Теоретический расчет среднего КПД тарелок

 

Для сравнения можно рассчитать средний КПД тарелки по критериальному уравнению, полученному путем статистической обработки многочисленных опытных данных для колпачковых и ситчатых тарелок:

h = 0,068 × к₁^0,1× к₂^0,115.

В этом уравнении безразмерные комплексы

где w_n - средняя скорость пара в колонне, м/с;

S_св - относительная площадь свободного сечения тарелки,

равная 0,13;

h_n - высота сливной перегородки, равная 0,02 м;

 

 

Таблица 4 - Температура кипения и составы жидкости и пара
водных растворов этилового спирта (760 мм рт.ст.)

Темпе- ратура кипения 0С	Массовая доля спирта	Темпе- ратура кипения 0С	Массовая доля спирта	Темпе- ратура кипения 0С	Массовая доля спирта
жид. хм	пар Ум	жид. хм	пар ум	жид. хм	пар ум
78,3			81,8	0,43	0,79	91,0	0,09	0,57
78,2	0,91	0,92	82,0	0,41	0,79	91,5	0,08	0,55
78,4	0,85	0,89	82,5	0,36	0,78	92,0	0,08	0,53
78,6	0,82	0,88	83,0	0,33	0,78	92,5	0,07	0,51
78,8	0,80	0,87	83,5	0,30	0,77	93,0	0,06	0,49
79,0	0,78	0,86	84,0	0,27	0,76	93,5	0,06	0,46
79,2	0,76	0,85	84,5	0,25	0,75	94,0	0,05	0,44
79,4	0,74	0,85	85,0	0,23	0,74	94,5	0,05	0,42
79,6	0,72	0,84	85,5	0,21	0,73	95,0	0,04	0,39
79,8	0,69	0,84	86,0	0,20	0,72	95,5	0,04	0,36
80,0	0,67	0,83	86,5	0,18	0,71	96,0	0,03	0,33
80,0	0,67	0,83	86,5	0,18	0,71	96,0	0,03	0,33
80,2	0,64	0,83	87,0	0,17	0,70	96,5	0,03	0,30
80,4	0,62	0,82	87,5	0,16	0,69	97,0	0,02	0,27
80,6	0,59	0,82	88,0	0,15	0,68	97,5	0,02	0,23
80,8	0,56	0,81	88,5	0,13	0,67	98,0	0,01	0,19
81,0	0,53	0,81	89,0	0,12	0,65	98,5	0,01	0,15
81,2	0,50	0,80	89,5	0,11	0,63	99,0	0,01	0,10
81,4	0,47	0,80	90,5	0,10	0,61	99,5	0,01	0,05
81,6	0,45	0,80	90,5	0,10	0,59		0,00	0,00

 

Таблица 5 - Поверхностное натяжение водных растворов этилового спирта s

Массовая доля, хм	Поверхностное натяжение s × 103, н/м
0 0С	20 0С	40 0С	60 0С	80 0С	100 0С
1,0	24,0	22,3	20,6	19,0	17,3	15,5
0,8	26,0	25,0	23,0	21,0	20,0	18,0
0,6	28,0	27,0	25,0	23,0	22,0	20,0
0,4	32,0	30,0	28,0	26,0	24,0	22,0
0,2	40,0	38,0	36,0	33,0	31,0	29,0

 

 

r_n, r_ж – средние плотности пара и жидкости в колонне, кг/м³;

D_ж - коэффициент молекулярной диффузии легколетучего компонента, м²/ с;

s - поверхностное натяжение жидкости в условиях для средней части колонны, н/м (таблица 5)

 

Средняя скорость пара (м/с) определяется по формуле:

,

где G_R - расход флегмы, кг/с; G_R = V_R × r_д;

G_д - расход дистиллята при работе колонны;

G_д = 0;

d - диаметр колонны, м;

M_ср – средняя молекулярная масса пара,

М_ср = (М_д + М_W) / 2,

где М_д и М_W - молекулярные массы дистиллята и кубовой жидкости,

М_д = 46 × х_д + 18(1 – х_д),

М_W = 46 × х_W + 18(1 – х_W).

Средняя плотность пара (кг/м³)

где Т_ср – средняя температура в колонне,

Т_ср = [(t_д + t_w)/ 2] + 273.

Средняя плотность жидкости (кг/м³)

r_ж = (r_д + r_w)/ 2,

где r_д и r_w – плотности дистиллята и кубовой жидкости, кг/м³.

Коэффициент молекулярной диффузии (м²/с) может быть вычислен по приближенной формуле:

где b - параметр, учитывающий ассоциацию молекул воды и равный 2,6;

М - молекулярная масса воды;

m - динамический коэффициент вязкости воды при средней температуре в колонне t_ср, мПа×с (таблица 6)

v - мольный объем диффундирующего вещества,

для этилового спирта v = 57,8.

Результаты вычислений сводятся в таблицу 7.

Таблица 6 - Зависимость динамического коэффициента вязкости воды (m)

от температуры

Температура 0С	m, мПа×с	Температура 0С	m, мПа×с	Температура 0С	m, мПа×с
	0,8007		0,5315		0,3849
	0,7679		0,5146		0,3750
	0,7371		0,4985		0,3655
	0,7085		0,4832		0,3565
	0,6814		0,4688		0,3478
	0,6560		0,4550		0,3395
	0,6321		0,4418		0,3315
	0,6097		0,4293		0,3239
	0,5883		0,4233		0,3165
	0,5683		0,4061		0,3095
	0,5494		0,3952		0,3027

 

Таблица 7 - Расчетные результаты

Объемная концентрация	Концентрация спирта	Средний КПД тарелки
Флег- мы	Кубо- вой жидко-сти	В кубовой жидкости	В флегме	Произ- води- тель-ность	Опыт- ный	Теоре- тичес- кий
Масс. доля	Мольн. доля	Масс. доля	Мольн. доля

 

Отчет включает в себя схему установки, результаты графического определения числа теоретических тарелок (У – Х диаграмма), расчеты определяемых величин, таблицы 1 и 6.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ к лабораторной работе №3

 

1. Порядок выполнения работы.

2. Равновесие в процессе ректификации, влияние температуры и давления на равновесие процесса. Равновесные линии различных смесей на диаграмме У-Х; t-х-у диаграмма.

3. Закон Дальтона и Рауля, движущая сила процесса, материальный баланс и уравнения рабочих линии для исчерпывающей и укрепляющей части колонны.

4. Флегма, флегмовое число, коэффициент избытка флегмы. Влияние флегмового числа на число тарелок.

5. Способы создания орошения. Способы подвода тепла вниз колонны.

6. Расчет числа тарелок по кинетической кривой.

7. Расчет высоты колонны по числу единиц переноса.

8. Другие методы расчета ректификационной колонны.

9. КПД тарелки, локальный КПД.

10. Допустимая скорость пара в колонне.

11. Схемы ректификационных установок. Многокомпонентная ректификация.

12. Конструкции тарелок.