Стадия ректификации винилхлорида в производстве поливинилхлорида на ОАО "Саянскхимпласт"

Принимаем расстояние между тарелками Нмт = 0,5 м.

Допустимую скорость в рабочем сечение колонны найдем по уравнению:

wд =К2 ?В1?((?ж -?п)/?п)0,5

где В1 - комплекс, выбранный для верхней и нижней части колонны по приложению [3, прил. 69].

ВВ1= 0,086

ВН1= 0,059

wВд = 3,46 ? 0,086 ? ((977 - 27,81)/ 27,81)0,5 = 1,74 м/с

wНд = 3,20 ? 0,059 ? ((757 - 33,13)/ 33,13)0,5 = 0,882 м/с

Проверяем условие wд · S1' > К4 · wк

для верхней части колонны: 1,74 ? 0,46 > 1 ? 0,3608; 0,800 > 0,361

для нижней части колонны: 0,88 ? 0,46 > 1 ? 0,3953; 0,406 > 0,395

Условие выполняется.

Удельную весовую нагрузку клапана найдем по формуле:

q = 16,6 · ? ? ?М

где ? - толщина клапана, м [1].

Так как давление в колонне 1,6 МПа, то толщину клапана принимаем 0,0016 м ?М - плотность материала; для нержавеющей стали принимаем 8000 кг ?м3 [1].

q = 16,6 ? 0,0016 ? 8000 ? 212,48 Па

Рассчитаем минимально допустимую скорость пара в свободном сечении тарелки по формуле [3]:

w0 min =(2?q /lщ??п)0,5

lщ - коэффициент сопротивления; для клапанных тарелок принимаем равным 3 по [1 таблица 2.1].

w0В min =(2? 212,48 /3? 27,81) 0,5 = 2,26 м/с

w0Н min =(2? 212,48 /3? 33,13) 0,5 = 2,07 м/с

Коэффициент запаса сечения для верхних и нижних тарелок найдем по уравнению:

К1 = К3 ? wК / fс ? w0 min

К1В = 1 ? 0,3608 / 0,1323 ? 2,26 = 1,208 >1

К1Н = 1 ? 0,3953 / 0,1323 ? 2,07 = 1,445 >1 свободное сечение тарелки и число клапанов остается неизменными.

lw- периметр слива выбираем в зависимости от диаметра колонны, так как диаметр колонны КР1 равен 1,6 м, то периметр слива равен 1,26 м из [3, прил. 69];

h0Вw = 0,667 ? (0,0101 / 1,26) 0,66 = 0,0276 м

Sк - свободное сечение колонны по приложению [3, прил. 66] выбираем 2,01 м2, так как диаметр колонны 1,6 м;

wВ= 0,0101 /(2,01 ? 0,27) = 0,019 м/с

wН= 0,0695 /(2,01 ? 0,27) = 0,128 м/с

Так как действительная скорость меньше допустимой скорости, значит, колонна справляется, и конструктивные размеры клапанных тарелок обеспечивают заданную производительность.

5.2.5 Расчет эффективности клапанных тарелок колонны КР1

Расчет эффективности тарелок произведем по формуле Мерфри:

где ? - коэффициент, равный:

? = (1 + 4 ? ? ?F0 ?EОГ)0,5

? - фактор отклонения.

Коэффициент диффузии для паровой фазы определяется по формуле:

где Т - средняя температура пара в соответствующей части колонны, К;

Р - абсолютное давление в колонне, атм;

МНСl и МВХ - молекулярные массы компонентов;

VНСl и VВХ - мольные объемы компонентов смеси, определяемые как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав вещества, см3/моль.

VНСl = 7,15 + 18,7 = 25,85 см3/моль

VВХ = 5,3 · 2 + 7,15 · 3 + 18,7 = 50,75 см3/моль [2, табл. 2]

DnB = 10-7 ? 2561,76 /(16 ? (25,85 1/3 + 50,751/3)2 ? [(36,5 + 62,5) /(36,5 ? 62,5)]0,5 = 0,0318

DnH = 10-7 ? 3681,76 /(16 ? (25,85 1/3 + 50,75 1/3)2 ? [(36,5 + 62,5) /(36,5 ? 62,5)]0,5 = 0,0602

Коэффициент диффузии для жидкой фазы определяется по формуле:

DжB = 7,4 ?10-15 ? (Ф ? М)0,5? Т /(? ? V0,6)

где ? - динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с;

?HCl= 0,00013 Па•с;

?ВХ= 0,000105 Па•с;

Ф - безмерный параметр.

DжB = 7,4 ?10-15 ? (1 ? 36,5)0,5 ? 256 / 0,00013 ? 25,85 0,6 = 12,506 ·10-9 м2/с

DжН = 7,4 ?10-15 ? (1 ? 62,5)0,5 ? 368 / 0,000105 ? 50,75 0,6 = 19,430 ·10-9 м2/с

Коэффициент турбулентной диффузии найдем по формуле:

DS = 0,0929 ? (0,0124 + 0,59 ? hw + 0,0561 ?wк + 12,1 ? Vж /lw)2

DSB = 0,0929 ? (0,0124 + 0,59 ? 0,0747 + 0,0561 ? 0,3608 + 12,1 ? 0,0101 / 1,26)2 = 0,0028 м/с

DSН = 0,0929 ? (0,0124 + 0,59 ? 0,0336 + 0,0561 ? 0,3953 + 12,1 ? 0,0695 / 1,26)2 = 0,0484 м/с

Определяем числа единиц переноса в паре и жидкости по уравнению:

Nn =1770 ? hf1,2 ?(wк ?hf / Dn)-0,5

NnB = 1770 ? 0,1024 1,2 ? (0,3608 ? 0,1024 / 0,0318 ·10-6)-0,5 = 0,107

NnH = 1770 ? 0,1321 1,2 ? (0,3953 ? 0,1321 / 0,0602 ·10-6)-0,5 = 0,167

Единица переноса в жидкости для верхней и нижней части колонны:

Nж =126000 ? hf1,9 ?(Vж ?hf / Dж? S1)-0,5

NжB = 126000 ? 0,1024 1,9 ? (0,0101 ? 0,1024 /(12,5063 ·10-9 ? 0,46))-0,5 = 8,49

NжB = 126000 ? 0,1321 1,9 ? (0,0695 ? 0,1321 /(19,4301 ·10-9 ? 0,46))-0,5 = 5,77

Общее число единиц переноса найдем по формуле:

NОГ = Nж ? Nп / (Nж + ??Nп),

где ? - фактор отклонения:

? = т ? G ? Мж / L ? Мп

?В= 0,378 ? 20,16007 ? 45,93 / 9,885 ? 40,673 = 0,87

?Н= 1,819 ? 26,31372 ? 58,81 / 52,616 ? 53,088 = 1,01

NОГВ = 8,49 ? 0,107 / (8,49 + 0,87 ? 0,107) = 0,105

NОГН = 5,77 ? 0,167 / (5,77 + 1,01 ? 0,167) = 0,163

СP - удельная теплоемкость кубового остатка (ВХ) = 1793,03 Дж/(кг·К).

QW = 98344,53 ? 1793,03 ? 368 = 64877215,2 кДж/ч

Расход тепла с паром колонны:

QД = Р ? (1 + R) ? (rР + СР ? tКОНД),

где tКОНД = 256 К,

СP - удельная теплоемкость дистиллята (НСl) = 2058,1 Дж/(кг·К),

rP - удельная теплота конденсации пара дистиллята = 350333,3 , Дж/кг,

R - флегмовое число.

QД = 36909,73 ?(1+ 0,768)?(350333,3 + 2058,1 ? 256) = 57222174,31 кДж/ч

Приход тепла

Приход тепла с исходной смеси:

QF = F ? СF ? tF,

где tF - температура исходной смеси = 313 K,

СF - удельная теплоемкость исходной смеси при, Дж/(кг·К).

СF = xF ? C1 + (1 - xF) ? C2,

где С1 теплоемкость хлороводорода = 4944,6 Дж/(кг·К),

С2 теплоемкость винилхлорида = 1491,51 Дж/(кг·К).

СF =0,183?4944,6 + 0,817? 1491,51 = 2 123,43 Дж/(кг·К):

QF =135254,3? 2123,43?313 = 89894338,43 кДж/ч

Тепло, получаемое с флегмой:

QФ =R ? Р ?СР ? tФ,

где tФ= 256 К,

СP - удельная теплоемкость дистиллята (НСl) = 2058,1 Дж/(кг·К).

QФ = 36909,73 ? 0,768 ? 2058,1 ? 256 = 14923308,96 кДж/ч

Тепло, получаемое с греющим паром:

Свойства греющего пара при tКОНД' = 473 К и давлении Р = 1,5 МПа.

СГП - удельная теплоемкость= 4546,4 Дж/(кг·К),

rГП - удельная теплота конденсации пара = 1949782 Дж/кг.

QГП = GГП ? (rГП + СВ ? tКОНД'),

GГП = 103 % ? (QP + QW + QД - QF - QФ /rГП),

где сомножитель 1,02 учитывает увеличение расхода греющего пара на компенсацию тепловых потерь в размере 2 % от полезного затрачиваемого тепла.

GГП =1,02 ? (19443614,6 + 64877215,2+ 57222174 - 89894338,43 - 14923308,96 / /1949782) = 19,2 кг/c

QГП = 19,2 ? (1949782 + 4546,4 ? 473) = 78774974,72 кДж/ч

Расход тепла с конденсатом испарителя:

QКИ = 19,2 ? 4546,4 ? 473 = 41315110,83 кДж/ч

Потери тепла:

QПОТ = QF + QФ + QГП - QД - QW - QP - QКИ

QПОТ = 89894338,43 + 14923309 + 78774974,72 - 57222174,31 - 64877215,2 - 19443614,63 - 41315110,8 = 734507,14 кДж/ч

Таблица 5.13 - Тепловой баланс колонны КР1

Расхождение прихода и расхода не превышает 2 %.

5.2.8 Механический расчет

Расчет толщины обечайки

Исполнительную толщину тонкостенной гладкой цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением, рассчитываем по формуле [6]:

S ? p ? D / (2 ? [?] ? ? - p)+ c,

где р - избыточное давление, МПа,

[?] - допускаемое напряжение, МПа,

[?] = ?? ?,

где ?- коэффициент (принимаем равным 0,9, как для взрывопожарных сред) [6];

? - допускаемое напряжение, МПа (для стали 20 К равно 136 МПа) [6, табл.13.1];

? - коэффициент прочности сварных швов (при контроле 100 % длины шва равен 1,0) [6, табл. 13.3];

С - прибавка к расчетной толщине (прибавка для компенсации коррозии, принимаем равной 2,0 мм).

Тогда толщина обечайки составит:

S ? 2 ? 1,6 ? 1400 / (2 ? 0,9 ? 136 ? 1 - 1,6) + 2 = 20,4 мм

Принимаем толщину обечайки равной 21 мм.

Расчет толщины днища

Толщину стенки эллиптического днища определим по формуле:

S ? p ? R / (2 ? [?] ? ? - 0,5p)+ c,

где R - радиус кривизны в вершине днища ( для эллиптических днищ R=D) [6];

[?] - допускаемое напряжение, МПа;

? - коэффициент прочности сварных швов (при контроле 100 % длины шва равен 1,0) [6, табл. 13.3];

р - избыточное давление, МПа;

С - прибавка к расчетной толщине (прибавка для компенсации коррозии, принимаем равной 2,0 мм).

S ? 2 ? 1,6 ? 1400 / (2 ? 0,9 ? 136 ? 1 - 0,5 ? 1,6) + 2 = 20,4 мм

Принимаем толщину обечайки равной 21 мм.

Расчет патрубков и штуцеров

Внутренний диаметр патрубка определяется из уравнений расхода:

d = (4 ? G / (? ? ? ? ?))0,5,

где G - массовый расход перекачиваемой среды, кг/с;

? - плотность среды, кг/м3;

? - скорость движения среды в трубопроводе, м/с по таблице [2, табл. 7.1].

Внутренний диаметр штуцера на выходе пара:

d = (4 ? GB / (? ? ? ? ?Bn))0,5,

d = (4 ? 20,16 / (3,14 ? 25 ? 27,81))0,5 = 0,192 м

Стандартный диаметр dу = 200 мм.

Внутренний диаметр штуцера на входе пара:

d = (4 ? GH / (? ? ? ? ?Hn))0,5,

d = (4 ? 26,31 / (3,14 ? 25 ? 33,13))0,5 = 0,201 м

Стандартный диаметр dу = 200 мм.

Внутренний диаметр штуцера на входе флегмы в колонну:

d = (4 ? LB / (? ? ? ? ?Bж))0,5,

d = (4 ? 9,88 / (3,14 ? 1 ? 977))0,5 = 0,114 м

Стандартный диаметр dу = 125 мм.

Внутренний диаметр штуцера на выходе кубового остатка из колонны:

d = (4 ? W / (? ? ? ? ?Нж))0,5,

d = (4 ? 27,32 / (3,14 ? 2 ? 757))0,5 = 0,152 м

Стандартный диаметр dу = 150 мм.

Внутренний диаметр штуцера на выходе жидкости из куба:

d = (4 ? LН / (? ? ? ? ?Нж))0,5,

d = (4 ? 52,62 / (3,14 ? 2 ? 757))0,5 = 0,210 м

Стандартный диаметр dу = 200 мм.

Внутренний диаметр штуцера на входе исходной смеси в колонну:

d = (4 ? F / (? ? ? ? ?F))0,5,

где ?F - плотность массы, кг/м3.

?F = MCM /X ? ?HCl + (1- X) ??BX

?HCl = MHCl / ?HCl = 36,5 / 701 = 0,0521 м3/кмоль

?BX = MBX/ ?BX = 62,5 / 878 = 0,0712 м3/кмоль

?F = (36,5 ? 0,183 + 0,817 ? 62,5) / (0,183 ? 0,0521 + 0,817 ? 0,0712) = 853 кг/м3

d = (4 ? 37,57 / (3,14 ? 3 ? 853))0,5 = 0,137 м

Стандартный диаметр dу = 150 мм.

5.3 Расчет колонны ректификации КР2

Расчет колонны КР1 ведем по методу ключевых компонентов, распределив их в порядке возрастания по температуре кипения при Р= 0,5 МПа.= 3800 мм рт.ст.

Температуры кипения веществ определим по уравнению Антуана. Коэффициенты уравнения Антуана представлены в таблице 5.14.

Таблица 5.14 - Коэффициенты уравнения Антуана

Ткип. НСl = В/(А-lnР) - С = 1803,84 / (14,96 - 3800) -(-43,15)= 312 К = 39 оС

Ткип. ДХЭ = В/(А-lnР) - С = 2927,17 / (16,18 - 3800) -(-50,22)= 419 К = 146 оС

Легким ключевым компонентом (НКК) в колонне КР1 будет НСl, а тяжелым ключевым (ВКК) компонентом ДХЭ. Смесь будем считать как бинарную: дихлорэтан-винилхлорид.

Исходные данные:

Питание колонны составляет F= 110589,9 кг/ч, в том числе:

Строим график зависимости t-х y, по данным таблицы 5.15

lnР=А - В/(Т + С), мм рт. ст.

Таблица 5.15

Рисунок 5.6 - График зависимости t - х, у

Состав питания колонны КР1, кубового продукта и дистиллята представлен в таблице 5.16.

Таблица 5.16 - Состав питания, кубового продукта и дистиллята

5.3.1 Материальный баланс колонны КР2

Пересчитаем составы фаз из массовых долей в мольные для бинарной смеси дихлорэтан - винилхлорид по формуле

X = x / MBX /(x / MBX+ (1 - x)/ MДХЭ)

где МНСl и МДХЭ- молярные массы низкокипящего и высококипящего компонентов, соответственно, кг/кмоль.

MДХЭ = 100 г/моль

MВХ= 62,5 г/моль

XF = 0,53878

XP = 0,99994

XW = 0,00143

Производительность колоны КР1 по дистилляту:

P= 59513,92 кг/ч

W= 51075,98 кг/ч

По найденным Р и W и по данным таблицы 5.16, найдем количество соответствующих веществ в питании, кубе и дистилляте, которые представлены в таблице 5.17.

Таблица 5.17 - Состав питания, куба и дистиллята

5.3.2 Определение числа тарелок и рабочего флегмового числа колонны КР2

Для определения рабочего флегмового числа, найдем равновесную концентрацию компонентов в паре, которая определяется по формуле:

У* = ? ? х /(1+ (? - 1) ? х,

где ?- относительная летучесть.

? = РНК / РВК,

где РНК, РВК- давление паров низкокипящего и высококипящего компонентов.

Найдем давление насыщенных паров винилхлорида и дихлорэтана по ураынению Антуана [3]:

lnP = A - B/(T+C)

где А, В и С-коэффициенты уравнения Антуана

При средней температурекипения смеси ВХ и ДХЭ при Р = 0.5 МПа:

Т= (312 + 419)/2 = 365 К

ln Рнсl= 14,9601 - 1803,84 /(365 -43,15)= 11649,2 мм рт.ст.

ln РДХЭ= 16,1764 - 2927,17 /(365 -50,22)= 982,4 мм рт.ст.

?= 11649,2 / 982,4 = 11,858

Задаваясь значением Х, определяем У*:

X0= 0,05; У)*= 11,858 ? 0,05 /1+(11,858 -1) ? 0,05 = 0,384;

X1= 0,1; У1*= 11,858 ? 0,1 /1+(11,858 -1) ? 0,1 = 0,569;

X2= 0,2; У2*= 11,858 ? 0,2 /1+(11,858 -1) ? 0,2 = 0,748;

X3= 0,3; У3*= 11,858 ? 0,3 /1+(11,858 -1) ? 0,3 = 0,836;

X4= 0,4; У4*= 11,858 ? 0,4 /1+(11,858 -1) ? 0,4 = 0,888;

X5= 0,5; У5*= 11,858 ? 0,5 /1+(11,858 -1) ? 0,5 = 0,922;

X6= 0,6; У6*= 11,858 ? 0,6 /1+(11,858 -1) ? 0,6 = 0,947;

X7= 0,7; У7*= 11,858 ? 0,7 /1+(11,858 -1) ? 0,7 = 0,965;

X8= 0,8; У8*= 11,858 ? 0,8 /1+(11,858 -1) ? 0,8 = 0,979;

X9= 0,9; У9*= 11,858 ? 0,9 /1+(11,858 -1) ? 0,9 = 0,991;

X10= 1,0; У10*= 11,858 ? 1 /1+(11,858 -1) ? 1 = 1.

Полученные данные сводим в таблицу 5.18.

Таблица 5.18 - Таблица зависимости X-Y

По данным таблицы 5.18 строим на графике Х - У линии равновесия.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5.7 - График парожидкостной равновесной зависимости и построения теоретических ступеней

По графику определяем Y*F - концентрацию легколетучего компонента в паре, находящегося в равновесии с исходной смесью.

Рассчитаем минимальное флегмовое число:

Rmin = (ХР - YF*)/(YF* - XF),

где Y*F - равновесное значение состава пара исходной жидкости, который найден по графику Х - У (рис. 5.7).

Rmin = 0,99994 - 0,9338 / 0,9338 - 0,5388 = 0,1674

Рабочее флегмовое число определяется как:

R=?• Rmin,

где ? - коэффициент избытка флегмы (? = 1,02 ? 3,5).

Задаваясь различными значениями коэффициента избытка флегмы ? для каждого из них определяется флегмовое число R, отрезок B, число теоретических тарелок в колонне nT, путем вписывания «ступенек» между равновесной и рабочими линиями.

В =ХP/ (R+1)

? = 1,7; R= 1,7 ? 0,1674 = 0,28463; В = 0,9999 /(0,2846285 +1) = 0,77839;

? = 2; R= 2 ? 0,1674 = 0,33486; В = 0,9999 /(0,33485706 +1) = 0,74910;

? = 2,3; R= 2,3 ? 0,1674 = 0,38509; В = 0,9999 /(0,38508562 +1) = 0,72193;

? = 2,6; R= 2,6 ? 0,1674 = 0,43531; В = 0,9999 /(0,43531418 +1) = 0,69667;

? = 2,8; R= 2,8 ? 0,1674 = 0,46880; В = 0,9999 /(0,46879989 +1) = 0,68079;

? = 3,2; R= 3,2 ? 0,1674 = 0,53577; В = 0,9999 /(0,5357713 +1) = 0,65110;

? = 3,5; R= 3,5 ? 0,1674 = 0,58600; В = 0,9999 /(0,58599986 +1) = 0,63048.

Полученные данные заносим в таблицу 5.19.

Таблица 5.19 - Определение количества теоретических ступеней

Строится график в координатах nТ (R + 1) - R и из точки минимума на кривой определяется оптимальное рабочее флегмового число R.

Rопт = 0,4688 ; В = 2,8

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5.8 - График определения оптимального рабочего флегмового числа RОПТ

5.3.3 Массовый расход жидкости и пара

Предварительно определяются средние концентрации жидкости для верхней и нижней частей колонны:

XB = (XF + XP) / 2

XB = (0,5388 + 0,9999)/2= 0,7694 кмоль/киломоль смеси

XH = (XF + XW) / 2

XH = ( 0,5388 + 0,0014 )/2= 0,2701 кмоль/киломоль смеси

Средние мольные массы жидкой смеси верхней и нижней части колонны КР2:

МBж = хВ ? MВХ + (1 - хВ) ?MДХЭ

МBж = 0,7694 ? 62,5 +(1- 0,7694)? 100 = 71,15 кг/кмоль

МНж = хН ? MВХ + (1 - хН) ?MДХЭ

МНж = 0,2701 ? 62,5 +(1- 0,2701)? 100 = 89,87 кг/кмоль

Средние массовые расходы жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений:

LB = P ? R ? MBж/ MP,

где МР - мольная масса дистиллята, кг/кмоль.

LB = P ? R ? MНж/ MP + F ?MHж / MF,

где MF - мольная масса исходной смеси, кг/кмоль.

МF =xF ? MВХ + (1 - xF) ?MДХЭ

МF = 0,5388 ? 62,5 +(1- 0,5388)? 100 = 79,80 кг/кмоль

МP =xP ? MВХ + (1 - xP) ?MДХЭ

МP = 0,9999 ? 62,5 +(1- 0,9999)? 100 = 62,50 кг/кмоль

МW =xW ? MВХ + (1 - xW) ?MДХЭ

МW = 0,0014 ? 62,5 +(1- 0,0014)? 100 = 99,95 кг/кмоль

LB= 59513,92 ? 0,469 ? 71,15 / 62,50 = 31759,9 кг/ч = 8,822 кг/с

LH= 59513,92 ? 0,469 ? 89,87 / 62,50 + 110589,90 ? 89,87 / 79,80 = 164670,2 кг/ч = =45,742 кг/с

Средние концентрации пара в верхней и нижней части колонны:

yB = (yF + yP) / 2 = 0,85 + 0,999 /2 = 0,9245

yH = (yF + yW) / 2 = 0,85 + 0,044 /2 = 0,447

Средние мольные массы паров верхней и нижней части колонны:

МBn = уВ ?MВХ + (1 - уВ) ?MДХЭ = 0,9245 ? 62,5 +(1- 0,9245)? 100 = 65,33125 кг/кмоль

МНn = уН ?MВХ + (1 - уН) ?MДХЭ = 0,447 ? 62,5 +(1- 0,447)? 100 = 83,2375 кг/кмоль

Средний расход пара по колонне:

G = P ? (R + 1) ? MпB(Н)/ MP

GB= 59513,92 ?(0,469 +1)? 65,33125 / 62,50 = 91370,46 кг/ч = 25,381 кг/с

GH= 59513,92 ?(0,469 +1)? 83,2375 / 62,50 = 116413,64 кг/ч = 32,337 кг/с

Полученные данные заносим в таблицу 5.20.

Таблица 5.20 - Данные расчета колонны КР2

5.3.4 Гидравлический расчет клапанных тарелок колонны КР2

Расчет клапанных тарелок ведем по методике [3].

Принимаем по [3, табл.3.9 стр. 279] глубину барботажа для клапанных тарелок в зависимости от давления в колонне, так как давление в колонне то: 0,5 МПа,

hБ= 0,075 м. из [3, табл. 3.9] для клапанных тарелок;

Диапазон изменения нагрузки:

К4 / К3 = 1 / 1 = 1,00 < 3,5 ,

где К4 - коэффициент увеличения нагрузки;

К3 - коэффициент снижения нагрузки.

Коэффициент, учитывающий поверхностное натяжение:

К2 = 2,185 · ?0,2,

где ? - поверхностное натяжение жидкости.

? ДХЭ= 14,8 мН ?м при 146 оС,

? ВХ= 14,2 мН ?м при 39 оС.

для верхней части колонны: К2 = 2,185 · 14,2 0,2 = 3,71,

для нижней части колонны: К2 = 2,185 · 14,8 0,2 = 3,75.

Рассчитываем плотности пара и жидкости по уравнению:

?пВ=МВХ?T0?P / 22,4/(T0 +tВ)= 62,5 ? 273 ? 5 / 22,4 / (273+ 39)= 12,22 кг/м3

?пН=МДХЭ?T0?P / 22,4/(T0 +tН)= 100 ? 273 ? 5 / 22,4 / (273+ 146)= 14,54 кг/м3,

где Р - давление в колонне, 0,5 МПа = 5 атм.

?жВ=?ВХ= 880 кг/м3 при t = 39 ?C

?жН=?ДХЭ= 1052 кг/м3 при t = 146 ?C

Объемная нагрузка по пару и жидкости верхней и нижней части колонны рассчитывается по уравнению:

VпВ = G / ?п и Vж = L / ?ж

VпВ = 25,381 / 12,22 = 2,077 м3/с

VпН = 32,337 / 14,54 = 2,224 м3/с

VжВ = 8,822 / 880 = 0,0100 м3/с

VжН = 45,742 / 1052 = 0,0435 м3/с

Оценочную скорость пара в колонне найдем по уравнению:

wоц=0,1 ? ((?ж -?п)/?п)0,5

wВоц=0,1? ((880 - 12,22)/ 12,22)0,5 = 0,84 м/с

wНоц=0,1? ((1052 - 14,54)/ 14,54 )0,5 = 0,84 м/с

Находим диаметр верхней и нижней части колонны по уравнению:

d =(4 ? Vп / ? ? wоц)0,5

dВ =(4 ? 2,077 /(3,14 ? 0,84))0,5= 1,772 м

dН =(4 ? 2,224 /(3,14 ? 0,84))0,5= 1,831 м

Так как диаметры для верха и низа колонны оказались близкими, то принимаем колонну одного диаметра. Ближайший диаметр колонны d = 1,8 м из [3, прил. 69].

Действительную скорость пара в верхней и нижней части колонны найдем по формуле:

wК = 4 ? Vп / ? ? D2

wКВ= 4 ? 2,077 /(3,14 ? 3,24))0,5= 0,8167 м/с

wКН= 4 ? 2,224 /(3,14 ? 3,24))0,5= 0,8746 м/с

По [3, прил. 66] выбираем основные размеры тарелки, отличающиеся меньшим сечением перелива, а следовательно, большей активной площадью:

Периметр слива lw = 1,43 м,

Относительное сечение перелива S2 = 0,3 м2,

Свободное сечение тарелки fc = 13,23 %,

Количество клапанов KL = 268 .

Относительная активная площадь тарелки рассчитывается по уравнению:

S1' = 1 - 2 S2' = 1 - 2 ? 0,3 = 0,40

Рассчитаем факторы нагрузки для верхней и нижней части колонны

КР1 по формуле:

А2 = L/G ? (?п /?ж)0,5

А2В = 8,822 / 25,381 ?(12,22 / 880)0,5 = 0,041

А2Н = 45,742 / 32,337 ?(14,54 / 1052)0,5 = 0,166

Принимаем расстояние между тарелками Нмт = 0,45 м.

Допустимую скорость в рабочем сечение колонны найдем по уравнению:

wд =К2 ?В1?((?ж-?п)/?п)0,5

где В1 - комплекс, выбранный для верхней и нижней части колонны по [3, прил. 69].

ВВ1= 0,08

ВН1= 0,072

wВд = 3,71 ? 0,08 ? ((880 - 12,22)/ 12,22)0,5 = 2,50 м/с

wНд = 3,75 ? 0,072 ? ((1052 - 14,54)/ 14,54)0,5 = 2,278 м/с

Проверяем условие wд · S1' > К4 · wк

для верхней части колонны: 2,50 ? 0,4 > 1 ? 0,8167; 1,002 > 0,817

для нижней части колонны: 2,28 ? 0,4 > 1 ? 0,8746; 0,911 > 0,875

Условие выполняется.

Удельную весовую нагрузку клапана найдем по формуле:

q = 16,6 · ? ? ?М

где ? - толщина клапана, м [1]

Так как давление в колонне 0,5 МПа, то толщину клапана принимаем 0,0016 м ?М - плотность материала; для нержавеющей стали принимаем 8000 кг ?м3 [1].

q = 16,6 ? 0,0016 ? 8000 ? 212,48 Па

Рассчитаем минимально допустимую скорость пара в свободном сечении тарелки по формуле [3]:

w0 min =(2?q /lщ??п)0,5,

где lщ - коэффициент сопротивления; для клапанных тарелок принимаем равным 3 по [1, табл. 2.1].

w0В min =(2? 212,48 /3? 12,22) 0,5 = 3,40 м/с

w0Н min =(2? 212,48 /3? 14,54) 0,5 = 3,12 м/с

Коэффициент запаса сечения для верхних и нижних тарелок найдем по уравнению:

К1 = К3 ? wК / fс ? w0 min

К1В = 1 ? 0,8167 / 0,1323 ? 3,40 = 1,813 >1

К1Н = 1 ? 0,8746 / 0,1323 ? 3,12 = 2,118 >1 свободное сечение тарелки и число клапанов остается неизменными.

Фактор паровой нагрузки для верхней и нижней части колонны определим по уравнению:

FФ = wк? ?п0,5

FФВ = 0,8167 ? 12,22 0,5 = 2,855 кг0,5/м0,5?с

FФ Н= 0,8746 ? 14,54 0,5 = 3,335 кг0,5/м0,5?с

Вспомогательный комплекс А3 найдем по уравнению:

А3 =0,5 ? LКл/q ? (FФ / fc)2

где LКл - коэффициент сопротивления клапана равен 2,5 [1]:

А3В = 0,5 ? 2,5 / 212,48 ?(2,855 / 0,1323)2= 2,739

А3Н = 0,5 ? 2,5 / 212,48 ?(3,335 / 0,1323)2= 3,737

Степень открытия клапана найдем по формуле:

В3=((0,25+А3)0,5 - 0,5)0,5

В3В=((0,25+ 2,739)0,5 - 0,5)0,5 = 1,109

В3Н=((0,25+ 3,737)0,5 - 0,5)0,5 = 1,223

Так как В3 приблизительно равен 1 то принимаем В3 = 1.

Фактор аэрации для верхней и нижней части колонны определим по уравнению:

? = [0,1 / (4 + 0,3 ? wк /fс)] + 0,253 / hБ0,25

?В = [0,1 / (4 + 0,3 ? 0,8167 / 0,1323)] + 0,253 / 0,075 0,25 = 0,5005

?Н = [0,1 / (4 + 0,3 ? 0,8746 / 0,1323)] + 0,253 / 0,075 0,25 = 0,5002

Гидравлическое сопротивление тарелки определим по уравнению:

?Pт = 0,5 ? LЩ ? (FФ/В3 ? fс)2 + 9810 ? ? ? hБ

где LЩ - коэффициент сопротивления щели, равный 3 [1] для клапанных тарелок.

?PmВ = 0,5?3?(2,855 /(1,109 ? 0,1323))2 + 9810 ? 0,5005 ? 0,075 = 936,6 Па

?PmН = 0,5?3?(3,335 /(1,223 ? 0,1323))2 + 9810 ? 0,5002 ? 0,075 = 1004,6 Па

Подпор жидкости над сливным порогом определим по уравнению:

h0w = 0,667 ? (Vж/lw)0,66

lw- периметр слива выбираем в зависимости от диаметра колонны, так как диаметр колонны КР1 равен 1,8 м, то периметр слива равен 1,43 м из [3, прил. 69];

h0Вw = 0,667 ? (0,0100 / 1,43) 0,66 = 0,0253 м

h0Нw = 0,667 ? (0,0435 / 1,43) 0,66 = 0,0665 м

Найдем высоту парожидкостного слоя по формуле:

hf= hБ ? 1000/?ж

hfВ= 0,075 ? 1000/ 880 = 0,0852

hfН= 0,075 ? 1000/ 1052 = 0,0713

Высоту сливного порога определим по уравнению:

hw = hf - how

hВw = 0,0852 - 0,0253 = 0,0600 м

hНw = 0,0713 - 0,0665 = 0,0048 м

Определим высоту сепарационного пространства по формуле:

Hс = Нмт - 2,5 ? h6 ? 1/К5,

гле К5 - коэффициент вспениваемости, принимаем по [1, табл. 2.4] равным 1;

Hс = 0,45 -2,5 ? 0,075 ? 1 / 1 = 0,2625 м

Межтарельчатый унос жидкости для верхней и нижней части колонны определим по уравнению:

е = 5,7 ? 10-6 / ? (wк / Нс)3,2 < 0,1 кг/кг,

где ? - поверхностное натяжение дихлорэтана и винилхлорида, н/м [2]

еВ = 5,7 ? 10-6 / 14,2 ? (0,8167 / 0,2625) 3,2 = 0,01517 кг/кг

еН = 5,7 ? 10-6 / 14,8 ? (0,8746 / 0,2625) 3,2 = 0,01812 кг/кг

е < 0,1 - условие выполняется.

Допустимую скорость жидкости в переливных устройствах верхней и нижней части колонны найдем по уравнению:

wд = 0,008 ? К5 ? (Нмт ?(?ж - ?п))0,5

wВд = 0,008 ? 1 ? (0,45 ? (880 - 12,22))0,5 = 0,158 м/с

wНд = 0,008 ? 1 ? (0,45 ? (1052 - 14,54))0,5 = 0,173 м/с

Действительную скорость жидкости в переливном устройстве верхней и нижней части колонны определим по уравнению:

w = Vж / (Sк ? S'2),

Sк - свободное сечение колонны по [3 прил. 66] выбираем 2,55 м2, так как диаметр колонны 1,8 м;

wВ= 0,0100 /(2,55 ? 0,3) = 0,013 м/с

wН= 0,0435 /(2,55 ? 0,3) = 0,057 м/с

Так как действительная скорость меньше допустимой скорости, значит колонна справляется и конструктивные размеры клапанных тарелок обеспечивают заданную производительность.

5.3.5 Расчет эффективности клапанных тарелок колонны КР2

Расчет эффективности тарелок произведем по формуле Мерфи:

где ? - коэффициент, равный:

? = (1 + 4 ? ? ?F0 ?EОГ)0,5

? - фактор отклонения.

Коэффициент диффузии для паровой фазы определяется по формуле:

где Т - средняя температура пара в соответствующей части колонны, К;

Р - абсолютное давление в колонне, атм;

МВХ и МДХЭ - молекулярные массы компонентов;

VВХи VДХЭ - мольные объемы компонентов смеси, определяемые как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав вещества, см3/моль: