1.2 Расчет скорости пара и диаметра колонны

Расчёт скорости пара для тарельчатых ректификационных колонн с ситчатыми тарелками выполняется по следующему уравнению:

Найдём плотности жидкости _хви_хни пара_уви_унв верхней и нижней частях колонны при средних температурах в нихt_Bиt_Н. Средние температуры определяем по диаграммеt-x,y.

Средние температуры пара в верхней и нижней частях колонны:

при

при

[1,с.231]

;

;.

Допустимая скорость в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

Средняя скорость паров:

 = (0,884 + 0,874)/2 = 0,879 м/с

Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнения расхода:

[1,с.231]

Принимаем средний массовый поток пара в колонне равным полусумме G_ВиG_H:

G= (G_В+G_H)/2 =(17,41+14,31)/2=15,86 кг/с

Средняя плотность паров:

[1,с.238]

Диаметр колонны

Выберем стандартный диаметр обечайки колонны d=2,4 м. При этом действительная рабочая скорость пара будет равна:

 = 1,773(2,96/3)²= 1,726 м/с [1,с.238]

Для колонны диаметром 2400 мм выбираем ситчатую однопоточную тарелку ТС-Р со следующими конструктивными размерами:

- Диаметр отверстий в тарелке d₀: 8мм

- Шаг между отверстиями t: 15 мм

- Свободное сечение тарелки F_c: 15,3 %

- Высота переливного порога h_пер: 30 мм

- Ширина переливного порога b: 1570 мм

- Рабочее сечение тарелки S_т : 3,9 м² [1,с.216]

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

w_T =w = 0,8350,7852,4² 3,9 = 0,786 мс [1,с.238]

1.3. Определение высоты светлого слоя жидкости на тарелке

Число действительных тарелок определяем графо-аналитическим методом (построением кинетической линии). Для этого необходимо рассчитать общую эффективность массопередачи на тарелке по Мэрфри (к.п.д. по Мэрфри).

Для этого определим вначале высоту светлого слоя жидкости на ситчатой тарелке по уравнению:

[1,с.239]

где q=L(_x b)- удельный расход жидкости на 1 мл ширины сливной перегородки,м²/с;

b – ширина сливной перегородки, м ;

h_пер- высота переливной перегородки, м;

–поверхностное натяжение соответственно жидкости и воды при средней температуре в колонне;

µ_x- в мПа с

m=0,05-4,6h_пер=0,05-4,6 0,03=-0,088

Определим вязкость смеси жидкости для нижней и верхней части колонны по формуле:

где -вязкости хлороформа и бензола соответственно.

h_ов=0,787

h_он=0,787

Паросодержание барботажного слоя ε находим по формуле

[1,с.240]

где

[1,с.240]

Для верхней части колонны

=

Для нижней части колонны

=

1.4 Расчёт коэффициентов массопередачи и высоты колонны.

Определим коэффициент диффузии газа для нижней и верней части колонны при средней температуре t (в ˚С) по формуле:

[1,с.234]

Коэффициенты диффузии в жидкости D_xпри 20˚С можно вычислить по приближённой формуле:

,

где А, В – коэффициенты, зависящие от свойств растворённого вещества и растворителя;

- мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см³/моль;

μ_х – вязкость жидкости при 20˚С, мПа·с.

А= В = 1

= 92,3 см³/моль =96 см³/моль

Тогда коэффициент диффузии в жидкости при 20˚С равен:

Температурный коэффициент b определяют по формуле

[1,с.234]

Здесь μ_хи ρ_хпринимаются при температуре 20˚С. Тогда

Отсюда

м²/с

м²/с

Определим коэффициент диффузии газа для нижней и верней части колонны по формуле:

где T – средняя температура в соответствующей части колонны,

p- давления газа, Па;

Рассчитав коэффициенты молекулярной диффузии в жидкой D_xи паровойD_y фазах, вычисляем коэффициенты массоотдачи, отнесённые к единице рабочей поверхности тарелки для жидкой и паровой фаз:

Вязкость паров для верхней части колонны:

[1,с.234]

где μ_х и μ_уб – вязкость паров хлороформа и бензола при средней температуре верхней части колонны, мПа·с;

у – средняя концентрация паров:

Подставив, получим:

Аналогичным расчётом для нижней части колонны находим:

Для верхней части колонны:

коэффициент массоотдачи в жидкой фазе

коэффициент массоотдачи в паровой фазе

Для нижней части колонны:

коэффициент массоотдачи в жидкой фазе

коэффициент массоотдачи в паровой фазе

Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на кмоль/(м²·с):

кмоль/(м²·с)

кмоль/(м²·с)

кмоль/(м²·с)

кмоль/(м²·с)

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 коэффициентов массопередачи в интервале изменения состава жидкости x_W и x_D.

Приведем пример расчета для одной точки в верхней и нижней частях колонны при

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

Коэффициент массопередачи:[1,с.239]

Общее число единиц переноса на тарелку n_oy находим по уравнению:

[1,с.239]

Локальная эффективность:

[1,с.239]

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

Фактор массопередачи:

[1,с.238]

Фактор скорости:

Доля байпасирующей жидкости для ситчатых тарелок при факторе скорости 1,572 и 1,41 принимают θ = 0,1.

Для ситчатых тарелок в колоннах диаметром более 600 мм с достаточной степенью приближения можно считать, что одна ячейка перемешивания соответствует длине пути жидкости l = 300–400мм.

Примем l = 350мм и определим число ячеек полного перемешивания S как отношение длины пути жидкости на тарелке l_T к длине l. Определим l_T как расстояние между переливными устройствами:

Тогда число ячеек полного перемешивания на тарелке

Относительный унос жидкости e в тарельчатых колоннах определяется в основном скоростью пара, высотой сепарационного пространства и физическими свойствами жидкости и пара. Унос на тарелках различной конструкции является функцией комплекса Коэффициентm, учитывающий влияние на унос физических свойств пара и жидкости:

;

. [1,с.242]

Высота сепарационного пространства H_c равна расстоянию между верхним уровнем барботажного слоя и плоскостью тарелки, расположенной выше: гдеH–межтарельчатое расстояние, м; h_П = высота барботажного слоя, м.[1,с.242]

[1,с.242]

Подставляя вычисленные ранее значения, определяем КПД по Мерфи E_My:

[1,с.238,243]

[1,с.238]

[1,с.238]

[1,с.238]

Аналогичным образом подсчитаны все величины для других составов жидкости. Результаты расчета параметров, необходимых для построения кинетической линии, приведены в таблице ниже.

Зная эффективность по Мерфи, можно определить концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из тарелке:

[1,с.243]

Результаты расчета параметров, необходимых для построения кинетической линии, приведены в таблице 1:

Таблица 1. Результаты расчёта величин, необходимых для построения кинетической линии

Параметр	Нижняя часть			Верхняя часть
x	0,15	0,3	0,45	0,6	0,75	0,9
m	1,26	1,38	0,84	0,82	0,77	0,67
Kyf	0,0062	0,061	0,065	0,056	0,056	0,057
noy	2,256	2,226	2,37	2,01	2,01	2,046
Ey	0,895	0,89	0,91	0,87	0,87	0,87
B	1,496	1,615	1,064	1,002	0,95	0,85
	1,677	1,75	1,422	1,32	1,296	1,24
	1,29	1,31	1,221	1,148	1,14	1,115
EMy	1,17	1,26	0,79	0,74	0,698	0,61
yk	0,2	0,43	0,59	0,727	0,84	0,94

Взяв отсюда значения х и у_к, наносим на диаграмму х – у точки, по которым проводим кинетическую линию. Построением ступеней между рабочей и кинетической линиями в интервалах концентраций от х_D до x_F определяем число действительных тарелок N_В для верхней (укрепляющей) части и в интервалах от x_F до x_W - число действительных тарелок N_H для нижней (исчерпывающей) части колонны. Общее число действительных тарелок Nравно:

N= N_B + N_H = 12 + 32 = 44 тарелок [1,с.243]

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле

[1,с.238]

где Н - расстояние между тарелками, м;

z_B, z_H- расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.

H_k=(44-1)·0.5+1+2=24,5 м