Выбор и расчет принятой конструкции колонны ректификации

 

Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R=2,83. При этом коэффициент избытка флегмы β=1,6. На рис. 3.3 изображены рабочие линии и ступени изменения концентраций для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей колонны в соответствии с найденным значением R.

Уравнения рабочих линий:

• верхней (укрепляющей) части колонны

 

 

 

 

• нижней (исчерпывающей) части колонны

 

 

 

3.4 Определение  скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

• в верхней части колонны

 

 

• в нижней части колонны

 

 

Средние концентрации пара по уравнениям рабочих линий:

• в верхней части колонны

 

• в нижней части колонны

 

Средние температуры  пара определим по рис. 3.2:

при    

при   

 

Средние массовые потоки пара в верхней  и нижней части колонны:

 

 

где - мольная масса дистиллята, кг/кмоль; - средние мольные массы паров соответственно в верхней и нижней части колонны,кг/кмоль.

  

 

 

 

 

 

Тогда имеем:

 

 

Плотности пара в верхней  и нижней части колонны определяются по формулам:

 

 

После подстановки численных  значений получим:

 

 

Плотность смеси жидкостей:

 

где - плотность соответственно ацетона и этилового спирта при , /6, табл. 4/.

 

 

Скорость пара в верхней  и нижней части колонны:

 

 

где - коэффициент, определяемый по /6, рис. 7.2/ при расстоянии между тарелками

 

 

Диаметр верхней и нижней частей колонны:

 

 

Тогда:

 

 

Рационально принять стандартный  диаметр обечайки /4,стр. 197/ одинаковым для обеих частей колонны. По каталогу для колонны диаметром 1800 мм выбираем ситчатую однопоточную тарелку ТС-Р со следующими конструктивными размерами /4, стр. 217/:

Диаметр отверстий в тарелке
Шаг между отверстиями
Свободное сечение тарелки
Высота переливного порога
Ширина переливного порога
Рабочее сечение тарелки

 

Тогда действительная скорость пара составит:

 

 

3.5 Определение  числа тарелок

Для определения числа  тарелок воспользуемся методом  кинетической кривой.

Этот метод основан  на определении КПД тарелки по Мэрфи и позволяет находить действительное число тарелок.

Построение кинетической кривой ведем согласно /4/.

Коэффициент массопередачи  определяется из уравнения аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

 

 где - коэффициенты массоотдачи соответственно в паровой и жидкой фазах ; m- коэффициент распределения в уравнении равновесия.

Для расчета коэффициентов  массоотдачи в паровой и жидкой фазах воспользуемся эмпирическими зависимостями /4, стр. 239/:

 

 

где - коэффициент диффузии компонента А в паровой фазе, ; - коэффициент диффузии компонента А в жидкой фазе, ; 0,188   - относительная площадь прохода паров /4, прил. 5.2/ ; – вязкость паровой фазы, ; - вязкость жидкой фазы, ; - плотность орошения, ; - скорость пара в рабочем сечении тарелки, ; - газосодержание ; - высота светлого слоя жидкости на тарелке, .

Коэффициент диффузии в паре определяется по формуле /6/:

 

где   - мольный объем ацетона /6, табл. 6.3/; - мольный объем этилового спирта /6, табл. 6.3/.

Тогда имеем:

• верх колонны

 

 

• низ колонны

 

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре /6/:

 

где - коэффициент диффузии при ; – поправочный множитель.

Коэффициент диффузии при  /6/:

 

где - коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя/6/; – вязкость жидкости при ,

Динамический коэффициент  вязкости жидкой смеси определяется по формуле:

 

где - динамический коэффициент вязкости соответственно ацетона (А) и этилового спирта (B) при /6, табл. 9/.

Поправочный множитель:

 

где принимают при температуре /6/.

Тогда имеем:

• для верха

 

 

 

 

 

 

• для низа

 

 

 

 

 

 

Вязкость паровой фазы определяется по формуле:

 

где - вязкость паров соответственно ацетона (А) и этилового спирта (В), .

Вязкость паров чистых компонентов определяется по формуле /10/:

 

Тогда подставляя численные  значения, получим:

• для верха

 

 

 

• для низа

 

 

 

Плотность орошения определяется соотношением:

 

где - массовый расход жидкости, кг/с.

Массовый расход жидкости соответственно в верхней и нижней части колонны:

 

где – средняя мольная масса жидкости в верхней части колонны, кг/кмоль.

 

 

Тогда имеем:

 

 

 

где - средняя мольная масса жидкости в нижней части колонны, кг/кмоль;  - мольная масса исходной смеси, кг/кмоль.

 

 

 

Тогда имеем:

 

 

Скорость пара в рабочем  сечении тарелки определяется по формуле:

 

где - рабочее сечение тарелки /4, прил. 5.2/.

Тогда имеем:

• для верха

 

• для низа

 

Высота светлого слоя жидкости на ситчатой тарелке определяется по формуле /6/:

 

где - высота переливной перегородки, м; - удельный расход жидкости на 1 м ширины сливной перегородки, ; - ширина сливной перегородки, м; - поверхностное натяжение соответственно жидкости и воды при средней температуре в колонне /6, табл. 24/; .

Высота перелива для ситчатой тарелки определяется по формуле /7/:

 

где - глубина барботажа, м; - высота подпора жидкости над перегородкой, м.

Глубина барботажа и высота подпора определяются по формулам:

 

 

где - периметр слива, м /4, прил. 5.2/.

Подставляя численные значения, получим:

• верх колонны

 

 

 

 

• низ колонны

 

 

 

 

Линейная плотность орошения определяется по формуле:

 

Поверхностное натяжение  жидкости определяется по формуле:

 

где – поверхностное натяжение компонентов А и В, Н/м /6, табл. 24/.

Тогда имеем:

• верх колонны

 

 

 

 

 

 

 

 

• низ колонны

 

 

 

 

 

 

 

 

Газосодержание определяется соотношением:

• верх колонны

 

• низ колонны

 

где - критерий Фруда для верха колонны;

      - критерий Фруда для низа колонны.

Подставляя численные  значения в выражения для коэффициентов  массоотдачи, получим:

• верх колонны

 

 

• низ колонны

 

 

Пересчет коэффициентов  из размерности  в размерность проведем по формулам:

• верх колонны

 

 

• низ колонны

 

 

Коэффициенты массоотдачи, рассчитанные по средним значениям  скоростей и физических свойств  паровой и жидкой фаз, постоянны  для верхней и нижней частей колонны. В то же время коэффициент массопередачи – величина переменная, зависящая от кривизны линии равновесия, т.е. от коэффициента распределения. Поэтому для определения данных, по которым строится кинетическая линия, необходимо вычислить несколько значений коэффициента массопередачи в интервале изменения состава жидкости от до . В качестве примера приведем расчет коэффициента массопередачи и данных для построения кинетической кривой на примере одной точки с концентрацией .

Коэффициент распределения  компонента по фазам (тангенс угла наклона  равновесной линии в этой точке) 

  Коэффициент массопередачи вычисляем по коэффициентам массоотдачи в нижней части колонны:

 

Общее число единиц переноса на тарелку  определим по уравнению:

 

Локальная эффективность:

 

Для определения эффективности  по Мэрфи необходимо рассчитать также фактор массопередачи  , долю байпасирующей жидкости  , число ячеек полного перемешивания S и межтарельчатый унос  e.

Фактор массопередачи  для нижней части колонны:

 

Число ячеек полного перемешивания:

 

где - расстояние между переливными устройствами; - длина пути жидкости, соответствующая одной ячейке перемешивания /4, стр. 241/.

При факторе скорости для  ситчатой тарелки долю байпасирующей жидкости на тарелке принимаем равной  /2/.

Межтарельчатый унос определим по рис. 6.7 /2/.

Коэффициент, учитывающий  влияние на унос физических свойств  жидкости и пара, определяется по уравнению:

 

Высота сепарационного пространства:

 

где  - межтарельчатое расстояние, м.

В соответствии с каталогом /13/ для колонны диаметром 1800 мм расстояние .

Тогда имеем:

 

 

Тогда при  комплексе     унос составит /4/:

 

КПД по Мэрфи определяется по формуле:

 

 

 

 

Подставляя численные  значения, получим:

 

 

 

 

Концентрация ацетона (легколетучего  компонента) в паре на выходе из тарелки  определяется по соотношению:

 

где - концентрация соответственно легколетучего компонента в паре на входе в тарелку и равновесная с жидкостью на тарелке.

Отсюда:

 

Аналогично произведем расчет и для других концентраций.

Результаты расчета сведены  в таблицу 3.2.

По полученным значениям на диаграмму наносим кинетическую кривую (рисунок 3.4).

Построение ступеней изменения  концентраций между рабочими линиями  и кинетической кривой дает число  действительных тарелок.

 

              Таблица 3.2 – Данные к построению кинетической кривой

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
	0,05	0,1	0,2	0,25	0,35	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,85
	2,475	2,356	1,43	1,035	0,795	0,776	0,674	0,65	0,635	0,627	0,625
	0,0357	0,036	0,04	0,0424	0,0492	0,0494	0,0505	0,0507	0,0509	0,051	0,051
	0,704	0,709	0,788	0,836	0,963	0,967	0,989	0,993	0,997	0,999	0,999
	0,506	0,508	0,54	0,567	0,618	0,62	0,628	0,63	0,631	0,632	0,632
	0,892	0,857	0,589	0,475	0,808	0,796	0,725	0,709	0,697	0,692	0,691
	0,702	0,696	0,671	0,676	0,832	0,831	0,820	0,818	0,816	0,816	0,815
	0,626	0,625	0,629	0,645	0,757	0,757	0,757	0,757	0,757	0,757	0,757
	0,583	0,582	0,593	0,599	0,634	0,634	0,634	0,635	0,634	0,634	0,634
	0,117	0,212	0,369	0,436	0,541	0,577	0,649	0,717	0,783	0,850	0,884

 

Рис. 3.4 - Кинетическая кривая.

Построение дает следующие  результаты:

• укрепляющая часть                           шт. ;
• исчерпывающая часть                      шт.
• Общее число тарелок составит .

3.6 Высота колонны

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле:

 

где - расстояние между тарелками, м; – расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м;

Подставив, получим:

 

 

3.7 Гидравлическое  сопротивление тарелок колонны

Гидравлическое сопротивление  тарелок колонны  определяют по формуле:

 

где - гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны, Па.

Полное гидравлическое сопротивление  одной тарелки складывается из трех слагаемых:

 

где - гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) тарелки, Па; - гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя (пены) на тарелке, Па; - гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, Па.

 

где * – коэффициент сопротивления сухoй тарелки, *=1,85 /4/.

 

 

Гидравлическое сопротивление  газожидкостного слоя на тарелках различно для верхней и нижней частей колонны:

 

 

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения равно:

 

 

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

 

 

Полное гидравлическое сопротивление  ректификационной колонны:

 

 

3.8 Тепловой расчет установки

Уравнение теплового баланса  с учетом потерь в окружающую среду имеет вид:

 

где - тепло, приходящее с исходной смесью, кВт;

       - тепло, приходящее с греющим паром из испарителя, кВт;

       - тепло, уходящее с дистиллятом из дефлегматора, кВт;

       - тепло, уходящее с кубовой жидкостью, кВт;

       - тепло, уходящее с охлаждающей водой, кВт.

Тепло, приходящее с исходной смесью:

 

где - температура исходной смеси;

       - удельная теплоемкость смеси, .

 

где - удельная теплоемкость компонента А /6, рис. 11/;

       - удельная теплоемкость компонента В /6, рис. 11/.

Тогда имеем:

 

 

Тепло, уходящее с охлаждающей  водой из дефлегматора:

 

где - удельная теплота конденсации паров компонента А /6, табл. XLV/.

 

Тепло, уходящее с дистиллятом:

 

где - температура дистиллята;

       - теплоемкость дистиллята /6, рис. XI/.

 

Тепло, уходящее с кубовой  жидкостью: