Литература Установка производства этанола

Y_ср^в=

• 
  средняя мольная концентрация по колонне:
  
• 
  y_ср=
  
• 
  средняя температура в нижней части колонны:
  

t^н_yр= ;

• 
  средняя температура в верхней части колонны:
  

t^в_yср=

• 
  средняя температура по колонне:
  

t_yср=
-средние мольные массы:
M_yв=M_a·y_в+M_b(1-y_в)=46·0,59+18·(1-0,59)=34.52 кг/кмоль.
M_yн=M_a·y_в+M_b(1-y_в)=46·0,217+18·(1-0,217)=24.076 кг/кмоль

• 
  средняя плотность:
  

ρ_yв= · 1,18кг/м³,
ρ_yн= · 0,73кг/м³
- средняя вязкость:
µ_yв= =0,0112мПа·с;
µ_yн= =0,0116мПа·с;
где µ_yA и µ_yB- динамическая вязкость водяного пара и паров этанола при t = 20 °С
- коэффициент диффузии:
D_(82,97)= · =1,05·10^-6м²/с
D_(93,4)= · =1,08·10^-6м²/с.
-Массовый расход пара,кг/с
=34,52·1,31·(1,2+1)/39,28=2,53
=24,076·1,31·(1,2+1)/39,28=1,77
-Объемный расход пара


1.3 Определение основных геометрических размеров колонны
Высота колонны
Высоту колонны определяют по формуле . Для определения действительного числа тарелок в колонне найдем КПД тарелок, вычислив относительную летучесть по формуле:

lgα=9· ,

где T_A=373˚K,T_B=346,4˚K-температура кипения воды и этилового спирта.
Α=0,466
Тогда
η_m=0,49(0,56·0,466)^0,245=0,68.
Действительное число тарелок в колонне
n_д = = шт.
Принимаем действительное число тарелок в колоше n_д=17 шт.
Принимаем расстояние между тарелками h = 0,5 м (ниже будет выполнена проверка принятого расстояния), конструктив­ная прибавка С = 1,2 м. Тогда высота колонны
Н_к = (17 - 1)·0,5+1+2= 9,2 м.


Диаметр колонны.
Для определения рабочей скорости пара (газа) выберем следующую формулу:

где w_пр – предельная скорость пара (газа), м/с. d_экв – эквивалентный диаметр щели (удвоенная величина ширины щели: для b = 4 мм d_экв = 0.008 м), м. ω – относительное свободное сечение тарелки. μx – динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с. В – коэффициент, равный 2.95 для нижнего и 10 для верхнего пределов работы тарелки. μ_В – динамический коэффициент вязкости воды при температуре равной 20°С.

Для предварительного расчета величины wпр задаютсяи В = 6 и определяют рабочую скорость пара (газа), а затем – рабочую скорость w = 0.8·w_пр. По каталогу выберем решетчатую тарелку со свободным сечением Fс=0,2 ,шириной щели σ=6 мм, dэ=0,012м
Для верхней части колонны:

=6
=
= =1.36

-Диаметр колонны определим по объемному расходу пара (газа), где V_y – объемный расход пара(газа), м³/с; w – скорость пара(газа) в колонне, м/с:

Для нижней части колонны:

=6
=
= =1,565

-Диаметр

Выберем стандартный диаметр колонны 1,2м. Далее уточняем скорость пара (газа) по уравнению:


При расчете процесса ректификации, как правило, выбирают один и тот же диаметр колонны для обеих частей: верхней и нижней. Скорректируем коэффициент В с учетом найденной рабочей скорости пара (газа):


Для выбранной стандартной колонны должно быть выполнено условие: 2.95По каталогу для колонны диаметром 1,2м выберем решетчатую тарелку типа ТР с основными характеристиками:
Диаметр колонны d=1200мм
Относительное свободное сечение тарелки ω = 0,21
Диаметр отверстий b = 4мм
Шаг щелей t=10мм
Толщина тарелки s=2мм

1.4.Расчёт гидравлического сопротивления колонны

Высота газожидкостного (барботажного) слоя рассчитывается по следующим формулам:

где - критерий Фруда (оптимальный); w₀ – скорость пара (газа) в свободном сечении (щелях) тарелки, м/с; h_г-ж – высота газожидкостного (барботажного) слоя, м; С – коэффициент.
Коэффициент С определяется по соотношению:

где U – плотность орошения, м³/(м²с); μ_x – динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с; σ – поверхностное натяжение, Н/м.
В уравнении подставляется уточненный коэффициент В. Скорость пара (газа) в щелях определяется по уравнению:
w₀ = w/ω
Плотность орошения (приведенная скорость жидкости) U рассчитывается по формуле:

где L_x – расход жидкости, кг/с; S – площадь поперечного сечения выбранной колонны, м²
а) для верхней части колонны:

=0.153

=1.89/0.2=9.45 м/с

б) для нижней части колонны:

=0.113

=2,14/0.2=10,7 м/с

Высота светлого слоя жидкости h0 определяется по соотношению:

Величина газосодержания ε рассчитывается по соотношению:

а) для верхней части колонны:


б) для нижней части колонны:


Гидравлическое сопротивление ректификационной колон­ны определяется гидравлическим сопротивлением тарелок:
ΔP_m=ΔP_сух+ΔP_σ+ΔP_ст
где ΔP_m - гидравлическое сопротивление одной тарелки Па;n_g- число действительных тарелок в колонне.В свою очередь гидравлическое сопротивление тарелки складывается из сопротивления сухой тарелки (ΔP_сух), сопротивления столба жидкости и пены на тарелке (гидростатическое сот противление ΔP_ст,) и сопротивления, обусловленного силами поверхностного натяжения ( ΔP_σ ).
Сопротивление сухой тарелки
ΔP_сух=
где - коэффициент сопротивления сухой тарелки, для решётча­тых провальных тарелок ξ = 1,4 - 1,5, принимаем = 1,45; W_yраб - рабочая скорость движения паров в колонне; ρ - средняя плотность паров в колонне; F_c- свобод­ное сечение тарелки, м²/м².
Гидравлическое сопротивление,обусловленное силами поерхностного натяжения
ΔP_σ=
D_экв= ·10^-3 м².
Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке
ΔP_ст=g·ρ_xср·h₀,
Где g = 9 ,81 м/с² - ускорение свободного падения; ρ -средняя по колонне плотность жидкой фазы; h₀ - высота свет­лого слоя жидкости на тарелке, м.
а) для верхней части колонны:
ΔP_сух=
ΔP_σ=
ΔP_ст=9,81·783,6·0,088=676,5 Па
Гидравлическое сопротивление одной тарелки:

б) для нижней части колонны:
ΔP_сух=
ΔP_σ=
ΔP_ст=9,81·941,8·0,053=489,67 Па
Гидравлическое сопротивление одной тарелки:

Гидравлическое сопротивление колонны
=762,6·9,2=7010,4 Па
=580,4·9,2=5339,68 Па
Проверка расстояния между тарелками
Расстояние между тарелками влияет на брызгоунос е, вели­чина которая не должна превышать 0,1 кг _жид/кг _пара
е =
A= ,
B= ,
а) для верхней части колонны:
A=
B= =0,063
е =(0,62· -1)²·0,063=0,093.
Условие на брызгоунос выполняется, т.к. 0,093 <0,1.
б) для нижней части колонны:
A=
B= =0,091
е =(0,35· -1)²·0,091=0,033.
Условие на брызгоунос выполняется, т.к. 0,033 <0,1.
2.1.Тепловые расчёты
Температуры кипения исходной смеси, дистиллята и кубового остатка:

Тепловые расчёты процесса ректификации выполняются с целью определения поверхностей теплообменников, обслужи­вающих колонну, расходов греющего водяного пара и охлаж­дающей воды.

Площадь поверхности любого теплообменника оп­ределяется из основного уравнения теплопередачи
Q=K F ,
откуда
F=
Расход пара и охлаждающей воды определяется из тепло­вого баланса теплообменника, соответственно:
Д=
G=
В вышеприведенных формулах: Q- тепловая нагрузка, Вт/ At_cp - средняя разность температур, °С;Д - расход греющего па­ра, кг/с; ./„, 4 - энтальпия пара и конденсата, соответственно, Дж/кг; х - степень сухости пара; с_в - удельная теплоёмкость во­ды, Дж/кг К;t_K,t„ - начальная и конечная температура охлаж­дающей воды, °С.
При использовании сухого насыщенного греющего пара расход его можно определить по формуле
Д=
Где r-скрытая теплота парообразования (конденсации) Дж/кг. пара r=2208·10³ Дж/кг при P=2ата.


Подогреватель исходной смеси
Тепловой баланс подогревателя исходной смеси ,05 – коэфициент, учитывающей потери теплоты в окружающую среду (5%); G_{f xF}·( - - тепловая нагрузка подогревателя, Вт; с_xF- теплоёмкость исходной смеси при её средней температуре, r=2171·10³ Дж/кг при P =3атм

Приходы теплоты	Расходы теплоты
1. С исходной смесью Q1=GF·C f· 2. С греющим паром Q2=Д·Jn	С нагретой смесью до температуры кипения Q3=GFc С конденсатом греющего пара Q4 = Д·iк На компенсацию потерь теплоты в окружающую среду Q5=0.05·Q

Q₁+Q₂=Q₃+Q₄+Q₅ или Q₂-Q₄=Q₃+Q₅-Q₁=Q.
Подставляя в последнее уравнение вместо Q₁,Q₂,Q₄,Q₅,Q их значения из теплового баланса, и решая его относительно Д имеем
Д=1,05· = ,
Примем начальную температуру исходной смеси °C, температура кипения смеси, равная конечной температуре исходной смеси = 105 °C.
Средняя температура исходной смеси в подогревания
= = = 53,2 °С.
Теплоёмкостью исходной смеси при её средней температуре
C_xF=a_F·c_A+(1-a_F)·c_B,
Где =4185,81 , = 3142,5 –удельная теплоёмкость воды и этанола соответственно при = 55°С
Тогда = 0,33·4185,81+ (1-0,33)· 3142,5 = 3486
Q= ·3486 (81,43 – 25) = 710141 Вт
Расход пара Д = = = 0,33
Средняя разность температур между паром и смесью
Т_н =119, 119,6 =Т_к

Так как = = 2,52 2, то _{ср =} =
Коэффициент теплопередачи в дефлегматоре принимаем ориентировочно равным 300Вт/м² · К [26]
Площадь поверхности теплообмена дефлегматора:
F= = 38,28 м²
Принимаем двух ходовой вертикальный теплообменник с диаметром 600мм с числом труб 240(в одном ходе 120) шт диаметром 25 × 2, с длиной труб 3000мм.Площадь поверхности 57 м².

Дефлегматор
Тепловой баланс дефлегматора

Приход теплоты	Расход теплоты
1 . С парами из колонны