Проект автоматизации профцесса ректификации

   Более подробная о выбранных средствах  автоматизации приведена в заказной спецификации на оборудование и материалы (Приложение А). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Расчетная часть. 

   3.1 Расчет ротаметра.

   Таблица 1 – Исходные данные.

 

      Ротаметр  является расходомером постоянного  перепада давлений. Так же к ним  относятся поплавковые и поршневые  расходомеры. Наибольшее применение имеют  ротаметры и поплавковые расходомеры, шкалы которых практически равномерны. Их можно использовать для измерения малых расходов, так как потери давления в них незначительны и не зависят от расхода.

      Ротаметры и поплавковые расходомеры имеют  большой диапазон измерения (Q _max / Q _min = 10 : 1). 

Проходящий  через ротаметр (Рисунок 3.1) снизу  поток жидкости или газа поднимает  поплавок до тех пор, пока расширяющаяся  кольцевая щель между телом поплавка и стенками конусной трубки не достигнет  такой величины, при которой действующие на поплавок силы уравновешиваются. При равновесии сил поплавок устанавливается на некоторой высоте, зависящей от расхода. 

Рисунок 3.1 – Поплавок.  

     На  поплавок ротаметра с верху в  низ действуют две силы: сила тяжести       G_n = V ρ_п g , (где V- объем поплавка; ρ_п – плотность материала поплавка; g – ускорение свободного падения) и сила от давления потока на верхнюю плоскость поплавка p’₂ s (где p’₂ – среднее давление потока на единицу  
 

      площади верхней поверхности поплавка; s – площадь наибольшего поперечного сечения поплавка).

      Снизу вверх на поплавок так же действуют две силы: Сила от давления потока на нижнюю плоскость поплавка p’₁ s, и сила трения потоков о поплавок q_т = kvⁿ_k s_б. (где: k – коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости поверхности; v’_k – средняя скорость потока в кольцевом канале, охватывающем боковую поверхность поплавка; s_б. – площадь боковой поверхности поплавка; n – показатель зависящий от скорости).

      Поплавок  уравновешен если соблюдается равенство 

      V ρ_п g + p’₂ s = p’₁ s + kvⁿ_k s_б (3.1) 

Из (3.1) получаем 

      p’₁ - p’₂ =  (3.2) 

      Если допустить что v_k при всех расходах величина постоянная (с увеличением расхода увеличивается площадь кольцевого канала), то правая часть уравнения (3.1) будет постоянной, так как остальные величины для данного прибора неизменны. Следовательно разность давлений на поплавок p’₁ - p’₂ = const, то есть ротаметр является прибором постоянного перепада давления.

            Коэффициент расхода ɑ для ротаметров зависит то большого величин, которые не поддаются аналитическому определению, по этому ротаметры градуируются экспериментально. Для экспериментальной градуировки ротаметров предназначенных для измерения расходов жидкостей или газов , применяют в качестве градировочной среды применяют воду или воздух (ГОСТ 13045-81). Экспериментальная градуировка шкалы ротаметра точна лишь в том случае, если при эксплуатации значения всех величин соответствуют градировочным условиям. Изменение температуры потока меняет плотность среды и ее вязкость, а следовательно и коэффициент расхода.

      Еще большей степени будут изменятся величины в случае, если ротаметр применяют для измерения расхода среды отличающейся от градировочной.

Ротаметр  со стеклянной трубкой (Рисунок 3.1) состоит из конической трубки 1, закрепленной в двух металлических головках 3 и 4 снабженных сальниками и фланцем для монтажа в вертикальном трубопроводе. Головки соединены несколькими тягами образующие вместе с поперечинами решетку вокруг стеклянной трубки. Внутри трубки 1 свободно перемещается поплавок 2 имеющий форму волчка. В нижней головке имеется седло, на которое опускается поплавок при прекращении потока.

Верхняя головка снабжена ограничителем  хода поплавка. Седло и ограничитель хода не позволяют поплавку выйти за пределы стеклянной  
 

трубки; отсчет ведут по верхней  горизонтальной плоскости поплавка. 

      В верхней части поплавка иногда делают косые прорези, благодаря чему поплавок вращается вокруг вертикальной оси. При вращении поплавок центрируется внутри трубки, не соприкасаясь со стенками; его чувствительность повышается. По вращению поплавка определяют состояние прибора (отсутствие трения и засорения).

      Ротаметры со стеклянной трубкой изготавливают на давление жидкости или газа не более 0,58 МПа. При более высоких давлениях жидкости или газа, а так же для измерения расхода пара применяют ротаметры с металлической конусной трубкой.

      Ротаметры имеют следующие недостатки: невозможность регистрации показаний и передачи их на расстояние, недостаточная четкость шкал приборов.

Рисунок 3.2 – Ротаметр со стеклянной конусной трубкой. 

1. Определяем  диаметр D₁₀ трубки ротаметра в месте деления шкалы для максимального расхода [Q]:

      D₁₀ = D₀ + l₁₀ × k; (3.3) 

D₁₀ = 0,0171 + 0,25 × 0,01 = 0,0196 м. 

2. Определяем  высоту поднятия поплавка над сечением трубки, диаметр которого равен диаметру миделя d поплавка:

 
 
 

(3.4) 

где h₀ – расстояние от нулевого сечения диаметром D₀ до сечения диаметром d (высота нулевой отметки): 

      h_i = h₀ + l_i; (3.5) 

      l_i = Δl × i (3.6) 

h₀ = 0,07 + 0 = 0,07 м;

         h₁ = 0,07 + 0,025 = 0,095 м;

             h₂ = 0,07 + 0,025 × 2 = 0,12 м;

               h₃ = 0,07 + 0,025 × 3 = 0,145 м;

              h₄ = 0,07 + 0,025 × 4 = 0,17 м;

             h₅ = 0,07 + 0,025 × 5 = 0,195 м;

           h₆ = 0,07 + 0,025 × 6 = 0,22 м;

             h₇ = 0,07 + 0,025 × 7 = 0,245 м;

           h₈ = 0,07 + 0,025 × 8 = 0,27 м;

             h₉ = 0,07 + 0,025 × 9 = 0,295 м;

              h₁₀ = 0,07 + 0,025 × 10 = 0,32 м. 

3. Вычисляем безразмерные параметры а_i для отметок шкалы : 

      а_i = h_i / d; (3.7) 

а₀ = 0,07 / 0,164 = 4,3;

 а₁ = 0,095 / 0,164 = 5,8;

а₂ = 0,12 / 0,164 = 7,3;

 а₃ = 0,145 / 0,164 = 8,5;

 а₄ = 0,17 / 0,164 = 10,4;

   а₅ = 0,195 / 0,164 = 11,9;

а₆ = 0,22 / 0,164 = 13,4;

а₇ = 0,24 / 0,164 = 14,6;

а₈ = 0,27 / 0,164 = 16,5;

а₉ = 0,295 / 0,164 = 18;

  а₁₀ = 0,32 / 0,164 = 19,5. 

4. Определяем вес поплавка в измеряемой среде: 

      G = G₀ – V × ρ × g; (3.8) 

G = 0,191 – (3,075 × 10^-6 × 0, 988 × 9,8) = 0,19097 H. 

где ρ,кг/м³ [Свойства газов и жидкостей. – М. Химия, 1971].  
 

5. Определяем значение безразмерной величины v²ρ/G и ее десятичного логарифма: 

(3.9) 

получим: 

(3.10) 

(3.11) 

 
6. Определим значение безразмерной величины lg(Q/vd), где Q – объемный           расход.

Для определения  этой величины воспользуемся графиком на рисунке 3. 

Рисунок 3.3 –  График для определения безразмерной величины. 

Для нахождения промежуточных значений a_i, воспользуемся формулой нелинейной интерпритации: 

(3.12) 
 

где: - расстояние от нижней кривой до искомой точки;

m = h / d – значение нижней кривой;

n = h / d – значение верхней кривой;

b – расстояние между верхней и нижней кривой. 

Получим:

Таблица 4. – Определение значений безразмерной величины

 

Все полученные данные сведем в таблицу 5. 

Таблица 5 – Расчетные данные.