2.2 Расчет скорости и диаметра колонны

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

где d_k= 0,08 м- диаметр колпачка;

h_k= 0,455 м- расстояние от верхнего края колпачка до выше расположенной тарелки.

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

при

при

;

Допустимая скорость в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

Так как полученные скорости мало отличаются друг от друга, в расчёте используем среднюю скорость паров:

 = (1,1 + 0,987)/2 = 1,044 м/с

Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнения расхода:

Принимаем средний массовый поток пара в колонне равнымполусуммеG_ВиG_H:

G= (G_В+G_H)/2 =(1.24+1.73)/2=1.485кг/с

Средняя плотность паров:

Диаметр колонны

Выберем стандартный диаметр обечайки колонны по каталогу [3] d= 800 мм. При этом действительная рабочая скорость пара будет равна:

 = 1,044 (0,66/0,8)²= 0,71 м/с

Для колонны диаметром 800 мм выбираем колпачковую однопоточную тарелку ТСК-1 со следующими конструктивными размерами:

- Диаметр колпачка 80мм

- Шаг 110 мм

- Свободное сечение колонны 0,503 м²

- Периметр слива L_c= 0.57м;

- Относительная площадь для прохода паров F_c=9,7%

- Масса 29,2 кг

2.3. Определение высоты светлого слоя жидкости на тарелке

Как было указано выше, 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 колпачковой тарелке по уравнению:

где V_X- объёмный расход жидкости (V_X=L/_x);

b - периметр слива.

V_XB= 0,86/1321,55 = 0,00065 м³/с ;V_XH= 1,14/1437,05 = 0,00079 м³/с

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

где -вязкости четыреххлористого углерода и толуола соответственно.

Паросодержаниебарботажного слоя ε находим по формуле

где

Для верхней части колонны

Для нижней части колонны

2.4 Расчёт коэффициентов массопередачи и высоты колонны.

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

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.

Сероуглерод Четыреххлористый углерод

А = 1 В = 1

Υ_cs2= 65,48 см³/моль υ_ccl4= 144 см³/моль

Тогда коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20˚С равен:

Температурный коэффициент b определяют по формуле

Здесь μ_хи ρ_хпринимаются при температуре 20˚С. Тогда

Отсюда

м²/с

Аналогично для нижней части колонны находим:

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:

где μ_м и μ_в – вязкость паров четыреххлористого углерода и толуола 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 жидкостиx_Wиx_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:

Общее число единиц переноса на тарелку n_oy находим по уравнению:

Локальная эффективность:

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

Фактор массопередачи:

Фактор скорости:Доля байпасирующей жидкости для кольпачковых тарелок θ = 0,1.

Для кольпачковых тарелок в колоннах диаметром более 600мм 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_Tк 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:

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.

(для диаметра 800мм)

Подставляя вычисленные ранее значения, определяем КПД по МерфиE_My:

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:

.

x=0,84: y_k=0,88+0,349(0,922-0,88)=0,895

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	0.06	0.2	0.34	0,42	0.58		0.68	0.84
m	2.4	1,4	1,1	0,7	0,5		0,65	0,55
Kyf	0,0173	0,0177	0,0178	0,0179	0,0128		0,0116	0,0124
noy	0,668	0,684	0,687	1,192	0,482		0,482	0,467
Ey	0,487	0,496	0,497	0,698	0,383		0,354	0,373
B	0,951	0,604	0,496	0,449	0,459		0,514	0,479
	0,534	0,528	0,523	0,732	0,402		0,373	0,392
	0,484	0,498	0,5	0,703	0,389		0,358	0,378
EMy	0,461	0,473	0,475	0,655	0,358		0,332	0,349
yk	0,111	0,333	0,53	0,628	0,773		0,793	0,895

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_Dдо x_Fопределяем число действительных тарелок N_В для верхней (укрепляющей) части и в интервалах от x_Fдо x_W- число действительных тарелок N_H для нижней (исчерпывающей) части колонны. Общее число действительных тарелок Nравно:

N= N_B + N_H = 18 + 11.6 = 29.6 тарелок

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле

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=(29.6-1)·0.5+1+2=17.3м