражений. Все оборудование на схеме вычерчивается сплошными тонкими линиями толщиной 0,3-0,5 мм, а трубопроводы - сплошны- ми основными линиями (ГОСТ 2.303-68), т.е. в 2-3 раза толще, чем оборудование. При выполнении технологической схемы применяют условные графические изображения. Аппаратам, показанным на схеме, как правило, присваивают буквенное обозначение, соответст- вующее начальной букве их наименований. Линии трубопроводов следует показывать горизонтально и вертикально, параллельно ли- ниям рамки формата. Условные изображения и обозначения трубо- проводов, принятые на схеме, должны быть расшифрованы в табли- це условных обозначений. На технологической схеме могут быть показаны приборы и средства автоматизации, условные изображе-

ния которых определяет ГОСТ 21.404-85. Обозначения условные в схемах автоматизации технологических процессов.

Технологическая схема выполняется на листе формата А1 (594х841) чертежной бумаги. Действительное пространственное расположение аппаратов можно не учитывать. Собственно схема размещается с левой стороны на большей части поля листа. В пра- вом нижнем углу располагают основную надпись (штамп) по ГОСТ 2.104-68. Над основной надписью (на расстоянии не менее 12 мм) располагают таблицы с перечнем составных частей и элементов схемы. Более подробные пояснения к выполнению технологических схем и примеры их изображения приведены в [11,12].

Чертеж общего вида основного аппарата, указанного в зада- нии, выполняется на листе формата А1 (594х841) в соответствии с ГОСТ 2.120-73. На чертеже должны быть даны главный вид аппара- та в сечении по вертикальной оси, вид сверху, разрезы и сечения, дающие полное представление об устройстве данного аппарата, а также основные узлы, которые на главном виде не удается изобра- зить четко. Масштаб, в котором вычерчивают аппарат и узлы, выби- рают по ГОСТ 2.302-68. Главный вид аппарата вычерчивают только в рабочем положении и располагают его вдоль большей стороны листа. На остальной части листа располагают другие виды, сечения, разрезы. Основные узлы и детали следует пронумеровать по часовой стрелке арабскими цифрами с расшифровкой позиций в специфика- ции. Рекомендуется общий вид аппарата вычерчивать в наибольшем из масштабов с применением при необходимости разрыва изобра- жения. Основные виды вычерчивают в одинаковом масштабе. На свободном месте вычерчивают сборочные единицы аппарата в мас- штабе большем, чем основные виды. Например, для емкостных ап- паратов вычерчивают фланцевые соединения, для теплообменников

– крепление труб к трубной решетке, для тарельчатой колонны – узел крепления тарелки, для насадочной колонны - распредели- тельную тарелку, узел подачи жидкости.

Основная надпись (штамп) располагают на листе в правом нижнем углу по отношению к рабочему положению аппарата в со- ответствии с ГОСТ 2.104-68. Над основной надписью помещают таблицу составных частей аппарата, технические требования, предъ-

являемые к изготовлению и испытанию аппарата, техническую ха- рактеристику аппарата. На свободном поле чертежа помещают таб- лицу штуцеров. На чертеже общего вида проставляются размеры: конструктивные, установочные, присоединительные.

Основные требования к чертежам общего вида и примеры их выполнения приведены в [11, 12].

 

2. СХЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ

Ректификационная установка. Тарельчатая колонна

Составляют принципиальную технологическую схему ректификационной установки [2, 12]. При разработке схемы следует стремиться к экономии энергии за счет использования теплоты от- ходящих потоков (кубового остатка, конденсата греющего пара).

На схему наносят значения параметров потоков (температу-

ры, давления, концентрации, расходов).

Составляют материальный баланс колонны, рассчиты- вают массовые и молярные расходы исходной смеси, дистиллята, кубового остатка.

В ректификационных колоннах исходная смесь в результате массообмена между противоточно движущимися паровой и жидкой фазами разделяется на два продукта: дистиллят, обогащенный более летучим компонентом, и кубовый остаток с преобладающим содер- жанием менее летучего компонента.

При выполнении расчетов процессов массопереноса прихо- дится использовать различные способы выражения количества целе- вого компонента в фазах. Поэтому при анализе процессов массопе- редачи целевого компонента от одного потока носителя к другому необходимо внимательно следить за видом представления концен- траций этого компонента, которые должны быть приведены к еди- ной системе величин и в равновесных соотношениях, и в уравнениях материальных балансов, и в уравнениях, описывающих кинетику массопередачи. Различные способы выражения состава фаз двух- компонентных систем жидкость–газ (пар), используемые при расче- тах массообменных процессов, представлены в табл. 1.

 

Таблица 1

Способы выражения состава фаз

Наименование способа выражения состава	Обозначение содержания компонента А
	в жидкой фазе	в газовой фазе
Молярная доля, кмоль А/ кмоль (А + В) Массовая доля, кг А/ кг (А + В) Относительная молярная доля, кмоль А/ кмоль В Относительная массовая доля, кг А/ кг В Молярная объемная концентрация, кмоль А/ м3 (А+В) Массовая объемная концентрация, кг А/ м3 (А+В)	х х Х Х С х С х	у у Y Y C y C y

Молярные доли (кмоль компонента / кмоль смеси) определяют- ся по формулам:

 

уА =   

уА

уА / М А

/ М А + (1- уА

 

;

) / М В

 

хА =

 

хА / М

хА / М А

А + (1 - хА

 

,

) / М В

где МА и МВ – молярные массы компонентов смеси, кг/кмоль.

Связь между молярными и массовыми (кг компонента/кг смеси) долями имеет вид:

А

у  =       М А у А

 

А

; х  =

М А х А          .

М А у А + М В (1

- у А )

М А х А

+ М В (1 - х А  )

Количество целевого компонента часто относят не к общему ко- личеству смеси, а только к количеству инертного вещества- носителя. Это удобно, поскольку количество инертной фазы в про- цессах массопереноса обычно не изменяется. Относительные мо- лярные доли компонента связаны с молярными его долями просты- ми соотношениями:

YА = yА/(1 – yА); XА = xА/(1 – xА).

Связь между относительными массовыми долями и моляр- ными его долями имеет вид:

 

Y А =

М А у А       ;

М В (1 - у А )

 

X А =

М А х А .

М В (1 - х А )

Обычно при расчете бинарной ректификации заданы расход и состав исходной смеси, а также требуемые составы дистиллята и кубового остатка. Исходя из этих данных, можно с помощью урав- нений материального баланса определить расходы дистиллята и ку- бового остатка. Материальный баланс процесса непрерывной рек- тификации бинарных смесей можно представить системой уравне- ний:

G F = G D + G W ;

 

                                                            

 

где G F ,G D ,G W

G F x F = G D x D + G W x W ,

– массовые расходы питания (исходной смеси), дис-

тиллята и кубового остатка, кг/с;

x F  , x D  , x W

– содержание низкоки-

пящего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке, мас- совые доли или проценты.

При анализе ректификации составы жидкой (х) и паровой фаз (у) принято рассматривать как число молей низкокипящего ком- понента, отнесенное к числу молей смеси. Поэтому материальный баланс процесса ректификации бинарных систем может быть пред- ставлен следующей системой уравнений:

G F = G D + G W  ;

 

G F x F = G D x D  + G W x W  ,

где G F, G D, G W  – молярные расходы питания, дистиллята и кубового остатка, кмоль/с; x F, x D, x W  – содержание низкокипящего компонен- та в питании, дистилляте и кубовом остатке, молярные доли или проценты.

Средние молярные массы питания, дистиллята и кубового остатка определяют по уравнению

М=х × Мнк + (1 – х) Мвк ,

где Мнк – молярная масса низкокипящего компонента; Мвк – моляр- ная масса высококипящего компонента.

Составляют таблицу составов и расходов по форме (табл. 2):

 

Таблица 2

Составы и расходы потоков

Поток	Средняя молярная масса, кмоль/кг		Состав				Расход
			молярные доли		массовые доли		кмоль/с		кг/с
Исходная смесь Дистиллят	М F М D		x F x D		x F x D		G F G D		G F G D
Кубовый остаток	М W		x W		x W		G W		G W

Для разделяемой смеси в справочной литературе  [13]

находят данные по равновесию в системе жидкость – пар.

Строят диаграммы t – x,  y  и y – x [12, 13] и наносят  равно-

*

весные линии. Определяют величину y F - состав пара, равновесный

составу исходной смеси x F.

2.1.4.Определяют минимальное флегмовое число [12, 13]

 

Rмин

х - у *

= D        F .

F        F

y * - x

Рассчитывают рабочее флегмовое число

R = 1,3 Rмин + 0,3.

Составляют уравнения рабочих линий для верхней и нижней частей ректификационной колонны

y = R х +

R + 1

х D ;

R + 1

у = R + F

R + 1

х - F -1

R + 1

 

х W  .

Относительный молярный расход питания составляет

F  = x D  - x W .

x F  - x W

Рабочие линии наносят их на диаграмму y – x .

Рассчитывают средние концентрации жидких фаз в верхней x 'ср. и нижней x "ср частях колонны

 

x 'ср = ( x F + x D  ) / 2;

 

x "ср = ( x F + x W  ) / 2.

 

Для рассчитанных составов определяют плотности жидких фаз в обеих частях колонны и среднюю плотность жидкости в ко- лонне rж.

По уравнениям рабочих линий определяют средние концентрации пара в верхней у'ср и нижней у"ср частях колонны.

Средние температуры пара в верхней t 'ср и нижней

t "ср частях колонны определяют по диаграмме t – x , y .

Рассчитывают среднюю температуру пара по колонне

tср.п = ( t 'ср + t "ср) / 2.

Определяют средние молярные массы M 'ср,  M "ср и плотности пара r'ср, r"ср в обеих частях колонны

 

273 × М с¢р

r¢ср =

;

(tс¢р + 273) × 22,4

 

r¢с р

=  273 × М с¢¢р                   .

(tс¢¢р + 273) × 22,4

 

Средняя плотность пара rп в колонне равна

 

rп = ( r'ср. + r"ср. ) / 2.

 

Определяют объемный расход проходящего через ко- лонну пара Vп при средней температуре в колонне tср.п

 

 

V n  =

G D  × (R + 1) × 22,4 × (tcp.n + 273) .

М D  × 273

 

Вычисляют скорость пара в колонне и рассчитывают диаметр колонны. Скорость проходящего по тарельчатой колонне пара можно рассчитать по уравнению (208)

 

w = C           ,

 

где С – опытный коэффициент, зависящий от конструкции тарелок и расстояния между тарелками. Значения коэффициентов С для ко- лонных аппаратов приведены в [16, с. 331, рис. 6.3].

Полученное значение диаметра округляют до ближайшего стандартного значения [11]. Рассчитывают фактическую скорость пара в колонне

wр = Vп /(0,785D2).

Выбирают тип и исполнение тарелки, приводят ее техническую характеристику, рассчитывают скорость пара w0 в про- резях колпачка или в отверстиях ситчатой тарелки и минимально допустимую скорость пара w0 min.

Для ситчатых тарелок

w0 = Vп / Scв ,

 

где Scв – свободное сечение тарелки. Можно принять для ситча- тых тарелок Scв = 7…10 % .

Для колпачковых тарелок

 

w0 = Vп / (fпр× n),

 

где fпр – площадь прорези одного колпачка (табл.3); n – число кол- пачков [11].

Таблица 3

Площадь прорезей одного колпачка

Диаметр колпачка dк , мм	fпр × 10 6, м2
	h=15 мм	h=20 мм	h=30 мм
60	1275	1840	-
80	1590	2300	-
100	2070	2990	-
150	-	4600	7950

Сравнивают значения w0 и w0 min. Если w0 < w0 min, уменьшают высоту прорези h или значение Scв, или увеличивают скорость газа в колонне wр , уменьшив диаметр до ближайшего меньшего значения по стандарту.

Приводят полную техническую характеристику тарелки [11].

Рассчитывают гидравлическое сопротивление барбо- тажной тарелки для верхней и нижней частей колонны [12, 13].

Проверяют правильность принятого расстояния между та- релками [11, 12].

Определяют число тарелок в колонне. Для определе- ния числа тарелок используют метод теоретических тарелок [2, 17] или метод кинетической кривой [11, 17].

По методу теоретических тарелок расчет выполняется гра- фически. Число ступеней, построенных между рабочими линиями и равновесной кривой , соответствует числу теоретических тарелок nт. Затем определяют число действительных тарелок

 

n = n т / h,

 

где h – средний КПД тарелок. Величина h определяется в [16, с. 332, рис. 6.5] из графической зависимости h = f (ma), где m – вяз- кость исходной смеси при средней температуре в колонне,  мПа×с;

a = Рнк/Рвк – коэффициент относительной летучести компонентов исходной смеси; Рнк и Рвк – давления насыщенного пара низкокипя- щего и высоко кипящего компонента при той же температуре.

По методу кинетической кривой число действительных та- релок n находят графически по числу ступеней между рабочими ли- ниями и кинетической кривой. Для построения кинетической кривой необходимы данные об эффективности тарелки, которая зависит от многих факторов и определяется по эмпирическим уравнениям [12].

Определяют высоту тарельчатой ректификационной колонны по формуле

H = (n – 1) h + Hв + Hн,

 

где h – расстояние между тарелками, м; Hв, Hн – расстояние соответ- ственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между дни- щем колонны и нижней тарелкой, м.

Составляют тепловой баланс ректификационной ко- лонны. Количество теплоты, отдаваемое конденсирующимся паром охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, вычисляется по уравнению

Q D =G D(1+ R)r D,

 

где

r D = x D r нк + (1 - x D  )r вк – удельная теплота конденсации паров в

дефлегматоре, Дж/кг; rнк, rвк – удельные теплоты конденсации низко-

кипящего и высоко кипящего компонента при температуре вверху колонны, Дж/кг.

Тепловой поток, получаемый в кубе-кипятильнике от грею- щего пара, определяется по уравнению

 

Q K  = QD + G D с D t D  + G W с W t W - G F с F t F  + Q пот ,

 

где с D, с W, с F  – удельные теплоемкости дистиллята, кубового остатка и питания, Дж/(кг·К); t D, t W, t F  – соответствующие температуры, ºС. Тепловые потери Qпот принимают в размере 3...5 % от полезно за- трачиваемой теплоты.

Определяют расход греющего пара, поступающего в куб- кипятильник, расход охлаждающей воды в дефлегматоре и в холо- дильниках дистиллята и кубового остатка, расход греющего пара в подогревателе исходной смеси. Расчет одного из теплообменников, выполняют подробно, остальные теплообменные аппараты рассчи- тывают подробно.

 

Ректификационная установка. Насадочная колонна

2.2.1.Составляют принципиальную технологическую схему ректификационной установки [2, 12].

На схему наносят исходные данные, дополняя их по ходу выполнения расчета (расход, температуру, концентрацию потоков, давление пара).

Выбирают тип насадки. Наибольшее распространение полу- чила кольцевая насадка. Кольца малого диаметра (до 50 мм) загру- жают навалом, более крупные кольца укладывают правильными ря- дами (регулярная) насадка. Определяют характеристики насадки [12, 16].

Выполняют расчет, как описано в пп. 2.1.2 – 2.1.10 для тарельчатой колонны. Объемный расход пара определяют для верх- ней и нижней частей колонны.

Рассчитывают рабочую скорость пара wр для обеих частей колонны. При этом вначале определяют скорость пара wз, соответствующую точке захлебывания по формуле

 

æ w а

r m0,16 ö

0.25

ç з уд г ж ÷

æ L  ö

æ rг ö

lgç

gV 3

÷ = А - 1,75ç G  ÷ çç

÷÷ .

è    свrж  ø

è ø è rж ø

 

Затем выбирают рабочую скорость пара wр = (0,7…0,8) wз.

Определяют диаметры укрепляющей и исчерпываю- щей частей ректификационной колонны, выбирают стандартный размер аппарата, ориентируясь на большее значение диаметра [12]. Уточняют значение рабочей скорости для стандартной колонны.

Проверяют целесообразность применения выбранной насадки по величине плотности орошения

 

U = Vж./(0,785D2),

 

где U – плотность орошения, м3/(м2·с); Vж – расход жидкости, сте- кающей по колонне, м3/с.

Плотность орошения не должна быть ниже 0,002…0,0045 м3/(м2·с). При малой плотности орошения насадочные аппараты не эффективны, поэтому следует перейти на более крупную насадку, при которой допустима большая скорость газа.

Определяют высоту слоя насадки Hн для укрепляющей и исчерпывающей частей колонны.

Применяются несколько методов расчета высоты слоя на- садки. Наибольшее распространение имеет метод расчета через чис- ло единиц переноса, по которому высоту слоя насадки определяют по формуле

 

Hн = h oy· n oy  ,

 

где n oy  – число единиц переноса; h oy  – общая высота единицы пере- носа.

Число единиц переноса определяют методом графического интегрирования [3, 4]. Общая высота единицы переноса равна

 

h oy  = h y + m h х G /L,

где h y  – высота единицы паровой фазы; h х – высота единицы перено- са для жидкой фазы; G /L – отношение расходов пара и жидкости, кмоль/кмоль; m – средний тангенс угла наклона линии равновесия.

Отношение нагрузок по пару и жидкости G /L равно:

– для верхней части колонны

 

G / L = (R + 1) / R;

 

– для нижней части колонны

 

G / L = (R + 1) / (R +F),

 

где F = G F / G D – относительный молярный расход питания колонны.

Величину m можно найти спрямлением участков кривой равновесия.

При этом m = (m1 + m2 + . . . + m i  ) / i , где m1, m2, . . . , m i  – тангенсы углов наклона прямых на отдельных участках; i – чис- ло участков.

Величины единиц переноса в паровой фазе h y  и в жидкой фазе

h х определяют по эмпирическим соотношениям, приводимым в [5, 13].

По другому методу определяют высоту насадки через число ступеней изменения концентрации и высоту, эквив