Расчет тарельчатой ректификационной колонны.

 

Таблица П2 –

 

3.1Материальный баланс колонны и определение рабочего флегмового числа.

Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определяем из уравнений материального баланса колонны:

Откуда находим:

 

3.2 Определение молярных концентраций исходной смеси, дистиллята и кубового остатка

 

кмоль/кмоль смеси

Аналогично найдем: кмоль/кмоль смеси; кмоль /кмоль смеси

 

3.3 Построение равновесной кривой и изобары температур кипения и конденсации.

Данные по равновесию приведены в таблице:

Таблица 1.

 

Хмол %
Умол %	0.000	10.838	20.57	37.23	50.84	62.061	71.374	79.16	85.71	91.254	95.97	98.063
T0 C	110.6	108.4	106.2	102.2	98.61	95.3	92.25	89.44	86.84	84.43	82.19	81.12	80.1

 

Рис. 2 Кривая равновесия в координатах y – x

Рис. 3Изобары температур кипения и конденсации.

 

3.4 Определение минимального флегмового числа.

 

 

Определение рабочего числа флегмы.

 

 

 

3.5 Определение массовых расходов по жидкости для верхней и нижней частей колонны.

 

где и - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны; и мольные массы дистиллята и исходной смеси.

Мольную массу дистиллята можно принять равной массе легколетучего компонента – бензола. Мольная масса жидкость соответственно равна:

где и - средний мольный состав жидкости в верхней и нижней части колонны:

кмоль/кмоль смеси

кмоль/кмоль смеси

 

Тогда

кг/кмоль

кг/кмоль

 

Мольная масса исходной смеси:

кг/кмоль

 

Подставив, получим:

кг/с

кг/с

 

3.6 Определяем массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны.

где и - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

где

кмоль/кмоль смеси

кмоль/кмоль смеси

Тогда

кг/кмоль

кг/кмоль

Подставив, получаем:

кг/с

кг/с

 

3.7 Расчет скорости пара и диаметра колонны

 

Для расчета скорости пара в колоннах с тарелками воспользуемся формулой:

 

 

где - средняя плотность жидкости в колонне (796 кг/ ), - плотность пара в верхней и нижней части колоны.

кг/

кг/

Тогда

м/с

м/с

 

Так как скорости мало отличаются друг от друга, в расчете используем среднюю скорость наров:

м/с

 

Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнения расхода:

 

 

Принимаем средний массовый поток пара в колонне G равным полусумме и :

кг/с

 

Средняя плотность паров:

кг/

 

Диаметр колонны

м

 

Стандартный диаметр обечайки колонны d = 1,8м. При этом действительная рабочая скорость пара будет равна:

м/с

По каталогу для колоны диаметром 1800мм выбираем ситчатую однопоточную тарелку ТС-Р со следующими конструктивными размерами:

· диаметр отверстий в тарелке ……………………………….8мм

· шаг между отверстиями t ………………………………………15мм

· свободное сечение тарелки Fc …………………………………18,8%

· высота переливного порога …………………………………30мм

· ширина переливного порога b …………………………………1050мм

· рабочее сечение тарелки ……………………………………2,294

·

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

м/с

 

3.8 Расчет высоты ректификационной колонны

 

Для перекрестного и перекрестно-прямоточного движения потоков пара и жидкости без учета влияния брызгоуноса эффективность по Мерфри может быть вычислена по следующей зависимости:

 

где

 

здесь - локальная эффективность контакта по пару;

S – число секций полного перемешивания;

где - доля байпасирующей жидкости, характеризующая степень поперечной неравномерности потоков;

- фактор массопередачи;

m – коэффициент распределения компонентов по фазам в условиях равновесия;

G/L – соотношение мольных нагрузок по пару и жидкости; для верхней части колонны ; для нижней части .

Локальная эффективность связана с общим числом едениц переноса по паровой фазе на тарелке следующим соотношением:

где

Здесь в моль/(); - средняя мольная масса паров, кг/кмоль.

Коэффициент массопередачи определяют по уравнению аддиативности фазовых диффузионных сопротивлений:

где и - коэффициенты массоотдачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки, соответственно для жидкой и паровой фаз.

 

3.9 Определение высоты светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержания барботажного слоя.

 

Высоту светлого слоя жидкости для ситчатых тарелок находят по уравнению:

где - удельный расход жидкости на 1 м ширины переливной перегородки; b – ширина переливной перегородки; - высота переливной перегородки; и - поверхностное натяжение жидкости и воды соответственно при средней температуре в колонне; .

Для верхней части колонны:

 

м

 

Для нижней части колонны:

 

м

 

Паросодержание барботажного слоя находят по формуле:

 

где

 

Для верхней части колонны:

 

Для нижней части колонны:

 

 

 

3.10 Расчет коэффициентов массопередачи и высоты колоны

 

Находим вязкость жидких смесей:

где и - вязкости жидких бензола и толуола при температуре смеси.

Тогда:

мПа*с

мПа*с

 

Определяем вязкость паров и коэффициенты диффузии в жидкой и паровой фазе.

Вязкость паров для верхней части колонны:

 

где и - вязкость паров бензола и толуола при средней температуре верхней части колонны, - средняя концентрация паров: .

Подставив, получим:

мПа*с

 

Аналогичным расчетом для нижней части находим мПа*с

Вязкости паров близки, поэтому можно принять среднею вязкость паров в колонне мПа*с

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре t равен:

Коэффициенты диффузии в жидкости при можно вычислить приближенной формуле:

 

где А, В – коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя; и - мольные объемы компонентов в жидком состояние при температуре кипения; - вязкость жидкости при .

Тогда:

 

Температурный коэффициент определяем по формуле:

Здесь и принимаются при температуре .

Тогда:

Отсюда:

Аналогично для нижней части колонны находим:

Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению:

где Т – средняя температура в соответствующей части колонны; Р – абсолютное давление в колонне.

Тогда в верхней части колонны равен:

 

Для нижней части:

 

 

Вычисляем коэффициенты массоотдачи.

Для верхней части колонны:

в жидкой фазе

м/с

 

в паровой фазе

м/с

Для нижней части колонны:

в жидкой фазе

м/с

в паровой фазе

м/с

Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на :

для верхней части колонны

для нижней части колонны

 

Коэффициент массоотдачи вычисляем по коэффициентам массоотдачи в верхней части колонны:

Находим общее число единиц переноса на тарелку:

 

Находим локальную эффективность:

Определяем фактор массопередачи для верхней части колонны:

Определим величину :

 

Для колон диаметром более 600 мм с ситчатыми и клапанными тарелками отсутствуют надежные данные по продольному перемешиванию жидкости, поэтому с достаточной степенью приближения можно считать, что одна ячейка перемешивания соответствует длине пути жидкости , равной 300 – 400 мм.

Примем мм и определим число ячеек полного перемешивания S как отношение длины пути жидкости на тарелке к длине . Определим длину пути жидкости как расстояние между переливными устройствами:

м

Тогда число ячеек полного перемешивания на тарелке равно:

Определяем эффективность по Мерфри с учетом перемешивания на тарелке :

Определяем эффективность по Мерфри с учетом байпасирующего потока жидкости :

Зная эффективность по Мерфри можно определить концентрацию пара на выходе с тарелки из соотношения:

где и - концентрация пара соответственно на входе тарелки и равновесная с жидкостью на тарелке.

Действительная концентрация пара будет отличатся от , вычисленной по значениям , вследствие явления обратного перемешивания жидкости в колонне, вызванного брызгоуносом. Влияние брызгоуноса может быть учтено соотношением:

где - действительная концентрация пара на выходе из тарелки (ордината точки на кинетической линии); - состав жидкости на тарелке; - относительный унос жидкости.

По уравнению:

определим :

Определим коэффициент m, учитывающий влияние на унос физических свойств жидкости и пара:

Откуда:

Определим высоту сепарационного пространства:

где - межтарельчатое расстояние; - высота барботажного слоя (пены).

м

Тогда:

м

и

При таком значение комплекса унос кмоль/кмоль.

Тогда:

Аналогичным образом подсчитываем для других составов жидкости. По полученным значениям на диаграмме наносим точки, по которым проводим кинематическую линию. Построением ступеней между рабочей и кинематической линиями определяют число действительных тарелок для верхней (укрепляющей) части и нижней (исчерпывающей) части колонны. Общее число действительных тарелок равно:

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определяют по формуле:

где - расстояние между тарелками; и - расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой.

Рис. 4 Диаграмме . 1 – линия равновесия; 2 – кинетическая линия; 3,4 – рабочие линии.

 

м

 

 

3.11 Расчет гидравлического сопротивления тарелок колонны.

 

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определяют по формуле:

где и - гидравлическое сопротивление одной тарелки верхней и нижней частей колонны.

Гидравлическое сопротивление сухой ситчатой тарелки рассчитаем по уравнению:

Па

Определяем гидравлическое сопротивление газо-жидкостного слоя на тарелках в верхней и нижней частях колонны:

Па

Па

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, равно:

Па

Тогда полное сопротивление одной тарелки равно верхней и нижней частей колонны равно:

Па

Па

Полное гидравлическое сопротивление колонны равно:

Па

 

Вывод

 

Литература

 

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Под ред. Ю. И. Дытнерского. – М.: Химия, 1983. – 272 с., ил.

2. Павлов К. Ф., Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов под ред. чл.-корр. АН России П. Г. Романкова. – 14-е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987 г. М.: ООО ИД «Альянс», 2007. – 576 с.