6. Визначаємо середні масові потоки пари у верхній Gв (кг/с) і нижній Gн (кг/с) частинах колони

Середні мольні концентрації парів у верхній і нижній частинах колонита їх температури (по t – х – у діаграмі)

у_{с. в} = (у_D + у_F)/2 = (0,974 + 0,559)/2 = 0,776;

у_{с. н} = (у_F + у_W)/2 = (0,559 + 0,0085)/2 = 0,284

де у_F = = 0,559.

t_с.в. = 73,3⁰С; t_с.н. = 91,8⁰С.

Середні мольні маси парів у верхній і нижній частинах колони:

= М_Ау_{с. в} + М_В(1 - у_{с. в}) = 32·0,776 + 18(1-0,776) = 28,86 кг/кмоль;

= М_Ау_{с. н} + М_В(1 – у_{с. н}) = 32·0,284 + 18(1 – 0,284) = 21,97 кг/кмоль.

Середні масові потоки пари:

G_в = G_D(R + 1) = 0,552(1,45 +1)·28,86/32 = 1,22 кг/с.

G_н = G_D(R + 1) /М_D = 0,552(1,45 + 1)21,97/32 = 0,93 кг/с.

7. Визначення швидкості пари і діаметра колони

Попередньо находимо густини рідини ρ_{х в}, ρ_{х н} і пари ρ_{у в}, ρ_{у н} у верхній і нижній частинах колони при середніх температурах в них t_в і t_н. Середні температури парів визначаємо по діаграмі t – х, у (рис. 2) по середнім складам фаз: t_в = 73,27⁰С; t_н = 92⁰С.

ρ_{у в} = ρ_{у н} =

ρ_ув = = 1,016 кг/м³;

ρ_ун = = 0,73 кг/м³.

Об’ємна витрата пари у верхній і нижній частинах колони:

V_в = G_в/ρ_ув = 1,22/1,016 = 1,2 м³/с;

V_н = G_н/ρ_ун = 0,93/0,73 = 1,27 м³/с.

Температури вихідної суміші t_F = 79⁰С; дистиляту t_D = 65⁰С; кубового залишку t_W =98,7⁰С

Густини компонентів за цих температур, кг/м³

	650С	790С	98,70С
метанол	760	736	716
вода	980,5	972	960

Густина рідини:

=909,1 кг/м³;

==769,2 кг/м³;

==1000 кг/м³.

Середня густина рідини у верхній і нижній частинах колони:

ρ_хв = (ρ_хF + ρ_хD)/2 = (909,1 + 769,2)/2 = 837,6 кг/м³;

ρ_хн = (ρ_хW + ρ_хF)/2 = (1000 + 909,1)/2 = 954,5 кг/м³.

Середня густина рідини в колоні:

ρ_х = (837,6 + 954,5)/2 = 896 кг/м³.

За рівнянням (5.60) гранична швидкість пари для сітчастої тарілки:

У верхній частині колони -

υ_грв = 0,05 .= 0,05(837,6/1,016)^0,5 = 1,4 м/с.

Приймаємо робочу швидкість на 10% менше:

υ_в = 1,29 м/с.

У нижній частині колони –

υ_грн = 0,05 = 0,05(954,5/0,73)^0,5 – 1,8 м/с.

Приймаємо робочу швидкість на 10% менше:

υ_н = 1,62 м/с.

Визначаємо діаметр колони з рівняння об’ємних витрат:

Верхньої частини:

D = = 1,09 м.

Нижньої частини:

D = = 0,999 м.

Приймаємо стандартний діаметр обох частин D = 1 м.

8. Вибір типу і виконання тарілки

З додатку 5.1 вибираємо сітчасту тарілку ТС з характеристиками:

діаметр отворів d_о = 3 мм; робоче січення F = 0,713 м²; крок між отворами t = 10 мм; відносне вільне січення тарілки F_в = 8%; січення переливу F_пер= 0,036м² ; периметр зливу L_з= 0,8 м.

Визначаємо швидкість пари в отворах тарілки:

У верхній частині:

υ_0в = V_в / S_вс = 1,2/0,057 = 21,5 м/с.

У нижній частині:

υ_0н = V_н / S_вс = 1,27/0,057 = 22,3 м/с.

де S_вс – вільне січення тарілки; S_вс = F·F_в = 0,713·0,08 = 0,057 м².

Розраховуємо висоту шару рідини на тарілці за рівнянням (5.64):

h₀ = 0,787q^0,2,

де показник степені m = 0,05 – 4,6 h_пер; у наведеній залежності µ_х – у мПа٠с; σ_х, σ_в – поверхневий натяг рідини і води відповідно в мН/м. h_пер – висота переливної перегородки, м (приймається в межах 30 – 50 мм); q – лінійна густина зрошування, м³/(м٠с), яка дорівнює q = Q/L_з; Q – об’ємні витрати рідини, м³/с; L_з – периметр зливу (ширина переливної перегородки),м; w – швидкість пари, віднесена до робочої площі тарілки, м/с.

Приймемо висоту переливної перегородки h_пер = 40 мм.

Висоту шару рідини розраховуємо для верхньої і нижньої частин колони.

Необхідні данні й проміжні розрахунки:

Середня густина суміші ρ_хв = 837,6 кг/м³; ρ_хн = 954,5 кг/м³.

Об’ємна витрата рідини у верхній і нижній частинах колони:

Q_в = L_в/ρ_хв = 0,667/837,6 = 8·10^-4м³/с.

Q_н = L_н/ρ_хн = 1,77/954,5 = 1,9·10^-3 м³/с.

Лінійна густина зрошування:

q_в = 8·10^-4/0,8 = 1·10^-3 м³/(м·с).

q_н = 1,9·10^-3/0,8 = 2,4·10^-3 м³/(м·с).

Швидкість пари, віднесена до робочої площі тарілки:

w_в = V_в/F = 1,2/0,713 = 1,68 м/с.

w_н = V_н/F = 1,27/0,713 = 1,78 м/с.

Величина "m": m = = 0,05 – 4,6·0,04 = -0,134.

Для визначення в’язкості рідини знайдемо за t – х –у діаграмою середню температуру у верхній частині колони при середній мольній концентрації пари у_св= 0,776 кмоль/(кмоль суміші) --- t_в = 73⁰С; аналогічно для нижньої частини при у_сн = 0,284------t_н = 91,8⁰С.

При температурі 73⁰С в’язкість спирту [3, рис. V] µ_сп = 0,3 мПа·с; води

µ_в = 0,39 мПа·с. Аналогічно при 91,8⁰С : µ_сп = 0,24 мПа·с; µ_в = 0,27 мПа·с.

Поверхневий натяг спирту і води при 73⁰С [3]: σ_сп = 18,2·10^-3 Н/м;

σ_в = 63,8·10^-3 Н/м. При температурі 91,8⁰С σ_сп = 16,48·10^-3 Н/м; σ_в=60,4·10^-3 Н/м

В’язкість рідкої суміші у верхній частині із залежності [3]:

µ_cв = = 0,3^0,62 ·0,39^(1-0,62) = 0,33 мПа·с.

В’язкість у нижній частині:

= 0,24^0,14·0,27^(1-0,14) = 0,265 мПа·с.

Висота шару рідини на тарілці у верхній частині колони:

h_0В = 0,787·(10^-3)^0,2·0,04^0,56·1,68^-0,134[1-0,31ехр(-0,11·0,33)]·(18,2/63,8)^0,09.

h_0В = 0,019 м.

Висота шару рідини на тарілці у нижній частині:

h_0Н = 0,787·(2,4·10^-3)^0,2·0,04^0,56·1,78^-0,134[1-0,31ехр(-0,11·0,265)]·(16,48/60,4)^0,09

h_0Н = 0,022 м.

Мінімальна швидкість пари в отворах тарілки за рівнянням (5.63):

- у верхній частині колони

υ_{0В min} = = = 0,49 м/с

• аналогічно у нижній частині

• υ_0Н = 0,67 м/с.

де ξ = 1,82 – коефіцієнт гідравлічного опору сухої тарілки.

Таким чином, швидкість пари в отворах тарілки більше мінімальної.