лист 1

Технологический расчет

Расчет тарельчатой ректификационной колонны

Материальный баланс колонны.

Расчет материальных потоков в колонне проводится на основании уравнений материального баланса. Уравнения материального баланса колонны:

где:

F–расход исходной смеси 1,111 кг/c;

W–расход кубового остатка, кг/c;

P–расход дистиллята, кг/c;

х_F –концентрация легколетучего компонента в исходной смеси;

x_W–концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке;

x_P–концентрация легколетучего компонента в дистилляте;

Решая систему этих уравнений, находим расход кубового остатка и дистиллята:

Пересчет концентраций

Для расчетов по диаграмме У–Х необходимо перейти от массовых концентраций к мольным:

где х_W, x_F, x_P–массовые концентрации низкокипящего компонента в кубовом остатке, питании, дистилляте соответственно; М_м, М_в–молекулярные массы низкокипящего и высококипящего компонентов.

Расчет минимального флегмового числа

Определяем по диаграмме У–Х состав пара, равновесного к составу жидкости в исходной смеси:

Рассчитываем R_min в соответствии с формулой:

Расчет условно–оптимального флегмового числа

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости (и основные геометрические размеры) определяются рабочим флегмовым числом, найдем условно–оптимальное флегмовое число исходя из минимального объема ректификационной колонны по минимальному значению произведения N×(R+1), путем построения графика N(R+1) от R.

Для этого:

Рассчитываем флегмовые числа по уравнению:с различными значениями b, где b–коэффициент избытка флегмы.

Строим на диаграмме У–Х рабочие линии соответствующие рассчитанным флегмовым числам, вырисовываем ступени между рабочей и равновесной линиями. Считаем теоретические ступени и результаты расчетов сводим в таблицу:

Далее строим график зависимости N(R+1) от R из которого определяем условно–оптимальное флегмовое число: R_опт=1,155

лист 2

Расчет скорости пара и диаметра колонны

Диаметр колонны находим из уравнения расхода: где:

Q–объемный расход пара в колонне, м³/с;

G–массовый расход пара в колонне, кг/с;

D–диаметр колонны, м²;

W–скорость пара в сечении колонны, м/с;

r_y–плотность пара, кг/м³.

Свойства пара в верхней и в нижней части колонны будут различны, для учета этого факта расчет свойств жидкости и пара, а также основных геометрических размеров колонны будем проводить отдельно для обеих частей колонны.

Средний мольный состав жидкости в верхней и нижней части колонны:

Средняя молекулярная масса жидкости в верхней и нижней части колонны:

Молекулярная масса исходной смеси:

М_F=32×0,217+18×(1–0,217)=21,04 кг/кмоль;

Молекулярная масса дистиллята:

М_P=32×0,882+18×(1–0,882)=30,35 кг/кмоль;

Средние массовые расходы жидкости в верхней и нижней частях колонны:

Средний мольный состав пара в верхней и нижней части колонны:

y_ср.в=(y_P+y_F)/2=70,4%;

y_ср.н=(y_F+y_w)/2=26,3%;

Средние мольные массы пара в верхней и нижней частях колонны:

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны:

В качестве контактных элементов используются ситчатые тарелки.

Рабочую скорость пара в интервале устойчивой работы ситчатых тарелок ректификационной колонны, можно определить из уравнения:

Р асчет скорости пара и диаметра в верхней части колонны:

Плотность паров:

Средний массовый состав жидкости:

Плотность жидкости:

Из уравнения расхода определяем диаметр верхней части колонны:

Расчет скорости пара и диаметра в нижней части колонны:

Плотность паров:

Средний массовый состав жидкости:

Плотность жидкости:

Д иаметр нижней части колонны:

Таким образом рассчитанные диаметры верхней и нижней части колонн близки по величине, поэтому можно использовать колонну со стандартным внутренним диаметром: D=1000 мм.

Пересчитаем скорость в верхней и нижней частях колонны на реальный диаметр:

Техническая характеристика ситчатой тарелки типа ТС

Диаметр тарелки, мм	1000
Диаметр отверстий, мм	8
Шаг между отверстиями, мм	16
Относительное свободное сечение тарелки, %	13,6
Высота переливного порога, мм	30
Периметр слива, м	0,8
Рабочее сечение тарелки, м2	0,713
Масса тарелки, кг	41,5

Определение числа тарелок и высоты колонны

Для определения высоты колонны необходимо знать число действительных тарелок. Число тарелок рассчитывается графоаналитическим методом – построением кинетической линии при помощи КПД по Мэрфри, рассчитанным через числа единиц переноса. КПД по Мэрфри равен: [1, c.104, 3–46]

Для модели идеального смешения для жидкой фазы и идеального вытеснения для газовой фазы КПД по Мэрфри может быть рассчитан по уравнению:

[1, стр.239, 6–34]

где – общее число единиц переноса. [1, cтр.239, 6–35]

Коэффициент массопередачи, отнесенный к единице рабочей площади тарелки, K_YF определяется по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

, [1, стр.239, 6–36]

где b_XF и b_YF – коэффициенты массоотдачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки, соответственно для жидкой и паровой фаз.

[1, стр.206, 5–40, 5–41]

U – плотность орошения, м³/(м²×с);

e – газосодержание барботажного слоя, м³/м³;

D_X, D_Y – коэффициенты молекулярной диффузии распределяемого компонента соответственно в жидкости и паре, м²/с;

h₀ – высота светлого слоя жидкости на тарелке, которая определяется из соотношения: [1, стр.207, 5–42]

h_п – высота газожидкостного барботажного слоя (пены) на тарелке, м.

Расчет высоты светлого слоя жидкости в верхней части колонны

В ысоту светлого слоя жидкости для ситчатых тарелок определяют из уравнения:

Удельный расход жидкости на 1 м ширины сливной перегородки:

П лотность орошения U для ситчатых тарелок:

Скорость жидкости на тарелке:

q=0,384/(814,60,8)=0,5910^-3 м²/с;

w_Т=1,121 м/с;

m=0,05-4,6h_пер= -0,088

h₀=0,0173 м;

Паросодержание барботажного слоя:

Fr – критерий Фруда;

F r=7,40;

Расчет высоты светлого слоя жидкости в нижней части колонны

q=1,323/(917,10,8)=1,8010^-3 м²/с;

w_Т=1,173 м/с;

m=0,05-4,6h_пер= -0,088

h₀=0,0214 м;

Fr=6,55;

Расчет коэффициента диффузии распределяемого компонента в паре в верхней и нижней частях колонны.

Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению:

где:

M_мет , М_Н2О – молярные массы соответственно метанола и воды;

Р–абсолютное давление в колонне, Па;

Т–средняя температура в соответствующей части колонны, К;

v_мет,v_Н2О – мольные объемы компонентов в жидком состоянии при нормальной температуре кипения (v_мет=41,5, v_Н2О=28,2), см³/моль.

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны: