Установка разделения продуктов дегидрирования этилбензола

Минимальному значению на графике соответствует оптимальное, по Джиллиленду, флегмовое число.

Результаты расчёта оптимального флегмового числа приведены в таблице 9.

Таблица 9 - Результаты расчёта оптимального флегмового числа по методу Джиллиленда

		X	Y		(+1)
1,1	4,634	0,0748	0,5800	49,67	279,8721
1,15	4,845	0,1081	0,5455	45,82	267,8212
1,2	5,056	0,1391	0,5153	42,90	259,8089
1,25	5,266	0,1681	0,4885	40,61	254,4546
1,3	5,477	0,1951	0,4647	38,75	250,9856
		X	Y		(+1)
1,35	5,688	0,2205	0,4432	37,22	248,9025
1,4	5,898	0,2443	0,4238	35,93	247,8658
1,45	6,109	0,2667	0,4062	34,84	247,6372
1,5	6,320	0,2878	0,3900	33,89	248,0452
1,55	6,530	0,3077	0,3752	33,06	248,9634
1,6	6,741	0,3266	0,3616	32,33	250,2965
1,65	6,951	0,3444	0,3490	31,69	251,9716
1,7	7,162	0,3613	0,3373	31,11	253,9321
1,75	7,373	0,3774	0,3264	30,59	256,1329
1,8	7,583	0,3927	0,3162	30,12	258,5383
1,85	7,794	0,4072	0,3067	29,69	261,1191
1,9	8,005	0,4211	0,2977	29,30	263,8516
1,95	8,215	0,4343	0,2893	28,94	266,7160
2	8,426	0,4470	0,2814	28,61	269,6960

На рисунке 2 представлена графическая зависимость значения комплекса (+1) от изменения коэффициента избытка флегмы.

Рисунок 2 - Зависимость комплекса (+1) от коэффициента избытка флегмы

С помощью средств MS Excel надстройки «Поиск решения» найдено значение минимума функции равное 1,4. Тогда по уравнению (53) оптимальное флегмовое число равно:

Такому флегмовому числу соответствует следующие значения вспомогательных коэффициентов X и Y, рассчитанных по уравнению (54):

;

.

Оптимальное положение тарелки питания находится по уравнению [7]:

, (56)

где - оптимальное число теоретических тарелок для укрепляющей части колонны;

- оптимальное число теоретических тарелок для исчерпывающей части колонны;

- минимальное число теоретических тарелок для укрепляющей части колонны;

- минимальное число теоретических тарелок для исчерпывающей части колонны.

Таким образом, оптимальное число теоретических тарелок, рассчитанное по уравнению (55), равно:

.

По уравнению (56) определяется оптимальное число теоретических тарелок для укрепляющей части колонны = 7,63 и для исчерпывающей части = 9,19.

ж) Расчёт числа действительных тарелок в колонне

В реальных условиях работы колонны необходимо переходить от числа теоретических тарелок к действительным, для этого вводят понятие коэффициента полезного действия тарелки [7]:

, (57)

где - коэффициент полезного действия тарелки;

- число теоретических тарелок в колонне;

- число действительных тарелок в колонне.

Коэффициент полезного действия тарелки обычно определяется по формуле О`Коннела:

, (58)

где - коэффициент полезного действия тарелки;

- коэффициент относительной летучести легкого ключевого компонента по отношению к тяжелому ключевому компоненту при средних температурах в укрепляющей или исчерпывающей частях колонны;

- вязкость смеси компонентов, мПас;

Вязкость смеси компонентов рассчитывается по уравнению:

, (59)

где - вязкость смеси компонентов, мПас;

- вязкость i - го компонента смеси, мПас;

- концентрация i - го компонента в дистилляте или в исчерпывающей части колонны, мол. дол.

Для определения числа действительных тарелок необходимо знать вязкость смеси компонентов. В таблице 10 представлены значения вязкости компонентов, входящих в состав смеси, при средней температуре в укрепляющей и в исчерпывающей частях колонны [10].

Таблица 10 - Значения вязкости компонентов смеси

№	Компоненты	Вязкость, мПас
1	Бензол	0,374	0,302
2	Толуол	0,326	0,251
3	Октан	0,305	0,234
4	Этилбензол	0,385	0,331
5	м- и п-Ксилол	0,369	0,323
6	о-Ксилол	0,456	0,396
7	Стирол	0,326	0,251
8	Изопропилбензол	0,384	0,364
9	-Метилстирол	0,507	0,420
10	Смолы	0,652	0,501

Вязкость смеси компонентов в укрепляющей части колонны рассчитывается по уравнению (59):

;

мПас.

Тогда коэффициент полезного действия тарелки, рассчитанный по формуле (58), равен:

.

Число действительных тарелок в укрепляющей части колонны рассчитывается по уравнению (57):

.

Аналогичным образом рассчитывается число действительных тарелок в исчерпывающей части колонны:

мПас;

;

.

з) Тепловой баланс процесса ректификации.

Определение расхода греющего пара в кипятильнике

Тепловой баланс колонны составляется с целью определения необходимых затрат тепла и холода. Уравнения теплового баланса колонны имеет следующий вид [7]:

, (60)

где - тепловой поток, поступающий в колонну с флегмой, Вт;

- тепловой поток, поступающий в колонну с питанием, Вт;

- тепловой поток, поступающий в колонну из кипятильника, Вт;

- тепловой поток, уходящий с парами, Вт;

- тепловой поток, уходящий с кубовой жидкостью, Вт.

Количество тепла, поступающее в колонну с питанием, рассчитывается по уравнению [7]:

, (61)

где - тепловой поток, поступающий в колонну с питанием, Вт;

- массовый расход i - го компонента с питанием, кг/час;

- удельная теплоемкость i - го компонента в питании, кДж/(кгК);

- температура питания, ;

n - количество компонентов в смеси.

В таблице 11 представлены значения удельных теплоемкостей компонентов смеси и удельных теплот парообразования компонентов смесей при различных температурах [10].

Таблица 11 - Значения удельных теплоемкостей и теплот парообразования компонентов смеси

№	Компоненты	Теплоемкость, кДж/(кг K)	Удельная теплота парообразования, кДж/кг
		Температура,
		45	53	85	97	53	97
1	Бензол	1,798	1,831	1,999	2,074	415,39	381,99
2	Толуол	1,771	1,799	1,916	1,961	396,89	372,68
3	Октан	2,290	2,318	2,428	2,469	350,02	324,58
4	Этилбензол	1,808	1,832	1,930	1,966	381,77	359,35
5	м- и п-Ксилол	2,088	2,287	3,489	4,084	389,34	369,11
6	о-Ксилол	1,783	1,802	1,876	1,904	394,53	372,94
7	Стирол	1,245	1,273	1,383	1,424	403,57	383,79
8	Изопропилбензол	1,861	1,893	2,007	2,044	360,71	342,14
9	-Метилстирол	1,245	1,273	1,383	1,424	403,57	383,79
10	Смолы	0,623	0,636	0,692	0,712	201,79	191,89

Количество тепла, поступающего в колонну с питанием, рассчитывается по формуле (61), при этом удельные теплоемкости компонентов берутся из таблицы 11 при температуре питания равной 85 :

кДж/ч = 743744,3 Вт.

Количество тепла, приходящее в колонну с флегмой, рассчитывается по формуле [7]:

, (62)

где - тепловой поток, поступающий в колонну с флегмой, Вт;

- массовый расход i - го компонента с флегмой, кг/час;

- оптимальное флегмовое число;

- удельная теплоемкость i - го компонента в флегме, кДж/(кгК);

- температура флегмы, ;

n - количество компонентов в смеси.

Количество тепла, приходящего в колонну с флегмой, рассчитывается по формуле (62), при этом удельные теплоемкости компонентов берутся из таблицы 11 при температуре флегмы равной температуры конца конденсации смеси (45 ):

=71345,46 кДж/ч = 214262,6 Вт.

Количество тепла, уходящего из колонны с парами, рассчитывается по формуле [7]:

, (63)

где - тепловой поток, уходящий из колонны с парами, Вт;

- массовый расход i - го компонента в парах, кг/час;

- оптимальное флегмовое число;

- удельная теплоемкость i - го компонента в парах, кДж/(кгК);

- температура верха колонны, ;

- удельная теплота парообразования i - го компонента, кДж/кг;

n - количество компонентов в смеси.

Количество тепла, уходящего из колонны с парами с верха колонны, рассчитывается по формуле (63), при этом удельные теплоемкости компонентов и теплоты парообразования берутся из таблицы 11 при температуре верха колонны равной 53 :

Дж/ч = 1881717 Вт.

Количество тепла, уходящего из колонны с кубовой жидкостью рассчитывается по формуле [7]:

, (64)

где - тепловой поток, уходящий из колонны с кубовой жидкостью, Вт;

- массовый расход i - го компонента с кубовой жидкостью, кг/час;

- удельная теплоемкость i - го компонента в кубовой жидкости, кДж/(кгК);

- температура кубовой жидкости, ;

n - количество компонентов в смеси.

Количество тепла, уходящего из колонны с кубовой жидкостью, рассчитывается по формуле (64), при этом удельные теплоемкости компонентов берутся из таблицы 11 при температуре куба колонны равной 97 :

кДж/ч=818534,2В

Тепловой поток, поступающий в колонну из кипятильника, рассчитывается по формуле [7]:

. (65)

Таким образом, тепловой поток, поступающий в колонну из кипятильника, равен:

Вт.

Расход греющего пара в кипятильнике рассчитывается по уравнению [7]:

, (66)

где - расход греющего пара в кипятильнике, кг/ч;

- тепловой поток, поступающий в колонну из кипятильника, Вт;

- удельная теплота парообразование горячего теплоносителя, кДж/кг.

Таким образом, расход греющего пара в кипятильнике равен:

кг/c = 2840,6 кг/ч.

и) Определение диаметра колонны и расстояния между тарелками

Диаметр ректификационной колонны определяется по максимально допустимой скорости паров и объемному расходу пара в данном сечении колонны [7]:

, (67)

где - диаметр колонны, м;

- объемный расход пара в данном сечении колонны, м3/с;

- максимальная скорость паров в данном сечении колонны, м/с.

По расчетной величине диаметра колонны и нормальному ряду диаметров колонн выбирается ближайшее большее значение диаметра, которое и используется в дальнейших расчетах.

Максимальную скорость паров рассчитывается по формуле Саудерса - Брауна [7]:

, (68)

где - максимальная скорость паров в данном сечении колонны, м/с;

- коэффициент;

- плотность жидкости в данном сечении колонны, кг/м3;

- плотность пара в данном сечении колонны, кг/м3.

Коэффициент можно определить по уравнению [7]:

, (69)

где , - коэффициенты, зависящие от типа тарелки;

- коэффициент (для вакуумных колонн принимается равным 1, если колонна имеет сепаратор в зоне подачи питания, и равным 0,9 если такого сепаратор нет);

- коэффициент, зависящий от величины межтарельчатого расстояния;

- коэффициент.

Коэффициент можно определить по уравнению [7]:

, (70)

где - жидкостная нагрузка в данном сечении колонны, м3/час;

- число потоков;

- коэффициент, зависящий от типа тарелки;

- коэффициент, зависящий от величины межтарельчатого расстояния;

- объемный расход пара в данном сечении колонны, м3/с;

- плотность жидкости в данном сечении колонны, кг/м3;

- плотность пара в данном сечении колонны, кг/м3.

Плотность жидкости в данном сечении колонны рассчитывается по формуле:

, (71)

где - плотность жидкости в данном сечении колонны, кг/м3;

- массовая доля i - го компонента в смеси;

- плотность i - го компонента [10], кг/м3;

n - количество компонентов в смеси.

Таким образом, плотность жидкости в укрепляющей части колонны при средней температуре в укрепляющей части колонны равной 69 :

кг/м3.

Жидкостная нагрузка в укрепляющей части колонны рассчитывается по формуле [7]:

, (72)

где - жидкостная нагрузка в укрепляющей части колонны, м3/час;

- количество дистиллята, кг/час;

- оптимальное флегмовое число;

- плотность жидкости в данном сечении колонны, кг/м3.

Таким образом, жидкостная нагрузка в укрепляющей части колонны равна:

м3/ч.

Плотность пара рассчитывается по формуле [3]:

, (73)

где - плотность пара в данном сечении колонны, кг/ м3;

- средняя молярная масса смеси, г/моль;

- давление в данном сечении колонны, МПа;

- атмосферное давление, МПа.

Молярная масса смеси компонентов в соответствующей части колонны рассчитывается по формуле [3]:

, (74)

где - средняя молярная масса смеси, г/моль;

- молярная масса i - го компонента смеси, г/моль;

- концентрация i - го компонента в смеси, мол. дол.;

n - количество компонентов в смеси.

Молярная масса смеси в укрепляющей части колонны равна:

г/моль.

Плотность пара в укрепляющей части колонны рассчитывается по уравнению (70) при средней температуре в укрепляющей части колонны равной 69 и давлении 141 мм рт. ст.:

кг/м3.

Объёмный расход пара в укрепляющей части колонны определяется по формуле [7]:

, (75)

где - объёмный расход пара в укрепляющей части колонны, м3/с;

- количество дистиллята, кг/час;

- оптимальное флегмовое число;

- плотность пара в данном сечении колонны, кг/ м3.

Таким образом, объемный расход пара в укрепляющей части колонны равен:

м3/с.

Для тарелок струйных с отбойными элементами K1=1,4, С2=0 и K2=0,9. Расстояние между тарелками 500 мм, таким образом С1=510 [7]. Тогда по уравнению (75) рассчитывается коэффициент :

.

Тогда максимальная скорость паров в укрепляющей части колонны рассчитанная по формуле (68), равна:

м/с.

Диаметр укрепляющей части колонны определяется по формуле (67):

м.

Выбираем из стандартного ряда диаметров обечаек колонн ближайшее большее значение диаметра равное 2,2 м [7].

Аналогичный расчёт диаметра колонны проводится для исчерпывающей части колонны.

Плотность жидкости в исчерпывающей части колонны рассчитывается по формуле (71) при средней температуре в исчерпывающей части колонны равной 91 :

кг/м3.

Жидкостная нагрузка в исчерпывающей части колонны определяется по формуле [7]:

, (76)

где - жидкостная нагрузка в исчерпывающей части колонны, м3/час;

- количество питания, кг/час;

- количество дистиллята, кг/час;

- оптимальное флегмовое число;

- плотность жидкости в данном сечении колонны, кг/м3.

Таким образом, жидкостная нагрузка в исчерпывающей части колонны равна:

м3/ч.

Молярная масса смеси в исчерпывающей части колонны равна:

г/моль.

Плотность пара в исчерпывающей части колонны рассчитывается по уравнению (70) при средней температуре в исчерпывающей части колонны равной 91 и давлении 175 мм рт. ст.:

кг/м3.

Объёмный расход пара в исчерпывающей части колонны рассчитывается по формуле [7]:

, (77)

где - объёмный расход пара в исчерпывающей части колонны, м3/с;

- тепловой поток, поступающий в колонну из кипятильника, Вт;

- плотность пара в данном сечении колонны, кг/ м3.

- удельная теплота парообразования кубового продукта [10], кДж/кг.

Таким образом, объёмный расход пара в исчерпывающей части колонны равен:

м3/с.

Значение коэффициента рассчитывается по уравнению (75):

Тогда максимальная скорость паров в исчерпывающей части колонны рассчитанная по формуле (68), равна:

м3/с.

Диаметр исчерпывающей части колонны определяется по формуле (67):

м.

Выбираем из стандартного ряда диаметров обечаек колонн ближайшее значение диаметра равное 2,2 м [7].

Принимаем диаметр для всей колонны диаметр 2,2 м.

к) Расчет гидравлического сопротивления колонны

Гидравлическое сопротивление тарелок определяется на основе следующей схемы расчёта: сопротивление орошаемой тарелки рассматривается как суммарная потеря напора на сухой тарелке и в слое жидкости [7]:

, (78)

где - гидравлическое сопротивление тарелки, мм ст. ж.;

- гидравлическое сопротивление сухой тарелки, мм ст. ж.;

- гидравлическое сопротивление жидкости на тарелке, мм ст. ж..

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки обычно рассматривают как потерю скоростного напора газа (пара) вследствие преодоления ряда местных сопротивлений на сухой, неорошаемой тарелке [7]:

, (79)

где - гидравлическое сопротивление сухой тарелки, мм ст. ж.;

- коэффициент сопротивления сухой тарелки;

- скорость паров в свободном сечении тарелки, м/с;

- плотность жидкости в данном сечении колонны, кг/м3;

- плотность пара в данном сечении колонны, кг/м3.

Скорость паров в свободном сечении тарелки рассчитывается по уравнению [7]:

, (80)

где - скорость паров в свободном сечении тарелки, м/с;

- рабочая скорость паров, м/с;

- свободное сечение тарелки, м2/м2.

Свободное сечение струйных с отбойниками тарелок можно определить по уравнению [7]:

, (81)

где - свободное сечение тарелки, м2/м2;

, , - коэффициенты;

- жидкостная нагрузка на единицу длины сливной планки в соответствующей части колонны, м3/(мчас);

- диапазон устойчивой работы тарелки.

Диапазон устойчивой работы тарелки зависит от соотношения и определяется по графику [7].

Рабочая скорость паров рассчитывается по уравнению [7]:

, (82)

где - рабочая скорость паров, м/с;

- объемный расход пара в данном сечении колонны, м3/с;

- диаметр колонны, м.

Для струйных тарелок с отбойниками величину гидравлического сопротивления жидкости на тарелке можно определить исходя из следующих условий [11]:

если , то , (83)

если , то ,

где - фактор расхода пара;

- свободное сечение тарелки, м2/м2;

- относительная рабочая площадь тарелки, м2/м2;

- плотность жидкости по отношению к воде;

- гидравлическое сопротивление жидкости на тарелке, мм ст. ж.;

- жидкостная нагрузка в соответствующей части колонны на единицу длины сливной планки, м3/(мчас).

Фактор расхода пара рассчитывается по формуле:

, (84)

где - фактор расхода пара;

- рабочая скорость паров, м/с;

- плотность пара в данном сечении колонны, кг/м3.

Жидкостная нагрузка в укрепляющей части колонны на единицу длины сливной планки рассчитывается по уравнению [7]:

, (85)

где - жидкостная нагрузка в укрепляющей части колонны, м3/(мчас);

- количество дистиллята, кг/час;

- оптимальное флегмовое число;

- плотность жидкости в данном сечении колонны, кг/м3.

- длина сливной планки, м.

Жидкостная нагрузка в исчерпывающей части колонны на единицу длины сливной планки рассчитывается по формуле [7]:

, (86)

где - жидкостная нагрузка в исчерпывающей части колонны, м3/(мчас);

- количество питания, кг/час;

- количество дистиллята, кг/час;

- оптимальное флегмовое число;

- плотность жидкости в данном сечении колонны, кг/м3.

- длина сливной планки, м.

Принимается, что длина сливной планки равна:

, (87)

где - длина сливной планки, м;

- диаметр колонны, м.

Общее сопротивление укрепляющей или исчерпывающей части колонны рассчитывается по уравнению [7]:

, (88)

где - общее гидравлическое сопротивление в укрепляющей или исчерпывающей части колонны, мм ст. ж.;

- действительное число тарелок в соответствующей части колонны;

- гидравлическое сопротивление сухой тарелки в соответствующей части колонны, мм ст. ж.

Рабочая скорость паров в укрепляющей части колонны равна:

м/c.

Длина сливной планки равна:

м.

Тогда жидкостная нагрузка в укрепляющей части колонны на единицу длины сливной планки, рассчитанная по уравнению (85), равна:

м3/(мчас).

Для струйных тарелок =20, =2430, коэффициент рассчитан ранее по уравнению (69). Соотношение для укрепляющей части колонны , таким образом, находим, что диапазон устойчивой работы тарелки равен 3 [7]. Тогда свободное сечение тарелки равно:

м2/м2.

Таким образом, скорость паров в свободном сечении тарелки в укрепляющей части колонны, рассчитанная по уравнению (80), равна:

м/с.

Коэффициент сопротивления сухой тарелки для струйных с отбойниками тарелок равен 1,2 [7], тогда гидравлическое сопротивление сухой тарелки в укрепляющей части колонны, рассчитанное по уравнению (79), равно:

мм ст. ж.

Фактор расхода пара, рассчитанный по уравнению (84), равен:

.

По уравнению (83) найдем соотношение

;

.

Таким образом, и гидравлическое сопротивление жидкости на тарелке рассчитывается по следующему уравнению:

мм ст. ж.

Гидравлическое сопротивление тарелок в укрепляющей части колонны, рассчитанное по уравнению (78), равно:

мм ст. м.

Общее гидравлическое сопротивление укрепляющей части колонны, рассчитанное по уравнению (88), равно:

мм ст. ж. = 0,0021МПа.

Полученное значение гидравлического сопротивления в укрепляющей части меньше ранее принятого значения (0,0043 МПа).

Аналогичный расчет гидравлического сопротивления проводится и для исчерпывающей части колонны.

Рабочая скорость паров в исчерпывающей части колонны, рассчитанная по уравнению (82), равна:

м/c.

Длина сливной планки равна:

м.

Тогда жидкостная нагрузка в исчерпывающей части колонны на единицу длины сливной планки, рассчитанная по уравнению (86), равна:

м3/(мчас).

Для струйных тарелок =20, =2430, коэффициент рассчитан ранее по уравнению (69). Соотношение для исчерпывающей части колонны , таким образом, находим, что диапазон устойчивой работы тарелки равен 2,25 [7]. Тогда свободное сечение тарелки равно:

м2/м2.

Таким образом, скорость паров в свободном сечении тарелки в исчерпывающей части колонны, рассчитанная по уравнению (80), равна:

м/с.

Коэффициент сопротивления сухой тарелки для струйных с отбойниками тарелок равен 1,2 [7], тогда гидравлическое сопротивление сухой тарелки в исчерпывающей части колонны, рассчитанное по уравнению (79), равно:

мм ст. ж.

Фактор расхода пара, рассчитанный по уравнению (84), равен:

.

По уравнению (83) найдем соотношение

;

.

Таким образом, и гидравлическое сопротивление жидкости на тарелке рассчитывается по следующему уравнению:

мм ст. ж.

Гидравлическое сопротивление тарелок в укрепляющей части колонны, рассчитанное по уравнению (78), равно:

мм ст. ж.

Общее гидравлическое сопротивление укрепляющей части колонны, рассчитанное по уравнению (88), равно:

мм ст. ж. = 0,0033МПа.

Полученное значение гидравлического сопротивления в укрепляющей части меньше ранее принятого значения (0,0049 МПа).

л) Проверка устойчивости работы тарелки по сливному устройству

Для нормальной работы колонны без захлебывания необходимо, чтобы выполнялись три условия.

Первое условие нормальной работы тарелки [7]:

, (89)

где - высота вспененного слоя жидкости на тарелке, мм;

- межтарельчатое расстояние, мм;

- высота переливной планки, мм.

Высота вспененного слоя жидкости на тарелке определяется из уравнения [7]:

, (90)

где - высота вспененного слоя жидкости на тарелке, мм;

- высота светлого слоя жидкости, мм;

- относительная плотность вспененной жидкости.

Высота светлого слоя жидкости в сливном устройстве определяется по уравнению [7]:

, (91)

где - высота светлого слоя жидкости, мм;

- высота переливной планки, мм;

- высота подпора над переливной планкой, мм;

- градиент уровня жидкости на тарелке, мм ст. ж.;

- гидравлическое сопротивление тарелки, мм ст. ж.;

- сопротивление жидкости перетоку в сливном устройстве тарелки, мм ст. ж.

Высота подпора жидкости над переливной планкой рассчитывается по уравнению [7]:

, (92)

где - высота подпора жидкости над переливной планкой, мм ст. ж.;

- коэффициент, зависящий от типа переливной планки;

- коэффициент, учитывающий сжатие потока стенками колонны;

- жидкостная нагрузка в соответствующей части колонны на единицу длины сливной планки, м3/(мчас).

Коэффициент находится по графику зависимости от комплексов [7]:

, (93)

где - длина сливной планки, м;

- диаметр колонны, м;

- жидкостная нагрузка в данном сечении колонны на единицу длины сливной планки, м3/(мчас).

Градиент уровня жидкости на струйной тарелке с отбойниками можно рассчитать по уравнению [7]:

, (94)

где - градиент уровня жидкости на тарелке, мм ст. ж.;

- гидравлическое сопротивление сухой тарелки, мм ст. ж.

Сопротивление жидкости перетоку в сливном устройстве рассчитывается по формуле [7]:

, (95)

где - жидкости перетоку в сливном устройстве тарелки, мм ст. ж.;

- коэффициент ( для тарелок без затворной планки = 190, с затворной планкой 250);

- жидкостная нагрузка в данном сечении колонны, м3/час;

- наиболее узкое сечение перелива, мм.

Сопротивление жидкости перетоку в сливном устройстве тарелки в укрепляющей части колонны рассчитывается по формуле (95), при этом коэффициент k принимается равным 250 (тарелка с подпорной планкой), а наиболее узкое сечение перелива равное 40 мм:

мм ст. ж.

Для расчета высоты подпора жидкости над переливной планкой необходимо знать коэффициенты и . При прямой сливной планке коэффициент = 3,0 [7], коэффициент зависит от соотношений и определяется по соответствующему графику:

.

Таким образом, = 1,02.

Тогда высота подпора жидкости над переливной планкой, рассчитанная по уравнению (92), равна:

мм ст. ж.

Градиент уровня жидкости на тарелке рассчитывается по формуле (94):

мм ст. ж.

Высота светлого слоя жидкости на тарелке рассчитывается по уравнению (91):

мм ст. ж.

Примем плотность вспененной жидкости равной 0,6, тогда высота вспененной жидкости на тарелке, рассчитанная по уравнению (90), равна:

мм.

Так как 163,94 < 500 + 55, то первое условие нормальной работы тарелки в укрепляющей части колонны выполняется.

Второе условие нормальной работы тарелки [7]:

, (96)

где - вылет ниспадающей струи жидкости, мм;

- ширина переливного устройства, мм.

При диаметре колонны 2,2 м ширина переливного устройства S равна 334 мм.

Вылет ниспадающей струи жидкости рассчитывается по формуле [7]:

, (97)

где - вылет ниспадающей струи жидкости, мм;

- высота подпора над переливной планкой, мм;

- межтарельчатое расстояние, мм;

- высота переливной планки, мм;

- высота светлого слоя жидкости, мм.

Вылет ниспадающей струи жидкости равен:

мм.

Так как 0,6334 = 200,4 мм больше 63,15, то второе условия нормальной работы тарелки в укрепляющей части колонны выполняется.

Третье условие нормальной работы тарелки [7]:

, (98)

где - время пребывания жидкости в переливе, с;

- допустимое пребывание жидкости в переливе, с.

Время пребывания жидкости в переливе рассчитывается по уравнению [7]:

, (99)

где - время пребывания жидкости в переливе, с;

- объём перелива, м3;

- длина сливной планки, м;

- жидкостная нагрузка в соответствующем сечении колонны, м3/(мчас).

Объём перелива рассчитывается по формуле [7]:

, (100)

где - объём перелива, м3;

- длина сливной планки, м;

- межтарельчатое расстояние, м;

- высота переливной планки, м;

- ширина переливного устройства, м.

Объём перелива равен:

м3.

Тогда время пребывания жидкости в переливе рассчитанное по уравнению (99) равно:

c.

Допустимое пребывание жидкости в переливе рассчитывается по уравнению [7]:

, (101)

где - допустимое пребывание жидкости в переливе, с;

- межтарельчатое расстояние, мм;

- плотность жидкости в данном сечении колонны, кг/м3;

- плотность пара в данном сечении колонны, кг/м3.

- коэффициент, характеризующий вспениваемость жидкости.

Таким образом, допустимое время пребывания жидкости в переливе равно:

с.

Так как 35,4 > 3,75, то третье условие нормальной работы тарелки в укрепляющей части колонны выполняется.

Аналогично производится проверка работы тарелки по сливному устройству в исчерпывающей части колонны.

Сопротивление жидкости перетоку:

мм ст. ж.

Тогда высота подпора жидкости над переливной планкой:

мм ст. ж.

Градиент уровня жидкости на тарелке:

мм ст. ж.

Высота светлого слоя жидкости на тарелке:

мм ст. ж.

Высота вспененной жидкости на тарелке:

мм.

Так как 194,15 < 500 + 55, то первое условие нормальной работы тарелки в исчерпывающей части колонны выполняется.

Вылет ниспадающей струи жидкости:

мм.

Так как 0,6334 = 200,4 мм больше 83,80, то второе условия нормальной работы тарелки в исчерпывающей части колонны выполняется.

Объем перелива:

м3

Время пребывания жидкости в переливе:

с.

Допустимое время пребывания жидкости в переливе:

с.

Так как 14,27 > 3,71, то третье условие нормальной работы тарелки в исчерпывающей части колонны выполняется.

м) Определение величины межтарельчатого уноса жидкости

Проверка работоспособности тарелок проводится по допустимой величине межтарельчатого уноса жидкости. Величина уноса жидкости со струйных тарелок, включая тарелки с отбойниками, обычно не превышает 0,1 кг/ кг.

Унос жидкости с тарелки можно определить по уравнению [7]:

, (102)

где - величина межтарельчатого уноса жидкости, кг/кг;

, - коэффициенты (зависят от расстояния между тарелками);

- высота светлого слоя жидкости, м ст. ж.;

- расстояние между тарелками, мм;

- доля рабочей поверхности тарелки;

- скорость паров в свободном сечении колонны, м/с;

- относительная эффективная рабочая площадь тарелки, м2/м2;

- коэффициент.

Коэффициент рассчитывается по уравнению [7]:

, (103)

где - поверхностное натяжение жидкости, Н/м;

- плотность пара, кг/м3;

- плотность жидкости, кг/м3;

- вязкость жидкости, Па.с.

Поверхностное натяжение смеси для укрепляющей части колонны составляет = 0,0235 Н/м [10]. Плотность пара, жидкости и вязкость жидкости для укрепляющей части колонны рассчитаны ранее по уранениям соответственно (59), (69) и (71). Таким образом,

.

Так как расстояние между тарелками Н = 500 мм, то коэффициенты = 0,159 и = 0,95 [7]. Для колонны диаметром 2,2 м относительная эффективная рабочая площадь тарелки = 0,6 м2/м2 [11]. Доля рабочей поверхности = 0,9 [7].

Тогда межтарельчатый унос жидкости в укрепляющей части колонны будет равен:

кг/кг.

Таким образом, величина уноса жидкости в укрепляющей части колонны не превышает допустимого значения 0,1 кг/кг.

Величина межтарельчатого уноса жидкости в исчерпывающей части колонны рассчитывается аналогично.

Поверхностное натяжение смеси для укрепляющей части колонны составляет = 0,0248 Н/м [10]. Плотность пара, жидкости и вязкость жидкости для исчерпывающей части колонны рассчитаны ранее по уранениям соответственно (59), (69) и (71). Таким образом,

.

Межтарельчатый унос жидкости в исчерпывающей части колонны равен:

.

Таким образом, величина уноса жидкости в исчерпывающей части колонны не превышает допустимого значения 0,1 кг/кг.

3) Компановка колонны

Высота колонны рассчитывается по формуле [7]:

, (104)

где - высота колонны, м;

- высота укрепляющей части колонны, м;

- высота исчерпывающей части колонны, м;

- число секций колонны;

- число реальных тарелок в секции;

- межтарельчатое расстояние;

-расстояние между тарелками в местах установки люков, м;

- высота опоры, м.

Высота укрепляющей части колонны принимается в зависимости от диаметра колонны [7]:

, (105)

где - высота укрепляющей части колонны, м;

- диаметр колонны, м.

Высоту исчерпывающей части колоны можно принять равной [7]:

, (106)

где - высота исчерпывающей части колонны, м;

- диаметр колонны, м.

Высота верха колонны рассчитывается по уравнению (105):

м.

Высота исчерпывающей части колонны рассчитывается по уравнению (106):

м.

Примем расстояние между тарелками в местах установки люков равным 0,8 м, а высоту опоры 2 м.

Разобьём тарельчатую часть колонны на три секции по 10 тарелок, тогда высота колонны, рассчитанная по уравнению (104), составит:

м.

Принимается аппарат следующих характеристик:

- диаметр аппарата 2,2 м;

- высота аппарата 23 м;

- число тарелок 30;

- тип тарелок - ситчатые с отбойниками;

- материал аппарата Ст.3;

- количество 1.

1.5.5 Аппарат Т-005

Дефлегматор водяного охлаждения. Предназначен для конденсации паров, отходящих с верха колонны К-004.

Расход дистиллята в конденсаторе составляет 1275 кг/ч (0,35 кг/c).

В качестве хладоагента в конденсаторе используется оборотная вода с начальной температурой = 25 , в результате процесса теплообмена оборотная вода нагревается до температуры = 35 .

Начальная температура дистиллята - температура начала конденсации смеси = 53 , конечная температура дистиллята - температура конца конденсации смеси = 45 .

Определим тепловую нагрузку аппарата и расход оборотной воды. Примем индекс «1» для холодного теплоносителя (оборотная вода) и индекс «2» для горячего теплоносителя (дистиллята).

Предварительно определим среднюю температуру оборотной воды и дистиллята по формуле (16):

.

.

Определим среднюю разность температур в теплообменнике по формуле (12). Для этого вычислим среднюю разность температур для противотока по уравнению (14):

температурная схема при противотоке:

.

Для вычисления поправочного коэффициента к средней разности температур найдём величины P и R:

;

.

Тогда равен 0,99 [6].

Тогда средняя разность температур в многоходовом теплообменнике, рассчитанная по уравнению (12), равна:

.

Тепловая нагрузка конденсатора равна:

, (107)

где - тепловую нагрузку аппарата (расход передаваемой теплоты), Вт;

- количество тепла, уходящего с парами сверху колонны , Вт;

- количество тепла приходящее с флегмой в колонну, Вт;

- флегмовое число.

Тогда тепловая нагрузка аппарата равна:

Вт.

Расход оборотной воды в конденсаторе рассчитывается по уравнению:

, (108)

где - расход оборотной воды, кг/с;

- тепловую нагрузку аппарата (расход передаваемой теплоты), Вт;

- удельная теплоёмкость оборотной воды, Дж/(кг.К);

- начальная температура оборотной воды, ;

- конечная температура оборотной воды, .

Удельная теплоёмкость воды при средней температуре 30 составляет 4180 Дж/(кг.К) [6].

кг/с.

Примем ориентировочное значение теплопередачи от конденсирующихся паров органической жидкости к воде К = 600 Вт/(м2.К). Тогда ориентировочное значение поверхности теплообмена по уравнению (7) составит:

м2.

По величине ориентировочной поверхности теплообмена подбираем теплообменник со следующими характеристиками [5]:

- диаметр кожуха 800 мм;

- наружный диаметр труб 25 мм;

- внутренний диаметр труб 21 мм;

- число ходов 2;

- общее число труб 442;

- длина труб 6 м;

- поверхность теплообмена 208 м2;

- количество аппаратов 1 штука.

Проведём уточнённый расчёт поверхности теплообмена.

Рассчитывается скорость движения оборотной воды в трубах по формуле (20). Плотность оборотной воды при средней температуре оборотной воды 30 составляет 996 кг/м3.

м/c.

Рассчитывается критерий Рейнольдса для оборотной воды по формуле (21), причём вязкость оборотной воды при 30 составляет 0,00082 Па.с.

.

Зададимся температурой стенки со стороны конденсирующегося пара дистиллята .

Определяется коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара дистиллята к стенке по уравнению (22) [6].

Значения величин , , , для плёнки конденсата берутся при температуре плёнки дистиллята равной:

.

Поправочный множитель, учитывающий влияние числа горизонтальных труб по вертикали, равен 0,65 [6], = 0,1004 Вт/(м.К), = 814,12 кг/м3, = 405491,7 Дж/кг, = 0,00044 Па.с [10].

Тогда коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к стенке, рассчитанный по уравнению (22) равен:

Вт/(м2.К).

Удельную тепловую нагрузку (удельный тепловой поток) от конденсирующегося пара к стенке рассчитывают по уравнению:

Вт/м2.

Рассчитывается сумма термических сопротивлений слоёв стенки, включая загрязнения по уравнению (10). Толщина стенки равна 0,002 м, коэффициент теплопроводности материала стенки принимается равным 17,5 Вт/(м.К), а тепловая проводимость загрязнений со стороны греющего пара и со стороны печного масла равной 1/5800 Вт/(м2.К):

(м2.К)/Вт.

Рассчитывается температура стенки со стороны печного масла:

.

стирол этилбензол дегидрирование каталитический

Так как не происходит изменения агрегатного состояния холодного теплоносителя (оборотной воды), то коэффициент теплоотдачи от стенки к оборотной воде рассчитывают по уравнению (15). Так как критерий , то критерий Нуссельта рассчитывается по формуле (23).

Значение поправочного коэффициента равно = 1 [6].

Критерий Прандтля вычисляется по формуле (24).

Коэффициент теплопроводности оборотной воды при средней температуре оборотной воды 30 равен 0,616 Вт/(м.К), вязкость 0,00082 Па.с и удельная теплоёмкость 4180 Дж/кг. Тогда критерий Прандтля для оборотной воды равен:

.

Вязкость, удельная теплоёмкость и коэффициент теплопроводности оборотной воды при температуре равны соответственно 0,000448 Па.с, 1564,8 Дж/(кг.К), 0,1308 Вт/(м.К) [10].

Тогда критерий Прандтля при температуре стенки равен:

.

Таким образом, критерий Нуссельта для оборотной воды равен:

.

Тогда коэффициент теплоотдачи от стенки к оборотной воде равен:

Вт/(м2.К).

Рассчитывается удельный тепловой поток от стенки к печному маслу:

Вт/м2.

Так как расхождение между Вт/м2 и Вт/м2 не превышает 5 % , то определяется расчётная площадь поверхности теплопередачи и коэффициент теплопередачи:

Вт/(м2.К);

 м2 .

В выбранном теплообменнике запас поверхности составляет:

%.

1.5.6 Аппарат Т-006

Дефлегматор рассольного охлаждения. Предназначен для конденсации паров, отходящих из дефлегматора Т-005.

Принимается дефлегматор с поверхностью, которая составляет 30 % от поверхности дефлегматора Т-005.

Принимаем аппарат следующих характеристик [6]:

- поверхность теплообмена 69 м2;

- диаметр кожуха 800 мм;

- число труб 442;

- длина труб 2,0 м;

- число ходов 2;

- количество аппаратов 1 штука.

1.5.7 Аппарат С-007

Сепаратор. Используется для отделения капель углеводородного конденсата, унесённых из дефлегматора Т-006, от несконденсированных паров.

Принимается аппарат следующих характеристик:

- объём 4 м3;

- диаметр 1200 мм;

- высота цилиндрической части 3000 мм.

1.5.8 Аппарат Е-008

Ёмкость. Предназначена для сбора конденсата от водяного конденсатора Т-005, рассольного конденсатора Т-006 и сепаратора С-007.

Минимальная требуемая вместимость ёмкости рассчитывается по формуле (1).

Расход конденсата можно рассчитать по уравнению:

, (109)

где - массовый расход конденсата, кг/ч;

- массовый расход дистиллята, кг/ч;

- флегмовое число.

Расход конденсата равен:

кг/ч.

При температуре конденсата равной температуре конца конденсации 45 , плотность конденсата, рассчитанная по формуле (7), равна:

кг/м3.

Примем запас времен пребывания = 0,3 ч, коэффициент заполнения ёмкости = 0,8, тогда минимальная требуемая вместимость ёмкости равна:

м3.

Принимаем к установке горизонтальную ёмкость с характеристиками [4]:

- вместимость 10 м3;

- длина 3955 мм;

- диаметр 2032 мм;

- условное давление 6 кг/см2;

- количество аппаратов 1 штука;

- материал аппарата Ст.3.

Для того, чтобы флегмовая ёмкость работала под атмосферным давлением найдём высоту барометрической трубы.

Высота барометрической трубы рассчитывается по формуле [5]:

, (110)

где - высота барометрической трубы, м;

- вакуум в дефлегматоре, Па;

- плотность жидкости, кг/м3;

- ускорение свободного падения (9,81), м/с2;

- сумма коэффициентов местных сопротивлений;

- коэффициент трения в барометрической трубе;

- диаметр барометрической трубы, м;

- скорость движения жидкости в барометрической трубе, м/c.

Сумму коэффициентов местных сопротивлений можно рассчитать следующим образом [5]:

, (111)

где - сумма коэффициентов местных сопротивлений;

- коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу;

- коэффициенты местных сопротивлений на выходе из трубы.

Коэффициент трения зависит от режима течения жидкости.

Диаметр барометрической трубы рассчитывается по формуле:

, (112)

где - диаметр трубопровода, м;

- объёмный расход жидкости, м3/с;

- скорость течения среды, м/с.

Объёмный расход конденсата равен:

, (113)

где - объёмный расход конденсата, м3/с;

- массовый расход конденсата, кг/с;

- плотность конденсата, кг/м3.

Тогда

м3/с.

Примем скорость конденсата в барометрической трубе равную 0,5 м/c, тогда диаметр барометрической трубы равен:

м.

Выбираем стандартную трубу диаметром 133 мм, толщиной стенки 7 мм [5], тогда фактическая скорость флегмы в барометрической трубе равна:

м/с.

Сумму коэффициентов местных сопротивлений рассчитываем по уравнению (3), принимая коэффициенты местных сопротивлений на входе и выходе в трубу соответственно равными 0,5 и 1 [5]:

.

Для расчета коэффициента трения в барометрической трубе определим режим течения флегмы:

.

Так как = 91615 (зона смешанного трения) коэффициент трения в барометрической трубе равен:

, (114)

где - коэффициент трения в барометрической трубе;

- критерий Рейнольдса;

- абсолютная шероховатость барометрической трубы;

- внутренний диаметр барометрической трубы, м.

Абсолютная шероховатость трубы = 0,0002 м [5], тогда коэффициент трения в барометрической трубе равен:

.

Таким образом, высота барометрической трубы, рассчитанная по формуле (2) равна:

;

м.

1.5.9 Аппарат Н-009

Насос. Предназначен для подачи флегмы в колонну К-004 и откачку дистиллята из ёмкости Е-008.

Потребный напор насоса находим по формуле (3).

Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения флегмы, равную 2 м/с [5]. Диаметр трубопроводов на линии всасывания и нагнетания рассчитывается по уравнению (5). Предварительно находится расход жидкости, перекачиваемый насосом:

, (115)

где - объёмный расход жидкости, м3/с;

- массовый расход дистиллята, кг/с;

- флегмовое число;

- плотность флегмы, кг/м3.

В колонне К-004 образуется 1275,3 кг/ч дистиллята. Плотность флегмы рассчитывается при температуре конца конденсации смеси равной 45 по формуле (7):

кг/м3.

Таким образом, объёмный расход флегмы в колонну равен:

м3/с,

и тогда диаметр трубопровода равен:

м.

Из стандартного ряда трубопроводов выбираем стальную трубу наружным диаметром 56 мм, толщиной стенки 3,5 мм.

Фактическая скорость воды в трубопроводе:

м/с.

Примем потери напора на трение и местные сопротивления на всасывающей линии = 6 м, на нагнетательной линии = 10 м.

Тогда общие потери напора равны:

м.

Потребный напор насоса находим по формуле (3):

м ст. ж.

Полезную мощность насоса находим по формуле (2):

Вт = 1 кВт.

Принимаем = 1,0 и = 0,6 находим по уравнению (4) мощность на валу двигателя:

Вт = 1,71 кВт.

По расчётным подаче = 0,0044 м3/c и напору = 28,8 м ст. ж. подбираем центробежный насос марки Х20/3, для которого при оптимальных режимах работы подача = 0,0055 м3/c, напор = 31 м ст. ж., коэффициент полезного действия насоса = 0,55. Насос обеспечен электродвигателем ВАО2-41-2 номинальной мощностью = 5,5 кВт, коэффициент полезного действия двигателя = 0,85. Частота вращения вала = 48,3 с-1 [5]. Количество аппаратов 2.

1.5.10 Аппарат Т-010

Кипятильник. Предназначен для обогрева куба колонны К-004.

В качестве теплоносителя используется насыщенный водяной пар давлением 0,2 МПа. Удельная теплота конденсации Дж/кг, температура конденсации . Физико-химические характеристики конденсата при температуре конденсации: плотность кг/м3, вязкость Па.с, коэффициент теплопроводности Вт/(м.К) [6].

Тепловая нагрузка на кипятильник, рассчитанная при составлении теплового баланса колонны составляет Вт. Расход греющего пара, так же рассчитанный при составлении теплового баланса колонны, равен 0,79 кг/c.

Для определения коэффициента теплоотдачи от пара, конденсирующегося на наружной поверхности труб высотой Н, используется формула [5]:

, (116)

где - коэффициент теплоотдачи от пара к стенке, Вт/(м2.К);

- коэффициент теплопроводности конденсата (), Вт/(м.К) [6];

- плотность парового конденсата (), кг/м3 [6];

- удельная теплота конденсации (2208000), Дж/кг [6];

- ускорение свободного падения (9,81) м/с2;

- вязкость конденсата (0,000231), Па.с [6];

- длина труб в кипятильнике, м;

- удельный тепловой поток, Вт/м2.

Коэффициент теплоотдачи к кипящей в трубах жидкости определяется по формуле [5]:

. (117)

где - коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей жидкости, Вт/(м2.К).

- коэффициент теплопроводности жидкости Вт/(м.К), [10]

- плотность жидкотси () , кг/м3 [10];

- плотность паров над кипящей жидкостью (), кг/м3 [10];

- удельный тепловой поток, Вт/м2;

- поверхностное натяжение жидкости (Н/м), [10];

- удельная теплота парообразования ждкости (), Дж/кг [10];

- плотность паров при атмосферном давлении (), кг/м3 [10];

- удельная теплоёмкость жидкости (), Дж/(кг.К) [10];

- вязкость жидкости (), Па.с [10].

Из основного уравнения теплопередачи (7) и уравнения аддитивности термических сопротивлений (10) следует, что

, (118)

где - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2.К);

- средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, ;

- удельный тепловой поток, Вт/м2;

- сумма термических сопротивлений всех слоёв, из которых состоит стенка, включая загрязнения, (м2.К)/Вт;

- коэффициента теплоотдачи от пара, Вт/(м2.К);

- коэффициент теплоотдачи к кипящей в трубах жидкости, Вт/(м2.К).

Подставляя в уравнение (21) выражения для и , можно получить одно уравнение относительно неизвестного удельного теплового потока [5]:

. (119)

Решив это уравнение относительно можно определить требуемую поверхность теплообмена по уравнению (8).

Средняя разность температур потоков составляет:

.

Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящей жидкости = 1000 Вт/(м2.К). Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности согласно уравнению (7) составит:

м2.

По величине ориентировочной поверхности теплообмена подбираем теплообменник со следующими характеристиками [5]:

- диаметр кожуха 600 мм;

- наружный диаметр труб 25 мм;

- внутренний диаметр труб 21 мм;

- число ходов 1;

- общее число труб 257;

- длина труб 4 м;

- поверхность теплообмена 81 м2;

- количество аппаратов 1 штука.

Примем значение удельной тепловой нагрузки Вт/м2.

Для определения необходимо рассчитать коэффициенты и :

.

Толщина стенки равна 0,002 м, коэффициент теплопроводности материала стенки (углеродстая сталь) принимается равным 17,5 Вт/(м.К) [6], а тепловая проводимость загрязнений со стороны греющего пара и со стороны кипящей жидкости кубового продукта равна 1/5800 Вт/(м2.К) [6]. Тогда сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:

(м2.К)/Вт.

Тогда по уравнению (22) получаем:

.

Таким образом, принятое значение удельной тепловой нагрузки Вт/м2 является верным.

Тогда требуемая поверхность теплообмена по уравнению (8) составит:

м2.

В выбранном теплообменнике запас поверхности составляет:

%.

1.5.11 Аппарат Н-011

Насос. Предназначен для подачи кубовой жидкости на питание колонны К-013.

Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения кубового остатка, равную 2 м/с [5]. Диаметр трубопроводов на линии всасывания и нагнетания рассчитывается по уравнению (5). Предварительно находится объёмный расход кубового остатка в колонну:

, (120)

где - объёмный расход кубового остатка, м3/с;

- массовый расход кубового остатка, кг/с;

- плотность кубового остатка, кг/м3.

В колонне К-004 образуется 18724,7 кг/ч кубового остатка. Плотность кубового остатка рассчитывается при температуре кубового остатка равной 97 по формуле (7):

кг/м3.

Таким образом, объёмный расход кубового остатка равен:

м3/с,

и тогда диаметр трубопровода равен:

м.

Из стандартного ряда трубопроводов выбираем стальную трубу наружным диаметром 70 мм, толщиной стенки 3 мм.

Фактическая скорость жидкости в трубопроводе:

м/с.

Примем потери напора на трение и местные сопротивления на всасывающей линии = 6 м, на нагнетательной линии = 10 м.

Тогда общие потери напора равны:

м.

Давление в колонне К-013 в зоне подачи питания 161 мм рт. ст. (0,0205 МПа), давление в кубе колонны К-004 194 мм рт. ст. (0,0258 МПа), геометрическая высота подъёма жидкости приблизительно равна половине высоты колонны К-013 21 м, тогда потребный напор насоса находим по формуле (3):

м ст. ж.

Полезную мощность насоса находим по формуле (2):

Вт = 1,9 кВт.

Принимаем = 1,0 и = 0,6 находим по уравнению (4) мощность на валу двигателя:

Вт = 3,11 кВт.

По расчётным подаче = 0,01 м3/c и напору = 36,6 м ст. ж. подбираем центробежный насос марки Х45/54, для которого при оптимальных режимах работы подача = 0,0125 м3/c, напор = 42 м ст. ж., коэффициент полезного действия насоса = 0,6. Насос обеспечен электродвигателем АО2-72-2 номинальной мощностью = 22 кВт, коэффициент полезного действия двигателя = 0,88. Частота вращения вала = 48,3 с-1 [5]. Количество аппаратов 2 штуки (один в резерве).

1.5.12 Аппарат Т-012

Холодильник. Предназначен для охлаждения кубовой жидкости колонны К-004 до температуры питания колонны К-013.

Расход смеси - кубовый остаток колонны К-004 в тепообменнике составляет 18725 кг/ч (5,20 кг/c).

В качестве холодного теплоносителя в теплообменнике используется оборотная вода с начальной температурой = 25 , в результате процесса теплообмена оборотная вода нагревается до температуры = 35 .

Начальная температура смеси = 97 , конечная температура смеси равна температуре питания колонны К-004 и составляет = 80 .

Определим тепловую нагрузку аппарата и расход греющего пара. Примем индекс «1» для холодного теплоносителя (оборотной воды) и индекс «2» для горячего теплоносителя (кубовый остаток колонны К-004).

Предварительно определим среднюю температуру теплоносителей по формуле (16):

.

.

Определим среднюю разность температур в теплообменнике по формуле (13):

.

температурная схема при противотоке:

Тогда средняя разность температур в многоходовом теплообменнике по уравнению (13) равна:

.

С учётом потерь холода в размере 5 % тепловая нагрузка аппарата рассчитывается по уравнению (12).

Удельная теплоёмкость кубового остатка равна при средней температуре кубового остатка 89 (значения теплоёмкостей компонентов взяты из справочника [10]) рассчитывается по уравнению (13):

Дж/(кг.К).

Тогда тепловая нагрузка аппарата равна:

 Вт.

Расход оборотной воды в теплообменнике рассчитывается по уравнению:

, (121)

где - расход оборотной воды, кг/с;

- тепловая нагрузка аппарата, Вт;

- удельная теплоёмкость оборотной воды, Дж/(кг.К);

- начальная температура оборотной воды, ;

- конечная температура оборотной воды, .

Удельная теплоёмкость воды при средней температуре 30 составляет 4180 Дж/(кг.К) [6]. Тогда расход оборотной воды равен:

кг/с.

Примем ориентировочное значение теплопередачи от органической жидкости к воде К = 300 Вт/(м2.К). Тогда ориентировочное значение поверхности теплообмена по уравнению (7) составит:

м2.

Так как значения средних температур потоков горячего и холодного теплоносителей отличаются более чем на 50 , то по величине ориентировочной поверхности теплообмена подбираем теплообменник с линзовыми компенсаторами температурных расширений со следующими характеристиками [6]:

- диаметр кожуха 325 мм;

- наружный диаметр труб 25 мм;

- внутренний диаметр труб 21 мм;

- число ходов 2;

- общее число труб 56;

- длина труб 3 м;

- поверхность теплообмена 13,0 м2;

- количество аппаратов 1 штука.

Проведём уточнённый расчёт поверхности теплообмена.

Рассчитывается скорость движения оборотной воды в трубах по формуле (20). Плотность оборотной воды при средней температуре оборотной воды 30 составляет 996 кг/м3.

м/c.

Рассчитывается критерий Рейнольдса для оборотной воды по формуле (21), причём вязкость оборотной воды при 30 составляет 0,00082 Па.с.

.

Рассчитывается критерий Рейнольдса для горячего теплоносителя по формуле (15).

Плотность кубового остатка рассчитывается по уравнению (7), причём плотности компонентов, входящих в состав смеси, берутся при средней температуре кубового остатка равной 89 [10]:



кг/м3.

Тогда скорость движения печного масла в трубах, рассчитанная по уравнению (20) равна:

м/c.

Вязкость кубового остатка рассчитывается по уравнению (59), причём вязкости компонентов, входящих в состав смеси, берутся при средней температуре печного масла равной 89 [10]:

= 0,28 мПа.с = 0,00028 Па.с.

Тогда критерий Рейнольдса равен:

.

Зададимся температурой стенки со стороны кубового остатка .

Так как коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке определяется по уравнению (22) [6].

Для этого вычисляется критерий Прандтля по формуле (24), коэффициент теплопроводности смеси при средней температуре смеси равен 0,128 Вт/(м.К):

.

Вязкость, удельная теплоёмкость и коэффициент теплопроводности горячего теплоносителя при температуре равны соответственно 0,00044 Па.с, 1569,41 Дж/(кг.К), 0,1308 Вт/(м.К) [10].

Тогда критерий Прандтля при температуре стенки равен:

.

Таким образом, критерий Нуссельта для печного масла равен:

.

Тогда коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке равен:

Вт/(м2.К).

Удельную тепловую нагрузку (удельный тепловой поток) от горячего теплоносителя к стенке рассчитывают по уравнению:

Вт/м2.

Рассчитывается сумма термических сопротивлений слоёв стенки, включая загрязнения по уравнению (10). Толщина стенки равна 0,002 м, коэффициент теплопроводности материала стенки принимается равным 17,5 Вт/(м.К), а тепловая проводимость загрязнений со стороны греющего пара и со стороны печного масла равной 1/5800 Вт/(м2.К):

(м2.К)/Вт.

Рассчитывается температура стенки со стороны печного масла:

.

Так как не происходит изменения агрегатного состояния холодного теплоносителя (оборотной воды) и , то коэффициент теплоотдачи от стенки к оборотной воде рассчитывают по уравнению (15) при этом критерий Нуссельта рассчитывается по уравнению [6]:

, (122)

где - критерий Нуссельта для холодного теплоносителя;

- критерий Рейнольдса холодного теплоносителя;

- критерий Прандтля холодного теплоносителя;

- вязкость холодного теплоносителя, Па.с;

- вязкость холодного теплоносителя при температуре стенки, Па.с.

Коэффициент теплопроводности оборотной воды при средней температуре оборотной воды 30 равен 0,616 Вт/(м.К), вязкость 0,00082 Па.с и удельная теплоёмкость 4180 Дж/(кг.К) [6]. Тогда критерий Прандтля для оборотной воды равен: