Проектирование и автоматизированный расчёт ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси ацетон – этан

 

,                                      (3.22)

,                                     (3.23)

 

где  - мольные составы дистиллята, питания и кубовой жидкости соответственно.

Мольные составы паров дистиллята, питания и кубовой жидкости     определим из графика, рисунок Г.1, при соответствующих составах жидкости. Найдем средние составы пара для верхней и нижней частей колонны по формулам (3.22-3.23):

 

,

.

 

Средние мольные массы паров  определим по формулам (3.20-3.21):

 

,

.

 

Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колоны вычислим по формулам (3.18-3.19):

 

,

.

 

3.1.2 Скорость пара и  диаметр колонны

 

С помощью  диаграммы из рисунка Д.1 определим средние температуры паров и жидкостей по средним составам фаз.

Температура паров  в верхней части колонны  .

Температура паров в нижней части  колонны  .

Температура жидкости в верхней части колонны .

Температура жидкости в нижней части  колонны  .

 

Рассчитаем плотность  паров в верхней и нижней частях колонны

 

,                                        (3.24)

 

где М – молекулярная масса газа, кг/кмоль;

22,4 – молярный объём, м³/кмоль;

Р – давление, при котором определяется плотность, Па;

Р₀ = 101325 – нормальное давление, Па;

Т – температура, при которой определяется плотность, К;

Т₀ = 273 – нормальная температура, К.

Для верхней части колонны по формуле (3.24) плотность паров равна

 

.

 

Для нижней части колонны по формуле (3.24) плотность паров равна

 

.

 

Плотность жидкой смеси рассчитывается в соответствии с правилом аддитивности

 

,                                         (3.25)

 

где , - плотности чистых соответственно ацетона и этанола при соответствующей температуре, кг/м³;

, - объёмные доли соответственно ацетона и этанола.

Объёмную долю компонента бинарной смеси можно вычислить по формуле

.                                    (3.26)

 

Плотность чистого ацетона при 61,09 ^оС кг/м³ [3].

Плотность чистого этанола при 61,09 ^оС кг/м³ [3].

Объёмная доля ацетона для верхней части колонны по формуле (3.26) равна

 

.

Плотность чистого  ацетона при 71,15 ^оС: кг/м³ [3].

Плотность чистого этанола при 71,15 ^оС кг/м³ [3].

Объёмная доля ацетона для нижней части колонны по формуле (3.26) равна

 

.

 

Плотность жидкой смеси в верхней  части колонны в соответствии с формулой (3.25)

 

.

Плотность жидкой смеси в верхней  части колонны в соответствии с формулой (3.25)

 

.

 

Средняя плотность жидкости по высоте колонны определим усреднением плотности жидкости в верхней и нижней частях колонны

 

.

 

Вязкость жидких смесей находим  по уравнению

 

,                                        (3.27)

 

где , - динамические коэффициенты вязкости соответственно жидких ацетона и этанола при соответствующих температурах.

Динамический  коэффициент вязкости жидкого ацетона при 61,09 ^оС мПа∙с.

Динамический коэффициент вязкости жидкого этанола при 61,09 ^оС мПа∙с.

Динамический коэффициент вязкости жидкой смеси для верхней части колонны по формуле (3.27) равен

 

.

 

 

 

Динамический коэффициент вязкости жидкого ацетона при 71,15 ^оС мПа∙с.

Динамический коэффициент вязкости жидкого этанола при 71,15 ^оС мПа∙с.

Динамический коэффициент вязкости жидкой смеси для нижней части колонны по формуле (3.27) равен

 

.

 

Для колпачковых  тарелок предельно допустимую скорость рекомендуется рассчитывать по уравнению

 

,                               (3.28)

 

где - диаметр колпачка, м;

- расстояние между тарелками;

- высота колпачка.

Величины диаметра колпачка и  его высота заранее неизвестны, ими необходимо задаться, а затем проверить, попадает ли вычисленный диаметр колонны в диапазон значений диаметров для выбранных диаметра колпачка, высоты колпачка и межтарельчатого расстояния.

Примем диаметр колпачка равным 0,1 м.

Примем высоту колпачка равной = 0,09 м.

Примем межтарельчатое расстояние равное = 0,4 м.

Для таких значений параметров тарелки  диаметр колонны должен находиться в диапазоне 1,8 – 2,4 м.

Предельно допустимая скорость для  верхней части колонны по формуле (3.28) равна

 

.

Предельно допустимая скорость для  нижней части колонны по формуле (3.27) равна

 

.

 

Рабочая скорость паров определяется по соотношению

 

                                                     

.                                            (3.29)

 

Рабочая скорость для верхней части  колонны по формуле (3.29)  равна

 

.

 

Рабочая скорость для нижней части  колонны по формуле (3.29)  равна

 

.

Средняя скорость пара по высоте колонны  определяется по соотношению

 

,                                              (3.30)

.

Средняя плотность паров определяется по соотношению

 

,                                        (3.31)

.

 

Средний расход пара по высоте колонны  определяется по соотношению

 

,                                        (3.32)

.

 

Диаметр ректификационной колонны  определим из уравнения расхода

 

,                                            (3.33)

,

Средний диаметр ректификационной колонны

Вычисленный диаметр ректификационной колонны попадает в диапазон диаметров  для выбранных параметров колпачковой  тарелки, т.е. все параметры выбраны правильно.

 

Рационально принять стандартный диаметр обечайки м. При этом действительная рабочая скорость паров в колоне определяется по формуле

 

,                                         (3.34)

 

где - рассчитанный диаметр колонны, м;

- стандартный диаметр колонны,  м.

Действительная рабочая скорость паров в колонне по формуле (3.34) равна

 

.

 

Для колонны диаметром 2000 мм выбираем колпачковую тарелку ТСК-Р со следующими конструктивными размерами [1]:

Диаметр колонны, м	2
Свободное сечение колонны  , м2	3,14
Диаметр колпачка , мм	100
Периметр слива  , м	1,455
Длина линии барботажа, м	36,4
Сечение перелива , м2	0,33
Свободное сечение тарелки, м2	0,385
Относительная площадь для прохода  паров  , %	12,2
Масса, кг	179,3

 

 

 

Скорость  пара в рабочем сечении тарелки  определяется по формуле 

 

,                                       (3.35)

.

 

3.1.3 Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержание

барботажного слоя

 

Для колпачковых тарелок высота светлого слоя жидкости на тарелке  может определяться по формуле

 

,                   (3.36)

 

где - высота переливной перегородки, м;

- линейная плотность орошения, м³/(м∙с).

Высота переливной перегородки  на колпачковой тарелке определяется по формуле

 

,                                        (3.37)

 

где - высота прорезей колпачка, м;

- зазор между колпачком и  тарелкой, м;

- расстояние от верхнего края прорезей до верха сливной планки, м.

Для диаметра колпачка 100 мм величина зазора между колпачком и тарелкой м [8], а высота прорезей колпачка м [8]. Расстояние от верхнего края прорезей до верха сливной планки примем равным м [8].

Высота переливной перегородки  по формуле (3.37) равна

 

.

 

Линейная плотность орошения определяется по соотношению

 

,                                               (3.38)

 

где - объёмный расход жидкости, м³/с.

Объёмный расход можно рассчитать по формуле

 

,                                              (3.39)

 

где - массовый расход жидкости.

Объёмный расход жидкости для верхней части колонны по формуле (3.39) равен

 

.

 

Объёмный расход жидкости для нижней части колонны по формуле (3.39) равен

.

 

 

Линейная плотность орошения для  верхней части колонны по формуле (3.38) равна

.

 

Линейная плотность орошения для  нижней части колонны по формуле (3.38) равна

 

.

 

Высота светлого слоя жидкости на тарелке для верхней части  колонны по формуле (3.36) равна

 

.

 

Высота светлого слоя жидкости на тарелке для нижней части колонны  по формуле (3.36) равна

 

.

 

Паросодержание барботажного слоя находят по формуле

 

,                                          (3.40)

 

где - критерий Фруда.

 

Величина критерия Фруда рассчитывается по формуле

 

,                                            (3.41)

 

где - ускорение свободного падения, м/с².

Величина критерия Фруда для  верхней части колонны по формуле (3.41) равна

.

 

Величина критерия Фруда для нижней части колонны по формуле (3.41) равна

.

 

Паросодержание барботажного слоя для верхней части колонны  по формуле (3.40) равно

 

.

 

Паросодержание барботажного слоя для нижней части колонны по формуле (3.40) равно

 

.

 

 

 

3.1.4 Коэффициенты массопередачи  и высота колонны

 

Вязкость паров чистого ацетона при 62,642 ^оС мПа∙с [4].

Вязкость паров чистого этанола при 62,642 ^оС мПа∙с [4].

Вязкость газообразной смеси в нижней части колонны определяется по формуле

 

.                            (3.42)

.

Вязкость паров  чистого ацетона при 73,555 ^оС мПа∙с [4].

Вязкость паров  чистого этанола при 73,555 ^оС мПа∙с [4].

Вязкость газообразной смеси в нижней части колонны определяется по формуле

 

.                            (3.42)

.

 

Средняя вязкость паровой  фазы по высоте колонны равна  мПа∙с.

Динамический коэффициент вязкости жидкого ацетона при 20 ^оС мПа∙с.

Динамический коэффициент вязкости жидкого этанола при 20 ^оС мПа∙с.

Динамический коэффициент вязкости жидкой смеси для верхней части  колонны при 20 ^оС по формуле (3.27) равен

 

.

 

Динамический коэффициент вязкости жидкой смеси для нижней части колонны при 20 ^оС по формуле (3.27) равен

 

.

 

Коэффициент диффузии в жидкости при 20 ^оС определяется по соотношению

 

,                        (3.43)

 

где и - мольные объёмы компонентов бинарной смеси, см³/моль;

 и  – коэффициенты, зависящие от свойств компонентов бинарной смеси.

Для ацетона коэффициент [4]. Для этанола коэффициент [4].

Мольный объём  ацетона [3]. Мольный объём этанола [3].

Коэффициент диффузии в жидкости при 20 ^оС для верхней части колонны по формуле (3.43) равен

 

.

 

Коэффициент диффузии в жидкости при 20 ^оС для нижней части колонны по формуле (3.43) равен

.

 

Коэффициент диффузии в жидкости при  температуре отличной от 20 ^оС связан с коэффициентом диффузии в жидкости при 20 ^оС следующим соотношением

 

,                                     (3.44)

 

где - температурный коэффициент.