Ректификация формалина-сырца (стр. 11 из 18)
Количество ступеней (тарелок), полученные из рис.2.3 равно: 13, 9, 8, 7, 8, 5.
Полученные значения заносим в таблицу 13.
Таблица 13
| b | 1,07 | 1,36 | 1,74 | 2,33 | 3,30 | 5,26 |
| R | 0,428 | 0,544 | 0,696 | 0,932 | 1,32 | 2,104 |
| b | 0,69 | 0,63 | 0,58 | 0,51 | 0,42 | 0,32 |
| N | 13 | 9 | 8 | 7 | 8 | 5 |
| N(R+1) | 18,564 | 13,896 | 13,568 | 13,524 | 18,56 | 15,52 |
Результаты вычислений и построений представлены на рис.2.4
Рис. 2.4 Определение оптимального рабочего флегмового числа
Минимальное произведение N(R+1) соответствует оптимальному рабочему флегмовому числу, Ropt = 0,932.
Определение действительного числа тарелок
Действительное число тарелок в ректификационных колоннах всегда больше теоретического числа, поскольку в реальных условиях равновесие фаз в результате контактного тепломассообмена на тарелках не достигается. Другими словами, коэффициент полезного действия тарелки всегда меньше единицы. Известно несколько методов расчета действительного числа тарелок. В данном случае мы используем графоаналитический метод, как наиболее простой и менее трудоемкий, хотя и несколько менее точный. В соответствии с этим методом действительное число тарелок определяется по уравнению:
(2.17)здесь h - усредненный коэффициент полезного действия тарелки для всей колонны в целом [4, стр. 65];
N – теоретическое число тарелок.
По литературным данным к. п. д. тарелки изменяется в пределах h = 0,2 ¸ 0,9. При выборе значения к. п. д. тарелки можно пользоваться обобщенным графиком [4, стр. 32] зависимости к. п. д. от произведения относительной летучести a на динамический коэффициент вязкости m (в мПа*с) перегоняемой смеси.
Относительную летучесть определяют по формуле:
(2.18)где, y* и x* - соответственно равновесные составы паровой и жидкой фаз на соответствующих тарелках (y*нк = 0,712, x*нк = 0,212).
y* и x* определяем из рис. 2 при средней температуре верха и низа колонны:
. 
Динамический коэффициент вязкости смеси определяется по формуле:
(2.19)где, m - динамическая вязкость веществ (метанола, формальдегида и воды) при tср, Па*с;
М – молекулярные массы веществ (метанола, формальдегида и воды);
Тср – средняя температура в К (81,6 + 273 = 354,6°С).
Рассчитываем вязкость воды и метанола при tср.= 81,6°С:
Данные взяты из справочника [5, стр. 61 ].
При температуре 80°С вязкость равна 0,657 Па*с, а при температуре 100°С вязкость равна 0,234 Па*с, определяем вязкость при 81,6°С:
(0,657 - 0,234)/20*1,6 = 0,00003384 Па*с;
0,657 – 0,00003384 = 0,66 Па*с (вода).
При температуре 80°С вязкость равна 0,29 Па*с, а при температуре 100°С вязкость равна 0,24 Па*с, определяем вязкость при 81,6°С:
(0,29 – 0,24)/20*1,6 = 0,0000064 Па*с;
0,29 – 0,0000064 = 0,29 Па*с (метанол).
Вязкость формальдегида принимаем 0,91 кг*с/м2 из [6, стр. 78].
Переводим в Па*с:
0,91 кг*с/м2 = 0,000091 кг*с/см2,
1 кг*с/см2 - 9,8*104 Па
0,000091 - x
x = (0,000091*9,8*104)/1 = 8,918 Па = 8,918/3600 = 0,0025 Па*с.
КПД » 0,27;
2.2 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС
Тепловой баланс ректификационной колонны непрерывного действия с дефлегматором составляется для определения расхода греющего пара на процесс ректификации.
Приход теплоты:
1) с исходной смесью
(2.20)2) с флегмой
(2.21)3) с греющим паром
(2.22)Расход теплоты:
1) с кубовым остатком
(2.23)2) с парами низкокипящего компонента из колонны
(2.24)3) с конденсатом греющего пара
(2.25)4) потери теплоты в окружающую среду Qпот.
Таким образом,
(2.26)Подставим в уравнение (2.26)
получим
(2.27)где, W, P – производительность кубового остатка и дистиллята, кг/с;
R – флегмовое число;
Cpw, Cpf – теплоемкости кубового остатка и дистиллята, Дж/кг*К;
tw, tf – температуры кипения кубового остатка и дистиллята, °С;
rф – теплота парообразования флегмы, Дж/кг (rф = rp);
Iп – энтальпия пара, выходящего из колонны, Дж/кг.
Расход греющего пара в кубе
(2.28)Расход греющего пара на нагревание исходной смеси в подогревателе:
(2.29)Для выполнения тепловых расчетов необходимо определить теплоемкости исходной смеси, дистиллята и кубового остатка при температурах их кипения.
Рассчитываем теплоемкости метилового спирта при 64,8; 76,9 и 98,4°С:
При температуре 60°С теплоемкость равна 0,66 ккал/кг*град, а при 80°С теплоемкость равна 0,684 ккал/кг*град [5, стр.69].
Определяем теплоемкость при температуре 64,8°С:
(0,684 – 0,66)/20*4,8 = 0,00576;
0,66 + 0,00576 = 0,67 ккал/кг*град;
Срр = 0,67*4190 = 2807,3 Дж/кг*К.
Определяем теплоемкость при температуре 76,9°С:
(0,684 - 0,66)/20*16,9 = 0,02028;
0,66 + 0,02028 = 0,68 ккал/кг*град;
Срf = 0,68*4190 = 2849,2 Дж/кг*К.
При температуре 80°С теплоемкость равна 0,684 ккал/кг*град, а при 100°С теплоемкость равна 0,708 ккал/кг*град [6, стр. 78].
Определяем теплоемкость при температуре 64,8°С:
(0,708 – 0,684)/20*18,4 = 0,02208;
0,684 + 0,02208 = 0,71 ккал/кг*град;
Срw = 0,71*4190 = 2974,9 Дж/кг*К.
Рассчитываем теплоемкости формальдегида при 64,8; 76,9 и 98,4°С по формуле:
(2.30)где, a, b, c – коэффициенты, взятые из [справ.], (а = 18,82; b = 58,38*102; с = -15,61*106);
Т – температура кипения исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, в К.
При tp = 64,8°C; T = 337,8 K;
При tf = 76,9°C; T = 349,9 K.
При tw = 98,4°C; T = 371,4 K.
Теплоемкости исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, представляющих смесь метилового спирта и формальдегида, определяются по формуле:
(2.31)где, Cp – теплоемкости метанола и формальдегида, Дж/кг*К;
- массовый состав дистиллята, исходной смеси и кубового остатка. 
Теплоту парообразования флегмы при t = 64,8°С (температура кипения метанола) определяем по метанолу и воде, т.к. формальдегида очень мало и им можно пренебречь:
(2.32)где, rнк, rвк – теплоты образования метанола и воды, Дж/кг;
- массовый состав дистиллята.Находим теплоту парообразования метанола при t = 64,8°С:
При температуре 60°С теплота парообразования равна 265 ккал/кг, а при 80°С теплота парообразования равна 252 ккал/кг [5, стр. 90].
(265 – 252)/20*4,8 = 3,12;
265 – 3,12 = 261,88 ккал/кг = 261,88*4,19 = 1097,28 кДж/кг.
Теплота парообразования воды принимается из [5. стр, 78]
r = 2336 кДж/кг (при Т = 68,7°С, т Р = 0,3 кг*с/см2).
Энтальпия пара, выходящего из колонны определяется по формуле:
(2.33) 
Потери теплоты принимаем равными 3% от ее расхода в кубе.
Расход теплоты в кубе колонны с учетом тепловых потерь определяем по формуле (2.27):
Расход греющего пара в кубе колонны по формуле (2.28):
где, rгр.п = 2206*103 Дж/кг (определяется из справ. по tw=98,4°C при t = 119,6°С);
Принимая повышение температуры воды в холодильнике на 20°С, определяем расход воды: