Расчет воздухоразделительного аппарата двукратной ректификации (90

проводим крайний полюсный луч, ограничивающий построение тарелок. Он проходит через полюс и точку A , соответствующую состоянию кубовой жидкости ( X R = 60,5% мол.) . За исходную точку при построении тарелок

берём точку 1 на диаграмме i − x , изображающую состояние пара, поднимающегося с самой верхней тарелки нижней колонны. Жидкость, стекающая с самой верхней тарелки, в идеальном случае должна быть равновесна поднимающемуся пару. Равновесное состояние предполагает равенство температуры пара и жидкости. Поэтому состоянию такой

жидкости соответствует точка 2' в диаграмме T − x и точка 2 – в диаграмме i − x . Изотерма 1-2 связывает состояние пара и жидкости, покидающих тарелку, поэтому число построенных таким образом изотерм характеризует число теоретических тарелок. Для перехода к следующей тарелке определяем состояние пара, поднимающегося с нижележащей тарелки. Точка 3, соответствующая этому состоянию, лежит на полюсном луче Р1 − 2 в месте его пересечения с пограничной

кривой сухого насыщенного пара согласно свойству полюсного

11

луча, связывающего между собой состояния пара и жидкости в любом сечении колонны.

Для нахождения точки 4, соответствующей состоянию жидкости, стекающей со второй (считая сверху) тарелки, через точку 3 с использованием диаграммы T − x проводим изотерму 3 − 4 . Затем точка 4 соединяется с полюсом и т.д. Построение тарелок заканчивается, когда одна из изотерм пересечёт крайний полюсный луч Р1 − А. Количество теоретических тарелок

подсчитывается по числу изотерм, включая часть последней, находящейся справа от крайнего полюсного луча. Для прил.4 число теоретических тарелок nT = 8,2 . Число действительных

тарелок определяется с учётом среднего К.П.Д. тарелки ηT и

округляется до целого в большую сторону. В рассматриваемом примере расчёта (как чаще поступают на практике) принимаем ηT = 0,37 для нижней колонны (рекомендуется в пределах

0,3…0,5). Определяем nд = 8,2 / 0,37 = 22 .

1.6. Определение координат полюса отгонной секции

верхней колонны

Колонна низкого давления (её называют также верхней) состоит из двух частей: отгонной (ниже ввода кубовой жидкости) и концентрационной (выше ввода кубовой жидкости), отличающихся между собой количествами участвующих в ректификации пара и жидкости. В связи с этим в данном случае необходимо определить координаты двух полюсов, отдельно для отгонной и концентрационной секции.

Ниже ввода кубовой жидкости между тарелками выбираем произвольное сечение II − II . Количество пара и жидкости, проходящее через это сечение, обозначим соответственно через G2 и g2 . Составим материальный баланс по нижекипящему

компоненту и баланс энергии колонны ниже сечения II − II :

G2 − g2 = −K,

12

и используя выше приведённые зависимости, получим

X пр2 = Yк = 0,5% мол.

и

I пр2 = iк" - Qк / К = 15293,5 - 5110,25 = 0,194 = -11048 кДж / кмоль.

1.7. Определение координат полюса концентрационной секции

верхней колонны

Выбираем между тарелками произвольное сечение III − III выше ввода кубовой жидкости. Количество пара и жидкости, проходящее через это сечение, обозначим

= 16056,3кДж / кмоль.

13

1.8. Графическое определение числа теоретических

тарелок в верхней колонне

Для определения числа теоретических тарелок строим диаграмму i − x , совмещенную с диаграммой T − x для давления Pв.к. = 0,136 МПа, аналогично тому, как это делалось

для нижней колонны (прил. 5). Отметим точки с координатами X пр2 , Iпр2 и X пр3 , Iпр3 обозначив их Р2 и Р3 соответственно. Построения для отгонной секции ведём через полюс Р2 . Область построения тарелок каждой секции ограничивается линией полюсов Р2 − Р3 . При этом главная полюсная линия

Исходной точкой 1 для построения тарелок в отгонной секции является состояние жидкого кислорода, стекающего с самой нижней тарелки (его концентрация принимается равной YК ). Точка 2, лежащая на другом конце изотермы 1-2,

соответствует состоянию пара, покидающего самую нижнюю тарелку. Пересечение полюсного луча, проходящего через точку 2, с пограничной кривой насыщенной жидкости, даёт точку 3, характеризующую состояние жидкости, стекающей с вышележащей тарелки. Построение изотерм для этой секции ведётся до пересечения с линией полюсов (изотерма 13-14).

Исходной точкой 1´ для построения тарелок в концентрационной секции является состояние пара, покидающего самую верхнюю тарелку (с достаточной точностью его концентрацию принимаем равной YA). Построение ведётся аналогично описанному выше до пересечения последней изотермы линии полюсов. Подсчёт числа теоретических тарелок ведётся отдельно для каждой секции, а затем определяется число действительных тарелок. Очевидно, что построение теоретических тарелок после

14

изотермы 13-14 можно продолжить с учётом полюса Р3 до пересечения с полюсным лучом Р3 - X D . Как видно из прил. 5, число теоретических тарелок в верхней колонне равно nT = 11,7 . Средний К.П.Д. тарелки колонн окончательного разделения

что на практике в верхних колоннах без отвода аргонных фракций обычно ηд = 36.

2.Гидравлический расчёт ректификационных колонн

Все колонны современных воздухоразделительных

установок изготавливают с ситчатыми тарелками. Задача гидравлического расчёта – определение основных размеров тарелок (наружный и внутренний диаметры, диаметр и шаг отверстия, размеры переливного устройства), расстояние между тарелками, обеспечивающего устойчивую работу колонны при возможно меньшем гидравлическом сопротивлении потоку пара, а также выбор наименьших основных размеров колонны (диаметр и высота) при работе с ограниченным уносом жидкости потоком пара.

Расчёт колонны и ректификационных тарелок произведем исходя из условий работы наиболее погруженного по жидкости и пару нижнего сечения колонны. При этом расстояние между тарелками и их конструктивные размеры примем одинаковыми по всей высоте колонны. Исходные данные в нижнем сечении колонны:

- массовый расход перерабатываемого воздуха

M B = VH × ρB = 1700 ×1,29 = 2193кг / ч;

- массовый расход стекающей кубовой жидкости

M R = VH × R × ρR = 1700 × 0,505 ×1,32 = 1133,2 кг/ ч ;

15

- температура в рассматриваемом сечении Т = 100,3 К (определена с помощью номограммы T − p − i − x − y по

концентрации кубовой жидкости X R = 60,5% мол. и давлению

Рнниз.к. = 0,59МПа );

-среднее давление в колонне Рнср.к. = 0,585МПа .

2.1.Определение нагрузок на тарелки Плотность пара (воздуха) в действительных условиях

ρg 844,6

2.2.Наружный и внутренний диаметры тарелки

Задаёмся средней скоростью движения пара,

поднимающегося по колонне ωк = 0,2 м/ с (для колонны высокого давления ωк = 0,1...0,27 м/ с [3]).

16

Площадь тарелки

Ближайшие нормализованные тарелки для установок малой производительности [3] имеют диаметры 399-1,5 и 499-1,5 мм. Для дальнейшего расчёта выбираем тарелку диаметром 400 мм с глухим колпаком и прямым сливным карманом. Конструкция тарелки представлена на рис.2.

устройство

17

Для работы тарелки всем сечением необходимо, чтобы действительная скорость пара в отверстиях тарелки была выше минимально допустимой ω0 min .

Минимальная скорость пара, при которой отсутствует проливание жидкости через отверстия, зависит от падения уровня (статического давления) жидкости на тарелке (рис.3) и находится следующим образом.

Напряжённость сливной перегородки находится по формуле

18

По вычисленной напряжённости сливной перегородки принимаем величину m коэффициента расхода жидкости,

проходящей через перелив: при L / b ³ 10 м3 / м×ч m = 1000 [3]. Определяем величину напора жидкости h1 у сливной

и падение статического давления (уровня жидкости) на тарелке

=15,2мм вод.ст.,

где Z1 = 15мм – высота сливной перегородки (рис. 3). Минимальная скорость пара в отверстиях тарелки

ω0 >ω0 min , т.е. тарелка работает всем сечением.

2.4. Гидравлическое сечение тарелки.

Подсчитаем гидравлическое сопротивление тарелки потоку пара по приближённому уравнению

hT = hд + hcm + hσ ,

где hд - динамическое сопротивление сухой тарелки

hд = 0,093 ×ω02 × ρG = 0,093 × 3,782 × 25,2 = 33,49ммвод.ст.;

= 9ммвод.ст.;

19

hσ - сопротивление поверхностного натяжения жидкости, для нижней колонны hσ = 4мм вод.ст. [3],

hТ = 33,6 + 9 + 4 = 46,5ммвод.ст.

2.5. Расстояние между тарелками

Определим расстояние между тарелками исходя из двух условий: нормального перетока жидкости без захлёбывания колонны и отсутствия межтарельчатого уноса пена.

а). Условие нормального перетока жидкости Вычислим критическую глубину потока жидкости в

переливном устройстве

Принимаем величину начального гидрозатвора a = 5 мм

(5…12 мм). Высоту наиболее сжатого сечения переливного устройства S (рис.3) выбираем оптимальной, т.е. обеспечивающей минимальное расстояние между тарелками:

Sопт = A × hкр = 1,34 ×10,4 = 14мм,

где В – опытный коэффициент, зависящий от типа переливного устройства. Для выбранного в расчете устройства В = 3,6 [3].

20