7 Определение диаметра колонны и расстояния между тарелками
Диаметр ректификационной колонны рассчитывается по максимально допустимой скорости паров в сечении колонны и объемному расходу паров в данном сечении колонны [1, с. 178]:
,
(43)
где D – диаметр колонны, м;
V – объемный расход пара, м3/с;
–максимальная
скорость паров, м/с.
Максимальная скорость паров находится по формуле Саудерса-Брауна [1, с 179]:
(44)
где 
плотность
жидкости, кг/м3;
плотность
пара, кг/м3;
Cmax – коэффициент, определяемый по формуле [1, с 179]:
(45)
где
коэффициенты,
зависящие от типа контактных устройств;
коэффициент,
зависящий от расстояния между контактными
устройствами;
λ – коэффициент, определяемый по формуле [1, с 179]:Если λ получилась меньше, чем 10, то λ=10. Если λ > 65 ,то увеличивают поточность тарелки.
(46)
где
жидкостная
нагрузка, м3/ч;
число
потоков на ступенях контакта;
V – расход пара, м3/с;
к 1 – коэффициент, зависящий от типа контактного устройства;
коэффициент,
зависящий от расстояния между тарелками;
плотность
жидкости, кг/м3;
плотность
пара, кг/м3.
Плотность пара рассчитывается по формуле [4, с. 13]:
(47)
где 
среднее
давление в колонне, Па;
температура
в колонне, °С;
средняя
молекулярная масса смеси, кг/кмоль,
рассчитывается по формуле [4, с. 283]:
, (48)
где
– молекулярная массаi-го
компонента в смеси, кг/кмоль;
–содержание i-го
компонента в смеси, мол. доля.
Объемные расходы пара рассчитывается по формуле:
для укрепляющей части:
, (49)
для исчерпывающей части:
(50)
где 
количество
тепла, поступающее в колонну из
кипятильника, Вт;
удельная теплота
парообразования смеси в кубе колонны,
кДж/кг;
расход
паров, кг/ч;
плотность
пара, кг/м3.
Жидкостная нагрузка рассчитывается по формуле:
для укрепляющей части:
, (51)
для исчерпывающей части:
, (52)
где
−
жидкостная нагрузка, м3/ч;
расход питания,
кг/ч;
расход
флегмы, кг/ч;
плотность
жидкости в укрепляющей и исчерпывающей
части колонны соответственно, кг/м3.
Средняя молекулярная масса смеси по формуле (48) равна:
|
|
кг/кмоль |
|
|
кг/кмоль |
|
|
|
Плотность пара по формуле (47) равна:
кг/м3.
кг/м3.
Объемный расход пара рассчитывается по формуле (49) для укрепляющей части колонны и по формуле (50) для исчерпывающей части колонны:
м3/с
м3/с.
Для расчета жидкостной нагрузки необходима плотность жидкой смеси вверху и внизу колонны.
В таблице 21 представлены литературные значения плотности для всех компонентов смеси, в зависимости от температуры [8, c. 254, c. 261, c. 336, c. 317, c. 249]
Средствами MS Excel графическим методом с помощью меню «Добавить линию тренда», «Параметры», «Уравнение аппроксимации» получены уравнения аппроксимации литературных данных плотности веществ. Уравнения аппроксимации и коэффициент корреляции представлены в таблице 22.
Таблица 21 – Литературные значения плотности компонентов смеси в зависимости от температуры
|
Температура, °С |
Плотность н-бутана, кг/м3 |
Плотность изопентана, кг/м3 |
Плотность н-пентана, кг/м3 |
Плотность н-гексана, кг/м3 |
Плотность н-гептана, кг/м3 |
|
-40 |
641,50 |
677,40 |
682,50 |
711,50 |
733,50 |
|
-30 |
631,70 |
668,00 |
673,40 |
703,10 |
725,40 |
|
-20 |
621,80 |
658,50 |
664,30 |
694,60 |
717,20 |
|
-10 |
611,50 |
648,90 |
655,00 |
686,00 |
709,00 |
|
0 |
601,00 |
639,20 |
645,50 |
677,20 |
700,70 |
|
10 |
590,20 |
629,40 |
636,00 |
668,40 |
692,30 |
|
20 |
578,90 |
619,60 |
626,20 |
659,40 |
683,80 |
|
25 |
573,20 |
614,60 |
616,30 |
650,20 |
675,20 |
|
30 |
567,30 |
609,20 |
606,20 |
640,90 |
666,40 |
|
40 |
555,20 |
598,80 |
595,90 |
631,50 |
657,60 |
|
50 |
542,60 |
588,10 |
682,50 |
711,50 |
733,50 |
|
60 |
− |
576,90 |
− |
- |
− |
|
70 |
− |
565,60 |
− |
− |
− |
|
80 |
− |
554,00 |
− |
− |
− |
|
90 |
− |
541,30 |
− |
− |
− |
Таблица 22 – Уравнения аппроксимации литературных данных с помощью инструментов MS Excel «Встроенные функции»
|
Компонент |
Уравнение аппроксимации |
Коэффициент корреляции |
|
н-бутан |
|
1,0000 |
|
изопентан |
|
0,9940 |
|
н-пентан |
|
1,0000 |
|
н-гексан |
|
1,0000 |
|
н-гептан |
|
1,0000 |
Здесь y − плотность, кг/м³;
x − температура, °С.
Плотность смеси рассчитывается по уравнению:
(53)
где, ρсм – плотность смеси, кг/м3;
ρi – плотность i – того компонента смеси, кг/м3;
x’i – содержание i – того компонента в смеси, объемная доля.
Плотность в укрепляющей части колонны рассчитывается при температуре равной 46,26 °С. Плотность в исчерпывающей части колонны рассчитывается при температуре равной 83,13 °С.
Результаты расчета представлены в таблице 23.
Таблица 23 – Плотность компонентов и смеси при температурах укрепляющей и исчерпывающей части колонны
|
Компонент |
Плотность в укрепляющей части колонны, кг/м3 |
Плотность в исчерпывающей части колонны, кг/м3 |
|
н-бутан |
547,413 |
499,129 |
|
изопентан |
591,976 |
522,818 |
|
н-пентан |
599,941 |
561,868 |
|
н-гексан |
635,193 |
600,233 |
|
н-гептан |
660,964 |
628,136 |
Жидкостная нагрузка рассчитывается по формуле (51) для укрепляющей части колонны и по формуле (52) для исчерпывающей части колонны:
м³/с,
м3/с.
Для клапанной однопоточной тарелки: К1 = 1,15; С2 = 4. Расстояние между тарелками принимаем 600 мм, С1 = 500 [1, c. 179].
Коэффициент λ по формуле (46) равен:
,
.
Коэффициент
по формуле (45) равен:
,
.
Максимальная скорость паров по формуле (44) равна:
м/с,
м/с.
Диаметр колонны по формуле (43) равен:
м,
м.
Из ряда стандартных диаметров колонн [1, с. 178] выбирается диаметр для укрепляющей и исчерпывающей части диаметр равный 1,6 м.