2. Определение скорости пара и диаметра колонны

Диаметр колонны определяется по уравнению:

где – объемный расход проходящего по колонне пара, м³/с;- скорость пара, отнесенная к поперечному сечению колонны, м/с.

Скорость пара для колпачковых и ситчатых тарелок определяется по уравнению:

где К – коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузки колонны по жидкости (в курсовом проектировании для ситчатых тарелок принять, для колпачковых; более обоснованная методика определения коэффициентаприведена в [Error: Reference source not found]);и– плотности жидкости и пара соответственно, кг/м³.

Скорость пара для клапанных тарелок определяется по уравнению:

где – масса клапана, кг;– площадь отверстия под клапаном, м²;– коэффициент сопротивления, который может быть принят равным 3;– доля свободного сечения тарелки, м²/м².

По ГОСТ 16452-79 диаметр отверстия под клапаном равен 40 мм, масса клапана 0,04 кг.

Расчет параметров жидкости и пара, а также подбор и расчет тарелок проводится только для тарелки на которую производится подача питания. Более обоснованным является потарелочный расчет всей колонны, однако ввиду громоздкости он здесь не приводится.

Мольная доля низкокипящего компонента в паре, проходящем, через тарелку на которую подается питание определим, пользуясь уравнением рабочей линии для верхней части колонны , подставляя в него .

Мольная масса пара проходящего через питающую тарелку:

Температуру данного пара определяем по t – x – yдиаграмме, (Рис. 2 .3) по кривой конденсации, которая построена по данным (Таблица 2 .1):

при .

Рис.2.3 Диаграмма зависимости температур кипения и конденсации от равновесных составов жидкости и пара смеси бензол-толуол (диаграмма).

Плотность пара, проходящего через питающую тарелку, кг/м³:

Объемный расход пара:

где G– массовый расход пара, кг/с;Р– мольный расход дистиллята, кмоль/с;R– флегмовое число;ρ_П–плотность пара, кг/м³;–  молярная масса дистиллята, определяемая по уравнению при подстановке в него.

Молярная масса дистиллята, кг/кмоль:

Объемный расход пара:

кг/м³

Определим плотность жидкой смеси на питающей тарелке по Таблица П 4 либо по формуле:

где и– плотность, соответственно, низкокипящего и высококипящего компонентов при температуре жидкой смеси на питающей тарелке.

Температура жидкой смеси (также температура, при которой подается питание) определяется по t – x – yдиаграмме, (Рис. 2 .3) по кривой кипения:

при

По Таблица П 4или Таблица П 5 при данной температуре определяем

=804 кг/м3 (бензол)

=798 кг/м3 (толуол)

Тогда плотность жидкой смеси

Скорость пара в колонне согласно уравнению (2.22) будет равна:

м/с

Диаметр колонны (расчетный):

м

В Таблица П 6 выбираем тип тарелки ТС-Р2 мм [2] (ближайшее стандартное значение диаметра).

Диаметр отверстий d=8мм, относительное свободное сечение тарелкиF_c– 12,3%, периметр сливаL_c– 1135 мм, высота переливной перегородкиh_пер–30 мм.

Пересчитаем скорость пара в рабочем сечении тарелки:

м/с

3. Определение теоретических и действительных ступеней контакта верхней и нижней частей колонны

Приняв рабочее флегмовое число R=1,75, с помощьюy - xдиаграммы, графически определим число теоретических ступеней контакта (Рис. 2 .4), которое должна обеспечить проектируемая колонна.

В нашем случае число теоретических ступеней контакта для верхней части равно N_ТВ= 5,5, для нижнейN_ТН= 7,5.

Действительное число тарелок:

где η_Т- коэффициент полезного действия тарелки.

Рис.2.4 Графический способ определения числа теоретических ступеней контакта.

Практикой установлено, что η_Тявляется функцией произведения вязкости жидкой фазыμ_см(в мПа·с) и относительной летучестиα.[1], а также диаметра колонны.

Относительная летучесть:

где ,- давление насыщенных паров соответственно низкокипящего компонента (бензола) и высококипящего компонента (толуола), Па. [3,6]

Давление паров жидкости можно определить по Таблица П 7. Давление паров бензола и толуола представлено в Таблица 2 .2[6]

Таблица 2.3 Давление паров бензола и толуола в зависимости от температуры
Жид- кость	Давление, мм. рт. ст
	0 ºС	10 ºС	20 ºС	30 ºС	40 ºС	50 ºС	60 ºС	70 ºС	80 ºС	90 ºС	100 ºС	110 ºС	120 ºС	130 ºС
Бензол	26,5	45,4	74,7	118	181	269	389	547	754	1016	1344	1748	2238	2825
Толуол	9,7	18,2	25,5	39,5	64	98	147	204	299	408	571	751	973	1350

Так как состав жидкой фазы меняется по высоте колонны, то наиболее точным является проведение потарелочного расчета, однако для целей курсового проектирования определим свойства смесей и коэффициент полезного действия только для питающей тарелки. Данное допущение мы также принимали и ранее.

Коэффициент относительной летучести для компонентов смеси на питающей тарелке:

Вязкость гомогенной смеси можно рассчитать по формуле:

где x– мольная доля низкокипящего компонента (бензола) в жидкой фазе;и- вязкость соответственно низкокипящего (бензола) и высококипящего (толуола) компонентов при соответствующей температуре жидкой фазы, Па·с.

Вязкость бензола =0,27мПас; вязкость толуола=0,29 мПаопределили по Таблица П 9 при температуре жидкой смеси на питающей тарелке 92ºС (см. Рис. 2 .3).

Вязкость жидкой фазы верхней на питающей тарелке при ее температуре 92ºС и мольной доле низкокипящего компонента 0,541

0,285 мПа·с.

Зная αиμ, найдем коэффициент полезного действия тарелки в нижней и верхней частях колонны [1].

При определении к.п.д. тарелок в колоннах большого диаметра (со значением длины пути жидкости м) рекомендуют к значениям, найденным Рис. 2 .5 давать поправку Δ:

Значения поправки Δ для смесей с приведены на Рис. 2 .6,lпринимать примерно равным диаметру колонны.

Рис.2.5 – Диаграмма для приближенного определения среднего коэффициента полезного действия тарелок.

Рис.2.6 – Зависимость поправки Δ от пути жидкости на тарелке

Для принятого диаметра колонны 1400 мм

Определим действительное число тарелок для верхней и нижней частей колонны:

принимаем 10 тарелок.

принимаем 13 тарелок.

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле:

где h– расстояние между тарелками, м;и– расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой, между днищем и нижней тарелкой, м.

Для выбора значения hв зависимости от диаметра колонныD, можно воспользоваться следующими практическими данными, представленными в Таблица 2 .4:

Таблица2.4 Рекомендуемое расстояние между тарелками в зависимости от диаметра колонны
м	0–0,6	0,6–1,2	1,2–1,8	1,8 и более
,м	0,15	0,30	0,45	0,60

Обычно принимают м,м.

В итоге высота колонны равна: