Глава 2. Расчёт параметров насадочной колонны

2.1 Гидравлический расчёт

В насадочных колоннах при противотоке пара и жидкости в зависимости от скоростей потоков наблюдаются три различных гидродинамических режима: плёночный, подвисания и эмульгирования. Предпочтительно работать в плёночном режиме или в начале режима подвисания (иначе возможна вероятность захлёбывания колонны). Методика расчёта насадочной колонны представлена в литературе [1].

При проектировании насадочных колонн обычно используют несколько способов для определения рабочей скорости пара.

Зависимость, обобщающая многочисленные экспериментальные данные для ректификации по определению критических (переходных) точек (подвисания), имеет следующий вид [1, с. 6]:

, (2.1.1)

где – предельная скорость пара в критических точках,;

–удельная поверхность насадки, , определяемые по таблице характеристики насыпных насадок из колец, сёдел и кускового материала (ГОСТ 17612-83) [1, с. 27];

–свободный объём насадки, , определяемый по таблице характеристики насыпных насадок из колец, сёдел и кускового материала (ГОСТ 17612-83) [1, с. 27];

–динамический коэффициент вязкости жидкости, (см. уравнение(1.3.6));

и – массовые расходы жидкой и паровой фаз,(см. уравнения(1.3.11), (1.3.19);

–плотность пара и жидкости соответственно, (см. уравнения(1.3.16), (1.3.5);

и – коэффициенты, значения которых приведены в литературе [1, с. 7].

Расчёт следует вести отдельно для верха и для низа колонны.

Выберем в качестве насадки керамические седла Берля 38 мм.

для верха колонны:

для низа колонны:

Рабочая скорость пара рассчитывается по соотношению:

, (2.1.2)

где – коэффициент, зависящий от проводимого процесса и режима работы насадочной колонны [1, с. 7].

Для определения диаметра колонны используют формулу:

, (2.1.3)

где – объёмный расход пара при рабочих условиях в колонне,.

Подбираем по расчётной величине стандартный аппарат [1, с. 8]: выбираем стандартный аппарат с диаметромдля верхней и нижней частей колонны. Уточним рабочую скорость пара:

(2.1.4)

Уточнённую рабочую скорость пара проверяют по графической зависимости Эдулджи [1, с. 9], где комплексыиимеют следующий вид:

(2.1.5)

(2.1.6)

Здесь входящий в комплекс критерий Фрударассчитывается по номинальному размеру насадки(за номинальный диаметрдля седел Берля можно принять соответствующий условный размер насадки):

(2.1.7)

Критерий Рейнольдса (условный) также рассчитывается по номинальному размеру:

(2.1.8)

–динамический коэффициент вязкости жидкости, (см. уравнение(1.3.6));

–плотность воды при [5, с. 4];

–плотность орошаемой жидкости при температуре пара в колонне, (см. уравнение(1.3.5));

–плотность пара при температуре пара в колонне, (см. уравнение(1.3.16));

–плотность воздуха при ;

[6, с. 13]

и – объёмные расходы жидкости и пара,(см. уравнения(1.3.13), (1.3.20);

для седел Берля.

Точки идля выбранной насадки лежат на графике Эдулджи [1, с. 9] ниже линии захлёбывания, приблизительно попадая в требуемый режим (плёночный – начало подвисания).

По графику Эдулджи также определяют гидравлическое сопротивление 1 м насадки. При данных параметрах для верха колонны идля низа колонны, что является больше рекомендованных значений для процесса ректификации в колоннах, работающих при атмосферном или повышенном давлении –[1, с. 10]. Для решения данной проблемы увеличим диаметр аппарата дои пересчитаем некоторые параметры.

Уточним рабочую скорость пара:

Уточним критерий Фруда:

Уточним условный критерий Рейнольдса:

Уточним комплекс :

При данных параметрах для верха и низа колонны, что попадает в диапазон рекомендованных значений для процесса ректификации в колоннах, работающих при атмосферном или повышенном давлении –[1, с. 10].

Плотность орошения определяют по формуле:

, (2.1.9)

где – плотность орошения,;

–объёмный расход жидкости, ;

–площадь поперечного сечения колонны, .

Плотность орошения в верхней и нижней частях колонны попадает в рекомендуемый диапазон [1, с. 9].

Определим сопротивление сухой насадки по уравнению [1, с. 10]:

, (2.1.10)

где – скорость пара в свободном сечении насадки (действительная),;

–эквивалентный диаметр насадки [1, с. 27];

–высота слоя;

–коэффициент сопротивления.

Коэффициент сопротивления зависит от режима движения пара. Для седел при :

, (2.1.11)

где .

Выберем для дальнейших расчётов наибольшее из полученных значений (полученное из графика Эдулджи) .

При нагрузках ректификационной насадочной колонны ниже точки подвисания в большинстве случаев не вся поверхность насадки смочена жидкостью и не вся смоченная поверхность активна для процесса массопереноса. Доля активной поверхности насадки, участвующей в процессе массопереноса, определяется по соотношению [1, с. 11]:

, (2.1.12)

где – поверхность орошения,;

–удельная поверхность насадки, ;

и – постоянные, зависящие от типа и размера насадки [1, с. 11].

Для седел Берля значения коэффициентов ив использованной литературе отсутствуют. Долю активной поверхности насадки определим из значения коэффициента, полученного из графической зависимости [1, с. 12].

Долю смоченной поверхности насадки определим по уравнению [1, с. 11]:

, (2.1.13)

где ,(2.1.14)

–критерий Рейнольдса для жидкости. (2.1.15)

Значения постоянных иприведены в литературе 1 [1, с. 12]:

При проектировании были соблюдены минимально допустимые значения для седел Берля 38 мм () [1, с. 13].

Активная поверхность насадок определяется по соотношению [1, с. 13]:

(2.1.16)

При расчете были соблюдены минимальные допустимые значения для нижней части колонны. Так как для верхней части колонны выполняется условие для гидравлического сопротивления1м насадки, то принимаем, что колонна будет работать с рассчитанными параметрами насадок.

2.2 Расчёт высоты колонны

Расчёт высоты насадки будем осуществлять через число теоретических ступеней и высоту насадки, эквивалентную одной ступени:

(2.2.1)

Число теоретических ступеней определим графическим построением:

Высоту насадки, эквивалентную одной ступени, рассчитаем по формуле [1, с. 21]:

, (2.2.2)

где – коэффициенты;

–рабочая скорость пара, ;

–фактор разделения;

–тангенс угла наклона касательной к равновесной линии , записанной в мольных долях;

и – мольные расходы по пару и жидкости,.

При ректификации для верхней части колонны , для нижней части колонны.

Значения коэффициентов для ректификации [1, с. 24]:

(см. рис. 1)

В реальных насадочных колоннах движение фаз отклоняется от идеального вытеснения из-за перемешивания фаз по высоте аппарата и других причин, что уменьшает движущую силу массопередачи. На практике этот эффект учитывают приближенно, увеличивая высоту насадки против рассчитанного значения при идеальном противотоке в 1,2 – 1,3 раза [1, с. 24].

Общую высоту колонны определяют по формуле [1, с. 24]:

, (2.2.3)

где – высота насадки одной секции,;

–число секций ;

–высота промежутков между секциями, ;

и – соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой,.

Для колонны диаметром 1,2 – 2,2 и, величинапри проектировании. Для стандартных насадочных аппаратов число слоев (секций) насадки равно трем, а общая высота аппарата с насыпной насадкой не должна превышать[1, с. 24].

Гидравлическое сопротивление насадки рассчитаем по уравнению [1, с. 25]:

(2.2.4)

В данном части курсового проекта в результате проведенных инженерных расчетов была подобрана ректификационная установка для разделения бинарной смеси ацетон – метиловый спирт с насадочной ректификационной колонной диаметром , высотой, в которой применяется насадка седла Берля38 мм.