56
3.3.2 Анализ режимов работы ректификационной колонны
Составляя материальный баланс верхней и нижней тарелки ректификационной колонны, можно доказать, что линии рабочих концентраций верхней (укрепляющей) MF и нижней (исчерпывающей) FW частей колонны – прямые (рисунок 3.3).
Катеты каждого прямоугольного треугольника, построенные на диаграмме равновесия для определения теоретического числа тарелок, характеризуют изменение концентрации фаз на одной тарелке n (счет тарелок ведется снизу
вверх): |
|
|
|
− |
молярная доля летучего компонента в парах yn |
увеличивается |
|
|
yn = yn −1 |
+ ∆ yn ; |
(3.28) |
− |
молярная доля летучего компонента в жидкости xn снижается |
||
|
xn = xn +1 |
− ∆ xn . |
(3.29) |
Положение рабочих линий (рисунок 3.3) зависит не только от концентрации кубового остатка xw и готового продукта xd, но и от ра схода флегмы в колонну, т.е. от флегмового числа R. Возможны два предельных случая работы колонны:
1 – точка F находится на диагонали, т.е. рабочие линии совпадают с диагона-
лью. Отрезок ON = |
xd |
|
= 0 (формула (3.23)), значит R → ∞. В этом случае по |
|
R + 1 |
||||
|
|
|||
определению флегмового числа колонна работает сама на себя (отбора готового продукта не осуществляется). Такой режим используется при запуске колонны в работу.
2 – точка F находится на линии равновесия, т.е. движущая сила массооб-
менного процесса y f − y f = 0 , значит, необходима бесконечно большая по-
верхность контакта жидкой и паровой фаз. Нулевой градиент концентраций приводит к прекращению массообменного процесса. В этом случае флегмовое
57 |
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
d |
− y |
||
число имеет минимальное значение R |
= |
|
|
f |
(формула (3.20)). Рабочее |
|
|
|
|
|
|||
min |
|
y |
|
− x |
f |
|
|
|
|
f |
|
||
(действительное) флегмовое число принимается больше теоретического (фор-
мулы (3.21) и (3.22)).
От значения флегмового числа R, т.е. от расхода флегмы в колонну, зависят капитальные и эксплуатационные расходы на ректификацию (рисунок 3.5).
Эксплуатационные расходы (линия 1) пря- |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|||||
мо пропорциональны R и определяются |
руб |
|
|
|
|
|||
расходом теплоносителя (греющего пара) на |
год |
|
|
3 |
||||
испарение жидкости в кубе-испарителе. Ка- |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||||
питальные затраты (кривая 2) в зависимости |
|
|
|
|
2 |
|||
от R имеют |
минимум, |
соответствующий |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||||
минимальному рабочему объему колонны. |
|
|
|
|
1 |
|||
Суммарные (приведенные) затраты в зави- |
|
|
|
Rопт |
R |
|||
Rмин |
||||||||
симости от |
значения |
флегмового числа |
||||||
|
|
|
|
|
||||
(кривая 3) также будут иметь минимум, который в общем случае не совпадает с минимумом капитальных затрат.
Выбор оптимального варианта ректификационной установки рассмотрен в главе III данного учебно – методического комплекса.
3.3.3 Определение основных геометрических размеров ректификационной колонны
К основным размерам колонны относят ее диаметр и высоту рабочей части. При подборе диаметра должны быть удовлетворены следующие условия:
−скорости фаз должны быть меньше скоростей, при которых наступает захлёбывание колонны;
58
−гидродинамические условия в колонне должны быть такими, чтобы ее массообменная эффективность была близка к оптимальной;
−диаметры колонн должны удовлетворять требованиям существующих стан-
дартов.
Диаметр тарельчатой ректификационной колонны можно определить из уравнения неразрывности, представленного для потока паров, подымающихся по колонне снизу вверх:
D = |
|
|
V |
|
, м, |
(3.30) |
|
0,785 w |
|
||||||
|
|
|
п |
|
|
|
|
где V - объемный расход паров, движущихся по колонне, м3/с; |
|
||||||
V = |
Gd (R +1) |
; |
(3.31) |
||||
|
|||||||
|
|
|
ρп |
|
|
|
|
здесь ρп - плотность паров (при средней концентрации в колонне), кг/м3; wп - скорость паров, отнесенная к полному поперечному сечению колон-
ны, м/с, можно рассчитать по корреляционному соотношению
w |
=С |
|
ρж −ρп |
|
, |
(3.32) |
|
||||||
п |
|
|
ρп |
|
||
|
|
|
|
|||
С
0,10 |
В |
0,08 |
|
0,06 |
Б |
|
0,04
0,02 А
100 |
300 |
500 |
700 |
|
|
|
h, мм |
Рисунок 3.6 – Значение коэффициента С в формуле (3.32)
А, Б – колпачковые тарелки; В – ситчатые тарелки
где ρж и ρп - плотность жидкости и пара по средней концентрации в колонне, кг/м3; С - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок (колпачковые, ситчатые), расстояния между ними h, давления в колонне, определяется по графику, представленному на рисунке 3.6.
ρж и ρп – плотность жидкости и паров можно определить при средней концентрации жидкости питания аf по формуле:
59
ρ |
ж |
= ρ |
f |
= ρ |
a f |
+ ρ |
100 − a f |
, |
(3.33) |
|
100 |
||||||||
|
|
a 100 |
b |
|
|
||||
здесь ρa и ρb – плотность жидких летучего и нелетучего компонентов смеси при температуре tf (табл. III [7]); tf – температура кипения смеси при концентрации xf .
ρп |
= |
μср 273 |
|
|
, |
(3.34) |
||
|
|
273 + t |
|
|
||||
|
22,4 |
|
f |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
здесь μср – средняя молярная масса при концентрации в парах летучего y |
|||
|
|
|
f |
μср |
= μа yf |
+ μb (1 − yf ), |
(3.35) |
где μа и μb – молярная |
масса |
летучего и нелетучего |
компонентов |
(табл. XL [7]). |
|
|
|
Существует и другой вариант определения скорости паров. Скорость дви- |
|||
жения паров должна обеспечивать наиболее оптимальные условия процессов, происходящих на контактных устройствах. Она находится в диапазоне wп = 0,3...3,0 м/ с. Допустимая скорость паров может быть определена по графи-
ку (рисунок 3.7) [2].
Плотность, кг/м3
Рисунок 3.7 – График для определения допустимой скорости пара
60
Скорость определяется расстоянием между тарелками h , которое зависит от диаметра колонны и принимается из ряда 200; 250; 300; 350; 400; 450 и т.д.
до 900 мм. |
|
Рабочая скорость паров ωр = (0,8...0,9)ωпр |
(3.36) |
Определив диаметр колонны по формуле (3.30), необходимо выбрать
стандартный диаметр из типоразмерного ряда: 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1400 и т.д. через 200 мм до 4000 мм.
Определение высоты колонны
Общая высота колонны
H = Hт + Hсеп + Hкуб , |
(3.37) |
где Hт , Hсеп и Hкуб - высота тарельчатой части колонны, сепарационного
пространства над верхней тарелкой и куба-испарителя, соответственно. |
|
Высота тарельчатой части колонны |
|
Hт = h (nд −1), |
(3.38) |
здесь nд - действительное число тарелок; h - расстояние между тарелками.
Минимальное расстояние между тарелками определяется из такого расчета, чтобы давление столба жидкости в переливной трубе было несколько больше гидравлического сопротивления тарелки.
Расстояние между тарелками должно отвечать неравенству:
h >0,19 |
∆р |
, |
(3.39) |
|
|||
|
ρж |
|
|
где ∆р - гидравлическое сопротивление тарелки, МПа; |
ρж - плотность |
||
жидкости, кг/м3.
Во избежание уноса жидкости в виде брызг расстояние между тарелками нужно брать тем больше, чем выше скорость пара. Но с увеличением расстоя-