Технологический расчет холодильной установки
6.1 Расчет ректификационной колонны
Основная цель расчета - определение конструктивных и технологических параметров ректификационной колонны.
Ректификационная колонна проектируемой установки представляет собой цилиндрический сосуд с внутренним диаметром в которой установлено 20 алюминиевых поперечно-точных тарелок с сепарацией фаз. Расстояние между тарелками . По высоте колонны попеременно установлены тарелки с двумя и с одним сливными карманами, тем самым обеспечивая попеременный ток жидкости.
Гидравлическое сопротивление колоны определяется, как сумма сопротивлений каждой тарелки , где - число тарелок;
- сопротивление тарелки.
Производим гидравлический расчет тарелки, который проверяет нормальную работоспособность колоны и подберем наиболее оптимальный диаметр перфорации тарелок.
Среднее сопротивление тарелки определим исходя из расчета верхнего и нижнего сечения колонны.
Расчет верхнего сечения колонны
Данные для расчета:
Тип тарелки - двухсливная.
Количество пара в сечении;
Количество жидкости в сечении;
Концентрация пара и жидкости;
Плотность пара;
Плотность жидкости;
Плотность азота в нормальных условиях;
Давление в сечении;
Температура ;
Коэффициент поверхностного натяжения:
,(6.1)
;
Расход жидкости в рабочих условиях:
,(6.2)
Расход пара в рабочих условиях:
,(6.3)
Ширина перфорационной полосы - ;
Диаметр перфорированного листа ;
Ширина приемного кармана - ;
Площадь барботажа ; (6.4)
Площадь сектора :
, (6.5)
где , (6.6)
,
, ,
;
Площадь треугольника :
, (6.7)
где , (6.8)
,
;
Рисунок. 9. - Схема двухсливной тарелки
Площадь сектора :
,(6.9)
где ,(6.10)
,
, ,
;
Площадь треугольника :
, (6.11)
где , (6.12)
,
;
Площадь сегмента :
, (6.13)
;
Площадь одной перфорированной полосы:
,(6.14)
;
Площадь барботажа:
;
Площадь щелевого зазора:
, (6.15)
где - длина щели для двухсливной тарелки,
- ширина щели,
Рисунок. 10. - Схема двухсливной тарелки
;
Скорость барботажа:
, (6.16)
Скорость пара в щелевом зазоре:
, (6.17)
Плотность орошения:
,(6.18)
где - периметр сливных перегородок,
,(6.19)
- длина сливной перегородки,
,
;
Коэффициент сопротивления щелевого зазора:
,(6.20)
где - угол наклона отбойника,
,
;
Критическая глубина потока:
,(6.21)
где - периметр перелива, равный двум длинам сливных карманов,
- ускорение свободного падения,
Высота наиболее узкого сечения кармана:
,(6.22)
Рекомендуется , принимаем .
Статический уровень жидкости на тарелке:
,(6.23)
Сопротивление щелевого зазора неорошаемой тарелки:
,(6.24)
Сопротивление щелевого зазора:
,(6.25)
;
Определение площади отверстий:
;(6.26)
При ;
При ;
При ;
Скорость пара в отверстиях:
;(6.27)
При ;
При ;
При ;
Коэффициент сопротивления отверстий:
;(6.28)
При ;
При ;
При ;
Минимально допустимая скорость пара в отверстиях тарелки:
;(6.29)
При
При ;
При ;
Каждый из вариантов перфорации обеспечивает работу тарелки полным сечением без провала жидкости, так как для каждого случая выполняется условие .
Сопротивление не орошаемой тарелки:
;(6.30)
При ;
При ;
При ;
Определение потерь напора от поверхностного натяжения:
Для , ;(6.31)
При ;
При ;
Для , ;(6.32)
При ;
Полное сопротивление тарелки:
;(6.33)
При ;
При ;
При ;
Максимально допустимое сопротивление тарелки:
,(6.34)
Каждый из вариантов перфорации удовлетворяет условию , следовательно колона работает стабильно без зависания.
Расчет нижнего сечения колонны
Данные для расчета:
Тип тарелки - односливная.
Количество пара в сечении;
Количество жидкости в сечении;
Температуры кипения чистых продуктов при :
Кислорода;
Азота;
Концентрации:
Пара;
Жидкости;
Плотности чистых насыщенных жидких продуктов:
Кислорода;
Азота;
Плотности чистых газообразных продуктов:
Кислорода;
Азота;
Плотность пара в нормальных условиях:
,(6.35)
;
Плотность жидкости в нормальных условиях:
,(6.36)
;
Плотность смеси пара:
,(6.37)
;
Плотность смеси жидкости:
,(6.38)
;
Коэффициент поверхностного натяжения:
Кислорода:
,(6.39)
;
Азота:
, (6.40)
;
Поверхностное натяжение смеси:
,(6.41)
;
Определение площади барботажа односливной тарелки:
;(6.42)
Ширина не перфорированных полос .
Ширина сливного кармана .
Площадь сектора :
Рисунок. 11. - Схема односливной тарелки
,(6.43)
где , (6.44)
,
,
;
;
Площадь сектора :
,(6.45)
где ,(6.46)
, , ;
;
Площадь треугольника :
,(6.47)
где ,(6.48)
,
;
Площадь треугольника :
,(6.49)
где ,(6.50)
,
;
Площадь сегмента :
,(6.51)
;
Площадь одной перфорированной полосы:
,(6.52)
;
Площадь барботажа:
,
Расход жидкости в рабочих условиях:
,(6.53)
;
Расход пара в рабочих условиях:
,(6.54)
;
Скорость барботажа:
,(6.55)
;
Площадь щелевого зазора:
,(6.56)
где - длина щели для односливной тарелки.
- ширина щели,
;(6.57)
Скорость пара в щелевом зазоре:
,(6.58)
;
Плотность орошения:
,(6.59)
где - периметр сливных перегородок,
,(6.60)
- длина сливной перегородки,
,
;
Критическая глубина потока:
,(6.61)
где - периметр перелива, равный двум длинам сливных карманов,
- ускорение свободного падения,
;
Высота наиболее узкого сечения кармана:
,(6.62)
;
Рекомендуется , принимаем .
Статический уровень жидкости на тарелке:
,(6.63)
;
Сопротивление щелевого зазора неорошаемой тарелки:
,(6.64)
;
Сопротивление щелевого зазора:
,(6.65)
;
Определение площади отверстий:
,(6.66)
При ;
При ;
При ;
Скорость пара в отверстиях:
;(6.67)
При ;
При ;
При ;
Коэффициент сопротивления отверстий:
;(6.68)
При ;
При ;
При ;
Минимально допустимая скорость пара в отверстиях тарелки:
;(6.69)
При ;
При ;
При ;
Условие , выполняется для всех вариантов перфорации, тарелка работает полным сечением без провала жидкости.
Сопротивление не орошаемой тарелки:
;(6.70)
При ;
При ;
При ;
Определение потерь напора от поверхностного натяжения:
Для , ;(6.71)
При ;
При ;
Для ;(6.72)
При ;
Полное сопротивление тарелки:
;(6.73)
При ;
При ;
При ;
Максимально допустимое сопротивление тарелки:
,(6.74)
;
Тарелка с перфорацией равной условие не выполняет.
Для проектируемой установки выбираем диаметр перфорации , так как ей соответствует меньшее сопротивление тарелки, а колонна при этом работает стабильно без зависания.
Среднее сопротивление тарелки:
,(6.75)
;
Общее сопротивление колоны:
;
Полученное сопротивление не превышает принятого в исходных данных задания. Таким образом, диаметр колонны и перфорации, расстояние между тарелками полностью удовлетворяют и обеспечивают нормальную работу нижней колонны.