1.3 Определение скорости пара и диаметра колонны.

1)Находим средние концентрации жидкости: В дальнейшем будем использовать обозначения : « » - верхняя часть колонны, « » нижняя часть колонны.

=(0,17+0,95)/2= 0,56

=(0,17+0,06)/2= 0,115

2) Средние концентрации пара, находим по уравнениям рабочих линий в верхней и нижней частях колонны:

3)Находим средние мольные массы и плотности пара:

Средняя плотность пара в колонне:

( )/2=(2,76+2,84)/2=2,8

4) Определяем плотности жидкостей. Плотности жидких бензола и толуола близки. Температура в верху колонны и в кубе испарителе определяем по диаграмме t-x,y(Приложение 2): ; ;

;

Плотности определены в зависимости от температуры [стр.512(1)] методом экстраполяции. Средняя плотность жидкости : =797,15

6)Определение скорости пара в колонне: (7)

Где С, коэффициент, величина которого зависит от конструкции тарелки, расстояния между тарелками и поверхностного натяжения жидкости δ.

а) Поверхностное натяжение жидкости для верхней части колонны:

(8)

=19,4* Н/м =19,8* Н/м [стр.526(1)] Данные определены при средней температуре в верхней части колонны, методом экстраполяции. = (0,94+0,15)/2=0,545

Подставляем полученные значения в формулу (8) и получаем:

Н/м

б) Поверхностное натяжение в нижней части колонны: (9)

=18,2* Н/м =18,92* Н/м [стр.526(1)]

= (0,15+0,05)/2= 0,1 Подставляем полученные значения в формулу (9) и получаем: * Н/м

Для верхней части колонны принимаем Н/м, следовательно коэффициент определяем по рисунку [стр.27(4)]. Расстояние между тарелками Нт принимаем равным 300 мм.

При δ< [Н/м] величину коэффициента определяем по уравнению: = 520* =512,2

Определяем скорости пара в верхней и нижней частях колонны по формуле (7): =0,76м/с

=0,72м/с 7)Определяем диаметр колонны:

; где -объемный расход пара поступающего в дефлегматор( ) (10)

(11) -мольная масса дистиллята (кг/кмоль) находится по формуле: - = 78,11*0,95+92,13(1-0,95)=78,8кг/кмоль. Находим объемные расходы для верхней и нижней частей колонны по формуле (11):

Диаметр верхней и нижней частей колонны определяем по формуле (10)

Принимаем по каталогу [стр.222(2)] диаметр колонны равен 2200мм(клапанные однотипные тарелки типа ТКП) Свободное сечение колонны ……………………………………………... 3,80 Шаг t…………………………………………………………………………...75мм Рабочее число тарелки ……………………………………………………..1,74 Периметр слива………………………………………………………………1,74м Сечение перелива…………………………………………………………...0,52 Относительное свободное сечение тарелки ……………………………..14,26% Число клапанов…………………………………………………………………432 Число клапанов на поток………………………………………………………..22

Уточняем значение скоростей пара при стандартном диаметре 2200мм:

1.4 Определение высоты колонны. Высоту колонны определяем графически-аналитическим методом, т.е последовательно рассчитывает коэффициенты массоотдачи, массопередачи, коэффициенты полезного действия тарелок, строим кинетическую кривую и определяем действительное число тарелок. 1)Коэффициент массоотдачи в паровой фазе:

(12)

- критерий Рейнольдса для паровой фазы.

-коэффициент диффузии паров компонента А в компонент В ( ) определяется по формуле : где, и есть мольные объемы бензола и толуола, определяемых как сумма атомный объемов элементов, входящих в состав пара. где, и - числа атомов водорода и углерода соответственно; и - атомные объемы углерода и водорода соответственно,( /атом) [стр.280(1)] =111 /атом =133,2 /атом

Подставляя значения в формулу, получаем:

Критерий Рейнольдса для паровой фазы определяется по формуле :

(13)

где, динамический коэффициент вязкости пара; (Па*с) рассчитывается по формуле:

(14)

где, и – динамические коэффициенты вязкости компонентов А и В, (Па*с)

Динамические коэффициенты:

а) в верхней части:

=0,0095*

=0,0085*

б) в нижней части:

=0,0097*

=0,0087* [стр.6(3)]

Подставляем значения в формулу (14) и получаем:

=9,05*

=8,9*

Подставляем значения в формулу (13):

;

Подставляем значения в формулу(12):

2)Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

(15)

где, – коэффициент диффузии в жидкости, ; – средняя мольная масса жидкости в колонне, кг/кмоль; диффузионный критерий Прандтля.

Коэффициент диффузии пара в жидкости , ,( при соответствующей температуре) связан с коэффициентом диффузии при 20°С , , следующей приближенной зависимостью: (16)

где, b- температурный коэффициент; t- температура в верхней и нижней частях колонны,

Коэффициент диффузии в жидкости определяем при 20°С по формуле :

(17)

где, А и В – коэффициенты, зависящие от свойств НКК И ВКК [стр.289(1)] - динамический коэффициент вязкости жидкости (Па*с)

Динамический коэффициент вязкости смеси жидкости определяется по формуле:

(18)

где, и - динамические коэффициенты вязкости НКК и ВКК, определяются при соответствующей температуре [стр.516(1)]:

=0,65мПа*с =0,586мПа*с

Подставляем значения в формулу (18):

= 0,00062 Па*с

=0,00077 Па*с

Подставляем значения в формулу (17):

=

Температурный коэффициент b при 20°С:

Подставляем полученные значения в формулу(16):

Рассчитываем коэффициенты динамической вязкости жидкостей в верхней и нижней частях колонны при средних температурах:

а) верхняя часть:(при температуре 81,2°С)

=0,75* Па*с

=0,31* Па*с

=0,0005 Па*с

б) нижняя часть колонны:(при температуре 108,4°С)

=0,243 * Па*с

=0,254 * Па*с

=0,00025 Па*с

3)Критерий Прантдля:

4) Средняя мольная масса жидкости в колонне:

Определяем коэффициенты массоотдачи по формуле(15):

5)Определяем коэффициент массопередачи

где, m-среднее значение тангенса угла наклона(взятые углы изображены на кинетической кривой красными линиями)

Для определения угла наклона разбиваем ось х на участки , и для каждого участка находим среднее значение тангенса угла как отношение разности ординат(y*-y) к разности абсцисс(х*-х).

Подставляя найденные значение массоотдачи по жидкой и паровой фазе и тангенсов углов наклона линии равновесия в уравнение находим величину коэффициента массопередачи для каждого значения в пределах - .

Полученные значения используем для определения числа единиц переноса в паровой фазе:

*φ

где, φ- отношение рабочей площади к свободному сечению колонны, принимаем φ =0,8.

Допуская перемешивание жидкости на тарелке имеем:

=AB/AC- КПД тарелки.

Результаты расчетов приведены в таблице 3: Таблица 3 – данные необходимые для построения кинетической кривой.

		0,115		0,2	0,4	0,75
tgα=m	2	2	1,78	1,63	1,19	0,65	0,47
	0,0096	0,0096	0,01	0,016	0,02	0,031	0,037
	0,33	0,33	0,34	0,51	0,636	0,986	1,177
	0,28	0,28	0,288	0,4	0,47	0,627	0,673
AC	14	14	11	14	28	21	7
AB	3,9	4	3	5,6	13	13	4,7

Кинетическая кривая представлена в (Приложение 4).

Построение кинетической кривой. Между кривой равновесия и линиями рабочих концентраций в соответствии с табличными данными х проводим ряд прямых, параллельных оси ординат. Измеряем полученные отрезки , и тд. Определяем величину отрезков .Через найденные значения для каждого значения х точки проводим кинетическую кривую, отображающую степень приближения фаз на тарелках к равновесию.

Число реальных тарелок находим путем построения ступенчатой линии между кинетической кривой и рабочими линиями в пределах от до . Получаем 24 тарелки, ( из которых – 13 в верхней части колонны, 11-в нижней), которые и обеспечивают разделение бинарной смеси в заданных условиях изменения концентрации. Исходная смесь должна подаваться на 13 тарелку сверху.

Из кинетической кривой следует: а)число тарелок в верхней части =13 б)число тарелок в нижней части =11

6)Высота колонны:

Нт=(n-1)h=(24-11)0,3=6,9м Нобщ=Нт+Hcеп.+Hкуб;

где, Hcеп=1000мм ; Hкуб=2500мм

Нобщ=6,9 +1+2,5=10,4м